某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究

定培中，严敏，常敬雄

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010；

2.青海引大济湟水电建设责任有限公司，青海西宁810001）

某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究

定培中1，严敏1，常敬雄2

（1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉430010；

2.青海引大济湟水电建设责任有限公司，青海西宁810001）

某在建面板堆石坝拟将现场开挖获得的砂砾石料筛除300 mm以上粒径组后作为上坝过渡料，筛除100 mm以上粒径组后作为上坝垫层料。此法获得的垫层料小于5 mm颗粒含量低于设计要求，垫层料与过渡料的级配包络线范围较窄且两者相差不大。由此造成垫层料与过渡料渗透性范围交叉覆盖，存在排水不畅，水力过渡不好组合的可能性。针对以上情况，对天然开挖筛分后垫层料掺入5 mm以下粒径组颗粒，以提高上坝垫层料小于5 mm颗粒含量，使其级配满足设计要求并提高其内部稳定性。掺配后的垫层料在反滤料的保护下，可以承受远超过渗流场计算得到的最大比降。本研究成果及现场工程实践表明，对垫层料掺配一定比例的细料，是类似条件工程中改善垫层区与过渡区水力过渡，提高反滤作用效果的有效途径。

垫层料；过渡料；水力过渡；反滤；掺配

西北某在建水电站大坝为面板堆石坝，最大坝高114.5 m，坝顶长度424 m，坝顶宽10 m。坝体分区包括垫层区、过渡区及主次堆石料区，见图1。因砂砾石料场储量较少，拟将现场开挖获得的砂砾石料筛除300 mm以上粒径组后获得的土料作为上坝过渡料；筛除100 mm以上粒径组后获得的土料作为上坝垫层料。由于以上方法获得的大坝填料其级配范围与设计要求有一定出入。为了解此填料的渗透变形特性以及反滤保护效果，对其进行了渗透变形及反滤保护试验研究并提出填料改进措施。

图1 大坝分区剖面图（单位：m）

1 直接筛分垫层料渗透变形特性研究

本工程垫层料和过渡料为同一料场砂砾石料，仅控制其最大粒径不同，过渡料最大粒径300 mm，垫层料最大粒径100 mm。设计文件中，对垫层料粒径提出如下要求：最大粒径不超过100 mm，小于5 mm的颗粒含量占30%～50%，小于0.075 mm颗粒含量小于8%，颗粒级配连续。

根据料场现场取样颗粒分析试验成果总结出直接将料场砂砾石料筛分获得的垫层料和过渡料（本文以下称为直接筛分垫层料或直接筛分过渡料）的级配包线，见表1和图2。从中可以看出，垫层料颗粒级配1～5 mm区间略呈平台状，表明该区间粒组含量较少，级配略有不足。垫层料上包线和平均线小于5 mm含量在30.6%～36.7%，满足设计要求。但下包线小于5 mm含量为23%，不能满足设计要求。为了解目前料场垫层料的渗透变形特性，选取垫层料上、下包线，以及小于5 mm粒径含量低于30%且1～5 mm粒径组平台较明显的级配线D1，共3种级配分别进行渗透变形试验。

表1 渗透变形及反滤试验用料级配表

图2 直接筛分垫层料及过渡料级配曲线

垫层料的渗透变形试验采用垂直试验方法，水流方向由下至上。根据长江科学院开展的粗粒土渗透试验尺寸效应研究成果［1-2］，本研究中渗透仪直径与试验材料d85之比值不小于6；对超径颗粒适度采用等量替代法。按此原则，垫层料上包线采用30 cm直径的渗透仪，其余级配均采用了45 cm直径的渗透仪。从表2所示试验成果可以看出，直接筛分获得的垫层料，其上包线破坏形式为流土，内部结构稳定，渗透系数为3.82×10-4cm/s；垫层料试样D1的破坏形式为过渡型，内部结构不稳定或者欠稳定，渗透系数为5.60×10-3cm/s。垫层料下包线试样D下破坏形式为管涌型，内部结构不稳定，渗透系数为1.31×10-2cm/s。

表2 直接筛分垫层料渗透变形试验成果表

2 直接筛分过渡料渗透变形特性研究

根据设计要求，过渡料应级配连续，最大粒径不超过300 mm，小于5 mm的颗粒含量占30%～15%，小于0.1 mm颗粒含量小于7%。根据料场现场取样获得的过渡料级配包线来看，目前料场砂砾石过渡料小于5 mm含量在18.5%～30.4%之间，小于0.1 mm颗粒含量在1.7%～2.9%之间，颗粒级配较为连续，满足设计要求。

渗透变形试验结果表明，直接筛分获得的过渡料上包线G上破坏形式为过渡型，渗透系数为i×10-3cm/s。过渡料平均线G平破坏形式为管涌，渗透系数为i×10-3cm/s。过渡料下包线G下破坏形式为管涌，渗透系数为i×10-2cm/s。过渡料的渗透性符合设计要求。

3 直接筛分过渡料对垫层料的反滤保护试验

目前国内现行碾压式土石坝设计规范［3］对无黏性土采用的滤层准则可归纳如表3（以下简称“规范法”）：

而对于渗流方向向下的无黏性土反滤层设计的基本准则，刘杰还有如下建议［4］。（1）滤土准则—可允许的最粗反滤层的等效粒径D20/dk≤10；（2）减压准则—反滤层可允许的最小等效粒径：D20/d20≥2～4（式中2适用于管涌土，4适用于流土型的土）。其中D20/dk称为层间系数。D20为反滤层的特征粒径，dk为被保护土的控制粒径。

按照上述两种方法，对本项目中拟进行试验研究的4种反滤组合（包括后续的补充试验）的反滤效果进行初步判断，成果见表4。从表4的成果可以看出，当出现垫下/过上这两种土料颗粒级配比较接近的反滤组合时，其排水减压的效果不佳。

为验证表4的判断成果，针对表4中所列反滤组合开展了反滤保护试验。试验在直径600 mm和960 mm垂直渗透仪内进行。试验成果见表5。反滤试验成果进一步验证了表4中的判断：垫下/过上组合水力过渡不佳，过渡料承受的水力比降大于垫层料，先于垫层料发生渗透破坏，不能形成有效的反滤保护。而在实际施工中，由于料场土料分布的不均匀性，出现这种不利组合的可能性是相当大的，因此，有必要对大坝填料进行改进，以避免该不利情况的发生。

表3 “规范法”反滤设计准则

表4 直接筛分料不同反滤组合效果初步判断成果表

4 大坝填料改进方案分析

本工程设计时采用的混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-98）要求垫层料具有连续级配和内部渗透稳定性，粒径小于5 mm的颗粒含量宜为30%～50%，小于0.075 mm的颗粒含量宜少于8%。而2013年实施的混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-2013）以及2011年实施的混凝土面板堆石坝设计规范（DL5016-2011）吸收了更多的工程建设成果与经验，规定垫层料应该具有连续级配、内部结构稳定并对上游铺盖料起反滤保护作用，粒径小于5 mm的颗粒含量宜为35%～55%，小于0.075 mm的颗粒含量宜为4%～8%。渗透系数宜为1×10-4～1×10-3cm/s

从近年来新修订的规范规定可以看出，对于垫层料的小于5 mm的颗粒含量要求，较原规范提高了5%左右，这主要是为了确保垫层料自身渗透稳定并起第二道防渗作用。另一方面，根据统计，近年来国内修建的很多面板堆石坝，其过渡料的小于5 mm粒径组颗粒含量在5%～30%之间。提高垫层料的细粒含量，有利于明确大坝填料分区，形成良好的水力过渡［5-7］。

针对过渡料，混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-98）要求其具有连续级配，并具有自由排水性能；混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-2013）和混凝土面板堆石坝设计规范（DL5016-2011）明确要求过渡料对垫层料应具有反滤保护作用，级配连续，并满足自由排水要求。

将从料场砂砾石料剔除超径颗粒后的天然垫层料和过渡料级配特征与规范和设计要求对照，见表6。直接筛分天然料直接用于大坝填筑施工会存在如下问题。（1）垫层料与过渡料的级配线1～5mm区间略呈平台状，级配稍有不连续。垫层料与过渡料级配变化范围互相交叉覆盖，容易造成大坝分区不明显。（2）垫层料下包线的小于5mm粒径组颗粒含量低于设计下限要求，即使平均级配线也只是在设计要求的下限附近，实际施工中垫层料小于5 mm粒径组颗粒含量容易出现低于设计要求的情况。（3）垫层料容易出现内部结构欠稳定或者不稳定的情况，在面板破损和失效情况下，其渗透稳定性有赖于过渡料的反滤保护作用。（4）垫层料渗透系数为10-4～10-2cm/s量级之间，下包线甚至可能达到10-1cm/s量级；过渡料渗透系数10-3～10-2cm/s。可见两者的渗透性可能超出设计要求，且两区填料渗透系数变化范围相互交叉覆盖，存在水力过渡不好、排水不畅的可能性，即过渡料渗透性可能低于垫层料，过渡料不能起到有效排水作用。

基于上述分析，结合料场的实际情况，决定对垫层料进行适当的掺配，以提高上坝垫层料的小于5 mm粒径组颗粒含量。建议由天然料筛得的5 mm以下的细料，按照9.7%的比例掺入天然垫层料中形成上坝垫层料。

按照上述方案掺配后，预计上坝垫层料小于5 mm粒径组颗粒含量在33%至43.4%范围变化，级配连续性更好，符合设计和规范要求；上坝垫层料与过渡料变化范围的对比关系见图3（CD上、CD平、CD下分别对应掺配后垫层料上包线、平均线和下包线），可见二者交叉覆盖的可能性大大降低，水力过渡关系将有明显改善。

5 掺配后垫层料渗透变形及反滤试验

对掺配后垫层料的三种级配进行了渗透变形试验，并对上坝料加工时出现几率较大的掺配垫层料平均线CD平/过渡料平均线G平组合进行了反滤试验研究。

渗透变形试验在直径30cm的垂直渗透仪内进行，结果（表7）表明，掺配后垫层料上包线和平均线渗透破坏形式为流土，下包线破坏形式为过渡型，内部结构稳定性较天然料有所改善。掺配后垫层料的渗透系数在10-3～10-4cm/s量级之间，与过渡料渗透系数变化范围（10-3～10-2cm/s）不再有明显的交叉，有利于改善水力过渡关系，以及过渡料的排水作用。

掺配后的垫层料平均线与过渡料平均线的反滤试验中（见表5），垫层料承受水力比降85时仍未发生渗透破坏，此时过渡料承受的比降为13.49，在下游支撑体的支撑作用下，未发生渗透破坏。该试验表明过渡料平均线能够对掺配后垫层料平均线起到有效的反滤保护作用。

图3 垫层料掺配后预计级配线及过渡料级配变化范围

6 结论

（1）同一料场土料天然状况下仅仅根据剔除不同粒径组粗颗粒而获得的天然级配垫层料和过渡料，由于其较细粒径组颗粒的含量特别是小于5 mm粒径组颗粒含量比较接近，加之料场土料分布的离散性，导致两种土料级配包络线很可能出现重叠交错，渗透性范围交叉覆盖。存在排水不畅，水力过渡不好组合的可能性。即过渡料渗透性可能低于垫层料，过渡料不能起到有效排水作用。（2）渗透变形试验表明，按照一定比例在天然垫层料中掺配5 mm以下细粒，一方面可以改善垫层料内部结构稳定性，但仍有可能出现欠稳定的情况，在面板破损和失效情况下，其渗透稳定性仍将有赖于过渡料的反滤保护作用；另一方面，掺配后垫层料的渗透性降低，与过渡料渗透系数变化范围不再交叉覆盖，有利于改善水力过渡关系，以及过渡料的排水作用。（3）反滤试验中，掺配后的垫层料与过渡料的反滤组合，在下游支撑体的作用下，垫层料承受比降达到85时仍不发生渗透破坏，说明过渡料能对掺配后的垫层料起到良好的反滤保护作用。

［1］朱国胜，张家发，陈劲松.宽级配粗粒料渗透实验方法探讨［J］.长江科学院院报，2009（S1）：10-13.

［2］朱国胜，张家发，陈劲松.宽级配粗粒土渗透试验尺寸效应及边壁效应研究［J］.岩土力学，2012（9）：2569-2574.

［3］混凝土面板堆石坝设计规范：SL228-98［S］.北京：中国水利水电出版社，1998.

［4］刘杰.土石坝渗透控制理论基础及工程经验教训［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［5］张家发，定培中，张伟，等.水布垭面板堆石坝垫层料渗透与渗透变形特性试验研究［J］.岩土力学，2009（10）：3145-3150.

［6］张家发，定培中，张伟，等.水布垭面板堆石坝过渡料设计及其渗透变形特性研究［J］.长江科学院院报，2009（10）：1-6.

［7］定培中，周密，陈劲松.面板堆石坝中过渡区的反滤功能及级配研究［C］//第四届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会暨第七届全国水利工程渗流学术研讨会论文集.郑州：黄河水利出版社，2012.

Experimental studies on the seepage deformation characteristics and filtering function of the cushion and transition materials for a Concrete Faced Rockfill Dam

DING Peizhong1，YAN Min1，CHANG Jingxiong2
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan430010，China；
2.Qinghai Datonghe-Huangshui Water Transfer Hydropower Construction Co.Ltd，Xining810001，China）

The excavated sands and gravels are used for dam filling in a concrete faced dam.The sieved materials with maximum diameter of 300mm are used as transition materials.The materials with max diame⁃ter of 100mm are used as cushion materials.The fine soil particles content of sieved cushion material is lower than the design requirement.The gradation curves of cushion and transition materials are in a sharp range without obvious difference.So the hydraulic transient of the dam is likely to be bad.To avoid seep⁃age deformation,the sieved cushion materials are mixed with small granules which are finer than 5mm.The interior structure of the mixed cushion material will be more stable.So it can take on a water pressure which is far exceeding the calculated max value with the filter protection of transition material.The experi⁃mental study and the worksite practice show that mixing fine granules to the cushion material is an effi⁃cient way to improve hydraulic transient and filtering protection in similar conditions.

cushion material；transition material；hydraulic transient；filtering；mixing

TV641.4

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.009

1672-3031（2016）06-0454-00

（责任编辑：李福田）

2016-04-20

中央级公益性科研院所基本科研业务费（CKSF2014055/YT）

定培中（1971-），男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事地下水环境及岩土工程渗流研究。

E-mail：marco.ding@126.com