砂卵砾石地基上的土石坝分区材料研究

林 赛，卢俊箐，杨 帆

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.云南省人民政府投资项目评审中心，云南 昆明 650041）

砂卵砾石地基上的土石坝分区材料研究

林 赛1，卢俊箐2，杨 帆1

（1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.云南省人民政府投资项目评审中心，云南 昆明 650041）

云南青山嘴水库主坝为坐落在砂卵砾石地基上的砾石（黏）土心墙石渣坝。针对其筑坝材料的料源组成复杂、地基存在不均匀沉陷及地震液化问题等特点，对坝基砂卵砾石层进行强夯处理，防渗心墙采用砾石土料和黏土料两种防渗土料填筑，坝体采用以砂泥岩为主的夹砂砾岩、砾岩石渣料填筑；防渗心墙反滤层按保护两种心墙料要求设计，心墙下游坝基面按满足与坝体间的过渡关系设置水平反滤层，有效地解决了坝体和坝基的渗透破坏问题，使心墙防渗土料和坝基砂卵砾石层均得到保护，保证了大坝的渗透稳定性。工程于2009年投入运行，实测不同库水位情况下的主坝渗漏量变化和坝体累计沉降量均低于设计值，施工质量良好，运行情况稳定。

砂卵砾石地基；分区材料坝；坝料设计；试验指标

1 研究背景

地质条件复杂、河床覆盖层较厚、地震烈度较高和工程建设难度大的水库大多采用具有对基础适应性强、能就地取材和充分利用建筑物开挖弃料、工程造价较低的心墙土石坝型式。在采用大型碾压设备的条件下，防渗心墙选择直心墙技术比斜心墙施工难度更小、更适宜坝体的沉降变形、经济效益更显著。根据填筑坝料特性、坝体各部位功能的不同及坝料施工开采顺序进行分区材料设计；防渗心墙采用砾石土料或在心墙土料中按比例掺配碎石，可解决天然土料黏粒含量偏大、颗粒偏细而导致土料力学性能较低和大坝沉降量较大的问题，保证大坝在满足坝体渗透稳定性和坝坡抗滑稳定性的前提下坝体断面最小，有效减少坝体填筑工程量、料场弃渣量和工程占地，有利于环境保护，降低工程投资［1-4］。

本文针对青山嘴水库主坝地基条件差、筑坝材料料源组成复杂，坝料物理力学指标差异较大，坝体上游需结合施工围堰设计的特点，进行主坝分区与坝料设计研究、坝料试验指标与渗流控制问题分析，验证大坝分区材料设计的经济合理性。

2 工程概况

青山嘴水库地处云南省楚雄州境内，距楚雄市区14.5 km，位于金沙江一级支流龙川江上，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾城市工业供水的大（2）型综合利用水利工程，总库容1.08亿m3。枢纽工程由主坝、副坝、溢洪道、导流泄洪隧洞、输水隧洞和坝后电站组成。主坝为砾石（黏）土心墙石渣坝，坝高41.5m，坝顶宽8.0m，坝长449.3m；坝体结合上游枯期施工围堰布置，围堰采用坝基高压摆喷灌浆和坝体上游迎水面覆盖复合土工膜进行施工期防渗（见图1）。

3 大坝基本条件及设计难点

3.1 工程地形、地质条件 水库坝址区为宽阔的“U”型河谷，河谷宽度330～350 m，河宽30～40 m，两岸地形坡度为30～60°。坝址区发育分布于两岸的构造剥蚀侵蚀岸坡和平坦侵蚀堆积河谷阶地地貌，河道两岸为不对称的Ⅰ级阶地，阶地高出河床4～5 m，河床右岸阶地一带发育有最大埋深为13.5m的古河床。

主坝坝段河谷广布第四系冲洪积层（Qapl），两岸基岩大多裸露，为白垩系下统高丰寺组（K1g）含长石石英砂岩夹含砾粗砂岩、砂砾岩、粉砂质泥岩。河床及Ⅰ级阶地第四系冲洪积层为二元结构，上部为厚度2.5～5.0m的粉土、粉细砂层，结构松散、压缩性高以及强度低，相对密度Dr=0.27～0.45，压缩系数a0.1～0.2＞0.5 MPa-1；下部为埋深8.2～10.6m的砂卵砾石、漂石层夹孤石、粉细砂与黏土透镜体，岩性成分不均匀，局部有架空现象，高～中压缩性，相对密度Dr=0.42～0.68，允许承载力[R]=0.30～0.38MPa，平均渗透系数K20=2.68×10-2cm/s。河床冲洪积层存在不均匀沉陷及地震液化问题，下伏强～弱风化岩体强度较高，强风化岩体属低压缩性。两岸坡上覆第四系残坡积层（Qedl）砂质黏土、壤土、砂壤土夹碎石，结构较松散、高～中压缩性，强度较低，下伏全～强风化岩体属中～低压缩性。

3.2 设计难点 由于主坝位于平缓开阔的“U”型河谷地段，坝轴线较长为449.3 m，修建在厚度为4.5～13.5m、存在不均匀沉陷及地震液化问题的第四系冲洪积层（Qapl）夹粉土、粉细砂的砂卵砾石层地基上，所选定的坝型筑坝材料料源构成复杂、物理力学指标差异较大，坝体上游需结合施工枯期围堰设计，坝基处理面积达6.51万m2，坝基及坝体渗透稳定、沉降问题突出。因此如何通过经济合理的筑坝材料选择和设计，解决坝体和坝基的渗流控制问题是本工程大坝设计研究的的重要课题及技术难题之一。

4 大坝坝料设计研究

4.1 坝体分区 结合主坝地基条件，以充分利用当地天然建筑材料、减少料场弃渣量与工程占地为原则，按筑坝材料储量、物理力学指标以及料场施工开采顺序，选择大坝坝型，进行大坝剖面及分区材料设计。主坝采用砾石（黏）土心墙石渣坝坝型，坝体划分为：上游坝壳填料区（含上游施工围堰）、上游反滤层、防渗心墙、下游竖向反滤层及水平反滤层、下游坝壳填料区、下游排水堆石棱体等6个区（见图1）。

图1 主坝标准剖面图

4.2 主坝防渗系统及坝基处理

（1）防渗系统。根据主坝水文地质及下游坝基砂卵砾石层出逸比降情况，对坝基及两岸进行垂直防渗处理，坝体采用心墙防渗，河床段心墙墙体截断坝基砂卵砾石层至强弱风化岩层，两岸坡心墙基础挖除第四系残坡积层至全强风化岩层；透水率为5～100 Lu的坝基岩体采用帷幕灌浆进行防渗处理（防渗标准为q≤5Lu），并与防渗心墙结合形成整体防渗系统。

（2）坝基强夯处理。对于主坝河床段第四系冲洪积层（Qapl）地基，采用清除表层粉土、粉细砂层后，对下部砂卵砾石层进行强夯处理，可减少开挖工程量巨大的坝基开挖量，其处理标准：相对密度Dr≥0.75，干密度≥18.0 kN/m3，处理深度至河床第四系底界，最大深度9.4m［5-6］。

4.3 坝料设计

4.3.1 心墙防渗土料 可供填筑主坝防渗心墙的土料来自沙邑村土料场和副坝土料场两个土料场。

沙邑村土料场距主坝2.5 km，出露地层为白垩系下统普昌河组（K1p），属湖相沉积，岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉细砂岩为主夹粉细砂岩，岩石风化程度和层厚不均，全风化层厚0.5～4.3 m，强风化层厚0.5～8.3m；上覆第四系残坡积层（Qedl）零星分布，岩性为壤土、粉质壤土、砂壤土夹砂土，厚度0.5～4.4m。沙邑村料场有用层为Qedl残坡积层与K1p全强风化层混合料，属砾石土，平均开采深度4.3m。副坝土料场距主坝0.4 km，上覆第四系残坡积层（Qedl）壤土、粉质壤土与黏土，局部夹砂壤土，厚度1.5～5.0m，为料场有用层，平均开采深度4.0m；下伏地层为白垩系下统普昌河组（K1p），岩性与沙邑村土料场相同。

由于主坝心墙防渗土料以沙邑村砾石土料为主，用于防渗心墙的上部填筑（厚度29m），而土料中含有一定数量的砾石，改善了土料力学性能，减小了心墙的沉降量。储量较小的副坝黏土料因黏粒含量偏高而用于水头较高、与基础灌浆盖板结合部的心墙下部填筑（厚度12m），降低了该部位心墙的渗透性。土料物理力学试验指标见表1。

表1 沙邑村土料场、副坝土料场物理力学试验指标统计表

沙邑村土料场为料源组成复杂的砾石土料，其母岩以全强风化软岩为主，物理力学指标差异较大，强度较低。在碾压过程中崩解速度快、崩解彻底，碾压后砾石破碎率较高，细粒含量增多，颗粒级配不稳定，因此砾石及其细粒含量是影响心墙渗透性能的主要因素。从颗粒级配包络线上看，砾石土料条带较宽，黏粒、胶粒含量变化较大，若保护不好则容易发生渗透破坏（见图2）。施工当中为保证心墙砾石土料填筑后的防渗效果，根据碾压试验成果，对上坝料提出具体要求：①、以强风化底界为准控制开采深度，进行立面开采；②、控制砂岩含量＜25%，避免集中开采；③、粒径＞5mm的砾石含量不超过50%，粒径＜0.075的黏粒含量不小于15%；④、由于土料干密度变化较大，施工采用压实度≥0.98进行施工控制［7］。

4.3.2 坝壳料分区 主坝坝壳料的设计研究应与料源的材料性质和分区设计相结合，使所选用的材料与不同分区坝体的功能相适应，达到合理利用各种质量坝壳料的目的，同时在水库蓄水运行后的坝料性质不致发生明显变化。

图2 心墙料、坝基砂卵砾石及反滤料颗粒级配包络线图

（1）龙箐石料场。龙箐石料场距主坝4.2 km，出露地层为白垩系上统马头山组（K2m1）长石石英粉细砂岩与岩屑砂岩互层夹20%～50%的砂砾岩、砾岩、粉砂质泥岩软弱夹层，以及（K2m2）粉砂质泥岩为主夹砂岩、长石石英粉细砂岩，岩石呈强～微风化。料场强、弱风化料可作为填筑主坝的坝壳料，弱～微风化长石石英砂岩用于加工反滤料、粗细骨料和块石料。强风化料存在抗崩解能力差、最大干密度偏低和渗透系数偏小的问题，质量较差；强弱风化料和弱风化料除最大干密度偏低外，其余各项指标均满足规范要求，质量较好，其物理力学试验指标见表2。

表2 龙箐石料场坝壳料物理力学试验指标统计表

图3 坝壳料颗粒大小分配曲线图

（2）坝壳料分区。根据坝体不同部位要求进行坝壳分区，将好料用于关键部位，满足坝坡安全稳定要求，上、下游坝体均分为两个区。

①上游坝壳填料分区：死水位以上水位变幅区的坝壳填料区应具有足够的透水性能，以便在库水位降落期坝体水分能及时排出，保证上游坝坡的稳定性，因此将料场上层指标较差、渗透系数较小的强风化料填筑在坝体下部（C区），可增加上游坝体施工围堰部分的抗渗性能，而透水性相对较好的料场下层强弱风化石渣料则填筑在死水位以上的B区。

②下游坝壳填料分区：高程1 795.0m以下坝体部分（E区，校核洪水下游水位1 794.6m）选择强度指标较高的弱风化堆石料进行填筑，以增强下游坝体的排水功能及坝坡稳定性，上部坝体干燥区（D区）则采用强弱风化石渣料填筑。

4.3.3 反滤设计 根据主坝渗流计算结果，防渗心墙及下游坝基砂卵砾石层最大渗透出逸比降均大于其允许渗透比降。为满足防渗心墙和坝基两个部位反滤层的不同功能需求，控制和封闭通过防渗体的集中渗漏，确保证大坝不致发生渗透破坏，进行反滤时考虑了两种心墙填筑土料的不均匀性、崩解性和渗透破坏类型，在心墙上下游两侧以及下游砂卵砾石建基面上均设置反滤保护措施，满足坝料过渡需要。

（1）心墙反滤设计。心墙反滤按满足保护两种心墙料要求设计。沙邑村砾石土料按小于5mm的颗粒级配设计，副坝区黏土料按全料级配设计，心墙料渗透破坏型式为过渡～流土型，反滤类型为Ⅱ型，心墙上、下游侧均需设置两层反滤层，协调心墙与坝壳料的变形。上游两层反滤层厚度均为1.0 m、下游两层反滤层厚度均为1.5 m，两层反滤料的级配满足层间关系，Ⅰ反粒径范围0.12～10 mm、Ⅱ反粒径范围4.5～80mm。心墙料、反滤料颗粒级配包络线见图2。

（2）下游坝基反滤设计。坝基强夯后的砂卵砾石层按5 mm以下的颗分曲线进行反滤设计。砂卵砾石层渗透破坏以管涌型为主，反滤类型为Ⅱ型，经计算只需设置Ⅱ反层，但从砂卵砾石层全料级配包络线图（图4）可看出缺少0.05 mm以下颗粒。为保护砂卵砾石层中的粉土和粉细砂、满足坝体与坝基层间过渡关系，沿下游砂卵砾石层建基面分别布置厚度为0.5m的两层反滤层，并与下游坝脚排水堆石棱体连接，增强下游坝体排水功能、降低浸润线高度。

为方便施工，坝基砂卵砾石层与心墙的反滤料均由龙箐石料场弱～微风化砂岩料加工配制，且为同级配的反滤料。

图4 坝基砂卵砾石全料颗粒级配包络线图

5 施工期质量检测复核试验及施工效果

为控制主坝填筑体的施工现场质量，对各种填筑料及坝基强夯层进行跟踪检测，同时由第三方在现场不同高程取样进行复核试验。心墙防渗土料、坝壳石渣料和反滤料复核试验分别取样8组、10组和17组，坝基砂卵砾石层强夯处理后现场共取样46组进行复核试验。

5.1 心墙防渗土料复核试验 复核试验检测值表明，防渗土料压实度均大于98%，心墙防渗体处于密实状态，满足渗透系数＜1×10-5cm/s的规范要求。

5.2 坝壳料复核试验 各分区坝壳料碾压质量较好，复核试验各项检测值均满足设计要求，其颗粒级配曲线均在设计包络线内。

表3 防渗土料复核质量技术评价表

表4 坝壳料复核质量技术评价表

5.3 反滤料及坝基砂卵砾石层复核试验 反滤料颗粒级配曲线在设计包络线内、渗透系数≥1× 10-3cm/s，反滤料、强夯处理后的坝基砂卵砾石层检测指标均满足相对密度Dr≥0.75设计要求；坝基压缩模量及承载力提高、孔隙率及渗透系数减小，消除了坝基地震液化隐患，强夯处理效果良好。

6 结语

根据青山嘴水库坝址砂卵砾石层地基条件和各种不同填筑材料性能，进行主坝分区材料设计，提高了各种坝料的利用率。通过对主坝填筑料和坝基砂卵砾石层强夯试验指标研究发现，在按保护心墙砾石土料和黏土料两种防渗土料要求设置防渗心墙反滤层、满足坝体与坝基层间过渡关系要求设置心墙下游建基面的水平反滤层，并严格控制反滤料级配后，心墙防渗土料和坝基砂卵砾石层均得到很好地保护，具有很高的抗渗稳定性，验证了大坝分区材料设计的合理性。因此进行复杂地基上土石坝坝料选择、合理分区以及相应的坝基处理，来解决坝体和坝基的渗流稳定、沉降问题是大坝设计研究的重要方面，也是保证工程安全，控制工程质量、投资和施工进度的关键环节，可供类似工程大坝设计研究参考借鉴。

表5 反滤料、坝基砂卵砾石层试验指标统计表

［1］ 关志诚.水工设计手册：第6卷土石坝［M］.第2版.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］ 高广淳.大坝技术［M］.北京：中国水利水电出版社，郑州：黄河水利出版社，2008.

［3］ 李菊根，等.堆石坝建设和水电开发的技术进展［C］.郑州：黄河水利出版社，2013.

［4］ 水利水电规划设计总院等.土石坝技术［C］//2014年论文集.北京：中国电力出版社，2015.

［5］ 国振喜，曲昭嘉.建筑地基基础设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［6］ 冯葎.强夯法处理砂卵砾石层基础设计及效果分析［J］.水利水电技术，2007，38（12）：95-98.

［7］ 王静.软岩砾石料填筑心墙的工程应用研究［J］.人民长江，2011，42（17）：66-68.

The study on partition material of Embankment dam on ground of sand and gravel foundation

LIN Sai1，LU Junjing2，YANG Fan1
（1.Yunnan Water conservancy and Hydroelectric Survey，Design and Research Institute，Kunming 650021，China；2.Yunnan Provincial People’s Government Investment Project Evaluation Center，Kunming 650021，China）

The main dam of Yunnan Qingshanzui Reservoir is gravel slag dam with gravel and clay core wall，which is located on the sand and gravel foundation.By considering the complexity of dam material soruces，uneven settlement of foundation and its liquefaction due to earthquake，the corresponding measures are carried out，including dynam ic compaction treatment of the sand gravel layer of dam foundation，use of two kinds of anti-seepage materials，gravel and clay，for the core wall，use of sandy gravel comprising mainly sandy mudstone and gravel slag for dam filling materials，design of filter layer for anti-seepage core wall in terms of the requirements of protection of two sorts of core wall materials.In addition，the horizontal filter layer on the foundation at the dowenstream of core wall is set by meeting the need on ist transitional relationship with the above dam body，which effectively solves the problem of possible seepage failures and protects the anti-seepage materials of core wall and the sand gravel layer of dam foundation，resulting in the guarantee of the dam seepage stability.The projcet was put int operation in 2009.Both the measured seepage and settlement of the main dam under different water levels are lower than the designed values.The project has good constrction quality and stable performance.

sand and gravel foundation；partition material dam；dam material design；experiment indicators

TV641

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.007

1672-3031（2016）02-0122-07

（责任编辑：李福田）

2015-7-16

林赛（1962-），女，广东阳江人，高级工程师，主要从事水利水电工程建筑设计工作。E-mail：799428706@qq.com