堆石坝垫层料渗透系数合理化论证研究

韩会生 马栋和 王 锐

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061； 2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061)

堆石坝垫层料渗透系数合理化论证研究

韩会生1,2马栋和1,2王 锐1,2

(1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061； 2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061)

针对某在建堆石坝垫层料实测渗透系数偏大的问题，通过计算及工程经验比对，对该渗透系数进行论证研究，以明确垫层料的合理渗透系数值，研究成果对于工程施工及相关坝型设计具有一定的借鉴意义。

堆石坝，垫层料，渗透系数，冻胀

0 引言

混凝土面板堆石坝经过多年的发展，其优势及功能特点越发的突出。而垫层料渗透系数控制值的设计与选择，对混凝土面板堆石坝的质量有重要影响，历来是混凝土面板堆石坝设计与施工的重点。以往混凝土面板堆石坝垫层料及堆石料的级配设计主要采用类比法，即参照已建工程级配，主要根据工程师的经验来确定垫层料及堆石料的级配，还停留在经验和判断阶段，无法满足现代工程需要。本次研究以新疆某堆石坝为依托，通过现场试验及工程经验类比提出其合理的垫层料渗透系数控制值，对于工程实践具有重要的意义。

1 现场渗透系数测试

该工程在前期坝体碾压施工过程中，采用现场渗透试验检测垫层料的渗透性能，其检测结果如表1所示。在现场检测的2组渗透试验中，最大渗透系数为1.38×10-3cm/s，最小渗透系数为9.74×10-4cm/s，平均渗透系数为1.2×10-3cm/s，考虑到试验时水温的动力粘滞性(20 ℃)，则在现场检测的2组渗透试验中，其最大渗透系数为1.90×10-3cm/s，最小渗透系数为1.34×10-3cm/s，平均渗透系数为1.6×10-3cm/s，均略大于规范中所提出的适宜范围值(1.0×10-3cm/s～1.0×10-4cm/s)。

表1 垫层料渗透试验检测结果表

垫层渗透系数的增大意味着细颗粒含量的减少，而细颗粒的减少将直接影响到垫层料的防渗及排水能力，严重时甚至会影响上游坝坡的稳定性。由此，对于该水工程坝体垫层料渗透系数检测值偏大问题，有必要对其合理性进行论证，以保证工程蓄水能力及坝体的稳定性。

2 渗透流量计算

一般认为垫层料渗透系数大于10-3cm/s，可自由排水，即垫层料以排水为主；当渗透系数小于10-4cm/s，以防渗为主。为估计垫层的防渗能力能否满足工程需要，根据该工程设计条件进行如下垫层渗流量的计算。

计算假定(如图1所示)：

1)库水位总水头H为正常蓄水高度129.4 m；2)垫层料的水力坡降J=1.0；3)按无面板防渗条件计算。

并根据达西渗透原理：

vw=kdJ

(1)

(2)

Q=qL

(3)

其中，vw为渗透流速,m/h；kd为垫层渗透系数；J为水力坡降；q为坝面单宽渗流量；H为最高库水位；m为坡率；Q为坝体总渗流量；L为坝长。

计算渗透系数依次选为：设计建议最大值1.00×10-3cm/s、实测平均值1.20×10-3cm/s、实测最大值1.38×10-3cm/s；L为坝顶长度,取475 m；坡比为1∶1.7。计算结果如表2所示。

表2 渗透流量计算结果

通过上述计算分析可知，实际最大渗透系数产生的额外渗流量为4.32万m3/d，仅占正常蓄水库容的0.023%，可满足正常蓄水要求。

3 抗冻胀性能分析

关于冻胀作用问题有人认为“目前多数面板坝建在中低纬度地区，适当强调垫层区的防渗作用是有利的，但对于北方高寒地区，如新疆、东北等地，若垫层料的渗透系数过小，则易因冻胀引起面板破坏”。就土颗粒粒径的大小而言，国内外众多学者认为土颗粒力场对薄膜水分迁移机制有明显影响的最大粒径为0.1 mm。粒径大于0.1 mm的土不易产生冻胀，粒径为0.05 mm～0.005 mm的土最容易产生冻胀。

也正因为基于这一观点，辽宁关门山水库采取以排水为主的思路，最大粒径为150 mm，小于0.1 mm的颗粒含量不大于5%。黑龙江莲花面板坝也是采取以排水为主的思路，最大粒径为80 mm～100 mm，小于0.1 mm的细颗粒含量小于5%。

分析该工程坝体垫层料的现场检测级配曲线可知，其小于0.1 mm的颗粒含量不大于6%，与上述高寒地区水利工程坝体垫层料的设计级配相接近，能够对防止坝体的冻胀起到积极的作用。

4 结语

1)针对具体的堆石坝，其垫层料的合理渗透系数选取不应一概而论，应结合其坝型特征、地理位置等进行具体分析。

2)研究所选堆石坝垫层料渗透系数实测平均值为1.6×10-3cm/s，假定最不利情况下(即面板防渗失去效果)实际最大渗透系数产生的额外渗流量为4.32万m3/d，仅占正常蓄水库容的0.023%，可满足正常蓄水要求。

3)该工程坝体垫层料级配中小于0.1 mm的颗粒含量不大于6%，与相关高寒地区水利工程坝体垫层料的设计级配相接近，能够对防止坝体的冻胀起到积极的作用。

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[3] 张 伟,定培中.水布垭面板堆石坝垫层料和过渡料渗透稳定性试验研究[A].第二届全国岩土与工程学术大会论文集[C].2006:252-255.

Studyonrationalizationofpermeabilitycoefficientofcushionmaterialinrockfilldam

HanHuisheng1,2MaDonghe1,2WangRui1,2

(1.ChinaWaterNortheasternInvestigation,Design&ResearchCo.,Ltd,Changchun130061,China; 2.ColdAreaEngineeringTechnologyResearchCenterofMinistryofWaterResources,Changchun130061,China)

Aiming at the problem that the permeability coefficient of a rockfill dam is too large, the rationality of the permeability coefficient is studied by calculation and engineering experience, so as to clarify the reasonable permeability coefficient of the cushion material. Which is of great significance for engineering construction and related dam design.

rockfill dam, cushion material, permeability coefficient, frost heave

1009-6825(2017)28-0222-02

2017-07-27

韩会生(1969- )，男，高级工程师; 马栋和(1986- )，男，高级工程师; 王 锐(1962- )，男，工程师

TV641.4

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