山西省泽城西安水电站（二期）大坝垫层料压缩及渗透试验研究

贾宝萍

山西省泽城西安水电站（二期）大坝垫层料压缩及渗透试验研究

贾宝萍

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

堆石坝面板底部的垫层料压实后要求具有内部渗透稳定性、低压缩性，文中先根据垫层料设计级配，采用等量代替法求出试验模拟级配，然后压缩试验采用饱和压缩，渗透试验采用常水头法进行测定，渗透变形试验采用逐级加压进行试验，通过试验研究，为工程提供了可靠设计参数，同时为其它工程起到一些借鉴作用。

垫层料；级配；压缩；渗透

1 工程概况

山西省泽城西安水电站（二期）工程位于左权县境内的清漳河干流上，是一座以发电为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的水电枢纽工程，总库容9610万m3，枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、导流泄洪洞、电站及其输水系统组成。混凝土面板堆石坝最大坝高61.6m，坝顶宽8m，长267m；溢洪道布置7孔，每孔净宽为12m，总长264.24m；导流泄洪洞为有压洞，洞径8m，洞长564.42m。

2 试验级配

垫层料设计级配详见表1。

表1 垫层料设计级配表

由于试验项目的仪器要求试样最大粒径为60mm，根据表1，垫层料的设计平均线和下包线有超粒径存在；按照规范，对垫层料的设计平均线和下包线均采用等量代替法进行级配模拟。

等量代替法是根据仪器允许的最大粒径以下和粒径大于5mm的土粒，按比例等质量替换超粒径。其计算公式为：

式中，Pi—替代后某粒组含量，%；Poi—原级配某粒组含量，%；P5—大于 5mm粒径土的含量，%；Pdmax—超粒径颗粒含量，%。

通过上述方法得到平均线和下包线的试验模拟级配见表2。

表2 垫层料试验模拟级配表

垫层料试验项目的平均线及下包线试料按模拟级配分级配料进行，上包线试料按设计级配进行试验。

3 相对密度试验

相对密度用以表示粗颗粒土的紧密状态，是指无粘性土处于最松状态的孔隙比与天然状态（或给定）孔隙比之差和最松状态孔隙比与最紧状态孔隙比之差的比值，该指标是粗颗粒土的重要指标。

试验选择的试样筒直径为38cm，高度为46cm；加重物的总压力为14kPa，振动台频率为40～60Hz，振幅为0～±2mm。

为了求得垫层料的最大、最小孔隙比，对垫层料的比重采用虹吸筒法进行了测定，测定结果为2.70。

相对密度计算结果详见表3。

表3 垫层料相对密度试验结果表

相对密度试验结果表明，垫层料上包线、平均线及下包线的最大干密度分别为 2.29g/cm3、2.34g/cm3、 2.34g/cm3， 平均值为 2.32g/cm3， 最小 干 密 度 分 别 为 1.96g/cm3、1.97g/cm3、1.96g/cm3，平均值为 1.96g/cm3；按提供的相对密度0.8计算，垫层料上包线、平均线及下包线制样 干 密 度 分 别 为 2.21g/cm3、2.25g/cm3、2.25g/cm3，其对应的孔隙率分别为18.0%、16.5%、16.5%。

4 压缩试验

压缩试验是测定粗粒土的变形和压力（或孔隙比与压力）的关系，以便计算土的压缩系数和压缩模量。该参数是坝体应力应变分析的重要参数。

本次试验选择的仪器直径为50.4cm，高度为45cm的浮环式固结仪，仪器尺寸满足规范要求；试样制样控制密度依据设计要求的相对密度为0.8所对应的干密度进行控制，各试样均采用击实法进行制样，试样控制高度为30cm。试验方法为饱和压缩；试料的垂直压力分别按 50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa分级施加，每级压力下压缩稳定标准为0.005mm/h。整理后的试验结果见表4、 表5。

表4 各级压力下试样变形稳定后的孔隙比

表5 各级压力下的压缩系数和压缩模量

垫层料的上包线、平均线和下包线的 av1-2压缩系数在 0.0261～0.0346MPa-1之间，平均值为0.0309MPa-1；依据规范，按av1-2的值进行压缩性判断，垫层料在相对密度为0.8情况下，其上包线、平均线和下包线试样均为低压缩性土料。

5 渗透试验

渗透试验是为了测定材料的渗透系数，为坝体渗流计算及渗流分析提供基本参数。

本次试验仪器选用Φ=30cm的管涌仪。样品制备按级配进行配料，垫层料按相对密度0.8对应的密度进行制样密度控制，试样采用分层击实法分3层制样，试样总高度为30cm；试样饱和采用水头法进行，试验用常水头法进行测定，经测定，垫层料各包线的渗透系数值见表6。

从表6可以看到：垫层料上包线的渗透系数为5.544×10-4cm/s， 平均线为9.642×10-5cm/s， 下包线为2.753×10-3cm/s；从测定值来看，平均线渗透系数比上包线小，这是由于平均试料密度比上包线大，其5mm以下的含量占总量的42.5%，故其渗透系数较上包线小；垫层料各包线的平均渗透系数为1.135×10-3cm/s。

6 渗透变形试验

粗粒土自身的渗透变形试验也就是管涌试验。其目的是测定反滤料在无保护条件下，自身的临界坡降及破坏坡降，是判定渗流场中材料本身是否产生渗透破坏的依据。

本次管涌试验仪器同样选用选用Φ=30cm的管涌仪。样品制备按级配进行配料，垫层料按相对密度0.8对应的密度进行制样密度控制，试样采用分层击实法分2层制样，试样总高度为20cm；试样采用水头饱和法进行饱和，试验用逐级加压进行试验，水流方向自下而上。在每级压力稳定后测记三次流量，计算该级压力下渗透流速和渗透坡降，该级测记完成后加下级压力，重复上述过程，直至试样破坏。根据不同压力下的渗透坡降i与渗透流速v试验结果，绘制i～v关系曲线，取开始出现管涌时的坡降与开始出现管涌前一级坡降的平均值为临界坡降，取其破坏时的坡降与破坏点前一级坡降的平均值为破坏坡降。试验结果见表6，i～v曲线见图1。

表6 垫层料渗透系数及坡降

从试验结果看，垫层料上包线、平均线及下包线的临界坡降分别为0.64、0.49和0.25，临界坡降平均值为0.46，破坏坡降分别为1.53、1.43和1.36，破坏坡降平均值为1.44。

图1 垫层料管涌试验Ⅰ～Ⅴ曲线

从试验现象上来看，垫层料各包线的破坏形式均为管涌破坏。

7 结语

垫层料试验在相对密度为0.8情况下，平均孔隙率为16.5%，满足规范要求的孔隙率15%～20%；压缩系数av1-2平均值为0.0309MPa-1，av1-2＜0.1MPa-1为低压缩性土，满足规范要求的垫层料应具有低压缩性；渗透系数平均值为1.135×10-3cm/s，满足规范要求。从渗透变形试验分析，设计采用的破坏坡降应为临界坡降，试验结果的临界坡降平均值为0.46，考虑安全系数后，允许渗透坡降为0.23，满足垫层料应具有内部渗流稳定性的要求。

从试验结果分析，垫层料的设计填筑相对密度可由0.85调整为0.8。

［1］郭庆国，蔡长治.土石坝建设实用技术研究及应用［M］.郑州：黄河水利出版社，2004.

［2］GB50287-2008.水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］郭庆国.粗粒土的工程特性及应用［M］.郑州：黄河水利出版社，1998.

［4］ SL237-1999.土工试验规程［S］.

［5］GB/T50123-1999.土工试验方法标准［S］.

［6］侍倩.土工试验与测试技术［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［7］钱家欢.土力学［M］.南京：河海大学出版社，1990.

［8］张强勇.岩土工程强度与稳定计算及工程应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

［9］马明功.涧峪水库挤压边墙混凝土渗透试验方法概述［J］.水利技术监督，2004（07）.

［10］杨得勇，雍莉.混凝土面板砂砾石坝垫层料过渡料渗流及渗透稳定性试验研究［J］.西北水电，2001（03）.

［11］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.岩土力学，2009（10）.

TV41

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1008-1305（2017）05-0011-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2017.05.004

2017-04-01

贾宝萍（1965年—），女，高级工程师。