砂砾料工程特性及其筑坝安全性探析

汤洪洁

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

1 概述

在我国新疆、西藏等西部地区防洪、供水、灌溉等水资源开发利用枢纽工程建设项目众多。由于这些地区砂砾料储量丰富，以砂砾料为填筑主体的土石坝快速发展。在设计关键技术与复杂问题处理、计算理论与现场试验研究、施工质量控制与大型施工设备应用等日臻完善和不断提高的大背景下，砂砾料筑坝工程建设开发前景广阔，其建设规模、应用范围和数量不断攀升也将成为必然。

以砂砾料为主填筑体，体现其技术进步和创新的典型工程集中在新疆地区，典型工程基本情况见表1。以上典型工程建设成果在大坝高度、坝体坝基复合防渗规模、抗震能力等方面均取得突破性进展，总结砂砾料工程特性和筑坝安全性技术问题，提高其应用技术水平，对于当下同类工程开发建设具有重要意义。

2 砂砾料的工程特性

2.1 压实特性

压实特性通过干密度值体现。随着高混凝土面板砂砾石坝或心墙砂砾石坝的开工建设，为满足施工质量控制和工艺参数需要，对于较重要的工程逐步采用现场大型相对密度试验代替室内试验，获得筑坝砂砾料的最大、最小干密度作为大坝压实填筑质量控制依据。

传统的相对密度试验方法为室内缩尺砂砾料的振动台法或表面振动法，试验最大干密度一般不超过2.30g/cm3，最小干密度不超过2.00g/cm3。采用现场密度桶法对原级配料进行的相对密度试验，其最大、最小干密度均明显大于室内缩尺料试验结果，设计采用前期室内试验成果偏于保守，也低估了高砂砾石坝填筑变形控制能力。在大型施工振动机械普遍应用的条件下，采用现场密度桶法确定砂砾料最大、最小干密度更符合实际。

以近期建设的新疆大石门水利枢纽工程沥青混凝土心墙坝、卡拉贝利水利枢纽工程混凝土面板坝、阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝等工程为例，其筑坝砂砾料级配特征中下包线小于5mm含量(1-P5)范围基本上在12%～17%、平均线范围20%～30%附近、上包线范围25%～42%；最优级配P5含量大致在75%～78%，所对应的最大干密度达2.42g/cm3，最小干密度为2.00g/cm3以上。

砂砾石坝坝体施工质量检测，是通过挖坑检测，进行试坑砂砾料筛分，确定其施工干密度，并与设计填筑标准进行比较来判断是否满足要求。

表1 砂砾石坝典型工程基本情况

按照砂砾料设计级配包线，采用料场砂砾料人工配料，开展现场大型相对密度试验，确定相应级配下的最大、最小干密度，并确定最优含砾量级配进行复核。根据最大、最小干密度试验结果，可以绘制rd-P5-Dr(干密度-P5-相对密度)3因素相关图，该图可供施工质量检测直接使用。具体方法为：砂砾料筑坝碾压层进行试坑开挖检测，确定相应试坑的干密度，并对试坑开挖砂砾料进行筛分，确定P5含量。根据试坑开挖获得的P5含量(横坐标)和干密度(纵坐标)，在3因素图上点出对应的点，根据该点位置即可对填筑质量进行评价。若该点落在设计填筑标准对应的质量控制线以上的区域，则满足设计填筑要求。如图1的阿尔塔什水利枢纽工程3因素图，设计填筑标准相对密度为0.90，当试坑开挖点在Dr≥0.90以上的区域时，则满足设计填筑要求。

图1 阿尔塔什水利枢纽工程3因素图

2.2 变形与抗剪强度特性

砂砾料抗剪强度指标应根据岩性、级配、密度和应力水平等条件综合确定。对于髙坝和重要工程，要尽量模拟现场的实际条件，采用相关大型试验获取。根据已建和在建高坝现场试验成果证实，由于缩尺效应影响，常规室内试验获得的变形和强度参数与大坝筑坝材料真实参数有明显差异。

2.2.1变形模量和强度指标获取

(1)现场载荷试验可测定承压板下土体的承载力和变形模量，其载荷与沉降变形曲线以及各级荷载下土体变形分布规律，可为邓肯-张等模型参数反演提供基本资料。

(2)旁压试验是利用钻孔在覆盖层一定深度部位进行的原位载荷试验，获得旁压荷载与位移关系曲线，可通过反演确定变形特性参数。

(3)原位大型直剪试验可分析全级配条件下土体的抗剪强度，可对室内试验结果合理性进行修正；通过研究原级配坝料强度特性，确定强度指标。

(4)直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，对于砂砾料一般采用慢剪试验(S)，即在施加垂直压力及水平剪切力的过程中，均应使试样排水固结。

(5)近年发展了1500t大型动静三轴试验机，联合进行现场试验与室内试验，对比并综合确定砂砾料的变形和强度特性。

(6)超大三轴试验：大连理工大学研制成功了国内最大的超大型静、动三轴仪，试样直径为1000mm和800mm，可以联合大型三轴仪(试样直径300mm)进行爆破料和砂砾料的变形和强度特性试验，确定筑坝材料缩尺误差并进行修正，使模型参数更加合理地反映原型级配。

2.2.2变形及强度特性指标

砂砾料的变形和强度特性主要受围压力大小、剪应力水平、应力路径和应力历时的影响。表2为近期典型工程现场大型载荷试验成果。可以看出，在较高围压下，砂砾料表现出较高的变形模量。

表2 典型工程现场大型载荷试验成果表 单位：MPa

2.2.3超大三轴试验对变形和强度特性的影响

大连理工大学采用超大三轴试验针对阿尔塔什大坝筑坝砂砾石，研究静动力本构模型参数以及缩尺效应对筑坝材料永久变形模型参数的影响规律。表3给出了砂砾料的大三轴(30cm试样直径)与超大三轴(100cm试样直径)试验邓肯-张模型参数的对比。

从表3可以看出，超大型三轴试验的弹性模量K及体积模量Kb较大型三轴试验相比，砂砾料大25%左右，表征抗剪强度的初始摩擦角也表现出了一致的对应关系。超大三轴的试样直径达到了100cm，试验条件相对大三轴更加接近于现场实际，试验结果更加可信。对于砂砾料，由于其是经过天然磨圆搬运沉积而成，颗粒磨圆度高，土颗粒本身破碎变位的余地很小，当采用接近于原级配土进行大尺寸试样三轴剪切试验所确定的变形模量参数就较缩尺级配土小尺寸试样的试验结果要高，这和现场原位测试变形模量较室内缩尺试验确定土体变形模量高的道理是一致的。

因此，对于砂砾料筑坝，采用超大三轴进行筑坝材料的变形和强度特性试验，模型参数更加合理地反映原型级配，计算成果更合理可信，更加体现筑坝材料现场的实际工作状态。

2.3 渗透特性

土石坝各料区的渗透系数、反滤与过渡保护、渗透破坏坡降等设计参数大多来自室内试验成果。目前结合大石峡水利枢纽混凝土面板砂砾石坝的工程建设，进行了砂砾料大型室内渗透试验(尺寸1000mm)；结合茨哈峡水电站混凝土面板砂砾石坝前期论证，进行了各料区现场大型渗透试验。

砂砾料渗透性主要以渗透系数表示，其大小受级配、结构、密实程度及孔隙比等影响，其中级配和孔隙比是主要因素。天然砂砾石料级配离散性大，故渗透系数变化大(从100到10-3～10-4不等)；施工受振动碾压实影响，容易发生粗细颗粒上下层分离，特别是细颗粒(粒径小于5mm)含量较大时，在表面形成细颗粒层，导致填筑体整体垂直渗透系数小于水平渗透系数。

砂砾料小于5mm的含量及含泥量对渗透系数有很大影响，其大小取决于细粒填充粗粒之间孔隙的程度，当砾石含量50%～60%、含泥量小于5%时，渗透系数大于10-2cm/s；当含泥量5%～15%时，渗透系数减小到10-3～10-4cm/s。

砂砾料的渗透破坏形式和破坏坡降与砂砾料的颗粒级配特性(级配的连续性、不均匀系数、砾石含量等)有密切关系。当小于5mm颗粒含量达到30%～35%时，细料大致能够填满骨架孔隙，渗透破坏坡降增速明显减小。

砂砾料渗透系数也与密实度、颗粒形状有关。即试样越密实，干密度增大，其渗透系数越小。当细料含量小于30%时，随着试样干密度增大，渗透系数减小幅度较大。

2.4 抗震特性

砂砾料在低应力条件下，由于受浑圆度影响，其抗剪强度比堆石料低，地震荷载作用下易于出现剪胀、开裂、滑脱等现象。抗震措施是地震区砂砾料筑坝建设必须要考虑的，抗震设计及抗震安全评价的基础是把握砂砾料的动力特性，确定合适的动力特性参数，采用适当的抗震措施。

砂砾料的动力特性包括动力变形特性、动力残余变形特性和动强度特性。动力变形特性参数与大坝的地震加速度响应密切相关，影响坝体地震剪应力的大小。一般来说，最大动剪模量越大，坝体刚度越大，地震作用下地震加速度响应越大，坝体内地震剪应力越大，可能造成的坝体剪切破坏和坝坡失稳的可能性越大，即坝体的动力变形特性与坝体地震剪切破坏和坝坡稳定密切相关。此外，当动力作用水平高于砂砾料屈服剪应变时，在动荷载作用下，砂砾料发生累积变形，产生地震永久变形，过大的地震永久变形也会造成坝体结构功能损坏，给大坝带来安全风险。

表3 大三轴与超大三轴试验参数对比表

砂砾料的动力变形特性参数是进行砂砾石坝地震动力反应分析的基本输入参数，一般通过室内动力变形特性试验确定，或通过联合现场波速试验和室内动力试验综合确定。典型工程筑坝主堆砂砾料在不同干密度和固结比条件下的最大动剪模量系数C与指数n见表4，阿尔塔什水利枢纽工程筑坝砂砾料不同干密度和固结比条件下应变效应的数值化以及不同影响因素下砂砾料动剪模量比和阻尼比随剪应变的变化关系如图2所示。

图2 阿尔塔什水利枢纽工程主堆砂砾石料G/Gmax～γ和D～γ曲线图(干密度=2.32g/cm3，固结比=1.5)

由表4和图2所知，砂砾料的动剪模量比随干密度、固结比和围压力(图2中的500kPa、1000kPa、2000kPa)呈现规律性的变化。在相同的干密度和固结比下，围压力越大，相同剪应变水平下的G/Gmax和D就越大，尤其是在剪应变达到10-4以上时，G/Gmax和D受围压力的影响更加明显。在相同干密度和围压力下，固结比越小，相同剪应变水平下的G/Gmax和D越大，阻尼比受固结比的影响相对较小。固结应力条件相同时，干密度越小，G/Gmax和D越大，D受干密度的影响相对较小。

需要注意的是，由于室内试验确定最大动剪模量对微小应变测试技术有较高的要求，不同的单位往往有不同的做法，在应用时要注意G/Gmax和D的配套关系，不能将二者割裂起来使用。

3 砂砾料筑坝安全性

3.1 大坝填筑标准拟定原则

在坝址、坝型和坝体分区确定之后，其面临的主要工程问题就是坝体的变形控制。土石坝变形控制的主要对策措施包括：合理选择筑坝材料、良好的材料级配、优化坝体分区、提高各料区压实密度、有效控制填筑顺序等。其中，重点是坝体填筑标准的确定及保障在施工过程中能够达到填筑标准的施工碾压参数和控制指标的合理确定。

从定性上，大坝的填筑标准越高，筑坝砂砾料所能够达到的碾压干密度和相对密度会越高，相应的对控制大坝变形越有利。已有的研究表明，砂砾料的压实特性受自身内因和施工振动碾压机械等外因的共同影响，当砂砾料碾压达到一定的干密度(相对密度)后，单位振动能量所起到的压实效果很有限。

表4 典型工程砂砾料最大动剪模量参数汇总

对于大坝的碾压标准而言，从控制变形基本原则出发，在经济条件和施工技术可行的情况下，能够得到越高的碾压密实度的碾压标准越合适。由砂砾料的工程特性可知，随着碾压参数的提升，坝料的碾压密实度也在提升。但根据以往的工程经验，坝料碾压密实度提升幅度随碾压参数达到一定水平后逐渐变得很小，或者基本不变。此时为获得略高的坝料碾压效果，达到更高的坝料碾压密实度，而继续提高碾压参数，相应的技术经济投入成本是需要重点考虑的问题。

因此，工程设计填筑标准指标拟定基本原则：在满足规范要求的前提下，要根据具体工程物料性状，考虑技术可行性和经济成本构成，经研究论证，合理确定坝体填筑施工参数。

3.2 大坝变形控制安全性

工程运行期的安全隐患与问题处理大多与坝体沉降变形有关。如混凝土面板坝运行期发生较大的坝体变形，导致面板塌陷折断、周边缝止水破坏、面板结构性裂缝与垂直缝挤压破坏、大坝渗流量过大等问题；有覆盖层沥青混凝土心墙土石坝因变形协调导致渗漏量偏大，坝体变形导致沥青心墙坝体渗流等。如果在设计及施工过程中对坝体变形量进行有效控制，上述一系列问题就可在很大程度上得到缓解或避免。

根据相关标准规定，并综合以往工程建设经验，不同防渗形式坝体变形控制标准有所差别。对于高混凝土面板坝，其填筑标准确定以变形控制为首要目标，在施工技术进步和技术经济可行的前提下，以控制大坝填筑体变形尽量小确定其填筑标准。相对而言，沥青混凝土心墙等防渗体对坝体变形的敏感性和安全性要求不如混凝土面板坝，坝体变形控制要求要低一些，填筑标准以控制大坝填筑体变形在合理范围内即可，可综合考虑变形控制的协调与经济性。

具体工程设计中，可根据规范要求，采用工程经验类比法，拟定砂砾料设计填筑相对密度；对于较重要的工程，可结合室内材料特性试验和相应大坝结构特性分析拟定设计标准；对于较高坝和地震地质条件复杂工程，初步设计和实施阶段，要根据现场原级配大型相对密度试验确定砂砾料设计填筑干密度，通过碾压试验对设计填筑标准及物料级配控制包线进行复核和验证，并据此确定现场施工碾压控制参数。施工过程中，可采用碾压参数和相对密度两套参数作为施工质量控制标准。

3.3 渗透稳定安全性

砂砾料的渗透性能是砾石料连续级配的属性决定的。砂砾石料一般情况可以直接作为过渡区与面板下垫层料级配过渡，可以控制好垫层和过渡层渗流稳定。按现行土石坝设计规范，反滤关系的计算是难点，尤其是现场物料配置发生变化时。因此，渗流控制设计是工程质量的基础，而施工质量控制是关键。

提高砂砾石料压实度后，渗透系数和水力坡降与室内试验成果相比也发生明显改变，压实后的抗冲蚀性能明显提高、垂直渗透性能明显减小。因此需重新复核或采用新方法研究坝体渗透稳定性能。

当渗流量和渗透变形不满足设计要求时，要采用工程措施加以控制。内容包括：分析坝体和坝基的渗流量、渗透压力、坝体浸润线位置、流场流线、等势线、水力坡降分布及出逸区水力比降大小等，评价渗透安全性。合理进行坝体渗透稳定分析，满足水力坡降过渡；增加有效渗流路径，合理设置反滤层，满足排水反滤要求，保护渗流出逸区，是加强渗流控制和提高渗透安全的有效措施。

我国大多已建同类工程在砂砾石区中上游设置L形排水体，在具体设计方案上，应考虑填筑体上升过程填筑形态与两岸坝坡地形的关系，注重排水体通畅与介质连续可靠性，尤其要严格控制施工和物料质量。

3.4 抗震措施安全性

抗震措施设计要点包括合理确定大坝安全超高(含地震沉陷及涌浪高度)、坝区内高边坡处理、工程区内大型滑坡体对工程安全的影响等；主要的抗震措施包括采用较大的坝顶宽度，放缓坝坡或采用上缓下陡的坝坡坡比，在坝坡变化处设置马道；在下游坝坡上部采取坝内与坡面加固措施，且连接成复核结构；坝坡一定范围内加固可采用土工格栅水平钢筋网，坡面加固可采用浆砌石或钢筋混凝土框格梁结构；采用堆石料区对坝体砂砾石料区有所约束，以满足大坝抗震稳定要求。

砂砾石料压实后密实度提高，渗透性能降低，其抗震稳定性能不如堆石料，故合理利用当地材料进行坝体分区填筑设计也是提高抗震能力和确保渗透稳定的重要措施之一。例如阿尔塔什混凝土面板坝坝体分区设计中：砂砾石置于坝体中部干燥区，是利用天然砂砾石料储量丰富、承载能力高、压缩变形小的特点；坝顶部及下游坡一定范围内设置堆石区，是利用堆石为非冲蚀材料、抗剪强度高的特点，提高其抗震性能。

高土石坝地震破坏主要表现为坝顶震陷、防渗体拉裂和错动、坝坡局部凸起和滚石等，应特别重视地震永久变形导致防渗系统损伤。按新颁布的国标抗震设计规范和场地地震安全评价，进一步深入研究土石坝极限抗震能力，对提高砂砾石坝抗震安全性认识是非常必要的。大坝极限抗震能力分析评价内容包括坝坡稳定、坝顶震陷与变形、防渗体安全性。根据专题论证成果：新疆大石门混凝土沥青心墙砂砾石坝(坝高128.8m)的极限抗震能力为地震动峰值加速度0.70g左右；卡拉贝利混凝土面板砂砾石坝(坝高91.0m)的极限抗震能力为地震动峰值加速度0.60～0.65g；大石峡混凝土面板砂砾石坝(坝高147.0m)的极限抗震能力为地震动峰值加速度0.55～0.60g。

在高地震区复杂地形地质条件下，根据新颁布国标抗震设计规范要求，近年工程建设情况已加大投入，增强和进一步提高了砂砾石坝的抗震设防能力，其抗震安全保障措施是可信的。

3.5 工程建设安全性

我国在土石坝设计、施工、建设管理、质量监督和运行监测已形成了较完整的规范性技术体系，以及相应的质量控制标准和检测验收标准。

从技术发展过程看，根据现场大型试验研究成果、工程质量检测和安全监测资料分析与总结，信息反馈推动了砂砾料分区布置、压实标准选择和大坝变形控制、坝体渗透性能和渗流稳定评价、抗震措施可靠性等方面的技术进步；由于施工技术进步和设备能力提升，以及现场质量管理加强，也进一步提高了设计技术要求、经济指标和安全性等方面的认识。

砂砾料筑坝工程建设快速发展，对施工质量管控和实施能力提出更高要求，也促进了施工技术进步与设备能力增强。在坝体碾压质量控制方面，引进和采用数字化或智能化控制系统，在施工中严格执行压实标准，合理安排施工顺序，有效提高了施工质量管控水平。目前已基本达到了可针对每一个具体的工程项目，在料场查勘、掌握砂砾石料级配与特性的基础上，采用先进的施工工艺，重型碾压自行式(26t、32t、36t)设备与配套施工参数(层厚、遍数、洒水、行车速度与激震力等)可获取较高的压实度，有利于高土石坝的变形控制，提高工程安全保障。

4 结语

天然级配砂砾石料具有施工碾压后沉降变形小、抗剪强度与变形模量高等工程特性。利用砂砾料工程特性，从设计和施工2个方面着手，采取合理的坝体功能分区及有效的结构措施，充分发挥砂砾料在变形控制方面的优势，规避其渗透稳定性和抗震安全性不如堆石料的不利因素，是可以实现高坝稳定、变形与渗流安全性要求，确保大坝运行期处于安全状态。

目前在建和拟建的重点工程建设条件和工程地质背景更为复杂，工程建设难度加大，更具有技术挑战性。随着科研手段和施工技术的发展，应在总结已建工程经验的基础上，提高设计水平，提升砂砾料筑坝安全性的认识，推进技术进步。