李小泉，李建國，羅 欣

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司科學研究所，四川 成都 610072）

瀑布溝寬級配礫質土防滲料的突出特點及工程意義

李小泉，李建國，羅 欣

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司科學研究所，四川 成都 610072）

土質心墻堆石壩的設計中，防滲料的選擇和適宜性是關鍵問題之一。采用礫質土作為防滲料已成為世界高壩發(fā)展的趨勢，其優(yōu)點為國內外工程實踐經驗所證實。瀑布溝水電站大壩，屬國內首次將寬級配礫質土用作心墻防滲料于深厚覆蓋層上修建高土石壩，在中國壩工史上有著里程碑般的意義。本文通過將瀑布溝寬級配礫質土防滲料與國內外諸多高壩工程防滲料的對比，揭示了瀑布溝防滲土料的突出特點；通過施工期的檢測與復核，驗證了應用效果的可靠性，并歸納了其成功應用的工程意義。

寬級配礫質土；防滲土料；黏粒含量；工程意義

0 前 言

土質心墻堆石壩的設計中，防滲料的選擇和適宜性是關鍵問題之一。以往土石壩防滲體材料的選擇，多用純細粒黏土，但在實際工程中，壩址附近往往沒有足夠的細粒黏土，以礫質土、風化料及冰磧土等為代表的粗粒土就成了工程師們的替代選擇。國外一些沒有或缺少細粒土的地區(qū)，已有諸多用粗粒土作防滲料筑壩的成功范例，如塔吉克斯坦的努列克、美國的奧羅維爾、加拿大的邁卡。瀑布溝水電站大壩則為國內首次在深厚覆蓋層上應用寬級配礫石土作心墻防滲料修建的高土石壩，其成功經驗已為國內多座高土石壩在設計和建設中借鑒和推廣。但與其他所有類似工程相比，瀑布溝寬級配礫質土防滲料的特點仍較為突出。

1 國內外高壩防滲土料與瀑布溝防滲料對比

分別收集了國內外100 m以上高土石壩采用寬級配礫質土作心墻防滲土料工程實例：從圖1、2可直觀地查看世界各國主要高壩工程防滲體的級配特性指標，并突出標出了瀑布溝寬級配礫質土心墻防滲土料在國內外高心墻堆石壩防滲土料級配曲線圖中所處的位置。從圖上可以看出，成功運用的防滲料小于5 mm的顆粒含量最小為42.33%（獅子坪），瀑布溝為41.14%；小于0.075 mm的顆粒含量最小為16%（馬特馬克），瀑布溝為11.49%；小于0.005 mm的黏粒含量最小為4.5%，瀑布溝為5.15%，為國內最小值。泥山壩小于5 mm的顆粒含量為38%，小于0.075 mm的顆粒含量為5.7%，小于0.005 mm的黏粒含量最小為2%，但其心墻曾發(fā)生過滲透破壞。結合圖表進一步分析：從國外已有寬級配礫質土作心墻土料實例看，瀑布溝黑馬料位于下包線偏低位置，細粒段僅比泥山壩略高，但泥山壩工程已失事；從目前國內應用實例看：瀑布溝水電站大壩防滲料為國內黏粒含量最小（小于0.005 mm黏粒含量低于6%）的寬級配礫石土。

2 國內規(guī)程規(guī)范對礫石土防滲料的技術要求

《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（DL／T 5395－2007）填筑防滲體礫石土要求：粒徑大于5 mm的顆粒含量不宜超過50%，0.075 mm以下的顆粒含量不應小于15%，且小于0.005 mm的顆粒含量不宜小于8%。

《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（DL／T 5388－2007）填筑防滲體礫石土要求：粒徑大于5 mm的顆粒含量不宜大于50%，0.075 mm以下的顆粒含量不應小于15%，且小于0.005 mm的黏粒含量在全級配中宜不低于6%～8%，擊實后滲透系數小于1×10－5cm／s。

因此從國內兩規(guī)程規(guī)范對礫石土防滲料的技術要求來看：瀑布溝礫質土防滲料小于0.075 mm的顆粒含量（11.49%）超出了規(guī)范的要求；小于0.005 mm的黏粒含量（5.15%）超出了規(guī)范推薦的下限。

圖1 瀑布溝與國外幾座高心墻堆石壩防滲土料級配曲線

圖2 瀑布溝與國內幾座高心墻堆石壩防滲土料級配曲線

3 瀑布溝水電站防滲料料場的選擇過程及改良方案

瀑布溝心墻防滲料料場的選擇有一復雜漫長的過程，1986年進入預可研設計階段后，進行了大量的試驗研究工作：在50 km范圍內曾分別對深啟低、黑馬0區(qū)、黑馬Ⅰ區(qū)、老堡子、田街子、烏斯河、新寨子、卡爾、管家山等料場和距壩址35 km的紅花料場進行了試驗研究。研究工作按照當地材料壩設計的最基本原則－以壩址處為中心，由近至遠，就地取材，在滿足防滲土料基本原則的基礎上初步篩選：其中黑馬Ⅰ區(qū)料場小于5 mm顆粒含量為22.8%～60%，平均40.5%，小于0.1 mm顆粒含量為22.8%～60%，平均11.4%，小于0.005 mm的黏粒含量為0.92%；其ik達1.5～2.2，if＝7.1～7.4，加反濾后ik達9.9～12.56，k值可達4.2×10－5cm／s，if＝40～60.3，其儲量達442×104m3，但其下線的k值難于達到10－5cm／s要求。其他黑馬Ⅱ區(qū)小于5 mm顆粒含量平均為34.8%，烏斯河和卡爾為36.4%～38.6%，這三個料場下線小于5 mm顆粒含量為19.7%～22.6%，其k值仍達不到10－5cm／s，其強度和變形指標均較好，但都因粗粒含量偏大，有待處理后才能用作防滲料。故經這階段研究后初步選擇下階段重點研究的料場為：深啟低、黑馬0區(qū)、黑馬Ⅰ區(qū)、老堡子和管家山料場。

在可研階段后期，經室內試驗、現場碾壓試驗研究綜合分析比較：深啟低、老堡子及田街子三個料場小于5 mm顆粒含量為67.3%～77%，其下線為46.8%～55.7%，ik＝3.3～3.35，if＝7.0～8.3，k＝8 ×10－5～2.9×10－7cm／s，總儲量363×104m3，其中線和下線均能滿足壩體防滲要求。但這三個料場的細粒含量偏多，導致最大干密度，抗剪強度及壓縮模量均較低，難以滿足防滲體應力變形的計算要求，且施工開采不便。故心墻防滲土料選定用黑馬礫石土料，但成果表明：黑馬Ⅰ區(qū)、0區(qū)土料級配范圍廣、粗粒含量偏高，需考慮摻和及其他處理方式。

對于瀑布溝心墻料采用寬級配礫質土，其強度和變形能滿足要求，不是控制性因素，防滲和抗?jié)B透破壞則是研究和控制的關鍵。通常影響防滲性能的主要指標為壓實密度、小于5 mm含量、小于0.075 mm含量、小于0.005 mm含量。而研究成果顯示：瀑布溝擬定防滲料為國內黏粒含量最少（小于0.005 mm黏粒含量低于6%），塑性指數最低（平均為9.6）的寬級配礫石土。

天然筑壩材料的天然性是客觀存在的，是否適于作心墻防滲土料卻隨土石壩建設技術的發(fā)展和設計者對當地材料研究的深入程度可能有不同的認識。從防滲的角度看，黑馬Ⅰ區(qū)、洪積亞區(qū)土料剔除大于80 mm粒徑，在2 740 kJ／m3的擊實試驗基礎上，壓實度為98%控制之下，滲透系數達到i×10－6量級；此外黑馬Ⅰ區(qū)土料采用摻合的方式，也是可行，但摻合工藝復雜，又無堆料場地。因此，最終采用黑馬I區(qū)經簡單級配（剔除大于80 mm）調整作瀑布溝心墻防滲土料。

4 施工期檢測與復核

在大壩填筑期間我院對礫質土心墻按8～10 m高一次共進行了22次抽檢，并沿高程從壩底到壩頂進行成果統計。檢測的礫石土防滲料級配曲線，見圖3：小于5mm含量為39.27%～54.12%，平均48.45%；小于0.075 mm含量為19.05%～26.70%，平均21.64%；小于0.005 mm含量為3.59%～8.25%，平均6.4%，為黏土質礫（GC）。

圖3 礫質土防滲料檢測級配曲線

此外，我院用統計實測指標進行了各項力學復核：包括在反濾保護下的聯合抗?jié)B試驗、非完整土樣抗沖刷試驗、壓縮試驗、高壓大三軸試驗。成果表明：防滲料平均線在反濾保護下，滲透系數達到i× 10－6量級，為弱透水性；抗?jié)B透破壞坡降較高，達到35以上；反濾層對心墻料有保護效果：心墻料具有防沖刷能力，若出現裂縫，能夠淤堵自愈。其他力學性質，如壓縮性、抗剪強度均符合設計預期。

5 瀑布溝寬級配礫質土防滲料的突出特點

瀑布溝水電站大壩為國內首次在深厚覆蓋層（最大厚度78 m）上采用寬級配礫質土作心墻防滲料。防滲土料為國內黏粒含量最少（小于0.005 mm黏粒含量低于6%）的寬級配礫石土，也接近國際上已建大壩心墻料黏粒含量最低值（小于0.005 mm黏粒含量2%～4.5%）。

防滲料塑性指數國內最低（平均為9.6），經反復論證，建議加強反濾保護來滿足設計要求的抗?jié)B坡降。

瀑布溝水電站心墻防滲料料場篩選及研究過程復雜：由近壩附近10余個料場系統研究，并經大型現場碾壓試驗論證，選擇黑馬土料場。但由于料場土料偏粗，采用了加大擊實功能、簡單級配調整、加強反濾等技術措施，解決了該土料作為高心墻防滲土料的問題并成功應用。

6 瀑布溝寬級配礫質土防滲料應用的工程意義

與國內外類似工程資料比較，瀑布溝防滲土料已接近國際上統計的筑壩心墻料下線，為使其防滲等各項指標滿足要求，瀑布溝黑馬土料經過了大量、系統的室內試驗研究：諸如加大擊實功能、采取與細料（老堡子、管家山、膨潤土）摻和或進行簡單級配（剔除大于80 mm）調整等技術措施，并經大型現場碾壓試驗充分論證，最終提出采用黑馬Ⅰ區(qū)經簡單級配（剔除大于80 mm）調整作瀑布溝心墻防滲土料，雖黏粒含量這一指標仍超出現行土石壩設計規(guī)范和水電水利天然建筑材料勘察規(guī)程要求，但經加大擊實功能和加強反濾，其防滲、抗?jié)B性滿足高壩要求。

瀑布溝心墻料選擇前后經過十余年，勘探、篩選了10多個料場，料源成因復雜、級配組成范圍寬。進行了系統的室內物理、力學試驗研究和大型現場碾壓試驗論證，充分認識料源結構組成和平面、立面分布規(guī)律。最終選擇采用黑馬Ⅰ區(qū)經簡單級配（條篩剔除大于80 mm）調整作瀑布溝心墻防滲土料，該建議簡化了施工工序，能充分保證施工質量，大大節(jié)省投資－預估3億元。

7 結 語

（1）瀑布溝水電站大壩為世界少有、國內首次在深厚覆蓋層上應用寬級配礫石土作心墻防滲料建高土石壩，現已安全蓄水發(fā)電運行3年。

（2）我院設計的獅子坪、磽磧、水牛家和毛爾蓋心墻土料采用的寬級配礫石土，運用了與瀑布溝類似的研究思路和方法，并已成功應用和推廣。

（3）該寬級配含少量黏粒的礫質土，通過大量現場和室內系列試驗研究論證用作心墻防滲料，已在高土石壩中成功運用，并超越現行規(guī)范標準，拓寬料源選擇，已供在建的雙江口、兩河口和長河壩水電站大壩借鑒和參考。

TV44

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1003－9805（2015）02－0060－04

2013－09－24

李小泉（1965－），男，重慶萬州人，教授級高級工程師，從事巖土試驗研究工作。