2.2　可研设计阶段宽级配砾石土心墙防渗料研究

2.2.1　国内外防渗土料技术要求及现状

世界各国主要高坝工程防渗体的特性指标见图2.1、图2.2和表2.1、表2.2，并标注出了瀑布沟宽级配砾质土心墙防渗土料在国内外所处的位置。从目前国内外应用实例看，成功运用防渗料小于5mm的颗粒含量最小为42.33%（狮子坪），瀑布沟为41.14%；小于0.075mm的颗粒含量最小为16%（马特马克），瀑布沟为11.49%；小于0.005mm的黏粒含量最小为4.5%，瀑布沟为5.15%，为国内最小值。泥山坝小于5mm的颗粒含量为38%，小于0.075mm的颗粒含量为5.7%，小于0.005mm的黏粒含量为2%，但其心墙曾发生过渗透破坏。因此，瀑布沟水电站大坝防渗料为国内黏粒含量最少（小于0.005mm黏粒含量低于6%）的宽级配砾石。

2.2.2　料场选择与天然土料的物理力学性质

按照施工立采方式，统计1991年、2001年各土料特征粒径含量见表2.3～表2.5，级配曲线见图2.3。

从表2.3和表2.4中可知，黑马Ⅰ区洪积亚区全料粒度极不均匀，粒径分布在200～0.005mm较宽范围。综合统计，小于5mm的颗粒为33.10%～65.30%，平均为46.10%，小于0.075mm的含量为10.23%～34.60%，平均19.30%，小于0.005mm颗粒的含量为2.29%～10.93%，平均为4.84%，平均线土料定名为黏土质砾。

通常认为，碎石土料小于5mm的颗粒大于50%，小于0.075mm的含量大于15%，小于0.005mm的含量大于8%，在适当功能压实下，才能满足防渗心墙技术要求。从平均值看该土料基本可用，但其下包线不能满足防渗心墙技术要求。

从黑马Ⅰ区全级配砾石土的级配特性上看，其细料低于技术规范的一般要求，其压缩变形与抗剪强度指标能满足高土石坝的要求，但对其是否满足防渗料的要求需要进一步论证。因此，对砾石土全料采用重型（即修正普氏）击实功能（2740kJ/m3）系列击实试验，并进行了系列防渗性能试验。

2.2.2.1　不同粗粒含量下高功能室内系列击实试验

采用直径为500mm的修正普氏击实仪，功能为2740kJ/m3重型击实功能，研究粗粒含量与最大干密度、最优含水率的关系以及全料中细料密度随P5增长而减小情况。该仪器为同期直径最大、功能最全的自行研制设备。试验成果见表2.6和图2.4。

从表2.6与图2.4可看出，在粗粒含量达到30%之前，最大干密度随P5的增加成线性增长，P5＞30%以后，增幅减缓，粗粒含量达到70%时干密度值达到峰值；此后，随着粗粒含量的增加迅速减小，土体中开始出现架空现象，其干密度反而快速降低。

2.2.2.2　土料的渗透性

由于黑马Ⅰ区土料是属于宽级配土，其颗粒组成具有一定的不均匀性，为了进一步了解土料粗细粒含量的变化对渗透系数的影响，用击实最大干密度乘以压实系数0.98作为渗透试验试样制备的控制干密度，在室内开展了不同粗粒含量，与其渗透系数关系的试验，以及在粗粒含量一定时，改变小于0.075mm颗粒含量与其渗透系数关系的试验。成果详见表2.7～表2.9以及图2.5。

从以上表中数据可看出，当击实前粗粒含量小于60%（击实后54%）时，土体的防渗指标皆能满足设计要求；在粗粒含量为30%时，渗透系数达到最低值，这是因为此时土体中粗粒被细料包裹，而粗粒未形成骨架，虽然随着粗粒含量的增加细料密度呈下降趋势，但同时由于粗粒的不透水作用使其渗透面积也逐渐减小，此时粗粒的阻水作用对土体渗透性能的影响更大于细料密度减小的影响所至。当粗粒含量大于30%以后，粗颗粒骨架开始形成，细料密度降低加快，显然土体中细料密度已对其渗透性能起决定作用，随着粗粒含量增加，渗透系数迅速增大，当P5超过60%（击实后）时，土体的渗透指标已不能满足防渗要求了。

当粗粒含量一定时，随着小于0.075mm颗粒含量的增加，k值明显减小，抗渗性能有较大幅度的提高。当粗粒为55%时，小于0.075mm在15%时，已不满足k＜1×10－5 cm/s的要求。

由于黑马Ⅰ区洪积亚区全料下包线小于5mm的颗粒为33.10%，小于0.075mm的含量为10.23%，小于0.005mm颗粒的含量为2.29%，从上述渗透力学试验论证可以看出，即使在2740kJ/m3高功能下，其k值仍不满足k＜1×10－5cm/s的要求。

2.2.3　防渗土料性质改性研究思路与论证

影响防渗体渗透性指标的因素包括级配、压实度、和含水率等，在全级配、高击实功能2740kJ/m3仍不能满足k＜1×10－5cm/s的要求的条件下，为达到渗透指标，一是改变其级配，采用简单的级配调整（剔除大于80mm），改变粗细颗粒含量，增加黏粒含量；二是在比较604kJ/m3、862.5kJ/m3、2740kJ/m3的击实试验基础上，采用加大击实功能2740kJ/m3，以满足防渗体渗透性指标，同时，比较掺细粒土级配改良措施，最终优选改良方案。

2.2.3.1　剔除80mm以上颗粒后基本物理性质

按照施工立采方式，统计1991年、2001年土料剔除大于80mm颗粒后的级配特征粒径见表2.10～表2.12，颗粒级配曲线包线见图2.6。

从表2.10～表2.12可以看出，黑马Ⅰ区洪积亚区全料粒度极不均匀，粒径分布在200～0.005mm较宽范围。综合统计，小于5mm的颗粒为33.10%～65.30%，平均为46.10%，小于0.075mm的含量为10.23%～34.60%，平均19.30%，小于0.005mm颗粒的含量为2.29%～10.93%，平均为4.84%，平均线土料定名为黏土质砾。

从以上图表中可以看出，剔除80mm后，小于5mm的颗粒为41.1%～69.1%，平均为50.92%，小于0.075mm的含量为11.5%～36.6%，平均21.81%，小于0.005mm颗粒的含量为5.2%～7.0%，平均为5.20，平均线土料定名为黏土质砾。

土料级配调整后，小于5mm含量增加4.82%，小于0.075mm含量增加2.51%，小于0.005mm含量增加0.36%，土料的性质得到一定的改善。

2.2.3.2　加大击实对剔除80mm以上颗粒力学研究

1.室内击实功能的选择

在一定的击实功能下，确定土料的最优含水率和与之对应的最大干密度，这两个指标，对于填筑工程至关重要，它可以通过击实试验来获得。

为了确定与比较不同击实功能下的密度、含水率指标，先后进行了不同粗粒含量下，604kJ/m3、862.5kJ/m3、2740kJ/m3的击实试验，其成果比较见表2.13和表2.14。

从以上表中可看出，随着击实功能的增加，不同粗粒含量下全料最大干密度、细料最大干密度均有较大幅度的增加，将有效地提高土料本身的抗渗强度。针对黑马土料粗粒含量偏高，细粒含量偏低的特点，应采用2740kJ/m3高功能下的干密度进行控制。

2.不同粗粒含量下高功能室内系列击实试验

影响土压实的因素较多，如土的类别、性质、级配、含水率及压实功能等，因此每一种土料往往都需要进行系统的击实试验，获得最大干密度、最优含水率与粗粒含量的关系曲线，研究其压实特性，为力学性试验提供合理的控制条件，并为施工压实检测提供依据。

采用直径为500mm的普氏击实仪，功能为2740kJ/m3高功能击实，研究粗粒含量与最大干密度、最优含水率的关系以及全料中细料密度随P5增长而减小的情况，试验成果见表2.15和图2.7。

从表2.15和图2.7可以看出，室内加大击实功能后，小于5mm含量击实后增加值普遍在10%以上，土料的级配改善明显。在粗粒含量达到30%之前，最大干密度随P5的增加成线性增长，P5大于30%以后，增幅减缓，粗粒含量达到70%时干密度值达到峰值；此后，随着粗粒含量的增加迅速减小，土体中开始出现架空现象，其干密度反而快速降低。为增加小于5mm含量，应采用2740kJ/m3高功能下的干密度进行控制。

3.可行性研究阶段现场碾压试验

从实验室技术来说是可行的，为论证现场施工的可行性，可行性研究阶段进行了现场碾压试验。采用的碾压机具为13.5t牵引式振动平碾，铺土厚度分别为30cm、40cm、50cm，碾压遍数分别为6遍、8遍、12遍。

试验控制标准为：

压实度控制

含水率控制

式中：ρdf为碾压后实测土体干密度，g/cm3；ρdmax为击实最大干密度，g/cm3；wop为击实最优含水率，%；wf为碾压后实测土体含水率，%。

试验结果表明，铺土厚度30cm时干密度值最大，普遍比厚度为50cm时大0.02～0.03g/cm3。碾压遍数6～8遍时，压实密度增长较快，碾压8遍以后则增长较慢，且当厚度为30cm、遍数为8遍时，其压实系数完全能满足压实标准。因此，从技术、经济两方面考虑，在采用QZ⁃13.5t的振动平碾作碾压机具的情况下，土料的最佳工艺指标应为：厚度30cm，碾压遍数8遍。相对室内击实而言，现场碾压是在无侧限状态下进行，同时由于黑马料母岩为坚硬的白云质灰岩，小于5mm含量增加少。碾压前后的小于5mm含量比较见表2.16。

采用获得的最佳碾压指标进行逐层碾压。碾压方式和碾压控制标准与前类同。累计碾压四层，每当一层碾压完毕，用履带拖拉机刨毛，并少量洒水再铺土碾压下一层，以加强层间结合，避免产生层间裂缝，后来挖坑观察，效果较好，层间及整个土体没有发现裂缝。压实后土体干密度完全满足压实度要求。

2.2.3.3　土料的抗渗性质

1.干密度及含水率与渗透的关系

为了研究密度及含水率对渗透系数的影响，进行了变化干密度与含水率渗透变形试验，试验采用的料为平均线附近的土料，小于5mm含量、小于0.075mm含量、小于0.005mm含量分别为46.66%、17.0%、4.57%，渗透试验成果见表2.17。

填筑干密度与渗透系数的关系表明，当土级配组成一定时，土的防渗能力随填筑干密度增加而增加，但达到一定密度后，如ρd＝2.32g/cm3时，k值增加趋势减弱。另外，填筑含水量对土的渗透性也有重要影响，在同一击实功能下，湿于最优含水量（wop＝4.625%）比干于最优含水量时的k值要低两个数量级。这是因为湿于最优含水量后，颗粒间的滑动阻力减小，击实时产生的剪应变使颗粒接近于平行的定向排列，形成分散结构，所以渗透性显著降低。当wf≤wop－0.5%时，k值已不能满足要求。施工中应湿于最优含水量填筑，以提高土体的防渗性能。

2.压实度与渗透的关系

为了研究压实度对渗透变形的影响，进行了不同级配下、不同压实度渗透试验，试验控制级配见表2.18，渗透试验成果见表2.19。

渗透系数受压实度影响较大，当压实度为96%时，渗透系数不满足设计要求渗透系数小于1×10－5cm/s的要求；当压实度为98%和100%时，渗透系数均满足设计要求渗透系数小于1×10－5cm/s的要求。因此，将压实度为98%的相应干密度作为填筑控制干密度。同时，PH－Ⅰ平小于5mm的颗粒为41.89%，小于0.075mm的含量16.07%，小于0.005mm的含量5.23%，与统计的下包线较为接近，其渗透系数为3.7×10－6cm/s，满足小于1×10－5cm/s的要求，证明该料场土料在剔除大于80mm且在2740kJ/m3的击实试验基础上，压实度为98%控制下，均可以作为防渗土料。

3.抗冲刷试验

防渗心墙在施工及运行期间由于不均匀沉降或水力劈裂的影响，可能出现开裂状况而降低其防渗能力。这就既要求心墙料本身要有较好的自愈能力，又要求所设置的反滤层能保证心墙土料不被水流带走，使缝壁崩塌的土料尽快淤堵裂缝，自动复原正常工作。

选用的防渗土料条件为：小于5mm含量为46.6%，小于0.075m含量为17.0%，ρd＝2.35g/cm3，wop＝4.9%。

反滤料选用坝壳料料场的石料加工的人工砂，D15＝0.35mm，Cu＝8.0，Cc＝1.7，属良好级配的粗砂砾料。在控制密度为1.92g/cm3时，其自身的渗透系数为1.69×10－2 cm/s。

试验在ϕ300型渗透仪上进行，制样时预留平行于水流方向的贯通性裂缝，缝长15mm，缝宽分别为3mm和5mm，下游面设置反滤保护；施加水压为一次性施加，分别为0.2MPa和0.0755MPa，相应的水力坡降为100和77.5，试验历时分别为490min和400min。

试验中观察发现：当水压施加后，下游出水都呈极轻微浑水，约5min内变清，流量均较小并随时间增长逐渐减小，在试验至300min左右时，通过裂缝的最大渗流量分别为12.1cm3/s和79cm3/s，没有出现流量越来越大以致土体完全破坏的现象。说明满足小于5mm含量大于45%，小于0.075mm含量大于20%，黑马土料在反滤保护下有较好的自愈能力。

根据上述压实试验、渗透试验成果，在高功能碾压压实下有少量的破碎，并考虑天然料场土料存在不均匀性，全料压实度大于98%，填筑含水率控制在wop－0.5%≤wf≤wop＋2%，可以作为质量检测控制指标。

2.2.3.4　土料的强度与变形性质

三轴压缩试验试样制备的控制级配、干密度及试验成果见表2.20。从表2.20中可看出，作为防渗土料，洪积土料k较高，能与反滤料协调变形，有效地减小拱效应。

2.2.3.5　掺合细粒料改良研究

由于黑马Ⅰ区全料稍粗、而老堡子全料又太细，单独作为高土石坝的防渗心墙料均不太理想，在初设阶段，进行了将两者进行掺合的试验研究。黑马Ⅰ区全料的物性指标见前述，老堡子全料的物性指标见表2.21。

1.室内试验

老堡子土料很细，小于5mm颗粒的含量平均为74.32%，小于0.1mm细粒的含量平均达42.21%，应具有较好的防渗特性。为提高黑马土料的防渗指标，分别采取了如下掺合方式：黑马：老堡子＝75ϒ25、70ϒ30、65ϒ35，按比例掺合后用南实仪获得其控制密度和含水率，进行了压缩、直剪、渗透变形试验，试验结果见表2.22。试验结果表明，黑马土料与老堡子土料按不同比例掺合后，防渗性能有了较大的改善，强度和变形指标也能满足要求，从实验室技术来说是可行的。

2.现场碾压试验

为了进一步研究掺合料作为防渗心墙料的可能性，进行了剔除80mm以上颗粒后的碾压试验。掺合的比例分别为：75ϒ25、70ϒ30、80ϒ20。碾压机具、方式和质量控制标准同黑马Ⅰ区碾压试验。压实后土体的物性指标和力学性指标见表2.23、表2.24。

由于所选择的3种掺合比例相差较小，压实后土的颗粒级配和压实度虽符合一般规律但变化不大。小于5mm颗粒的百分含量在57.13%～58.58%范围内，小于0.1mm颗粒的百分含量在27.08%～28.54%范围内，从物性指标和力学性指标来看还是较好的，特别是防渗指标令人满意，但掺合料增加了施工工艺。

2.2.3.6　防渗土料改性方案选定

从防渗的角度看，在剔除大于80mm粒径，2740kJ/m3的击实试验基础上，压实度为98%控制下，黑马Ⅰ区洪积亚区均可以作为防渗土料；黑马Ⅰ区土料采用掺合的方式，也是可行的，但掺合工艺复杂，又无堆料场地，因此，选取剔径、2740kJ/m3的简单易行的方式。

2.2.4　施工效果验证

2.2.4.1　施工期检测与验证

成都院在大坝填筑期间对心墙砾石土不同高程进行了22次抽检，以每次检测平均值作为该高程的成果进行统计，统计成果从坝底到坝顶。

（1）小于5mm颗粒含量统计。小于5mm颗粒含量最小为39.27%，最大为54.12%，平均为48.45%。而可研、初设阶段统计黑马洪积Ⅰ区料场平均小于5mm含量52.08%左右，与填筑后的小于5mm颗粒含量基本吻合。

22个样本中，小于5mm颗粒含量高于45%的有20组，占全部样本的91%，小于5mm颗粒含量低于45%的有2组（该2组样本处于坝底廊道高程以下），占全部样本的9%。

（2）小于0.075mm颗粒含量统计。小于0.075mm颗粒含量最小19.05%，最大为26.70%，平均为21.64%。而可研、初设阶段统计黑马洪积Ⅰ区料场平均小于0.075mm含量27.37%，与填筑后的小于0.075mm颗粒含量基本吻合。

22个样本中，小于0.075mm颗粒含量高于20%的有17组，占全部样本的72.3%，小于0.075mm颗粒含量低于20%的有5组，占全部样本的22.7%，而这5个样本中，有2个处于坝底廊道高程以下，其余3个处于高程710.00m以下。

（3）小于0.005mm颗粒含量统计。小于0.005mm颗粒含量最小为3.59%，最大为8.25%，平均为6.4%。而可研、初设阶段统计黑马洪积Ⅰ区料场小于0.005mm颗粒含量平均在6.16%左右，与填筑后的小于0.005mm含量基本吻合。

22个样本中，小于0.005mm颗粒含量高于5%的有19组，占全部样本的86.4%。小于0.005mm颗粒含量低于5%的有3组，占全部样本的13.6%，而这3个样本中，有2个处于坝底廊道高程以下，其余1个处于高程688.0m以下。

（4）填筑含水率统计。22个样本中，最小含水率为4.2%，最大含水率为7.7%，平均填筑含水率6.0%。而可研、初设阶段黑马洪积Ⅰ区料平均级配料在2740kJ/m3击实条件下对应最优含水率为5.0%，填筑后的统计平均含水率略高于最优含水率。

（5）填筑干密度统计。最小干密度2.25g/cm3，最大干密度2.37g/cm3，平均干密度2.32g/cm3。

（6）填筑压实度统计。根据不同P5含量下的填筑干密度及相应不同P5含量下的设计干密度计算，最低压实度96.2%，最高压实度101.7%，平均压实度99.4%。

按98%的压实度评价，不合格样本2个，压实度不合格率9%；合格样本20个，压实度合格率91%。

对22个样本进行数理统计，其平均值μ＝0.994，标准差σ＝0.013，保证率为90%时的压实度P0.9＝0.990，满足全料压实度不低于0.98的要求。试验结果见表2.25和图2.8～图2.15。

从上述图表可以看出：心墙砾石土小于5mm、小于0.075mm、小于0.005mm颗粒含量与可研、初设阶段统计黑马洪积Ⅰ区料基本吻合，其级配基本满足设计要求。

各次含水率基本满足wop－1%≤wf≤wop＋1.5%要求，平均含水率略高于可研、初设阶段黑马洪积Ⅰ区料平均级配在2740kJ/m3击实条件下对应的最优含水率。

个别土料的压实度低于0.98，对22个样本进行数理统计，其平均值μ＝0.989，标准差σ＝0.009，保证率为90%时的压实度P0.9＝0.988，满足全料压实度不低于0.98的要求；以每次检测平均值作为该高程的成果进行统计，对22个样本进行数理统计，其平均值μ＝0.994，标准差σ＝0.013，保证率为90%时的压实度P0.9＝0.990，满足全料压实度不低于0.98的要求。

2.2.4.2　施工期力学性质复核

根据检测资料，进行统计分析，选取上包线、平均线、下包线及其对应密度、对应含水率作为试验控制条件，进行室内力学试验。对大于80mm颗粒，采用等量替代超径处理。试验控制参数见表2.26、图2.16。

成都院检测的砾石土防渗料级配曲线，小于5mm含量为39.27%～54.12%，小于0.075mm含量为19.05%～23.15%，小于0.005mm含量为4.73%～8.25%，为黏土质砾（GC）。

B3平均级配反滤料与防渗料上、平、下包线层间关系分析见图2.17、表2.27和表2.28。心墙料在B3反滤作用下联合渗透试验成果见表2.29。从试验图表可知，反滤料B3与防渗料满足层间渗透准则，反滤料B1、B3能起到滤土、排水减压和防止施工中自身分离作用。

平均线级配料进行非完整土抗冲刷试验，开缝宽5mm，缝长15mm，一次性骤加坡降为40的水头，约200s后，透过裂缝和反滤层的冲刷水，由浑浊逐渐变清，冲刷开始流量约6.2cm3/s，最大流量约6.2cm3/s，至试验414s结束时约为5.5cm3/s，试验观察裂缝部分淤堵，心墙料在反滤保护下，具有防冲刷能力，若出现裂缝，能够淤堵自愈，试验成果见表2.30。

防渗料室内力学实验成果见表2.31～表2.33。由此可见，防渗料具抗剪强度高与低压缩性的工程性质。