某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究

按照上述两种方法，对本项目中拟进行试验研究的 4 种反滤组合（包括后续的补充试验）的反滤效
果进行初步判断，成果见表 4。从表 4 的成果可以看出，当出现垫下/过上这两种土料颗粒级配比较接 近的反滤组合时，其排水减压的效果不佳。
为验证表 4 的判断成果，针对表 4 中所列反滤组合开展了反滤保护试验。试验在直径 600 mm 和
960 mm 垂直渗透仪内进行。试验成果见表 5。反滤试验成果进一步验证了表 4 中的判断：垫下/过上组 合水力过渡不佳，过渡料承受的水力比降大于垫层料，先于垫层料发生渗透破坏，不能形成有效的
反滤保护。而在实际施工中，由于料场土料分布的不均匀性，出现这种不利组合的可能性是相当大
的，因此，有必要对大坝填料进行改进，以避免该不利情况的发生。
以上粒径组后作为上坝垫层料。此法获得的垫层料小于 5 mm 颗粒含量低于设计要求，垫层料与过渡料的级配包
络线范围较窄且两者相差不大。由此造成垫层料与过渡料渗透性范围交叉覆盖，存在排水不畅，水力过渡不好组
合的可能性。针对以上情况，对天然开挖筛分后垫层料掺入 5 mm 以下粒径组颗粒，以提高上坝垫层料小于 5 mm
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某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究 定培中 严 敏 常敬雄
根 据 料 场 现 场 取 样 颗 粒 分 析 试 验 成 果 总 结 出 直 接 将 料 场 砂 砾 石 料 筛 分 获 得 的 垫 层 料 和 过 渡 料（本 文 以 下 称 为 直 接 筛 分 垫 层 料 或 直 接 筛 分 过 渡 料）的 级 配 包 线 ， 见 表 1 和 图 2。 从 中 可 以 看 出 ， 垫 层 料 颗粒级配 1～5 mm 区间略呈平台状，表明该区间粒组含量较少，级配略有不足。垫层料上包线和平 均线小于 5 mm 含量在 30.6 %～36.7 %，满足设计要求。但下包线小于 5 mm 含量为 23 %，不能满足 设计要求。为了解目前料场垫层料的渗透变形特性，选取垫层料上、下包线，以及小于 5 mm 粒径含 量低于 30 %且 1～5 mm 粒径组平台较明显的级配线 D1，共 3 种级配分别进行渗透变形试验。
评价
D20/d20
0.15
合格
0.3
6.82
合格
11.97
1.13
合格
3.22
5.33
合格
8.78
排水 评价
不合格 合格 合格 合格
4 大坝填料改进方案分析
本 工 程 设 计 时 采 用 的 混 凝 土 面 板 堆 石 坝 设 计 规 范（SL228-98）要 求 垫 层 料 具 有 连 续 级 配 和 内 部 渗 透 稳 定 性 ， 粒 径 小 于 5 mm 的 颗 粒 含 量 宜 为 30 %～50 %， 小 于 0.075 mm 的 颗 粒 含 量 宜 少 于 8%。 而 2013 年实施的混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-2013）以及 2011 年实施的混凝土面板堆石坝设计规 范（D L 5016- 2011）吸 收 了 更 多 的 工 程 建 设 成 果 与 经 验 ， 规 定 垫 层 料 应 该 具 有 连 续 级 配 、 内 部 结 构 稳 定 并对上游铺盖料起反滤保护作用，粒径小于 5 mm 的颗粒含量宜为 35 %～55 %，小于 0.075 mm 的颗 粒含量宜为 4 %～8 %。渗透系数宜为 1×10-4～1×10-3cm/s
渗透变形试验结果表明，直接筛分获得的过渡料上包线 G 上破坏形式为过渡型，渗透系数为 i× 10-3cm/s。过渡料平均线 G 平破坏形式为管涌，渗透系数为 i×10-3cm/s。过渡料下包线 G 下破坏形式为管 涌，渗透系数为 i×10-2cm/s。过渡料的渗透性符合设计要求。
3 直接筛分过渡料对垫层料的反滤保护试验
0.25 0.1 0.075
9.7 3.9
2.9
6.8 3.0
1.9
Байду номын сангаас
3.7 2.2
1.1
5.9 3.4
2.5
11.2 4.8
3.3
8.4 3.9
2.3
5.2 3.1
1.5
6.7 2.9
1.9
5.2 2.3
1.4
2.9 1.7
0.8
2.9 1.7
0.8
图 2 直接筛分垫层料及过渡料级配曲线
垫层料的渗透变形试验采用垂直试验方法， 水流方向由下至上。根据长江科学院开展的粗粒 土 渗 透 试 验 尺 寸 效 应 研 究 成 果 ， ［1-2］ 本 研 究 中 渗 透 仪 直 径 与 试 验 材 料 d85 之 比 值 不 小 于 6； 对 超 径 颗 粒适度采用等量替代法。按此原则，垫层料上包 线 采 用 30 cm 直 径 的 渗 透 仪 ， 其 余 级 配 均 采 用 了
正常蓄水们 3086.00
设计洪水位3087.02 死水位3066.00
混校凝核土洪面水板位 F30881∶.541.39坝7 轴线
3091.30 浆砌块石护坡 3D
3065.001∶1.3 3067.07
1∶0.5
垫层区2A
干 砌 块 石 护 坡 3D
盖重区1B 1∶1∶1.14 .2
1∶1.397
表 4 直接筛分料不同反滤组合效果初步判断成果表
反滤组合
D 下/G 上 D 上/G 下 D1/G 平 CD 平/G 平
滤土 D15/d85 0.70 1.92 1.12 1.72
规范法
排水
评价
D15/d15
评价
合格
4.21
不合格
合格
13.14
合格
合格
9.98
合格
合格
17.18
合格
刘杰法
滤土
D20/dk
CD 平
100 96.5 88.3 78.6 63.4 50.5 40.3 31.2 28.4 18.9
CD 下
100 91.3 82.6 71.1 54.5 42.4 33.0 26.2 23.2 14.6
G 上 100 98.9 91.0 87.2 80.3 71.2 54.8 42.1 30.4 23.3 21.8 14.1
流土，内部结构稳定，渗透系数为 3.82×10-4cm/s；垫层料试样 D1 的破坏形式为过渡型，内部结构不 稳定或者欠稳定，渗透系数为 5.60×10-3cm/s。垫层料下包线试样 D 下破坏形式为管涌型，内部结构不 稳定，渗透系数为 1.31×10-2cm/s。
2 直接筛分过渡料渗透变形特性研究
根据设计要求，过渡料应级配连续，最大粒径不超过 300 mm，小于 5 mm 的颗粒含量占 30 %～ — 455 —
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15 %，小于 0.1 mm 颗粒含量小于 7 %。根据料场现场取样获得的过渡料级配包线来看，目前料场砂 砾石过渡料小于 5 mm 含量在 18.5 %～30.4 %之间，小于 0.1 mm 颗粒含量在 1.7 %～2.9 %之间，颗粒 级配较为连续，满足设计要求。
颗粒含量，使其级配满足设计要求并提高其内部稳定性。掺配后的垫层料在反滤料的保护下，可以承受远超过渗
流场计算得到的最大比降。本研究成果及现场工程实践表明，对垫层料掺配一定比例的细料，是类似条件工程中
改善垫层区与过渡区水力过渡，提高反滤作用效果的有效途径。
关键词：垫层料；过渡料；水力过渡；反滤；掺配
中图分类号：TV641.4
过渡区3A 主堆砂砾石区3B2 主堆石区3B
2995.00 主堆石区3B
1∶0.5
下游堆石区3C
干 砌 块 石 护 坡 3D 干 砌 块 石 护 坡 3D
2959.00 惟幕灌浆
图 1 大坝分区剖面图 （单位：m）
1 直接筛分垫层料渗透变形特性研究
本 工 程 垫 层 料 和 过 渡 料 为 同 一 料 场 砂 砾 石 料 ， 仅 控 制 其 最 大 粒 径 不 同 ， 过 渡 料 最 大 粒 径 300 mm， 垫 层 料 最 大 粒 径 100 mm。 设 计 文 件 中 ， 对 垫 层 料 粒 径 提 出 如 下 要 求 ： 最 大 粒 径 不 超 过 100 mm，小于 5 mm 的颗粒含量占 30 %～50 %，小于 0.075 mm 颗粒含量小于 8 %，颗粒级配连续。
目 前 国 内 现 行 碾 压 式 土 石 坝 设 计 规 范［3］对 无
表 3 “规范法”反滤设计准则
黏 性 土 采 用 的 滤 层 准 则 可 归 纳 如 表 3（以 下 简 称 “ 规 范 法 ”）：
被保护土的 不均匀系数 Cu
Cu<5～8
Cu>8
而对于渗流方向向下的无黏性土反滤层设计 的 基 本 准 则 ， 刘 杰 还 有 如 下 建 议［4］。（1）滤 土 准 则 — 可 允 许 的 最 粗 反 滤 层 的 等 效 粒 径 D20/dk≤ 10；（2）减 压 准 则 — 反 滤 层 可 允 许 的 最 小 等 效 粒 径：D20/d20≥2~4（式中 2 适用于管涌土，4 适用于
收稿日期：2016-04-20 基 金 项 目 ： 中 央 级 公 益 性 科 研 院 所 基 本 科 研 业 务 费（C K SF 2014055/Y T） 作 者 简 介 ： 定 培 中（1971-）， 男 ， 湖 北 武 汉 人 ， 高 级 工 程 师 ， 主 要 从 事 地 下 水 环 境 及 岩 土 工 程 渗 流 研 究 。
某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究
定培中 1，严 敏 1，常敬雄 2
（1. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010； 2. 青海引大济湟水电建设责任有限公司，青海 西宁 810001）
摘要：某在建面板堆石坝拟将现场开挖获得的砂砾石料筛除 300 mm 以上粒径组后作为上坝过渡料，筛除 100 mm
表 2 直接筛分垫层料渗透变形试验成果表
级配
上包线 D上 下包线 D下 特殊级配 D1
渗透系数 K20（/ cm/s） 3.82×10-4 1.31×10-2 5.60×10-3
临界 比降
/ 0.54 0.70
破坏 比降 3.20 0.86 6.75
破坏 形式 流土 管涌 过渡
45 cm 直径的渗透仪。从表 2 所示试验成果可以看出，直接筛分获得的垫层料，其上包线破坏形式为
D下
100 90.1 80.1 66.9 47.9 34.1 23.3 18.5 16.4 10.3
D1
100 93.5 83.2 73.2 56.6 40.0 26.8 21.4 20.0 12.5
CD 上
100 99.2 94.0 85.9 69.8 56.2 46.4 37.3 35.0 24.6
滤土准则 D15/d85<4～ 5
排水准则 D15/d15>5
全料的 d85、 d15
宜取 Cu<5～8 细料部分的 d85、d15 作为计算粒径；
当级配不连续时，取级
配曲线平线段以下 （1～ 5mm） 细粒部分的 d85、 d15 作 为 计 算 粒 径
流土型的土）。其中 D20/dk 称为层间系数。D20 为反滤层的特征粒径，dk 为被保护土的控制粒径。
G 平 100 94.5 81.9 77.1 68.8 59.3 45.2 33.4 23.9 17.8 16.0 10.8
G 下 100 84.0 71.9 64.8 57.6 48.8 38.0 27.1 18.5 14.7 11.9 8.2
G 下T
100 71.9 64.8 57.6 48.8 38.0 27.1 18.5 14.7 11.9 8.2
文献标识码：A
doi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.06.009
西北某在建水电站大坝为面板堆石坝，最大坝高 114.5 m，坝顶长度 424 m，坝顶宽 10 m。坝体 分区包括垫层区、过渡区及主次堆石料区，见图 1。因砂砾石料场储量较少，拟将现场开挖获得的砂 砾石料筛除 300 mm 以上粒径组后获得的土料作为上坝过渡料；筛除 100 mm 以上粒径组后获得的土 料作为上坝垫层料。由于以上方法获得的大坝填料其级配范围与设计要求有一定出入。为了解此填 料的渗透变形特性以及反滤保护效果，对其进行了渗透变形及反滤保护试验研究并提出填料改进措 施。
第 14 卷 第 6 期
中国水利水电科学研究院学报
2016 年 12 月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Vol.14 No.6 December，2016
文 章 编 号 ：1672- 3031（2016）06- 0454- 00
表 1 渗透变形及反滤试验用料级配表
级配
小 于 该 粒 径（m m）颗 粒 的 质 量 百 分 比 /%
代号 300 200 100 80
60
40
20
10
5
2
1
0.5
D上
100 98.0 91.5 81.7 63.2 47.9 36.7 29.6 28.2 20.3
D平
100 95.2 85.8 74.4 56.7 42.1 30.6 23.4 21.5 14.6