砂礫料工程特性及其筑壩安全性探析

湯洪潔

(水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

1 概述

在我國新疆、西藏等西部地區防洪、供水、灌溉等水資源開發利用樞紐工程建設項目眾多。由于這些地區砂礫料儲量豐富，以砂礫料為填筑主體的土石壩快速發展。在設計關鍵技術與復雜問題處理、計算理論與現場試驗研究、施工質量控制與大型施工設備應用等日臻完善和不斷提高的大背景下，砂礫料筑壩工程建設開發前景廣闊，其建設規模、應用范圍和數量不斷攀升也將成為必然。

以砂礫料為主填筑體，體現其技術進步和創新的典型工程集中在新疆地區，典型工程基本情況見表1。以上典型工程建設成果在大壩高度、壩體壩基復合防滲規模、抗震能力等方面均取得突破性進展，總結砂礫料工程特性和筑壩安全性技術問題，提高其應用技術水平，對于當下同類工程開發建設具有重要意義。

2 砂礫料的工程特性

2.1 壓實特性

壓實特性通過干密度值體現。隨著高混凝土面板砂礫石壩或心墻砂礫石壩的開工建設，為滿足施工質量控制和工藝參數需要，對于較重要的工程逐步采用現場大型相對密度試驗代替室內試驗，獲得筑壩砂礫料的最大、最小干密度作為大壩壓實填筑質量控制依據。

傳統的相對密度試驗方法為室內縮尺砂礫料的振動臺法或表面振動法，試驗最大干密度一般不超過2.30g/cm3，最小干密度不超過2.00g/cm3。采用現場密度桶法對原級配料進行的相對密度試驗，其最大、最小干密度均明顯大于室內縮尺料試驗結果，設計采用前期室內試驗成果偏于保守，也低估了高砂礫石壩填筑變形控制能力。在大型施工振動機械普遍應用的條件下，采用現場密度桶法確定砂礫料最大、最小干密度更符合實際。

以近期建設的新疆大石門水利樞紐工程瀝青混凝土心墻壩、卡拉貝利水利樞紐工程混凝土面板壩、阿爾塔什水利樞紐工程混凝土面板壩等工程為例，其筑壩砂礫料級配特征中下包線小于5mm含量(1-P5)范圍基本上在12%～17%、平均線范圍20%～30%附近、上包線范圍25%～42%；最優級配P5含量大致在75%～78%，所對應的最大干密度達2.42g/cm3，最小干密度為2.00g/cm3以上。

砂礫石壩壩體施工質量檢測，是通過挖坑檢測，進行試坑砂礫料篩分，確定其施工干密度，并與設計填筑標準進行比較來判斷是否滿足要求。

表1 砂礫石壩典型工程基本情況

按照砂礫料設計級配包線，采用料場砂礫料人工配料，開展現場大型相對密度試驗，確定相應級配下的最大、最小干密度，并確定最優含礫量級配進行復核。根據最大、最小干密度試驗結果，可以繪制rd-P5-Dr(干密度-P5-相對密度)3因素相關圖，該圖可供施工質量檢測直接使用。具體方法為：砂礫料筑壩碾壓層進行試坑開挖檢測，確定相應試坑的干密度，并對試坑開挖砂礫料進行篩分，確定P5含量。根據試坑開挖獲得的P5含量(橫坐標)和干密度(縱坐標)，在3因素圖上點出對應的點，根據該點位置即可對填筑質量進行評價。若該點落在設計填筑標準對應的質量控制線以上的區域，則滿足設計填筑要求。如圖1的阿爾塔什水利樞紐工程3因素圖，設計填筑標準相對密度為0.90，當試坑開挖點在Dr≥0.90以上的區域時，則滿足設計填筑要求。

圖1 阿爾塔什水利樞紐工程3因素圖

2.2 變形與抗剪強度特性

砂礫料抗剪強度指標應根據巖性、級配、密度和應力水平等條件綜合確定。對于髙壩和重要工程，要盡量模擬現場的實際條件，采用相關大型試驗獲取。根據已建和在建高壩現場試驗成果證實，由于縮尺效應影響，常規室內試驗獲得的變形和強度參數與大壩筑壩材料真實參數有明顯差異。

2.2.1變形模量和強度指標獲取

(1)現場載荷試驗可測定承壓板下土體的承載力和變形模量，其載荷與沉降變形曲線以及各級荷載下土體變形分布規律，可為鄧肯-張等模型參數反演提供基本資料。

(2)旁壓試驗是利用鉆孔在覆蓋層一定深度部位進行的原位載荷試驗，獲得旁壓荷載與位移關系曲線，可通過反演確定變形特性參數。

(3)原位大型直剪試驗可分析全級配條件下土體的抗剪強度，可對室內試驗結果合理性進行修正；通過研究原級配壩料強度特性，確定強度指標。

(4)直接剪切試驗是測定土的抗剪強度的一種常用方法，對于砂礫料一般采用慢剪試驗(S)，即在施加垂直壓力及水平剪切力的過程中，均應使試樣排水固結。

(5)近年發展了1500t大型動靜三軸試驗機，聯合進行現場試驗與室內試驗，對比并綜合確定砂礫料的變形和強度特性。

(6)超大三軸試驗：大連理工大學研制成功了國內最大的超大型靜、動三軸儀，試樣直徑為1000mm和800mm，可以聯合大型三軸儀(試樣直徑300mm)進行爆破料和砂礫料的變形和強度特性試驗，確定筑壩材料縮尺誤差并進行修正，使模型參數更加合理地反映原型級配。

2.2.2變形及強度特性指標

砂礫料的變形和強度特性主要受圍壓力大小、剪應力水平、應力路徑和應力歷時的影響。表2為近期典型工程現場大型載荷試驗成果?？梢钥闯?，在較高圍壓下，砂礫料表現出較高的變形模量。

表2 典型工程現場大型載荷試驗成果表 單位：MPa

2.2.3超大三軸試驗對變形和強度特性的影響

大連理工大學采用超大三軸試驗針對阿爾塔什大壩筑壩砂礫石，研究靜動力本構模型參數以及縮尺效應對筑壩材料永久變形模型參數的影響規律。表3給出了砂礫料的大三軸(30cm試樣直徑)與超大三軸(100cm試樣直徑)試驗鄧肯-張模型參數的對比。

從表3可以看出，超大型三軸試驗的彈性模量K及體積模量Kb較大型三軸試驗相比，砂礫料大25%左右，表征抗剪強度的初始摩擦角也表現出了一致的對應關系。超大三軸的試樣直徑達到了100cm，試驗條件相對大三軸更加接近于現場實際，試驗結果更加可信。對于砂礫料，由于其是經過天然磨圓搬運沉積而成，顆粒磨圓度高，土顆粒本身破碎變位的余地很小，當采用接近于原級配土進行大尺寸試樣三軸剪切試驗所確定的變形模量參數就較縮尺級配土小尺寸試樣的試驗結果要高，這和現場原位測試變形模量較室內縮尺試驗確定土體變形模量高的道理是一致的。

因此，對于砂礫料筑壩，采用超大三軸進行筑壩材料的變形和強度特性試驗，模型參數更加合理地反映原型級配，計算成果更合理可信，更加體現筑壩材料現場的實際工作狀態。

2.3 滲透特性

土石壩各料區的滲透系數、反濾與過渡保護、滲透破壞坡降等設計參數大多來自室內試驗成果。目前結合大石峽水利樞紐混凝土面板砂礫石壩的工程建設，進行了砂礫料大型室內滲透試驗(尺寸1000mm)；結合茨哈峽水電站混凝土面板砂礫石壩前期論證，進行了各料區現場大型滲透試驗。

砂礫料滲透性主要以滲透系數表示，其大小受級配、結構、密實程度及孔隙比等影響，其中級配和孔隙比是主要因素。天然砂礫石料級配離散性大，故滲透系數變化大(從100到10-3～10-4不等)；施工受振動碾壓實影響，容易發生粗細顆粒上下層分離，特別是細顆粒(粒徑小于5mm)含量較大時，在表面形成細顆粒層，導致填筑體整體垂直滲透系數小于水平滲透系數。

砂礫料小于5mm的含量及含泥量對滲透系數有很大影響，其大小取決于細粒填充粗粒之間孔隙的程度，當礫石含量50%～60%、含泥量小于5%時，滲透系數大于10-2cm/s；當含泥量5%～15%時，滲透系數減小到10-3～10-4cm/s。

砂礫料的滲透破壞形式和破壞坡降與砂礫料的顆粒級配特性(級配的連續性、不均勻系數、礫石含量等)有密切關系。當小于5mm顆粒含量達到30%～35%時，細料大致能夠填滿骨架孔隙，滲透破壞坡降增速明顯減小。

砂礫料滲透系數也與密實度、顆粒形狀有關。即試樣越密實，干密度增大，其滲透系數越小。當細料含量小于30%時，隨著試樣干密度增大，滲透系數減小幅度較大。

2.4 抗震特性

砂礫料在低應力條件下，由于受渾圓度影響，其抗剪強度比堆石料低，地震荷載作用下易于出現剪脹、開裂、滑脫等現象?？拐鸫胧┦堑卣饏^砂礫料筑壩建設必須要考慮的，抗震設計及抗震安全評價的基礎是把握砂礫料的動力特性，確定合適的動力特性參數，采用適當的抗震措施。

砂礫料的動力特性包括動力變形特性、動力殘余變形特性和動強度特性。動力變形特性參數與大壩的地震加速度響應密切相關，影響壩體地震剪應力的大小。一般來說，最大動剪模量越大，壩體剛度越大，地震作用下地震加速度響應越大，壩體內地震剪應力越大，可能造成的壩體剪切破壞和壩坡失穩的可能性越大，即壩體的動力變形特性與壩體地震剪切破壞和壩坡穩定密切相關。此外，當動力作用水平高于砂礫料屈服剪應變時，在動荷載作用下，砂礫料發生累積變形，產生地震永久變形，過大的地震永久變形也會造成壩體結構功能損壞，給大壩帶來安全風險。

表3 大三軸與超大三軸試驗參數對比表

砂礫料的動力變形特性參數是進行砂礫石壩地震動力反應分析的基本輸入參數，一般通過室內動力變形特性試驗確定，或通過聯合現場波速試驗和室內動力試驗綜合確定。典型工程筑壩主堆砂礫料在不同干密度和固結比條件下的最大動剪模量系數C與指數n見表4，阿爾塔什水利樞紐工程筑壩砂礫料不同干密度和固結比條件下應變效應的數值化以及不同影響因素下砂礫料動剪模量比和阻尼比隨剪應變的變化關系如圖2所示。

圖2 阿爾塔什水利樞紐工程主堆砂礫石料G/Gmax～γ和D～γ曲線圖(干密度=2.32g/cm3，固結比=1.5)

由表4和圖2所知，砂礫料的動剪模量比隨干密度、固結比和圍壓力(圖2中的500kPa、1000kPa、2000kPa)呈現規律性的變化。在相同的干密度和固結比下，圍壓力越大，相同剪應變水平下的G/Gmax和D就越大，尤其是在剪應變達到10-4以上時，G/Gmax和D受圍壓力的影響更加明顯。在相同干密度和圍壓力下，固結比越小，相同剪應變水平下的G/Gmax和D越大，阻尼比受固結比的影響相對較小。固結應力條件相同時，干密度越小，G/Gmax和D越大，D受干密度的影響相對較小。

需要注意的是，由于室內試驗確定最大動剪模量對微小應變測試技術有較高的要求，不同的單位往往有不同的做法，在應用時要注意G/Gmax和D的配套關系，不能將二者割裂起來使用。

3 砂礫料筑壩安全性

3.1 大壩填筑標準擬定原則

在壩址、壩型和壩體分區確定之后，其面臨的主要工程問題就是壩體的變形控制。土石壩變形控制的主要對策措施包括：合理選擇筑壩材料、良好的材料級配、優化壩體分區、提高各料區壓實密度、有效控制填筑順序等。其中，重點是壩體填筑標準的確定及保障在施工過程中能夠達到填筑標準的施工碾壓參數和控制指標的合理確定。

從定性上，大壩的填筑標準越高，筑壩砂礫料所能夠達到的碾壓干密度和相對密度會越高，相應的對控制大壩變形越有利。已有的研究表明，砂礫料的壓實特性受自身內因和施工振動碾壓機械等外因的共同影響，當砂礫料碾壓達到一定的干密度(相對密度)后，單位振動能量所起到的壓實效果很有限。

表4 典型工程砂礫料最大動剪模量參數匯總

對于大壩的碾壓標準而言，從控制變形基本原則出發，在經濟條件和施工技術可行的情況下，能夠得到越高的碾壓密實度的碾壓標準越合適。由砂礫料的工程特性可知，隨著碾壓參數的提升，壩料的碾壓密實度也在提升。但根據以往的工程經驗，壩料碾壓密實度提升幅度隨碾壓參數達到一定水平后逐漸變得很小，或者基本不變。此時為獲得略高的壩料碾壓效果，達到更高的壩料碾壓密實度，而繼續提高碾壓參數，相應的技術經濟投入成本是需要重點考慮的問題。

因此，工程設計填筑標準指標擬定基本原則：在滿足規范要求的前提下，要根據具體工程物料性狀，考慮技術可行性和經濟成本構成，經研究論證，合理確定壩體填筑施工參數。

3.2 大壩變形控制安全性

工程運行期的安全隱患與問題處理大多與壩體沉降變形有關。如混凝土面板壩運行期發生較大的壩體變形，導致面板塌陷折斷、周邊縫止水破壞、面板結構性裂縫與垂直縫擠壓破壞、大壩滲流量過大等問題；有覆蓋層瀝青混凝土心墻土石壩因變形協調導致滲漏量偏大，壩體變形導致瀝青心墻壩體滲流等。如果在設計及施工過程中對壩體變形量進行有效控制，上述一系列問題就可在很大程度上得到緩解或避免。

根據相關標準規定，并綜合以往工程建設經驗，不同防滲形式壩體變形控制標準有所差別。對于高混凝土面板壩，其填筑標準確定以變形控制為首要目標，在施工技術進步和技術經濟可行的前提下，以控制大壩填筑體變形盡量小確定其填筑標準。相對而言，瀝青混凝土心墻等防滲體對壩體變形的敏感性和安全性要求不如混凝土面板壩，壩體變形控制要求要低一些，填筑標準以控制大壩填筑體變形在合理范圍內即可，可綜合考慮變形控制的協調與經濟性。

具體工程設計中，可根據規范要求，采用工程經驗類比法，擬定砂礫料設計填筑相對密度；對于較重要的工程，可結合室內材料特性試驗和相應大壩結構特性分析擬定設計標準；對于較高壩和地震地質條件復雜工程，初步設計和實施階段，要根據現場原級配大型相對密度試驗確定砂礫料設計填筑干密度，通過碾壓試驗對設計填筑標準及物料級配控制包線進行復核和驗證，并據此確定現場施工碾壓控制參數。施工過程中，可采用碾壓參數和相對密度兩套參數作為施工質量控制標準。

3.3 滲透穩定安全性

砂礫料的滲透性能是礫石料連續級配的屬性決定的。砂礫石料一般情況可以直接作為過渡區與面板下墊層料級配過渡，可以控制好墊層和過渡層滲流穩定。按現行土石壩設計規范，反濾關系的計算是難點，尤其是現場物料配置發生變化時。因此，滲流控制設計是工程質量的基礎，而施工質量控制是關鍵。

提高砂礫石料壓實度后，滲透系數和水力坡降與室內試驗成果相比也發生明顯改變，壓實后的抗沖蝕性能明顯提高、垂直滲透性能明顯減小。因此需重新復核或采用新方法研究壩體滲透穩定性能。

當滲流量和滲透變形不滿足設計要求時，要采用工程措施加以控制。內容包括：分析壩體和壩基的滲流量、滲透壓力、壩體浸潤線位置、流場流線、等勢線、水力坡降分布及出逸區水力比降大小等，評價滲透安全性。合理進行壩體滲透穩定分析，滿足水力坡降過渡；增加有效滲流路徑，合理設置反濾層，滿足排水反濾要求，保護滲流出逸區，是加強滲流控制和提高滲透安全的有效措施。

我國大多已建同類工程在砂礫石區中上游設置L形排水體，在具體設計方案上，應考慮填筑體上升過程填筑形態與兩岸壩坡地形的關系，注重排水體通暢與介質連續可靠性，尤其要嚴格控制施工和物料質量。

3.4 抗震措施安全性

抗震措施設計要點包括合理確定大壩安全超高(含地震沉陷及涌浪高度)、壩區內高邊坡處理、工程區內大型滑坡體對工程安全的影響等；主要的抗震措施包括采用較大的壩頂寬度，放緩壩坡或采用上緩下陡的壩坡坡比，在壩坡變化處設置馬道；在下游壩坡上部采取壩內與坡面加固措施，且連接成復核結構；壩坡一定范圍內加固可采用土工格柵水平鋼筋網，坡面加固可采用漿砌石或鋼筋混凝土框格梁結構；采用堆石料區對壩體砂礫石料區有所約束，以滿足大壩抗震穩定要求。

砂礫石料壓實后密實度提高，滲透性能降低，其抗震穩定性能不如堆石料，故合理利用當地材料進行壩體分區填筑設計也是提高抗震能力和確保滲透穩定的重要措施之一。例如阿爾塔什混凝土面板壩壩體分區設計中：砂礫石置于壩體中部干燥區，是利用天然砂礫石料儲量豐富、承載能力高、壓縮變形小的特點；壩頂部及下游坡一定范圍內設置堆石區，是利用堆石為非沖蝕材料、抗剪強度高的特點，提高其抗震性能。

高土石壩地震破壞主要表現為壩頂震陷、防滲體拉裂和錯動、壩坡局部凸起和滾石等，應特別重視地震永久變形導致防滲系統損傷。按新頒布的國標抗震設計規范和場地地震安全評價，進一步深入研究土石壩極限抗震能力，對提高砂礫石壩抗震安全性認識是非常必要的。大壩極限抗震能力分析評價內容包括壩坡穩定、壩頂震陷與變形、防滲體安全性。根據專題論證成果：新疆大石門混凝土瀝青心墻砂礫石壩(壩高128.8m)的極限抗震能力為地震動峰值加速度0.70g左右；卡拉貝利混凝土面板砂礫石壩(壩高91.0m)的極限抗震能力為地震動峰值加速度0.60～0.65g；大石峽混凝土面板砂礫石壩(壩高147.0m)的極限抗震能力為地震動峰值加速度0.55～0.60g。

在高地震區復雜地形地質條件下，根據新頒布國標抗震設計規范要求，近年工程建設情況已加大投入，增強和進一步提高了砂礫石壩的抗震設防能力，其抗震安全保障措施是可信的。

3.5 工程建設安全性

我國在土石壩設計、施工、建設管理、質量監督和運行監測已形成了較完整的規范性技術體系，以及相應的質量控制標準和檢測驗收標準。

從技術發展過程看，根據現場大型試驗研究成果、工程質量檢測和安全監測資料分析與總結，信息反饋推動了砂礫料分區布置、壓實標準選擇和大壩變形控制、壩體滲透性能和滲流穩定評價、抗震措施可靠性等方面的技術進步；由于施工技術進步和設備能力提升，以及現場質量管理加強，也進一步提高了設計技術要求、經濟指標和安全性等方面的認識。

砂礫料筑壩工程建設快速發展，對施工質量管控和實施能力提出更高要求，也促進了施工技術進步與設備能力增強。在壩體碾壓質量控制方面，引進和采用數字化或智能化控制系統，在施工中嚴格執行壓實標準，合理安排施工順序，有效提高了施工質量管控水平。目前已基本達到了可針對每一個具體的工程項目，在料場查勘、掌握砂礫石料級配與特性的基礎上，采用先進的施工工藝，重型碾壓自行式(26t、32t、36t)設備與配套施工參數(層厚、遍數、灑水、行車速度與激震力等)可獲取較高的壓實度，有利于高土石壩的變形控制，提高工程安全保障。

4 結語

天然級配砂礫石料具有施工碾壓后沉降變形小、抗剪強度與變形模量高等工程特性。利用砂礫料工程特性，從設計和施工2個方面著手，采取合理的壩體功能分區及有效的結構措施，充分發揮砂礫料在變形控制方面的優勢，規避其滲透穩定性和抗震安全性不如堆石料的不利因素，是可以實現高壩穩定、變形與滲流安全性要求，確保大壩運行期處于安全狀態。

目前在建和擬建的重點工程建設條件和工程地質背景更為復雜，工程建設難度加大，更具有技術挑戰性。隨著科研手段和施工技術的發展，應在總結已建工程經驗的基礎上，提高設計水平，提升砂礫料筑壩安全性的認識，推進技術進步。