四川“紅層”地區筑壩材料和填筑標準研究

高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

四川“紅層”地區筑壩材料和填筑標準研究

高希章，孫 陶

(四川省水利水電勘測設計研究院，成都，610072)

四川“紅層”地區砂、泥巖及其混合料，巖性軟弱、碾壓破碎率大，上壩料級配對壓實干密度影響小，滲透系數、抗剪強度和變形特點復雜多變，直接影響壩型選擇，也給設計控制標準、質量控制和評價帶來困難。結合四川“紅層”地區筑壩料的特點，提出土石壩壩型及分區設計的基本思路；分析填筑碾壓檢測數據和現行規范填筑標準要求，提出考慮筑壩料級配，粗顆粒按巖石塊體密度，細顆粒按顆粒密度，考慮碾壓后各自所占比例換算孔隙率或干密度，便于確定設計、施工和評價標準。

四川“紅層”地區 混合料 壩料性質 填筑標準

1 概述

當地材料壩包括均質土壩、土質心墻壩、瀝青混凝土心墻壩、面板堆石壩等，這類壩型主要由筑壩材料性質決定，除均質土壩外，其余屬于分區壩。分區壩涉及到壩體分區設計的關鍵技術問題，就是充分發揮壩址區及附近各種材料的優勢。

對于均質土壩，壩料滲透系數宜控制在(1～10)×10-5cm/s，滲透系數過大不能滿足防滲要求，過小則不利于壩體排水固結，而且浸潤線較高、不利于壩體穩定。過去修建的很多均質土壩出現病害，根本原因就是填筑標準低，采用了不宜作為均質土壩的壩料，運行幾十年都沒有有效固結。

分區壩設計的基本原則是堵排結合，堵即防滲，排即排水，通過壩料分區來實現各個區的不同功能。分區壩中壩殼或堆石主要功能是維持壩體穩定和排水；防滲心墻或面板功能主要是防滲；反濾層功能主要是濾土(即在滲流發生時，土不能通過反濾層流失、而水可以排出)和協調變形；過渡層的作用是排水和協調變形。另外，在壩殼或堆石不能滿足強透水性時設置排水帶用于排水。

2 四川“紅層”地區筑壩料

“紅層”是紅色陸相沉積為主的碎屑沉積巖層,巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖和頁巖為主。四川盆地素有“紅色盆地”之稱，由紫紅～褐紅色砂、泥巖不等厚互層組成，中間常夾有泥質粉砂巖等過渡性巖層。砂巖的礦物成分主要由石英、長石和少量云母組成，泥巖礦物成分主要為水云母粘土礦物，其次為石英、碳酸鹽等。紅層力學強度受成巖時代、膠結物等影響明顯，白堊系砂巖以泥、鈣質，泥、鐵質膠結為主，鈣質膠結的較少，有些地區的砂巖膠結程度差或半膠結，因而巖性松散，力學指標較低。侏羅系巖層，一般以鈣、硅質膠結為主，巖性堅硬，力學性能較高。四川“紅層”地區泥巖和砂巖無論是物理性質還是力學性質變化范圍較大，可參見四川院統計資料(表1)。

表1 四川“紅層”地區砂、泥巖性質

四川“紅層”地區砂、泥巖料按巖石性質可分為泥巖料、砂質泥巖/泥質砂巖料、砂巖料，以及因無法分層開采而混合后形成的砂泥巖混合料，按透水性質和使用可分為防滲類、壩殼或堆石類(表2)。

表2 四川“紅層”地區砂、泥巖筑壩料分類

3 四川“紅層”地區原巖與筑壩料性質

原巖性質對壓實破碎、最大干密度等影響較大。根據水利水電工程地質勘察規范，以石料的飽和單軸抗壓強度小于30MPa作為軟巖的界限，國內外混凝土面板堆石壩的抗壓強度，也常以30MPa為界限。表3為已建和在建三個工程壩料巖性統計，分別為堅硬巖、中硬巖——較軟巖、軟巖。表3中表明，膠結物成分及其含量對巖石物理力學性質影響大：砂巖與灰巖比較，膠結物含量相同時，膠結物以泥質為主的巖石強度遠低于以方解石為主的巖石；砂巖與砂巖比較，以泥質膠結為主的砂巖，膠結物含量越大，巖石塊體干密度越小、強度越低。

表3 已建或在建三工程部分巖石性質統計

“紅層”地區砂、泥巖屬沉積巖，相變較大，層理發育，巖性變化大。其中，小井溝蚱蜢寺砂巖施力方向垂直于層面與平行于層面的抗壓強度相差約10%～20%，施工時檢測飽和抗壓強度總體低于30MPa。

根據圖1和圖2，不同小于5mm含量的表面振動器法[2]相對密度試驗證明：

(1)堅硬巖堆石料最大干密度隨振動壓實前小于5mm含量的增加而增大,紫坪鋪灰巖最大干密度最大最小差值為0.22g/cm3。中硬巖-較軟巖、軟巖堆石料最大干密度隨振動壓實前小于5mm含量的增加基本沒有變化，小井溝和金峰水庫砂巖最大干密度最大最小差值為0.01g/cm3；

(2)無論是堅硬巖還是中硬巖-較軟巖、軟巖堆石料，振動壓實后小于5mm含量增量，隨振動壓實前小于5mm含量的增加而減小，但壓實前小于5mm含量相同時，巖石強度越低增量越大；

(3)壓實后小于5mm含量趨近于最佳粗細充填關系。

圖1 最大干密度與壓實前小于5mm含量關系

圖2 小于5mm含量增量與壓實前含量關系

四川“紅層”地區砂、泥巖及其混合料滲透系數變化范圍大，壓實后級配對滲透性質有較大影響，但更主要由砂巖、泥巖性質及其混合比例決定；防滲類壩料抗剪強度與變形特性均差于壩殼或堆石類的相應性質。

4 四川“紅層”地區土石壩設計面臨的問題和壩型選擇

四川“紅層”地區筑壩材料的復雜性，“堵排”是壩體設計的主要問題，直接決定壩型。

4.1 土石壩設計面臨的問題

4.1.1 防滲料。隨著筑壩技術的發展和對環保要求的日益提高，當地天然防滲料的缺陷也暴露出來：(1)砂、泥巖石渣作為防滲料的滲透系數受砂巖含量、泥巖風化程度、級配中小于5mm含量、含水率控制等因素影響較大；一般難以開采獲得風化純泥巖，砂巖和泥巖混合比例隨意性較大，施工現場無法達到試驗室內的控制精度，施工不易控制，極易出現砂巖含量超標甚至砂巖集中而不滿足防滲料滲透系數要求的現象；(2)天然粘土分布零散，含水率較高，對耕地破壞較大，物理力學性質差異大，施工不易控制。從經濟和施工控制方面考慮，天然粘土作為防滲料沒有明顯優越性。

4.1.2 反濾料和堆石料。四川“紅層”地區水庫壩址區砂巖巖性軟弱，碾壓后破碎使小于5mm顆粒含量增加，小于0.075mm的顆粒含量易超過5%，滲透性質基本上為弱透水到中等透水，不能滿足反濾料和堆石料對級配和透水性的技術要求，且軟巖作為反濾料和排水料，難以滿足耐久性要求。水庫壩址區缺乏天然砂礫石和堅硬巖石，一般需要到距離壩址區數十公里甚至上百公里尋找料源，開采運輸成本高，而且往往天然砂礫石料缺少0.075mm～10.0mm的關鍵粒徑，需要篩分后二次加工才能滿足反濾、過渡料級配要求。

4.2 壩型選擇

四川“紅層”地區土石壩選擇根本在于防滲方式。

4.2.1 粘土具有良好的物理力學性質，開采條件較好、施工易于控制含水量時，是良好的防滲材料，可以修建粘土心墻壩。

4.2.2 泥巖集中或夾砂巖微少，施工容易控制，且泥巖易于風化崩解，泥巖料滿足防滲料的技術要求時，修建泥巖心墻壩為較佳選擇。在《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》修訂時，我們根據已建工程統計資料，建議泥巖防滲料壓實后小于5mm含量在40%甚至50%以上，粘粒(<0.005mm)含量大于8%為宜，因此泥巖防滲料的選用要求較高。

4.2.3 瀝青混凝心墻技術發展較快，防滲性能夠保證，正好彌補了沒有較好施工條件的粘土或泥巖料作防滲料而使防滲性不易控制的缺陷。但值得注意的是，瀝青混凝土心墻對原材料、配合比、溫度控制、攤鋪、碾壓等施工工藝要求較高。

4.2.4 紫坪鋪、白巖灘水庫等面板堆石壩的建成，說明四川“紅層”地區邊緣地帶，具備工程地質和料場巖性堅硬等條件，堆石料能滿足面板壩控制變形及排水要求。四川“紅層”地區腹地，一方面壩料巖性較軟，重型振動機具碾壓，使軟巖堆石更靠近硬巖堆石的性能。通過顆粒破碎、細化形成充填緊密，具有較高抗剪強度、較低壓縮性的堆石體；另一方面，高緊密度對應滲透系數變低，不能滿足自由排水性要求，因此必須在壩體中設計專門的豎向和水平排水體系，同時采取較長的壩體預沉降期，待沉降收斂后一次性澆筑面板，如小井溝水庫。

5 壩殼或堆石填筑標準

5.1 填筑標準探討

對于填筑標準，在已有成果[1]的基礎上進一步研究。土石壩設計規范規定，堆石的填筑標準宜用孔隙率為設計控制指標，土質防滲體分區壩和瀝青混凝土心墻壩的堆石料孔隙率宜為20%～28%，瀝青混凝土面板堆石壩的孔隙率，宜在混凝土面板堆石壩和土質防滲體分區壩的孔隙率之間選擇。根據混凝土面板堆石壩設計規范，壩料填筑標準在表4范圍內根據經驗初步確定，應同時規定孔隙率(或相對密度)、壩料級配范圍和碾壓參數。

表4 規范對壩料填筑標準要求

(1)

式中，n為孔隙率(%)，ρp和ρ0分別為巖石顆粒密度和塊體密度(單位為g/cm3)，ρd為填筑或設計干密度(單位為g/cm3)。

表5 換算干密度和孔隙率

按式(1)，表5為設計規范填筑標準換算干密度，以及根據填筑或設計干密度換算孔隙率。幾個方面值得探討：(1)孔隙率取值范圍大，換算干密度最大與最小值相差0.08g/cm3～0.14g/cm3，實際應用時不易掌握；(2)孔隙率取值范圍換算干密度時，顆粒密度和塊體密度相差不大的堅硬巖是可行的，但顆粒密度和塊體密度相差較大的中硬巖-較軟巖和軟巖，巖石密度按顆粒密度換算干密度偏大，用塊體密度換算則偏??；(3)SL228-2013只是針對硬巖，DL/T5016-2011同時規定了硬質巖和軟質巖孔隙率取值范圍，仍然存在(2)中的現象，室內和碾壓試驗確定的填筑或設計干密度，以及巖石塊體密度換算孔隙率，巖石強度越低越偏離規范要求。

5.2 孔隙率與干密度換算

填筑標準的確定、施工質量檢測與評價都涉及到孔隙率與干密度換算，究竟采取哪種方式才能反映實際情況呢？

出現孔隙率與干密度換算偏差根本原因是：

(1)壩殼或堆石料是粗細顆?；旌象w，填筑體孔隙由巖塊自身孔隙和顆粒間孔隙兩部分組成，實際工程中對于填筑體是否密實決定于顆粒間孔隙；

(2)堅硬巖往往巖塊自身孔隙率較小，與顆粒間孔隙比較幾乎可以忽略，因而堅硬巖采用顆粒密度和塊體密度換算孔隙率或干密度相差不大；

(3)中硬巖-較軟巖和軟巖自身孔隙率較大，甚至大于顆粒間孔隙，采用顆粒密度換算可將巖石自身孔隙當成顆粒間孔隙，采用塊體密度換算則把部分顆粒間孔隙當成巖石自身孔隙。

反映實際情況的孔隙率與干密度換算方法是：根據填筑體級配情況，粗顆粒按塊體密度，細顆粒按顆粒密度，考慮各自所占比例進行換算。巖石換算密度和孔隙率由下面公式計算：

(2)

(3)

由表6可知，采用式(2)確定的巖石換算密度，同時考慮巖塊自身孔隙、顆粒間孔隙的實際情況，避免了前面敘述的干密度與實際不相符。對于孔隙率選?。簣杂矌r顆粒密度和塊體密度差異不大，孔隙率按規范即可控制；中硬巖-較軟巖和軟巖，顆粒密度和塊體密度差異大，壓實后由于破碎使小于5mm含量達到30%～55%，與墊層料小于5mm含量要求基本相同。因此，建議壓實破碎后小于5mm含量達到30%以上的軟巖料，孔隙率取值范圍為15%～20%，巖石密度按式(2)確定。

表6 式(2)、(3)換算干密度(孔隙率)與實測值

6 結語

6.1 四川“紅層”地區砂、泥巖及其混合料原巖抗壓強度低，振動碾壓破碎率大，壓實干密度受上壩料級配影響不大，但滲透系數變化范圍大；受砂、泥巖巖性及其混合比例影響，采用現代筑壩技術，軟巖料壓實后具有較高的抗剪強度、較低的壓縮性能。因此，壩型選擇和分區設計主要是解決防滲方式和排水系統，砂、泥巖及其混合料合理分區利用。

6.2 四川“紅層”地區砂、泥巖及其混合料屬于軟巖料，既非真正的粘土料，也有別于通常的堆石料(四川習慣稱其為石渣料)；設計和施工控制時，填筑標準無論是采用孔隙率還是壓實度都存在一定的問題，采用壓實度依據不足；如果采用孔隙率，現行規范未明確巖石密度是顆粒密度還是塊體密度，對于堅硬巖顆粒密度與塊體密度差異微小，但軟巖則差異很大，導致干密度與孔隙率間換算值完全不能反映實際情況。目前現實做法是施工參數控制，壓實干密度評價，但往往單一干密度無法控制，需要多個干密度，給設計控制標準、質量控制和評價帶來困難。

6.3 中硬巖-較軟巖和軟巖料干密度與孔隙率間換算時，結合碾壓后P5范圍，使用本文提出的粗顆粒按巖石塊體密度，細顆粒按顆粒密度，考慮各自所占比例進行換算，設計控制標準、質量控制和評價直接采用規范孔隙率，同時控制施工參數。

6.4 壓實后由于破碎使小于5mm含量達到30%～55%，與墊層料小于5mm含量要求基本相同，通過實際工程碾壓干密度換算孔隙率也與規范對墊層料要求基本一致。因此，中硬巖-較軟巖和軟巖料壓實破碎后小于5mm含量達到30%以上時，其填筑標準宜參考規范對墊層料孔隙率要求按15%～20%選取。

〔1〕孫 陶，高希章.土石壩無粘性粗粒土填筑標準和質量評價探討[J].四川水力發電，2006.25，(4)：18～21，26.

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