摘要: 水布垭心墙堆石坝约需填筑350万m3 防渗料，经勘察分析，决定采用坝下游庙王沟碎石土和龙王冲风化页岩，为论证这种材料能否作为心墙防渗料，曾进行了专门的室内试验和现场碾压试验。重点介绍了水布垭大坝筑坝材料的工程特性、河床覆盖层利用、200m级面板堆石坝应力应变分析和防渗系统等关键技术问题的研究成果。这些研究成果对水布垭大坝顺利建成蓄水和可靠运行十分重要。

关 键 词: 堆石料;过渡料;土力学;应力应变分析;渗透稳定;面板堆石坝

中图分类号: tu41 文献标识码: a

1 概述

长江科学院对水布垭水利枢纽的土工问题进行了10余年的研究，在坝型比选、设计和施工阶段全过程中进行了一系列研究工作，有效地解决了相关的工程技术问题。研究工作包括心墙防渗料的级配特征［1］、反滤设计标准及现场碾压参数［2～4］ 、堆石体流变特性［5，6］ 、堆石体分区优化及软岩利用、河床覆盖层利用、大坝填料本构关系［7］ 、200m级面板堆石坝应力应变分析和防渗系统等关键技术问题［9，10］ 。这些研究成果不仅对水布垭大坝顺利建成蓄水和可靠运行十分重要，对其它类似工程也有一定的参考价值。

2 坝型比选阶段的土工试验研究

水布垭工程预可研报告确定了高土石坝方案，鉴于水布垭坝址地形、地质和建材等条件，认为适合兴建心墙堆石坝或面板堆石坝，要求将混凝土面板堆石坝与心墙堆石坝进行比选。其中，面板坝方案坝高为233m，是世界上最高的面板坝;心墙坝高为227m，为当时亚洲之最。

在坝型比较阶段，心墙堆石坝曾是代表性坝型之一，心墙防渗料拟采用坝下游的庙王沟碎石土和龙王冲风化页岩。为论证这种材料能否作为心墙防渗料，曾进行了专门的室内试验和现场碾压试验。

2.1 心墙堆石坝宽级配防渗料室内试验研究

水布垭心墙堆石坝约需填筑350万m3 防渗料，由于坝址附近缺乏防渗性能较好的粘性土料，经勘察分析研究后，拟用龙王冲风化页岩料和庙王沟碎石土料作防渗料。与国内外同类工程相比，龙王冲页岩风化料和庙王沟碎石土料颗粒偏粗、级配宽、不均匀系数大，页岩风化料中细料偏少。

对页岩风化料及碎石土料开展了大量系统的室内试验研究工作，得出的主要结论为:庙王沟碎石土料及龙王冲页岩全风化料均属良好防渗料;龙王冲页岩强风化（上带）料不宜单独作防渗料使用，与全风化料掺合后方可用于防渗体。为保证心墙的渗透稳定，在心墙两侧应设置反滤层。

当时对于宽级配土料的反滤设计尚无公认的可靠方法。针对水布垭宽级配防渗料，通过分析心墙料的防渗特性，选取碎石土、页岩全风化带、强风化带上带和混合料作为代表性心墙料，初拟心墙反滤料级配，进行反滤料渗透试验、心墙料与反滤料接触试验、反滤保护下心墙裂缝自愈试验、反滤保土试验及冲刷自愈试验，给出了适合水布垭大坝宽级配防渗料的反滤设计标准，并研究了反滤设计方法。

水布垭大坝心墙防渗料不仅级配宽而且变化大，包容了可作防渗料的各种宽级配料。为此，研究成果d15 =0.5～1mm（平均0.6mm）可作为一般宽级配防渗料的反滤设计准则。在反滤保土试验中，提出了平抛风干细料的试验方法，较之谢纳德的浓泥浆试验更为方便快捷。在此基础上选定适合水布垭大坝心墙防渗料的反滤层。

2.2 心墙堆石坝防渗料现场碾压试验研究

由于风化料级配不稳定及室内试验级配模拟上的不足，室内试验成果在反映风化料力学性质时有一定局限性。为深入了解风化料和碎石土作为心墙防渗料的可靠性，又专门开展了现场碾压试验研究。

现场碾压试验研究的目的是了解并验证拟选材料作为心墙防渗料的适用条件及可靠性，同时为设计选定压实标准及初步确定碾压参数提供依据。

现场碾压试验主要研究内容包括，以龙王冲料场强风化上带料、全风化与强风化上带混合料（考虑了1～2种混合比）以及庙王沟料场碎石土料为对象，考虑了2～3种含水量和2～3种铺层厚度，用选定的碾压机具进行碾压，研究了材料的级配、压实和渗透等特性。

根据现场碾压试验结果，认为风化料和碎石土用作水布垭大坝的心墙防渗料是可行的，但就当时的条件，强风化上带料不宜单独使用，必须掺入20%以上全风化料。水布垭心墙防渗料的最大粒径为150mm，碾压前后粒径小于5mm的防渗料含量不得低于30%和35%;填筑含水量应控制在最优含水量或略偏湿状态下;建议渗透系数取值不大于###5×10-5 cm/s，临界比降设计值取4。为了保证心墙料满足使用要求，填筑施工时应采用18t以上凸块振动碾，每层铺土厚度小于40cm，并碾压8遍以上。另外在设计施工中必须采取充分措施防止风化料不均匀性可能造成的不利影响。

综合研究结果表明:页岩风化料作为心墙防渗料是可行的，特别是全、强上混合料，防渗性能更可靠;但应注意强风化上带料的不均匀性，控制好全风化料的掺入量、级配、含水量，并充分压实以保证其满足防渗要求。庙王沟碎石土料具有良好的压实性，是一种理想的心墙防渗料。

此外，还针对心墙堆石坝坝型进行了大量渗控研究，曾为坝型比选提供了科学依据。

3 河床覆盖层利用问题研究

根据水布垭水利枢纽工程总体设计，坝址上、下游100～150m的河床近覆盖层将挖除，其余河床覆盖层保留，经强夯处理后作为坝基。由于受自然条件限制，前期对河床覆盖层的勘探精度不高。为掌握河床覆盖层分布特点，经业主、设计、监理、施工等单位共同研究决定利用强夯试验加大对河床覆盖层勘探力度。为确定强夯施工参数和质量控制标准，根据现场实际情况，先在强夯区下游（纵0+160～纵0+190）进行强夯试验，然后根据试验结果对强夯施工区采用合理参数进行处理。

强夯试验及施工检测自2002年12月10日进场至2003年3月退场，共计完成干密度及颗粒分析29组，原位渗透试验10组，超重动力触探27孔，进尺201.3m，旁压试验23孔，旁压测试点91个，面波测试测点33个。

根据强夯试验及施工检测成果，河床砂卵石层经强夯处理后，在夯击面以下4m深度内土层密度、承载力有了较大幅度的提高，渗透系数减小了一个数量级以上，土层性质有了较好的改善，工后沉降量大大减小。研究结论是河床砂卵石层的加固处理施工满足设计要求，可起到加固效果，为此保留了10万m3 河床天然砂卵石，大大节约了工程成本，缩短了工期，为大坝安全度汛赢得了时间。

4 面板堆石坝的填料特性试验研究

水布垭面板堆石坝的填料包括堆石料、过渡料及垫层料。堆石料为茅口组、栖霞组、龙潭组灰岩，过渡料和垫层料采用茅口组灰岩制备。主堆石料的最大粒径为600～800mm，垫层料的最大粒径为40～60mm。试验用料的模拟方法为混合法。

对水布垭面板堆石坝的填料进行了一系列常规和非常规的土工试验，重点研究了填料的密度、填筑标准、填料压缩变形特性