某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究

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
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
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
文献标识码：A
doi：10.13244/ki.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。
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
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。
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
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 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
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
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 。
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。
E-mail：marco.ding@
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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。
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
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
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
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
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
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 —
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
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。
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