摘要：高土石坝建设日新月异，为了科学有效地确保大坝的安全，在高土石坝建设过程中需要开展各项科研工作。文章基于已建的卡拉贝利工程、在建的阿尔塔什及大石门工程对大坝筑坝材料砂砾石和爆破料的研究成果，提出对变形特性、渗透特性、压实指标等的认识和思考，旨在为今后高土石坝的设计、建设和科研提出研究和探讨的方向。主要观点是砂砾料与爆破料在变形规律上会表现出一定的差异性，对于混合坝体需要重点关注两者的变形协调性;砂砾料应按照规范要求进行原级配相对密度试验，确定其压实标准;砂砾料宜根据其碾压特性开展相应的渗透性试验;堆石料宜研究孔隙率与相对密度双控标准的合理性。
关键词：高土石坝；变形特性；渗透特性；压实指标
前言
近年来，新材料、新工艺的不断出现，为混凝土筑坝工艺的进步提供了新的思路。联合筑坝作为一种新型筑坝技术，采用大体积常态混凝土与碾压混凝土共同筑坝，能够充分发挥碾压混凝土施工速度快、工程造价低、环保适应性强等特点，已成为缓解施工进度压力的有效手段。然而，碾压混凝土与常态混凝土的力学性能、温升特性均存在显著差异，进而可能影响坝体的安全运行。为解决这一问题，联合筑坝技术选用高粉煤灰掺量的常态混凝土与碾压混凝土为主要材料应用于某水利工程坝体建设之中，目前该工程已按期蓄水发电，初步证明采用联合筑坝方式以及设计施工时采取的措施和要求的合理性与正确性。但是，现阶段针对联合筑坝技术的研究是初步的，大多是从宏观结构的角度出发，利用坝体监测数据或材料试验结果，反演大坝混凝土绝热温升等热力学参数，并开展典型坝段施工期和运行期的温度场、应力场仿真计算，“材料”与“结构”是相辅相成的，关于坝体常态-碾压混凝土材料细观尺度的相互作用与变形协调特性有待深入研究。
1 砂砾料与爆破料的变形特性
某大坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，大连理工大学采用超大三轴试验研究筑坝砂砾石及堆石料的静动力本构模型参数以及缩尺效应对筑坝材料永久变形模型参数的影响规律。对于砂砾料，由于其经过天然磨圆搬运沉积而成，颗粒磨圆度高，土颗粒本身破碎变位的余地很小，当采用接近原级配土进行大尺寸试样三轴剪切试验时，所确定的变形模量参数就较缩尺级配土小尺寸试样的试验结果要高，这和现场原位测试变形模量较室内缩尺试验确定土体变形模量高的道理是一致的。而对于爆破堆石料，由于土颗粒为人工爆破而成，其颗粒棱角突出，磨圆度较差，而且受爆破力影响块石本身就已经存在很多结构性缺陷，这些爆破堆石颗粒组合在一起在高应力条件下很容易产生颗粒破碎效应，导致堆石料的变形模量降低。这一现象在粗颗粒土大尺寸试样中体现得更加明显，所以导致了超大三轴试验试验测试爆破料的模量参数较大三轴试验要有所降低，但这也更加体现出了爆破堆石料现场的实际工作状态。
2 砂砾料的渗透特性
对于砂砾石筑坝工程，由于砂砾石细粒含量较高，需高度重视大坝的渗流安全问题。大坝的渗流安全问题包括:坝体的浸润线是否足够低，以保证坝体抗滑稳定安全;垫层—过渡层—砂砾石区之间不发生渗透变形破坏。由于砂砾石填料具有级配融散性、断级配性和施工易分离性等特点，在碾压层表面细颗粒集中现象是砂砾填料常有问题。依据各家所提供的压实指标和渗透系数现场试验的结果，尽管其表现感到偏细，其量级均在规范规定和国内外经验范围之内，且因其层厚较小，不会影响碾压层的平均质量(含渗透系数)，碾压层的各项指标平均性能能够满足规范要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆针对砂砾石料碾压的渗透特性，建议高土石坝开展下列研究:(1)宜同时开展坝料水平渗透试验和垂直渗透试验强振碾压后，碾压层表面往往会翻出大量细颗粒土，形成局部弱透水层，所以现场竖向渗透试验测试得到的土体渗透系数都较小。而在实际坝体中，大面积的碾压同样使得这一局部弱透水层沿水平方向分布，局部弱透水层会使得水流沿着竖直方向的渗透变得困难。但是，在实际坝体中水流的渗透方向分布是较为复杂的，单一采用竖向渗透试验测试得到的土体渗透系数进行渗透分析是难以反映实际情况的。为了反映土体渗透特性的各向异性，有必要同时开展水平向渗透试验，以全面反映坝体内土体的实际渗透状态。(2)宜开展坝料现场大型渗透试验不管是室内渗透试验还是结合碾压试验的现场圆筒注水法渗透试验，其测试得到坝料渗透系数与实际都有一定差距，现场圆筒注水法测试得到试验结果参数也有限。由于受设备尺寸和试验水头的限制，室内试验对现场大坝的实际状态的反映是不够全面的;而现场圆筒注水法渗透试验往往只能测试得到坝料的竖直向渗透系数。在现场利用碾压试验碾压，结合现场的地形条件，可以对实际大坝碾压层进行大型渗透试验，测试坝料渗透系数和渗透破坏坡降等特性参数，同时可以开展坝料分区反滤试验。试验水头可以达到大坝蓄水后的实际水力条件，试验试样可以充分反映大坝内部的细部结构特点。高土石坝的内部渗流条件和渗透稳定性对于大坝结构稳定具有重要影响，在现场开展大型渗透试验是非常必要的。
3 堆石料的压实指标
对于爆破堆石料的压实标准目前采用孔隙率单一指标来加以确定，或者通过孔隙率和土颗粒比重来换算得到某一确定的干密度指标，总之是一个单一参考指标的确定值，这一单一指标不能体现出上坝碾压坝料的不均匀性。而且在实际工程的大坝碾压过程中，我们也发现了这一控制方式存在的问题。对于级配较好的坝料，采用较低的碾压参数就能实现设计确定孔隙率控制指标，显然这些土料还是有大的进一步压密的余地的，但是按照既有控制方式却不需要再进一步碾压了，这必然存在有坝体后期变形过大的隐患。对于级配相对较差的土料，在采用了很高的碾压参数进行碾压后，仍然难以达到设计要求的孔隙率，但从经济和安全的角度确实没有进一步碾压的必要。比如根据规范，某大坝堆石料设计孔隙率19%，根据河海大学堆石料的现场相对密度试验结果，计算对应的相对密度为0.72，远低于砂砾料的设计压实标准0.9;而按照实际碾压参数施工，堆石料孔隙率可达到17.3%。因此，不仅对于砂砾料，爆破堆石料的压实特性也是和土料的级配特性相关联的，也可以通过相对密度的概念予以表征。不同级配(细粒土含量或者说粗粒土含量)的爆破堆石料，其可压实最大干密度(或最小孔隙率)是存在差异的，同样的密实程度对应的土体绝对干密度值也是存在差异的，在实际操作中应当切实考虑这一差异，这样才能保证对于不同级配坝料不出现欠碾和过碾，在保证施工效应效率的同时，使得大坝压实是均匀的。
结束语
高土石坝筑坝材料的特性对大坝的变形、渗流、抗震安全等至关重要。目前，高土石坝的快速发展促进了对筑坝材料特性的研究和认识，在强化和创新科研试验方法及措施的基础上，更好地复核和确定砂砾石料及堆石料的变形特性、渗透特性及压实指标，可为今后的高土石坝建设探索和积累工程经验，从而奠定安全建设和运行的科学基础。
参考文献
［1］孔宪京. 等．新疆阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板堆石坝专项研究三轴试验及三维数值分析成果［D］．大连理工大学，2018．
［2］中国水利水电科学研究院．新疆卡拉贝利混凝土面板砂砾石坝筑坝材料现场大型试验和相对密度研究报告［Ｒ］．2016．
［3］中国水利水电科学研究院．新疆阿尔塔什混凝土面板砂砾石坝筑坝材料现场碾压试验及相对密度试验研究报告［Ｒ］．2017．
论文作者:刘大成,赵艳平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/19
标签：砂砾论文; 大坝论文; 石料论文; 混凝土论文; 特性论文; 土石论文; 孔隙论文; 《基层建设》2019年第8期论文;