吳夢(mèng)喜，楊家修，湛正剛

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京市海淀區(qū) 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京市石景山區(qū) 100049；3.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081）

高面板堆石壩第二道防滲體系的設(shè)計(jì)探討

吳夢(mèng)喜1，2，楊家修3，湛正剛3

（1.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京市海淀區(qū) 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京市石景山區(qū) 100049；3.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州省貴陽市 550081）

高面板堆石壩面板發(fā)生擠壓或張拉等破損，從而使面板出現(xiàn)局部集中滲漏點(diǎn)或條帶是大概率事件，墊層防滲是防滲體系的第二道防線。研究了面板局部破損后墊層與過渡層中的水力條件。指出墊層必須是內(nèi)部穩(wěn)定的，過渡層必須對(duì)墊層構(gòu)成反濾保護(hù)。過渡層一般也應(yīng)滿足內(nèi)部穩(wěn)定性條件。砂礫石的內(nèi)部穩(wěn)定性可以根據(jù)顆粒級(jí)配曲線判別。過渡層滿足內(nèi)部穩(wěn)定性條件時(shí)，第二道防滲體系是滲透穩(wěn)定的。若過渡層不能滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求，非飽和情況下，過渡層也有可能發(fā)生管涌。非飽和滲流的管涌臨界滲流速度，可通過流量可控的非飽和向下滲流試驗(yàn)測量。過渡層非內(nèi)部穩(wěn)定時(shí)，其中的滲流速度應(yīng)小于非飽和臨界滲流速度。

滲流；顆粒級(jí)配；管涌；面板壩

0 引言

混凝土面板堆石壩是以堆石體為支撐，以鋼筋混凝土面板為防滲結(jié)構(gòu)，因其安全性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良而極具競爭力的壩型。我國已建或在建壩高200m級(jí)面板堆石壩多達(dá)10余座，建成的水布埡面板堆石壩最高，達(dá)233m。目前，我國混凝土面板堆石壩的設(shè)計(jì)高度已提高到250m級(jí)。正在研究300m級(jí)面板壩設(shè)計(jì)技術(shù)[1]。

面板堆石壩向更高發(fā)展的主要難題是面板的水平開裂、擠壓破壞和垂直縫與周邊縫止水結(jié)構(gòu)破壞帶來的大壩安全性問題[1]?，F(xiàn)代面板堆石壩的分區(qū)中，壩上游面板前設(shè)置粉砂土鋪蓋，用于在面板張拉開裂之后淤堵裂縫；面板后部設(shè)置半透水的墊層，起到面板局部失效后的防滲作用；墊層與堆石之間設(shè)置過渡層，防止墊層土流失進(jìn)入下游堆石[2]。墊層和過渡層構(gòu)成第二道防滲體系。目前的面板堆石壩實(shí)踐中，墊層區(qū)的寬度一般為3～4m，墊層料和過渡料的設(shè)計(jì)要求滿足滲透系數(shù)和太沙基反濾準(zhǔn)則對(duì)顆粒級(jí)配的要求[3]。多座混凝土面板堆石壩墊層料被沖蝕以及用粉質(zhì)砂土淤堵的方法不能根本解決嚴(yán)重滲漏的現(xiàn)象說明目前經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的墊層料是不夠完善的[1，4]。對(duì)于未來的超高面板堆石壩， 需要細(xì)致研究現(xiàn)有墊層區(qū)和過渡區(qū)反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的適應(yīng)性，確定墊層區(qū)與過渡區(qū)的顆粒極配準(zhǔn)則[1]。本文從墊層和過渡層的水力條件出發(fā)，分析墊層和過渡層的滲透穩(wěn)定性對(duì)于顆粒級(jí)配的要求，并探討反濾層和過渡層土料的設(shè)計(jì)方法。

1 墊層與過渡層中的水力條件

在第二道防滲體系中，墊層的作用是防滲，過渡層的作用是對(duì)墊層的反濾保護(hù)。墊層的滲透系數(shù)一般介于10-3～10-4cm/s，過渡層的滲透系數(shù)一般在10-2～10-3cm/s，過渡層與墊層的滲透系數(shù)比值一般介于10～100倍之間[3]。而堆石體的滲透系數(shù)，一般在過渡層的10倍以上?，F(xiàn)有的過渡料設(shè)計(jì)原則都要求過渡層具有快速排除滲水，使其處于非飽和滲流狀態(tài)的要求。面板破損或施工期臨時(shí)度汛時(shí)庫水壓力直接作用于墊層，過渡料中滿足非飽和滲流要求時(shí)的滲流性狀如圖1所示，墊層與過渡層的接觸面是滲流的內(nèi)部溢出面[5]，墊層單獨(dú)承擔(dān)全部壓力水頭的削減。由于墊層區(qū)的寬度一般僅為3～4m，而面板破損或施工期臨時(shí)度汛時(shí)墊層表面的水壓力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度的1倍。由于過渡層中非飽和滲流時(shí)重力方向?yàn)闈B透坡降最大的方向，因而滲流水將主要以垂直向下的方式流經(jīng)過渡層進(jìn)入其下部的堆石區(qū)。非飽和滲流時(shí)堆石浸潤線以上過渡層中的滲透坡降始終等于1.0（忽略含水量變化引起的吸力變化）。

圖1 墊層與過渡層滲流示意圖Fig. 1 Sketch of seepage in cushion layer and transition layer

過渡層中的飽和滲透坡降等于1的狀態(tài)，稱之為臨界飽和狀態(tài)。墊層與過渡層的飽和滲透系數(shù)和滲透坡降分別用k1、J1和k2、J2表示。根據(jù)滲流的連續(xù)性條件，過渡料中處于臨界飽和狀態(tài)時(shí)，墊層料中的滲透坡降與滲透系數(shù)比值k2/k1成正比，可表示為式（1）。

面板堆石壩施工期面板尚未形成臨時(shí)度汛和運(yùn)行期局部面板防滲完全失效的滲流性狀無需進(jìn)行復(fù)雜的滲流數(shù)值分析，可根據(jù)圖1做簡單分析即可獲得其主要滲流性狀。以某面板堆石壩的設(shè)計(jì)方案為例，墊層表面的坡度約為1∶1.5（cos α=0.832），墊層的水平厚度為6m（層厚3.33m），過渡層的水平厚度為8m（層厚4.44m）。表1為過渡層處于臨界飽和狀態(tài)時(shí)墊層中的滲透坡降和墊層表面水壓力與滲透系數(shù)比值k2/k1的關(guān)系。當(dāng)過渡料與墊層的滲透系數(shù)比值僅為10時(shí)，過渡層臨界飽和時(shí)墊層表面的壓力水頭為24.9，而滲透系數(shù)比值達(dá)到100時(shí)，墊層表面的水壓力高達(dá)274.3?？梢娺^渡層與墊層滲透系數(shù)的比值，是影響墊層和過渡層中滲流狀態(tài)的重要參數(shù)。過渡層處于臨界飽和狀態(tài)時(shí)墊層中的滲透坡降與k2/k1成正比，而墊層承擔(dān)的水頭，則與k2/k1和墊層厚度的乘積成正比。墊層表面的臨界水壓力，則可以用式（2）表示。

式中：P——墊層表面的壓力水頭；

b——墊層的厚度。

表1 過渡層飽和時(shí)墊層表面的最小壓力水頭Tab.1 The minimum pressure head on the surface of the cushion when the transition layer is saturated

過渡層非飽和時(shí)墊層下表面的孔隙水壓力為0，據(jù)圖1可得出給定面板表層的水壓力情況下，墊層中的滲透坡降的計(jì)算公式見式（3）。

2 墊層與過渡層的滲透穩(wěn)定性要求探討

墊層和過渡層均屬于砂礫石土，砂礫石土管涌的結(jié)果是細(xì)顆粒從土體中被沖蝕出來。砂礫石土抵抗管涌的能力，與土體在滲流作用下的內(nèi)部穩(wěn)定性有關(guān)。管涌發(fā)生的條件一般用臨界滲透坡降來表征，即管涌初始發(fā)生時(shí)土體所承受的滲透坡降。對(duì)于內(nèi)部穩(wěn)定土層，其滲透破壞的方式為流土，即土顆粒以顆粒群的形式同時(shí)移動(dòng)的破壞形式，流土只發(fā)生在滲流的出口處或兩土層之間。在填筑體或天然土的兩種土層之間，如面板堆石壩墊層和過渡層之間，如果過渡層對(duì)墊層不構(gòu)成反濾關(guān)系，則可能發(fā)生接觸流土侵蝕，即墊層土顆粒在滲流作用下剝蝕進(jìn)入過渡層，并后向發(fā)展而破壞。在滲流的出口處，當(dāng)滲流垂直向上時(shí)，依據(jù)太沙基滲透破壞公式，管涌臨界坡降受顆粒的滲透力與浮容重平衡條件控制，內(nèi)部穩(wěn)定土層的管涌的臨界坡降，一般在1.0左右。內(nèi)部穩(wěn)定土層在有效的反濾保護(hù)下，當(dāng)反濾層在滲流過程中本身不發(fā)生破壞時(shí)，理論上無論多大的滲透坡降，都不會(huì)導(dǎo)致滲透破壞的發(fā)生。內(nèi)部不穩(wěn)定的砂礫石，滲透破壞的形式為“內(nèi)管涌”（suffusion），內(nèi)管涌臨界坡降，一般介于0.2～0.4之間，內(nèi)部接近穩(wěn)定土層時(shí)可以高達(dá)0.6[6]。內(nèi)部不穩(wěn)定土體的滲透坡降與土體的相對(duì)密度在低臨界坡降時(shí)關(guān)系很小，內(nèi)部接近穩(wěn)定的土層的臨界坡降與土體的相對(duì)密度關(guān)系較大[7]。

顯然，在施工期臨時(shí)度汛或運(yùn)行期面板與止水系統(tǒng)破損時(shí)，依據(jù)公式（3），墊層中的滲透坡降一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，因而墊層必須是內(nèi)部穩(wěn)定的，且過渡層對(duì)墊層構(gòu)成有效的反濾保護(hù)。如果墊層是內(nèi)部穩(wěn)定的，且過渡層對(duì)墊層具有完全的反濾功能，墊層可滿足抗?jié)B透破壞的要求。面板壩過渡層與墊層這種應(yīng)力環(huán)境，在滲流作用下過渡層不發(fā)生影響其反濾功能的大變形時(shí)，其抗?jié)B坡降不存在限定值。

由于過渡層臨界飽和滲流時(shí)的滲透坡降等于1.0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不穩(wěn)定土層的臨界滲透坡降。由于土顆粒受到的滲流驅(qū)動(dòng)力與滲流速度正相關(guān)，且應(yīng)為滲流速度的連續(xù)函數(shù)，因而滲流速度的微小下降并不會(huì)改變土體中水力條件超過管涌臨界條件這一狀況，可以推知非飽和滲流狀態(tài)不是不發(fā)生砂礫石土滲透變形的充分條件。因此，僅僅要求過渡層具有對(duì)穿過反濾層的滲水的快速排走能力，即過渡層中的滲流條件為非飽和滲流的條件不能滿足過渡層自身的滲透穩(wěn)定性，是不夠的。如果過渡層是內(nèi)部穩(wěn)定的，則過渡層發(fā)生滲透破壞的型式只可能是接觸流土。由于過渡層的粒徑與其下部的堆石層相比本身要求具有銜接關(guān)系，而高面板壩的過渡層和堆石層的相對(duì)密度又是非常高的，因而發(fā)生接觸流土的可能性是很小的。因此如果墊層和過渡層都是內(nèi)部穩(wěn)定的，且過渡層對(duì)于墊層有完全的反濾關(guān)系，則第二道防滲體系的滲透穩(wěn)定性是滿足要求的。在此情況下，要求過渡層處于非飽和滲流狀態(tài)是不必要的。

一般而言，高面板堆石壩的面板或止水系統(tǒng)破壞可能性較大的部位其過渡料也應(yīng)滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求，或接近滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求。如果過渡層的土體不能滿足內(nèi)部穩(wěn)定性的要求，由于其臨界水力條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于滲透坡降等于1的飽和滲流條件。過渡層處于非飽和狀態(tài)是該層滲透穩(wěn)定的必要條件而非充分條件。由于非飽和時(shí)過渡料中的滲透坡降始終等于1.0，因此非飽和土中的滲透穩(wěn)定性評(píng)價(jià)不能采用滲透坡降這一指標(biāo)，而用滲流速度來代替。內(nèi)部不穩(wěn)定的過渡層其臨界滲流速度與顆粒級(jí)配、緊密程度和滲流方向有關(guān)，可以通過垂直向下的滲流量可控的試驗(yàn)裝置進(jìn)行非飽和滲流試驗(yàn)測定。由于非飽和滲流與飽和滲流性狀不同，不能用飽和滲流試驗(yàn)測定的臨界滲流速度代替非飽和臨界滲流速度。

雖然內(nèi)部不穩(wěn)定土體粗顆粒構(gòu)成骨架，在面板壩中過渡料粗顆粒的移動(dòng)受到其下部堆石層的約束，但細(xì)顆粒的流失將使其減弱甚至喪失反濾功能，從而導(dǎo)致被保護(hù)的墊層料的破壞，從而使?jié)B流量大幅度增加，一方面顯著抬高下游堆石中的浸潤線從而降低下游壩坡的穩(wěn)定性甚至導(dǎo)致潰壩，另一方面過大的滲漏量影響大壩的正常擋水功能。因此，如果過渡料是內(nèi)部不穩(wěn)定的，其中的水力條件除了僅僅是非飽和的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須滿足滲流速度低于非飽和臨界速度。

通過以上分析可知，太沙基滲透破壞公式不適用于面板壩墊層料和過渡料的滲透穩(wěn)定性分析。對(duì)于過渡層為內(nèi)部不穩(wěn)定土層時(shí)，僅僅要求其處于非飽和滲流狀態(tài)是不夠的，而必須通過非飽和向下管涌試驗(yàn)確定臨界滲流速度。由于垂直向下的非飽和滲流試驗(yàn)中的滲透坡降恒等于1.0，因此可以獲得此狀況下的滲透系數(shù)k2′。計(jì)算墊層滲透坡降的公式（1）可以改寫為式（4）。

式中：k2′——過渡層非飽和滲透變形臨界滲透系數(shù)。

依據(jù)公式（3）與公式（4）即可獲得第二道防滲體系能夠抵抗的最大墊層表面水壓力。

綜上所述，高面板壩墊層和過渡層的設(shè)計(jì)需要滿足以下原則：

（1）墊層必須是內(nèi)部穩(wěn)定的，過渡層必須對(duì)墊層具備反濾功能；

（2）過渡層一般也應(yīng)該是內(nèi)部穩(wěn)定的，當(dāng)過渡層為內(nèi)部不穩(wěn)定土層時(shí)，墊層中的滲透坡降不能大于公式（4）的計(jì)算值。

3 土的內(nèi)部穩(wěn)定性判別方法

要評(píng)估土體是否可能發(fā)生“內(nèi)管涌”，必須要考慮土的顆粒組成和孔隙通道的幾何數(shù)據(jù)。只有細(xì)顆粒能通過粗顆粒之間的孔隙通道，內(nèi)管涌才可能發(fā)生。由于孔隙幾何數(shù)據(jù)不能準(zhǔn)確測量，評(píng)估僅是基于顆粒粒徑分布的。如果幾何準(zhǔn)則判別出土體可能產(chǎn)生內(nèi)管涌，則稱之為內(nèi)部不穩(wěn)定土體。內(nèi)部不穩(wěn)定土體才需要測定管涌臨界坡降。

源于Terzaghi的濾層設(shè)計(jì)反濾準(zhǔn)則[8]，Kezdi[9]和Sherard[10]各自獨(dú)立地提出了土的內(nèi)部穩(wěn)定性判別法則，也稱之為Terzaghi幾何法則，內(nèi)部穩(wěn)定土體需滿足的條件見式（5）。

式中：dc，15—— 粗顆粒部分中小于該粒徑的土重占15%的粒徑；

df，85—— 細(xì)顆粒部分中小于該粒徑的土重占總土重的85%的粒徑。

對(duì)于級(jí)配不連續(xù)土，粗細(xì)兩部分土是自然分開的。

對(duì)于級(jí)配連續(xù)土，粗細(xì)粒徑的區(qū)分可以按平均幾何粒徑確定[11]，見式（6）：

式中：dq——粗細(xì)料之間的區(qū)分粒徑；

d10——小于該粒徑的土重占總土重的10%的粒徑；

d70——小于該粒徑的土重占總土重的70%的粒徑。

將土料分成粗細(xì)粒徑兩個(gè)部分后，由細(xì)顆粒的含量可以對(duì)內(nèi)部穩(wěn)定性進(jìn)行初步判別。考慮土的密實(shí)度不同，細(xì)粒含量29%（不密實(shí)）和24%（密實(shí)）是管涌土與非管涌的分界[12]。

Kenney和Lau[12]等提出將普通的顆粒級(jí)配曲線轉(zhuǎn)換為H-F曲線。這里H是指小于粒徑d的占總土體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，H是指4d與d之間土顆粒占總土體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。如果H/F＜1.3則土體內(nèi)部不穩(wěn)定，其后又推薦為偏于不保守的H/F＜1.0[13]?；诖罅课墨I(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果，只將土體分成粗細(xì)兩部分進(jìn)行判別的Terzaghi準(zhǔn)則對(duì)土的內(nèi)部穩(wěn)定性誤判很多，而H-F的最小值大于1.0作為土體內(nèi)部不穩(wěn)定判別法則誤判很少，該法推薦為土的內(nèi)部穩(wěn)定性判別方法[7]。

4 墊層與反濾層土料設(shè)計(jì)的方法

圖2 土層內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性判別幾何準(zhǔn)則[12]Fig.2 Geometric criteria for identification of internal structure stability of a soil layer

從滲流控制的角度，墊層和過渡層土料的選擇或配置，首先這兩種土體對(duì)于滲流作用必須是內(nèi)部穩(wěn)定的，過渡層對(duì)墊層必須有反濾功能。墊層料和過渡料顆粒級(jí)配要滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求，過渡料還要對(duì)墊層料滿足反濾要求。

墊層料可首先根據(jù)滲透性和細(xì)粒含量的要求（大于24%）來設(shè)計(jì)；過渡料則根據(jù)對(duì)墊層料的反濾條件、細(xì)粒含量的要求和對(duì)堆石層顆粒的過渡要求來設(shè)計(jì)。然后再用H-F方法對(duì)墊層和過渡料的內(nèi)部穩(wěn)定性進(jìn)行判別。墊層必須是滲透系數(shù)較小的內(nèi)部穩(wěn)定土體。而過渡層首先要滿足對(duì)墊層的反濾要求，當(dāng)內(nèi)部穩(wěn)定性要求能夠得到滿足時(shí)，一般而言，不會(huì)發(fā)生過渡層對(duì)堆石層的接觸流土，墊層和過渡層的滲透穩(wěn)定性可以得到保證。而當(dāng)過渡層不能滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求時(shí)，過渡層還需要進(jìn)行滲流方向向下的非飽和管涌試驗(yàn)，測定非飽和臨界滲流速度。過渡層中的滲流速度必須低于非飽和垂直向下情況下發(fā)生管涌的臨界速度。

由于墊層所受的最大壓力水頭，即為該處與庫水位的高程差，因此墊層處于的高程越低，可能承受的水壓力越大。另外，墊層上游面板或止水的破損程度越大，墊層可能承受的壓力水頭與此處相對(duì)庫水壓力的比值越大。因此，一方面墊層所處的位置越低，需要的厚度越大；另一方面，墊層前面板和止水可能破損的程度越大，需要的墊層厚度越大。有必要時(shí)墊層的厚度可以隨部位變化。

5 結(jié)束語

本文分析了面板或止水局部失效時(shí)面板堆石壩第二道防滲體系中的滲流性狀，探討了墊層和過渡層的設(shè)計(jì)原則，介紹了土體內(nèi)部穩(wěn)定性分析的方法，并推薦了墊層和過渡層土料的設(shè)計(jì)方法。得出以下結(jié)論：

（1）墊層和過渡層應(yīng)為內(nèi)部穩(wěn)定性的土體，過渡層對(duì)墊層有效反濾保護(hù)情況下，面板壩第二道防滲體系滲透穩(wěn)定性滿足要求；

（2）垂直向下的滲流在非飽和滲流狀態(tài)也可能發(fā)生滲透破壞，滲流速度是非飽和管涌試驗(yàn)的指標(biāo)；

（3）過渡料不滿足內(nèi)部穩(wěn)定性要求時(shí)，堆石體浸潤線以上的過渡層中的滲流不但要處于非飽和狀態(tài)，其中的滲流速度還要低于管涌破壞臨界速度。

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Discuss on Design of the Second Seepage Prevention System in High Concrete Face Rockfill Dams

WU Mengxi1，2，YANG Jiaxiu3，ZHAN Zhenggang3
（1. Institute of Mechanics Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190, China ；2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049, China；3. PowerChina Guiyang Engineering Corporation Limited Guiyang 550081, China）

The appearance of compression or tension breakage of a panel in a high concrete face rockfill dam is a high probability event， so that the panel may appears concentrated leaks locally. A Cushion layer is the second seepage prevention system. The hydraulic conditions in the cushion layer and in a transition layer while leakage occurs is studied. The cushion layer must be internal stable and the transition layer should meet filtration criteria to the cushion layer. The transition layer generally should be internal stable also. Internal stability of sand and gravel soils can be distinguished by methods based on the grain size distribution curve. When both layers are internal stable， the second seepage prevention system is seepage stable. If the transition layer is not internal stable， under unsaturated conditions， piping may also occur in this layer. There is an unsaturated critical piping seepage velocity， which can be measured in a flow rate controlled unsaturated downward flow test. The seepage velocity should be less than the critical seepage velocity while the transition layer is internal unstable.

seepage; piping; concrete rock fill dam; grain size distribution curve

TV641

A

570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.003

華能科技項(xiàng)目（NHKJ15-H13）。

Huaneng Science and technology research project（NHKJ15-H13）.

2016-9-15

2016-10-12

吳夢(mèng)喜，男，（1967—），博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：水電工程中滲流、應(yīng)力變形和穩(wěn)定性等相關(guān)巖土力學(xué)與水工結(jié)構(gòu)問題的研究。

楊家修，男，（1963—），碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向：水電工程設(shè)計(jì)和水工結(jié)構(gòu)相關(guān)問題研究。

湛正剛，男，（1968—），碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究主向，水電工程設(shè)計(jì)和水工結(jié)構(gòu)相關(guān)問題研究。