某水电站大坝砾石土料场勘察与复核评价

闵勇章，刘永波，凡 亚，曹建平

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

砾石土在自然界分布广泛、储量丰富，是一种由粗细土颗粒组成的非均质土。它可自然生成，如坡积、洪积、冰水沉积物等，也可以人工形成，如各种岩石的风化层经开挖而成，特殊情况下还可以人工配置，如细砾土与砂砾混合。我国（DL／T5395-2007）《碾压式土石坝设计规范》对砾石土做了详细的定义。在工程施工中，砾石土作为一种粗细颗粒混合的土石料，目前在土石坝心墙填筑中应用越来越广泛。而砾石土心墙是大坝防渗结构的重要组成部分，直接影响到大坝填筑的总体施工质量和蓄水后的安全运行，因此要严格保证砾石土的级配和压实度满足设计要求。本文结合工程实例，通过施工复勘、土工试验及复核评价，对砾石土料的级配组成、物理力学性能、压实性能等进行了分析研究，并进行了复核评价，其结果可为合理开采与利用土料提供了地质依据。

1 工程概况

川西某水电站大坝位于大渡河干流上游高山峡谷河段，工程场址区地震基本烈度为Ⅷ度，坝型采用砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m，坝基面以下覆盖层深度50 m，属高地震烈度区、深厚覆盖层上已建成的世界最高土石坝，该大坝于2016年10月下闸蓄水。

大坝心墙砾石土料场主要有TB料场和XL料场。施工图设计阶段，地质人员在可研阶段详查和招标阶段补充勘察的基础上，结合料场剥离及施工复勘对土料场进行补充分析与论证，查明有用料共计总储量约为937万m3（其中TB料场440万m3、XL料场497万m3），超过设计需用量约430万m3的2倍，满足规范要求。

2 前期地质勘察及存在的问题

2.1 前期地质勘察

料场初查及可研详查阶段主要采用了地表地质测绘、坑槽探、井探、钻探等方法对土料场进行了勘察，招标补勘及施工复勘阶段（施工图设计阶段结合围堰闭气料开采及补充勘测，对TB料场进行了复勘）则采用地表地质测绘、井探等方法进行勘察，并进行了一系列的土工试验，两料场各阶段主要地勘工作见表1～2。

2.2 存在问题

可研、招标阶段地质勘察工作查明了两料场的基本地质条件、土料成因与组成、地下水发育情况、有用层厚度、有用层储量及主要物性指标等，同时对料场开采经济性进行了比较与评价，得出了各阶段的主要结论（见表3），总体来说两料场物性指标及储量均能满足设计要求。

3 复核评价

3.1 TB料场

施工阶段料场复勘采用井探及料场剥离等手段，共取样447组，剔除无用层及夹层后，砾石土料天然密度 2.07 g／cm3，干密度 1.87 g／cm3，天然含水量平均值为9.8%，超径石（大于200 mm）含量平均为2.5%，小于5 mm颗粒含量平均值50.9%，剔除超径石后平均值为52.2%，小于0.075 mm细粒含量平均值30.4%，小于0.005 mm黏粒含量平均值10.3%，不均匀系数2 000，曲率系数0.04，分类定名为黏土质砾。施工复勘成果与可研及招标阶段基本一致。

为进一步查明土料的空间分布与级配特征，复核过程中还专门计算了不同P5（土料中大于5 mm颗粒含量）的土料储量，见表4。

表1 TB料场各阶段地勘试验主要工作量

表2 XL料场各阶段地勘试验主要工作量

表3 TB、XL料场各阶段主要结论对比

表4 TB料场不同P5含量下的储量

从表4可以看出，料场80%土料的P5含量集中在30%～60%区间，30%土料的P5含量大于50%；约10%土料偏细，P5含量不大于30%；约10%土料偏粗，P5含量大于60%，土料物理力学性质在空间上分布明显不均匀。胡金山等人［1］根据料场地形条件、有用层厚度、土料物理力学性质特征，通过绘制不同深度P5等值线图，对料场进行分层分区研究，准确查明了料场不同级配土料的分布特征与力学特性，并提出不同区域土料具体掺配利用建议，为料场合理开采提供了地质依据。

此外，对土料采用2 000 kJ／m3击实功能进行试验，击实后最大干密度2.194 g／cm3，最优含水量7.6%，最优含水量略低于天然含水量。渗透变形试验表明，土料破坏坡降if大于10.59，破坏类型为流土，其渗透系数K在8.67×10-7～1.05×10-6cm／s间，属极微透水；0.8～1.6 MPa压强下，压缩系数av为0.016 MPa-1，压缩模量Es为76.6 MPa；室内直剪试验测得其内摩擦角φ在28.3°～28.5°间，c在0.030～0.050 MPa间。

综上，TB料场土料具有较好的防渗、抗渗性能和较高的力学强度，质量满足规范要求，但厚度及土料物理力学特性变化较大，碎砾石土与下伏全强风化的千枚岩、结晶灰岩界限起伏大，一定程度上增加了料场的开采难度，施工时需采取合理的开采方式与适宜的工程措施。

3.2 XL料场

试验成果表明，XL料场土料干密度平均为1.89 g／cm3，天然含水量平均为11.4%，超径石（大于200 mm）含量平均为1.05%，小于5 mm颗粒含量平均为55.90%，小于0.075 mm细粒含量平均为33.80%，小于0.005 mm黏粒含量平均为11.48%，平均线不均匀系数为1 750，曲率系数为0.07，分类定名为黏土质砾。

复核过程中，笔者计算了不同P5含量的土料储量（见表5），其中P5不大于55%的土料占比约为90%，P5不大于50%的土料占比约为74.4%。通过221组抽样物性试验结果分析，XL料场土料物理力学性质在空间上分布也存在不均匀现象，但相对TB料场其不均匀程度略低一些。

表5 XL料场不同P5含量下的储量

此外，对土料采用2 000 kJ／m3击实功能进行试验，击实后最大干密度为2.07～2.31 g／cm3，最优含水量6.0%～10.5%，略低于天然含水量；渗透变形试验破坏坡降if在6.21～15.57间，破坏类型为流土，具有较强的抗渗透变形能力，其渗透系数K在1.34×10-7～2.26×10-7cm／s间，属极微透水；在0.8～1.6 MPa压强下，压缩系数 av在0.014～0.043 MPa-1间，压缩模量 Es在31.2～87.3 MPa间；直剪试验内摩擦角φ在21.8°～30.4°间，凝聚力c在0.065～0.090 MPa间。

综上，XL料场土料在物性指标与防渗抗渗性能上均满足规范要求，是较好的防渗土料，但由于土体力学性能稍低，建议用在大坝心墙上部。由于其有用层厚度及物理力学性质在平面和空间上分布不均匀，施工时建议采取合理的开采方式与适宜的工程措施，将开采土料物性指标控制在规范要求范围内。

4 土料实际利用效果

根据前期结论及施工复核评价，笔者结合当地现状及建设单位总体要求，考虑到XL料场运距稍远、存在上层滞水和天然稳定地下水位较高问题、其古滑坡体成因对开采可能造成不利影响等因素，大坝心墙防渗料开采拟定以TB作为主料场先行施工取料，后续结合土料实际揭示储量及开采利用情况，综合研判XL备用料场的开采时机与必要性。大坝填筑期间，参建各方通过多种举措，有效提升了土料的利用率，最终大坝心墙料全部开采自TB料场。经过近3年的运行检验，大坝防渗性能良好，未出现任何变形。

5 结 论

本文结合工程实例，论述了水电站大坝防渗土料的级配组成、物理力学性能、压实性能等特性，尤其是利用P5等值线图准确地分析出不同P5含量土料储量的空间分布特征，提升了土料的利用率，为工程的顺利实施提供了基础保障。