深厚覆盖层及围堰堰体材料工程特性试验技术研究

饶锡保，胡胜刚，程永辉，朱国胜，丁红顺，左永振，周小文

(1.长江科学院 a.水利部岩土力学与工程重点实验室;b.国家大坝安全工程技术研究中心，武汉 430010;2.华南理工大学土木与交通学院，广州 510640)

1 概述

围堰一般是在水中修筑的临时性挡水建筑物，但也常与大坝等主体建筑物结合而成为大坝的一部分。在大江大河水利水电工程建设中，围堰具有举足轻重的作用。围堰的成败直接关系到大坝等永久建筑物的施工安全、工期及造价，如果拦蓄的洪水容量较大，还关系到下游人民生命财产安全［1］。

在三峡水利枢纽工程围堰设计过程中，围绕围堰填料开展了大量研究工作［2－5］，如 20世纪50年代就进行了抛填料密度试验研究。20世纪80年代，长江科学院建成了国内首台6m直径的土工离心机，成为研究三峡围堰风化砂填料性质的主要手段之一。采用离心模型试验技术，得到水下抛填干密度达 1.67 ～1.75 t/m3，水下坡角为 l∶2。使风化砂的坡角由原来的 l∶3.5改为 l∶2，这一结果大大简化了围堰断面结构和工程量，从而带来可观的经济效益和社会效益，为保障围堰工程合理设计、顺利实施和安全运行提供了重要技术支撑［5－7］。在二期围堰的建设和运行过程中，工程安全广受关注，围堰工程设计和科研人员也密切关注着堰体变形和防渗体的运行性态。长江科学院作为围堰工程设计方案的主要研究单位，承担了围堰工程运行期的安全监测和数值仿真评价工作，并在围堰拆除过程中开展了现场调查分析和补充试验研究［8］。

近年来，我国在金沙江、雅砻江、雅鲁藏布江、大渡河、乌江等河流上兴建水电工程，经常遇到深厚覆盖层问题，覆盖层厚度多达几十米到几百米。如乌东德坝址处覆盖层厚达 60 m［9，10］、白鹤滩覆盖层厚达59 m、向家坝覆盖层一般厚达30～60 m，冶勒水电站覆盖层最深达420 m［11］，双江口水电站坝址河床覆盖层深50～60 m。在这些地方修建高土石围堰，首先要探明深厚覆盖层的工程特性，还需要基于当地建筑材料条件研究堰体填料的工程特性。

国内外在深厚覆盖层上建坝已有一些成功的先例。如加拿大在深122 m的河床冲积层上采用混凝土防渗墙，修建了高107 m的马尼克3号坝，河床冲积层由粗细砂、卵石和大块石构成。埃及在厚225 m的河床冲积层上，采用水泥黏土灌浆帷幕处理地基，修建了高111 m的阿斯旺坝。我国在深厚覆盖层上建坝技术也进入国际先进行列，冶勒、小浪底坝、瀑布沟等水电站均已建在深厚覆盖层上。虽然如此，但深厚覆盖层的力学及渗透特性的确定仍是深厚覆盖层上建坝及修筑高土石围堰工程的关键技术问题之一。

为了克服深厚覆盖层条件下土石围堰工程设计、施工面临的难题，在2008年启动的国家“十一五”科技支撑计划项目“特大型梯级水利水电工程安全及高效运行若干关键技术研究”中，第二课题“深厚覆盖层条件导截流及围堰安全控制技术”将“深厚覆盖层及堰体材料的工程特性试验技术研究”列为第3专题。到2011年6月为止，长江科学院联合长江勘测规划设计研究院、华东勘测设计研究院、华南理工大学共同完成了专题研究任务，达到了创新目标，并顺利通过专题验收。

本文仅概要介绍本专题的研究主要内容、技术路线和主要结论，详细研究方法和具体成果将由研究团队成员另行撰文介绍。

2 研究现状

由于河床覆盖层砂砾石颗粒粗大和深层取样困难，其密度和级配尚没有一套直接的确定方法。河滩浅层砂砾石可采用挖坑确定级配和密度，进而可采用一般方法确定砂砾石力学和渗透特性。水下深层砂砾石目前只能采用钻孔取样方法粗略确定级配，难以确定密度，所以力学和渗透特性目前没有可行的确定方法，使得深厚覆盖层的设计参数确定已成为围堰及土石坝工程设计中的关键技术问题之一。

基于当前原位勘探技术，采用重型动力触探试验和旁压试验等方法都可间接地反映土层的物理状态，但如何建立触探和旁压试验指标与土层密度、级配之间的相关关系，是需要研究的问题。此外，在深厚覆盖层中进行重型动力触探试验往往因遇到较大的砾石致使试验结果离散性大，进行旁压试验时也可能因钻孔孔壁的完整性难以保证而使试验结果离散性大，因此，这些原位试验技术也需要改进。

由于深厚覆盖层的密度和级配难于确定，使得其强度、变形等力学特性也难以确定。如果能够通过动探和旁压等试验成果间接确定密度和级配，则可以通过室内备样试验测试其力学特性。长江科学院已经在一些水电站工程中开展了深厚覆盖层原位检测试验方法研究，尤其在原位试验指标与室内相关试验指标的关系、旁压模量与设计所必须的变形模量的相关关系方面，通过室内模型试验开展了研究，已经取得一些规律性的研究成果。

由于围堰的大部分堰体由水下抛填形成，类似自然的堆积过程，很难进行人工控制，如何确定抛填形成堰体的密度成为控制设计和施工的关键指标。由于水下抛填多采用砂、砂砾石、石碴料等散体材料，不能取样直接测定其密度;而进行现场原型试验非常困难，代价很高，基本不可能进行;同时，目前也没有理论或经验方法来估算围堰水下抛填形成的密度，堰体密度的确定方法仍为困扰围堰设计和施工的难题。

为测试覆盖层土体与围堰抛填体的力学特性和渗透特性，必须进行室内土工试验和室内模型试验。室内试验遇到主要问题是缩尺效应问题，需要研究将现场大粒径颗粒缩小后带来的误差。堰体抛石颗粒大，而室内离心模型试验只能做小粒径的颗粒抛投试验，也需要研究缩尺问题。粗粒料的尺寸效应问题，是影响试验成果离散性和可重复性的一个重要影响因素，是土工试验研究同行公认的技术难度之一。目前粗粒料级配缩尺模拟的方法，大都采用剔除法、一级替代法、等量替代法、相似级配法和混合法。不论采取何种缩尺方法，其模型级配与原型级配相比都有明显的差异。对这些方法的具体使用条件，现规范没有明确的规定。近些年，不少学者在粗粒料缩尺效应方面投入了研究精力，由于模型级配与原型级配相似理论的研究困难较大，使得该方面研究很难取得突破，取得的研究成果定性的多、定量的少，对粗粒料的渗透特性影响程度的研究成果更少。对粗粒料的力学与渗透试验的尺寸效应问题进行试验研究仍是粗粒料试验研究的的重要任务。

总之，深厚覆盖层变形大、抛填堰体密度低，围堰的安全对工程建设关系重大，要确保围堰安全，需要对河床深厚覆盖层工程特性测试技术、抛填堰体密度变化规律、防渗控制体系等关键技术问题，开展有针对性的研究。

3 主要研究内容和技术路线

3.1 研究内容

针对“深厚覆盖层和围堰水下抛填施工的密度确定与粗粒料工程特性试验中的缩尺效应问题”等技术难点开展了深厚覆盖层及堰体材料工程特性试验技术专题研究，本专题分解为3个子题，子题设置及相应的研究内容如下。

子题1:河床深厚覆盖层物理状态及力学特性测试技术研究。研究覆盖层的密度、级配和力学、渗透特性的确定方法，建立动探、旁压参数与密度的相关关系，确立现场密度和级配的成套试验方法。

子题2:堰体抛填施工物理模拟技术研究。在三峡二期围堰经验的基础上，继续就水下抛填问题做深入研究，研究水下堰体抛填密度的确定方法，提出水下抛填的离心模拟方法和水下抛填的数值模拟方法。

子题3:粗粒料力学特性与渗透特性的尺寸效应研究。研究将室内小粒径试验成果映射到现场粗粒土的力学特性和渗透特性的方法，建立粗粒料力学特性与渗透特性尺寸效应的定量评估方法。

3.2 技术路线

本专题以乌东德、白鹤滩和双江口等水电站围堰工程为依托，采用试验测试、物理模型、数值计算等多种研究手段开展了系统研究工作，所采取的技术路线阐述如下:

(1)通过不同级配、密度砂砾石料的大尺寸模型试验，建立旁压模量、重型(超重型)动探击数与砂砾石层密度、颗粒级配、上覆压力的相关关系;再通过现场覆盖层砂砾石的旁压或动探测试成果确定对应模型级配与相应埋深条件下砂砾石的密度;再根据模型级配和确定的砂砾石密度开展砂砾石层的物理力学参数试验，建立整套确定深厚覆盖层砂砾石的物理力学参数的新方法。

(2)通过开展抛填料的物理性试验和室内模型试验，并结合理论分析，对抛填堰体密度的影响因素进行了系统总结分析和研究，进一步揭示了影响抛填堰体密度的形成机理和分布规律;在分析现有土工试验方法原理和水下抛填施工过程的基础上，提出了离心模型试验作为研究抛填堰体密度的方法;在三峡二期围堰风化砂抛填密度离心模型试验成果的基础上，对3种典型级配条件的风化砂、2种级配的砂砾石料、4种级配的石渣料(工程开挖料)的水下抛填密度进行了离心模型试验研究，获得了以上3类典型抛填料的密度，分析了级配、颗粒形状、颗粒大小等因素对抛填密度的影响;系统分析了影响堰体密度的机理和规律，结合三峡二期围堰和本次开展的离心模型试验成果，首次提出了散粒材料抛填密度的经验公式和参数的意义及取值;并提出了用经验公式和试验测定两种方法确定抛填堰体的密度。

(3)在调研国内外文献资料的基础上，运用离散元法模拟颗粒的堆积过程，研究各种因素对颗粒堆积密度的影响。研究了不同级配下石渣料颗粒堆积密度，模拟了按实际石渣料的级配和Fuller级配2种级配曲线的颗粒堆积，并研究Fuller级配曲线中n=0.6的级配石渣料在各种水流条件下的抛投堆积;依据数值试验结果，建立颗粒堆积密度的估算方法。

(4)对粗粒料采用相似级配法或等量替代法进行缩尺，制作室内试样;进行不同缩尺度三轴试验、压缩试验，建立力学性质增量与缩尺度的关系;研究了不同超径替代方法和缩尺度的击实试验、三轴试验成果的缩尺效应;进行不同超径处理方法和缩尺度的渗透试验，研究粗粒料级配特征与仪器尺寸之间的关系对渗透试验成果的影响，总结尺寸效应规律，研究尺寸效应的处理原则和方法。

4 重要研究结论与建议

4.1 结 论

本专题结合实际工程，重点研究了河床深厚覆盖层物理状态及力学特性测试技术、堰体抛填施工物理模拟技术、堰体抛填密度的数值模拟、粗粒料力学特性与渗透特性的尺寸效应。通过采用试验测试、物理模型、数值计算等综合手段的研究，取得如下的重要研究结论:

(1)提出了确定河床深厚覆盖层砂砾石料现场密度的方法，即先在覆盖层现场进行原位测试(旁压和动探试验)，再进行室内模型试验，建立砂砾石料的密度、级配、上覆压力和旁压模量、动探击数之间的关系，并以此推求现场砂砾石料的密度。

(2)通过改进旁压试验孔钻头和岩芯管直径，设置开缝钢管保护旁压探头等技术，保证了现场测试成果的可靠性;并研发了室内旁压和动探测试的模型试验系统。

(3)本次进行的大量模型试验成果表明，覆盖层砂砾石料的密度、级配、上覆压力和旁压模量、动探击数之间具有很好的相关性，并已在依托工程中得到了很好的应用。

(4)水下抛填堰体密度影响因素主要包括抛填料自身的性质(比重、颗粒形状、颗粒大小和级配)、抛填水深及水的性质(水的粘度和密度)、抛填的施工方式、水上填筑堰体荷载等，当采用合适的抛投工艺时，可以大大减少水深对抛填密度的影响。

(5)进行抛填密度模拟时，可重点考虑水下混合堆积密度和压密固结引起的密度变化。水中的混合堆积密度可采由相对密度试验获得的最小干密度值，而压密固结引起的密度变化可通过离心模型试验方法进行模拟。

(6)通过开展不同级配的风化砂、砂砾料和石渣料的离心模型试验，表明颗粒级配、形状等材料本身属性对密度值有较大的影响，堰体密度沿深度方向逐渐增大，采用完全相似级配的试验缩尺对模型材料的密度影响不明显。

(7)通过对风化砂、砂砾石料和石渣料的抛填密度值及其变化规律的分析，首次提出了散体材料的水下抛填密度经验公式;应用离散元方法首次进行围堰水下抛填密度数值模拟研究，提出了抛填堆积体的密度估算方法;为工程设计和施工提供了抛填体密度的估算方法，填补了水下抛填密度计算方法上的空白。

(8)粗粒料的压实干密度受最大粒径和细粒料含量的影响较大;在细粒料含量较少和同等压实功能条件下，等量替代法缩尺后的压实干密度随最大粒径的缩小而明显减小;相似级配法缩尺后细粒料含量有所增加，其压实干密度随缩尺倍数的增加而有所增加;相同的粗粒料在不同缩尺方法和压实度条件下得到的强度参数差别不大，摩擦角φ和Φo的变异性小，而应力应变关系曲线差异性较大。

(9)渗透系数随着渗透仪直径与试验材料d85比值的增大而增大，但增大的速率越来越缓，当渗透仪直径大于试验材料d85的6倍时，对渗透系数影响较小，尺寸效应影响已不明显;在粗粒料渗透试验中，当需要对超径颗粒进行处理时，应尽量保持d60以下颗粒含量(尤其是细粒含量)不变，采用局部替代的超径处理方法比相似级配法和剔除法更合理。

4.2 建 议

(1)本次研究提出的利用原位测试推求河床深厚覆盖层砂砾石料现场密度的试验方法是可行的，建议进一步开展工程应用研究。

(2)在深厚覆盖层中进行重型动力触探试验，杆长效应对测试成果的影响尚没有合理的处理办法。建议对杆长修正问题进行专项研究。

(3)水下抛填堰体密度是一个非常复杂的静、动力过程问题，建议研制可精细模拟水下抛填施工过程的离心模型试验附属设备，并开展相关专项研究。

(4)建议进一步研制粗粒料大型试验设备，以尽可能消除缩尺效应对试验成果的影响。

致谢:感谢国家“十一五”科技支撑计划和中国长江三峡集团公司对本项研究的支持。本项研究成果是多家单位通力合作的结晶，不仅得益于专题组成员共同为成果所做出贡献，还得益于咨询专家组在项目立项、研究工作开展及成果提炼过程中所提出的宝贵意见，在此一并致谢。

［1］郑守仁，杨文俊.河道截流及在流水中筑坝技术［M］.武汉:湖北科学技术出版社，2009.(ZHENG Shou-ren，YANG Wen-jun.Technology of River Closure and Cofferdam Construction in Flowing Water［M］.Wuhan:Hubei Science and Technology Press，2009.(in Chinese))

［2］包承纲.二期围堰若干关键技术问题的解决［J］.中国三峡建设，1999，6(5):32－36，39.(BAO Chenggang.Solve of Several Key Technical Problems of Cofferdam for Second Stage［J］.China Three Gorges Construction，1999，6(5):32－36，39.(in Chinese))

［3］包承纲.三峡工程二期深水围堰的建设和研究［J］.水利水电科技进展，2001，21(4):21－25.(BAO Chenggang.Construction and Research of Deep Water Cofferdam for Second Stage of Three Gorges Project［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2001，21(4):21－25.(in Chinese))

［4］包承纲，李兴国.三峡工程围堰粗粒料的工程性质研究［J］.长江科学院院报，1987，1(4):12－21.(BAO Cheng-gang，LI Xing-guo.Study on Engineering Characteristics of Coarse Grained Materials for TGP Cofferdam［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1987，1(4):12－21.(in Chinese))

［5］程展林，包承纲.三峡工程二期围堰填料特性试验研究［J］.长江科学院院报，1997，11(4):60－62，78.(CHENG Zhan-lin， BAO Cheng-gang. Experimental Study on Engineering Characteristics of Filling Materials for TGP 2nd Stage Cofferdam［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1997，11(4):60－62，78.(in Chinese))

［6］程展林，饶锡保，李玫.三峡工程二期围堰的填料特性和围堰断面的离心模型试验［C］∥三峡工程设计论文集.北京:中国水利水电出版社，2003:1093－1098.(CHENG Zhan-lin，RAO Xi-bao，LI Mei.Study on Engineering Characteristics of Filling Materials for TGP 2nd Stage Cofferdam and Centrifuge Model Test for Cofferdam Section.［C］∥Proceedings of Design for Three Gorges Project.Beijing:Water Power Press，2003:1093－1098.(in Chinese))

［7］李 玫，龚壁卫.三峡深水围堰风化砂料水下抛填密度和坡角的离心模型试验研究报告［R］.武汉:长江科学院，1989.(LI Mei，GONG Bi-wei.Research Report on Underwater Dumped Rockfill Density and Slope Angle of Centrifugal Model Test for Weathered Sand of Deep Water Cofferdam［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，1989.(in Chinese))

［8］李青云，程展林，孙厚才，等.三峡工程二期围堰运行后的性状调查和试验［J］.长江科学院院报，2004，(5):20－23.(LI Qing-yun，CHENG Zhan-lin，SUN Hou-cai，et al.Investigation on Removal of Stage II Cofferdam of Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2004，(5):20－23.(in Chinese))

［9］廖仁强，李 伟，向光红.乌东德水电站枢纽布置方案研究［J］.人民长江，2009，40(23):5－6，20.(LIAO Ren-qiang， LI Wei， XIANG Guang-hong. Study on Scheme of Arrangement for Hub of Wudongde Hydropower Station［J］.Yangtze River，2009，40(23):5－6，20.(in Chinese))

［10］向家菠，郝文忠，翁金望，等.乌东德坝址河床深厚覆盖层研究报告［R］.武汉:长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，2007.(XIANG Jia-bo，HAO Wenzhong，WENG Jing-wang，et al.Research Report on the Deep Overburden Layer of Wudongde Dam Site Riverbed［R］.Wuhan:Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，2007.(in Chinese))

［11］宋胜武.冶勒水电站坝址水文地质条件及坝基防渗处理的建议［J］.水电站设计，1992，8(2):36－42.(SONG Sheng-wu.Suggestions for Dam Hydrological Geological Conditions and Treatment of Dam Foundation Seepage Prevention for Hydropower Station［J］.Hydropower Station Design，1992，8(2):36－42.(in Chinese ))