狮泉河水电站大坝掺合料心墙渗透稳定性研究

摘要：由于粘土缺乏，狮泉河水电站工程大坝防渗料只能采用距坝址约50km的塔那波料场粘土料，塔那波料场粘土料属于分散性粘土，从抗渗透变形能力考虑，需对其进行改性。经过论证和经济比较，决定采用粘土与砂石料按质量比50%：50%的比例掺合，掺合料做为心墙料使用。掺合料的渗透稳定能否满足要求是方案能否成立的关键问题。

关键词：狮泉河水电站；心墙；掺合料；研究

1、概述

狮泉河水电站位于西藏阿里地区狮泉河镇上游约7km的狮泉河上，海拔高程4300m，高寒地远，对外交通不便。

电站坝址控制流域面积14870km2，多年平均流量9.28m3/s，水库正常蓄水位4315.00m，校核水位4317.26m，总库容1.85亿m3。电站挡水建筑物采用掺合料心墙土石坝，最大坝高31m，厂房为坝后式地面厂房，装机容量6.4MW。电站开发以发电为主，为狮泉河镇提供稳定可靠的电力供应。

本文侧重叙述塔那波料场黏土和阿里砂卵石料场剔除大于40mm粒径颗粒的砂砾石进行掺合作为心墙防渗料渗透变形、在反滤料保护下的抗渗和防冲刷性能的研究。

2、问题的由来

大坝防渗体系原方案主要由坝基全封闭混凝土防渗墙、坝体粘土心墙和坝肩灌浆帷幕共同构成。心墙顶高程为4315.60m，顶宽3.0m，心墙上、下游坡度均为1：0.25，心墙顶部与“L”型砼防浪墙相接，底部与坝基混凝土防渗墙相接。

上述方案经三维分析和三维电模拟试验，满足设计要求。

由于工程区附近粘土缺乏，工程防渗料只能采用距坝址约50km的塔那波料场粘土料，塔那波料场粘土料质量虽满足施工要求，但属于分散性粘土，从抗渗透变形能力考虑，需对其进行改性。经过论证和经济比较，决定采用粘土与砂石料按一定比例掺合，掺合料做为心墙料使用。掺合料的渗透稳定能否满足要求是方案能否成立的关键问题。

3、渗透稳定室内试验与成果

3.1方案确定及掺合方法

3.1.1 掺合料方案确定

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274-2001. P9.“4.1.10” 中对砾石土粒径大于5mm 的颗粒含量不宜超过50%和小于0.075mm以下颗粒含量不应少于15%的原则以及塔那波黏土料、阿里砂砾石料的特点，拟定以20组塔那波黏土料颗粒分析统计平均值（黏土平）和39组阿里砂砾石料剔除40mm以上颗粒的颗粒分析统计平均值（反直接平）为基础，按干重量比“黏土平∶反直接平=60%∶40%（掺1）”、“黏土平∶反直接平=50%∶50%（掺2）”、“黏土平∶反直接平=40%∶60%（掺3）” 三个掺合比进行掺合料研究。

为了探讨大规模施工时心墙填筑掺合料可能出现偏粗级配土体时的渗透特性，还以20组塔那波黏土料颗粒分析统计平均值（黏土平）和39组阿里砂砾石料剔除40mm以上颗粒的颗粒分析统计偏粗值（反直接下）为基础，按干重量比“黏土平∶反直接下=40%∶60%（掺4）”、“黏土平∶反直接下=30%∶70%（掺5）”两个掺合比进行掺合料研究，以供安全裕度分析。

掺1～掺5按上述方案的掺合结果，其颗粒粒径特征值：小于5mm粒径颗粒含量为78.23%～57.35%，小于0.075mm粒径颗粒含量为55.60%～24.76%，小于0.005mm粒径颗粒含量为32.74%～16.49%，按国家标准分类定名均为黏土质砾（GC）。

3.1.2 室内试验的掺合方法

室内击实试验及力学性试验土料备样的掺合方法为：

⑴ 首先将塔那波黏土料在风干状态（样品含水率在4%左右）下碾碎成粉末状，按比例与风干状态（样品含水率在1%左右）下的砂砾石料进行人工掺合均匀。

⑵ 然后按最优含水率加水喷洒，边喷洒边拌和之后，用塑料膜覆盖闷憋24小时以上。

⑶ 最后在制样前再次拌合（最优含水率状态下）后进行制样压实。

3.2力学性能

掺合料力学性试验5组，试验编号为掺1～掺5。试验成果见表1，表2。

掺1～掺5防渗土自身的渗透系数均满足防渗要求，但破坏坡降较低，其因可能与黏土的分散性质有关。

3.3掺合料与反滤料联合抗渗

掺合料与反滤料联合抗渗试验9组，以塔那波黏土平（黏土平）∶阿里砂砾石平（反直接平）=60%∶40%（掺1）、50%∶50%（掺2）、40%∶60%（掺3）的掺合料作为被保护土，分别以反直接上、平、下作为反滤层进行组合，试验编号分别为掺1/反直接上、平、下，掺2/反直接上、平、下，掺3/反直接上、平、下。成果见表3。

在反滤料及压重保护下，掺合料/反滤料联合抗渗成果表明：其渗透系数与掺合料自身的渗透系数相比，均有不同程度减小；破坏坡降与掺合料自身的破坏坡降均有大幅度提高，提高幅度是掺合料自身破坏坡降的4倍以上。

3.4反滤料保护下的防冲刷试验

防渗掺合土料在反滤料保护下防冲刷试验9组，其组合及编号与联合抗渗试验相同，试验成果见表4。

土石坝心墙在施工和运行期间，可能会受不均匀沉降或水力劈裂的影响，部份土体出现开裂而降低防渗性能，甚至危及防渗体的运行安全。试验模拟开裂状况下非完整试样在反滤料保护下的防冲刷性能，即反滤层能否阻止被保护颗粒被渗流水带走；同时防渗土体在水力作用下缝壁崩塌的土料能否淤堵裂缝。

经过试验可以看出，以掺合比为塔那波黏土平（黏土平）∶阿里砂砾石平（反直接平）=60%∶40%（掺1）、50%∶50%（掺2）、40%∶60%（掺3）的掺合料作为被保护土，分别以反直接上、平、下作为反滤层进行组合下的防冲刷试验结果表明：除“掺1/反直接下” 防冲刷能力稍差外，其余防冲刷能力均较好，心墙防渗土体开裂后基本能够淤堵自。

3.5结论

通过力学性试验，心墙掺合料与反滤料联合抗渗试验以及反滤料及压重保护下的防冲刷试验表明，各项指标均能满足规范要求。

4、结束语

狮泉河水电站水库2006年2月开始蓄水，2006年8月水库水位达到正常蓄水位高程，2006年10月1日电站并网发电。截至目前通过对内部应力应变、大坝变形、渗流、扬压力等的监测分析表明：大坝受压正常，变形在合理范围内且变形已基本稳定，无异常渗流点，扬压力正常。通过对分散性粘土掺合砂砾石做为心墙料渗透稳定的分析研究，我们可以总结以下几点经验：

（1）在反滤料及压重保护下，掺合料/反滤料联合抗渗成果表明：其渗透系数与掺合料自身的渗透系数相比，均有不同程度减小；破坏坡降与掺合料自身的破坏坡降均有大幅度提高。

（2）防冲刷试验结果表明：防冲刷能力均较好，心墙防渗土体开裂后基本能够淤堵自。

（3）本工程掺合料做为土石坝防渗料的应用，为土石坝防渗料的选取，特别是象西藏這样粘土分布稀少且粘土质量不高的地区，提供了更广阔的选取空间，也为类似工程积累了一定的经验。

作者简介：

谢涛（1970-），男，河南商丘人，高级工程师，从事水电站建设管理工作。