第三节 土石坝的筑坝材料

 一、筑坝材料的选择

土石坝筑坝材料来源于当地，就地取材是土石坝的一个突出优点。坝址附近各种天然土石料，除了沼泽土、斑脱土、地表土及含有未完全分解的有机质土料以外，原则上均可用作筑坝材料，或经适当处理后用于坝的不同部位。因此各种天然土石料的种类、性质、储量和分布以及枢纽中其他建筑物开挖渣料的性质和可利用数量等，都是选择土石坝筑坝材料的重要依据。在选择土石料料场时，应遵守下列原则：①具有或经加工处理后具有与其使用目的相适应的工程性质，并具有长期的稳定性；②就地、就近取材，减少弃料，少占或不占农田，并优先考虑建筑物开挖料的利用；③便于开采、运输和压实。以靠近坝址为宜，以减少运输费用。但从工程布置考虑也不宜太近，一般距坝脚300～500m范围内的材料不容许开采，以免危及坝身安全。材料储量应充足，在初设阶段不得少于工程设计需要量的2～3倍。

填筑标准对施工影响很大，应根据材料的性质合理设计，即因材设计，而不是根据设计指标去寻找材料。因此，填筑标准应当在技术条件许可的情况下，根据材料的性质和施工条件合理确定。

1．防渗体土料的选择

防渗体是土石坝的重要组成部分，其作用是利用低透水性的材料将渗流控制在允许范围内。除具有防渗性能外，还应具有一定的抗剪强度和低压缩性。因此，对防渗体土料的要求是：渗透性低；较高的抗剪强度；良好的压实性能，压缩性小，且要有一定的塑性，以能适应坝壳和坝基变形而不致产生裂缝；有良好的抗冲蚀能力，以免发生渗透破坏等。

用作心墙、斜墙和铺盖的防渗土料，一般要求渗透系数k不大于10-5cm/s。用作均质坝的土料渗透系数k最好小于10-4cm/s。粘粒含量为15%～30%或塑性指数为10～17的中壤土、重壤土及粘粒含量30%～40%或塑性指数为17～20的粘土都较适宜。粘粒含量大于40%的粘土最好不用，因为它易于干裂且难压实。对于塑性指数大于20和液限大于40%的冲积粘土、浸水后膨胀软化较大的粘土、开挖压实困难的干硬性粘土、分散性土和冻土应尽量不用。

防渗体对杂质含量的要求比对坝壳材料高。一般要求水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐的总量，按重量计）不大于3%；有机质含量（按重量计）对均质坝不大于5%，对心墙或斜墙不大于2%，特殊情况下经充分论证后可适当提高。

目前国内已建的土石坝，防渗体大多仍采用纯粘性土填筑。在高坝建设中，由于施工时可采用大型的压实和运输工具，当土料充足时可适当加大防渗体尺寸，因而对防渗体土料的要求有所放宽。有些工程采用砾质粘土或人工加砾粘土（含有一定量的d>5mm粗粒的粘性土）作防渗体。当粗粒含量不超过50%，其孔隙全被细粒所填充，且有足够的抗渗性和抗渗稳定性时，也是良好的防渗材料。由于含有粗粒，压缩性小，与坝壳的变形比较协调，因而用于高坝心墙的下部较为合适。但其组成常是不均匀的，施工时要注意粗粒不能集中，以免形成渗漏通道。粗粒最大粒径不宜大于150mm或铺土厚的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%，填筑时不得发生粗料集中架空现象。

我国南方地区的棕、黄、红色残积、坡积土，虽然粘粒含量高、天然容重低、压实性差，但在填筑干容重较低和填筑含水量较高的条件下，仍具有较高的强度、较低的压缩性和较小的渗透性，可用于填筑均质坝和多种土质坝的防渗体。西北地区的湿陷性黄土及黄土类土也是填筑均质坝和防渗体的良好材料，但要注意控制适当的填筑含水量与压实度。

风化料几乎每个坝址都有，有的数量还较大。为减少取土和弃土工程量，提高经济效益，可利用风化料做防渗体。如中国鲁布格土石坝即用风化料做防渗体。但应注意风化料性能差异很大，其强度不如一般砂卵石均衡稳定。有些风化料（特别是母岩软弱或棱角尖锐的风化石渣等）浸水后其强度可能有明显的变化；有的会产生较大的湿陷；有的则因粒径不均匀、级配不连续，较易发生渗透破坏等。因此为用好风化料，应尽可能将风化料配置在坝的干燥区域；或适当提高填筑标准或降低采用的计算强度指标；加强反滤排水等。对重要的工程采用风化料时，应进行专门的研究论证。

2．坝壳土石料的选择

土石坝的坝壳材料主要起保护、支撑防渗体，并保持坝坡的稳定。因此对材料的强度有一定的要求。坝壳材料在压实后，应具有较高的强度和一定的抗风化能力，对于下游坝壳水下部位及上游坝壳水位变动区内的材料还应有良好的透水性。

粒径级配良好的无粘性土（包括砂、砂砾、卵石、漂石、碎石等）以及料场开采出来的石料和由枢纽建筑物所开挖的石渣料，均可作为坝壳材料，并根据其性质用于坝壳的不同部位。均匀的中、细砂及粉砂一般只能用于坝壳的干燥区，否则应对渗透变形和振动液化进行专门论证，必要时采取工程措施，以防液化。设计时，应优先选用不均匀和连续级配的砂石料。一般认为颗粒不均匀系数η=d60/d10=30～100时较易压实，而当不均匀系数η<5～10时则级配不好，不易压实。

3.排水设备、护坡料的选择

排水设备和砌石护坡所用石料，应具有足够的强度，且不易被溶蚀，还应具有较高的抗水性，其软化系数(饱和抗压强度与干抗压强度之比)不小于0.75～0.85。同时还要能抗冻融和风化。块石料的饱和抗压强度不小于40～50MPa，其孔隙率不大于3%，吸水率(按孔隙体积比计算)不大于0.8，重度应大于22KN/m3。除块石外，碎石、卵石也可应用，但不宜使用风化岩石。

4.反滤料的选择

铺筑反滤层用的砂砾石和卵石，须具备下列条件：

1)未经风化与溶蚀，且坚硬、密实、耐风化以及不易被水溶解；

2)透水性很大，要求其渗透系数至少大于被保护土渗透系数的50～100倍；

3)具有一定的抗剪强度；

4)没有塑性； 

5)反滤层用的砂砾石、卵石中有机混合物含量的限度与坝体土料的要求相同；

6)砾石、卵石应具有高度的抗水性和抗冻性，故希望砾石的孔隙率不超过4%，最好采用岩浆岩石料；

7)反滤层所用的砂及砾石中，粒径小于0.1毫米的(即含泥量)不应大于5%(按重量计)，亦不应含有大量粒径小于0.05毫米的粉土和粘土颗粒。对于心墙两侧的过渡层，经过充分的试验论证，其含泥量可以适当放宽。

亦可用角砾及碎石代替砂砾石和卵石。但角砾及碎石有棱角，在施工时由于碰擦容易产生石粉，从而淤塞反滤层。故对高坝或重要性很高的中、低坝的滤水坝趾反滤料，最好不采用角砾和碎石。对坝面护坡的反滤料要求较低，可以采用角砾和碎石。

二、土石料填筑标准设计

对土石料来说，填筑压实得越密实，其整体抗剪强度、抗渗性、抗压缩等性能就越好，产生由不均匀沉陷引起裂缝的可能性就越小，坝体的稳定性和安全性也越高。但需要较大的压实功能，耗费较多的人力和物力。因此，结合筑坝材料的性质、筑坝地区的气侯条件、施工条件以及坝体不同部位的具体要求，规定适宜的土石料填筑压实标准，既可获得设计期望的稳定性和安全性，又可使工程造价较低。

为达到设计的填筑标准，对Ⅰ、Ⅱ级坝和各级高坝应通过专门的工地碾压试验进行校核，并确定碾压参数；对Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级坝可在施工初期，结合施工质量控制进行校核。

1．粘性土料填筑标准

对不含砾或含少量砾的粘性土料的填筑标准，常以压实度和最优含水率作为设计控制指标。设计干重度以击实试验最大干重度乘以压实度P确定。

对Ⅰ、Ⅱ级坝和高坝,中P应为98%～100%；对Ⅲ级及其以下的坝P应不低于96%～98%。

从粘性土的击实曲线可知：粘性土的干重度、含水量与压实功能之间存在着密切关系。因此，在确定填筑标准时，可以首先确定一个适宜的含水量，使土料在一定的击实功能下具有较好的力学性质。在一定压实功能下，对应于最大干重度的含水量称为最优含水量。从图中曲线还可看出：压实功能越大，粘性土最优含水量越低。当实际含水量小于最优含水量时，增加压实功能对提高密实度效果较明显；而当实际含水量大于最优含水量时，则增加压实功能的效果并不明显。因此，粘性土的填筑含水量一般控制在最优含水量附近，其上下限偏离最优含水量不超过±（2%～3%）。

2．非粘性土料填筑标准

为了提高材料的抗剪强度和变形模量，增加坝体的稳定、减少坝的变形，防止砂料液化，对坝体的砂、砂砾、石料等同样要求进行填筑压实。非粘性土的压实特性与含水量关系不大，主要与粒径级配和压实功能有密切关系，常用相对紧密度Dr表示。已知相对紧密度Dr，可换算成干重度，作为施工控制指标

对于砂砾料，可先筛除粗粒（即d>5mm的砾石），再按砂土的要求定出相对紧密度，并计算相应的干重度，然后按下式计算不同含砾量的砂砾料的填筑干重度

非粘性土料的填筑标准要求达到密实状态，Dr不低于0.70～0.75。在地震情况下，浸润线以上不低于0.7，浸润线以下按设计烈度大小而定，一般不低于0.75～0.85。当非粘性土中粗粒含量小于50%时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密实度满足以上要求。