定向爆破坝坝体结构与渗透特性的研究

　　云南省柴石滩水库大坝可行性论证阶段定为定向爆破坝，而初步设计审定的却是面板堆石坝，坝型改变的原因之一，是缺乏未做防渗体的爆破坝直接挡水（特别是高水头）可靠性的工程实践与经验.据此，作者选择典型爆破坝、云南省己衣水库大坝进行了直接挡水（特别是高水头挡水）的实践与原型观测，为发展定向爆破筑坝技术提供科学依据.己衣水库大坝1978年5月采用定向爆破筑坝技术一次爆破筑成，平均堆积高度83.6m，最低马鞍点高74.2m，爆后基本上未进行坝面整形与防渗处理.
　　1　原型观测的主要内容与途径
　　1.1　坝体探井　在坝体上人工开挖4个试验探井，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ顺序布置在原顺河向河槽纵剖面上，Ⅰ井位于坝顶坝轴线上，Ⅰ～Ⅱ、Ⅱ～Ⅲ 间平面距离分别为 63.5m 与 59.5m，Ⅳ 井布置在Ⅰ 下游侧 30m 右岸坡上.
　　1.2　坝体渗流量　在坝上游面岸坡设水位尺测量库水位，用下游坝脚处专门建筑截水墙与量水堰观测坝体渗流量.
　　1.3　坝内渗流水面　在坝体上钻了5个坝内渗流水面观测孔，单孔最深 73.2m，孔分布于探井同一纵剖面，水位量测误差估计不超过1cm.
　　2　坝体结构特性的研究与分析
　　2.1　坝体土石料颗粒组成　探井试验段总计113段，每段出井土石料全部按粒径分级（或筛分）和称重，实测资料绘制的113条颗分曲线，其不均匀系数 Cu 与曲率系数 Ce的变化范围很大，不同探井或同一探井不同试验段颗分曲线的差异明显.图1为各井的平均颗分曲线与坝体（总平均）颗分曲线，可见其颗粒组成普遍偏粗，并呈现向下游增大的趋势.坝体粗粒与细料含量：各井 d＞1000mm 粗粒平均含量范围是3.20%～34.81%，平均为19.5%；细料d＜5mm 变化范围是11.44%～14.66%，平均值 13%.
　　2.2　土石料干密度　表1示出了各井土石料干密度与其他特性指标的平均值.由表1看出：各探井平均干密度比较接近，数理统计分析实测数据呈正态分布，有90%的试验段干密度在1.88～2.32t/m3 之间.干密度随探井深度的变化列于表2.由表2看出：表层干密度比其下两层的明显偏小，其孔隙率呈现相反的变化.
　　图1 各探井平均颗分曲线与总平均（坝体）颗粒分曲
　　表1 各井土石料干密度及其他特征（平均值）
　　探井编号 试验组数 密度ρ/(t/m) 混合含水量W/(%) 干密度ρd/(t/m) 孔隙率n/(%)
Ⅰ 33 2.27 3.79 2.19 22
Ⅱ 30 2.25 4.09 2.16 23
Ⅲ 26 2.24 3.86 2.16 24
Ⅳ 24 2.25 4.15 2.16 23
平均 (总计113) 2.25 3.97 2.17 23
　　2.3　渗透系数　探井每挖深 3～5m 用单环注水法测定坝体渗透系数，共测得35组数据，实测结果见表3.由表3知：4个探井平均渗透系数值相差约2倍，但35组渗透系数变化范围为3.0×10-3～7.2×10-1cm/s，相差240倍，说明其透水性变化很大.
　　表2 分段统计各井的干密度ρd（t/m）与孔隙率n（%，括号内数字）
井深/m Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 平均
0～10 2.12(25) 2.07(27) 2.07(27) 2.07(27) 2.08(26.5)
10～20 2.27(20) 2.21(22) 2.29(19) 2.22(21) 2.25(20.5)
20～30 2.20(22) 2.20(22) 2.10(26) 2.23(21) 2.18(22.8)
＞30 2.17(23) 　 　 　 　
　　表3 实测坝体渗透系数值
　　探井编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
　　平均值测定组数 13 7 8 7 （总计35）
　　平均渗透系数K/×10-1（cm/s） 3.4 3.7 1.9 3.1 3.0
　　2.4　坝体与岸坡基岩的结合　Ⅳ# 探井深 23.07m～25.47m 处系坝体与岸坡基岩结合段.现场实测该段土石干密度2.26t/m3，d＜5mm细粒含量 24.05%，皆较坝体的平均值为高，未见架空现象，其结合状况良好，但发现岸坡基岩面渗水.
　　3　坝体渗透特性
　　3.1　降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时时程关系  图2示出了1993年度试验期间降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时过程线，可见库水主要源于降雨的地表径流、库水位与渗流量的时程有基本同步的变化趋势，渗流量主要源于库水.
　　3.2　不同的坝体水头h及渗流量Q的累计持续时间t（d）　表4给出了坝体不同水头和不同渗流量的累计持续时间 t（d），足见坝体高水头挡水持续时间相当长.
　　图2 降雨量W、库水位H与坝体渗流量Q的历时时程关系
　　表4 坝体不同水头h、不同渗流量Q的持续时间t（d）
　　时 间 水头h/m 不同渗流量Q/m/s≥65 ≥60 ≥50 ≥40 ≥3.0 ≥2.0 ≥1.0 ≥0.1 1991年度 8 48 90 195 　 38 79 189 1993年度 7 63 122 238 3 14 74 198
　　3.3　单宽坝体渗流量q的分析研究　1993年度试验实测坝体渗流量与相应的水头数据共127对，以此为基础进行单宽坝体渗流量的分析研究.首先根据己衣坝爆前坝址地形图，求得该坝坝轴线断面面积与坝高的关系（即坝体渗流过水断面面积与水头的关系）为：
　　（1）
　　式中：A——坝轴线坝体断面面积，m2；h——坝体水头，m；
　　用相等水头h的等效矩形断面棱柱河槽替代己衣坝轴线实际断面天然河槽，则等效矩形河槽宽B（m）为：
　　（2）
　　则实测不同水头 hi的单宽坝体渗流量qi为
　　（3）
　　进而应用最小二乘法拟合求得了单宽坝体流量q与水头h关系的经验表达式为：
　　（4）
　　相关系数r=0.994.
　　式（4）由己衣坝实测资料推演求得，分析中以水头为主要参数，并计入了渗透过水断面影响；依据可靠，计算简便，具有工程应用价值.
　　3.4　坝体挡水度η作者提出并引入了“坝体挡水度的概念，定义为坝体水头h 与坝高 H 之比（即η=（h）/（H））.在正常高水位水头作用下，坝体处于最大容许的工作状态，称此工况为”正常高水位挡水度 η“.简称”正常挡水度η“，以正常挡水度η0为指标，几个高土石坝工程η0 与己衣坝试验η的比较结果见表5，不过己衣坝高以最低马鞍点高度暂代，正常高水位水头也以蓄水最高水头代表.
　　由表5知：南水等5个有防渗体的高土石坝η0变化范围为0.913～0.94，平均值为0.929，
　　图3 坝内渗流观测孔平面相对位置
　　与己依坝1993年直接挡水η=0.924差约0.5%，与1991年的η相差约3.52%，表明不做防渗体的定向爆破坝是完全可以直接挡水的.
　　表5 高土石坝工程正常挡水度η0与己衣坝试验挡水度η的比较
坝名 南水 石砭峪 鲁布格 石头河 碧口 己衣
坝型 粘土斜墙爆破堆石坝 沥青混凝土斜
墙爆破堆石坝 风化料心墙
堆石坝 粘土心墙
土石坝 壤土心墙
土石坝 定向爆破
堆石坝
坝高/m 81.3 85.0 103.5 102.0 101.8 74.2
正常高水位水头/m 74.2 79.5 95.5 95.0 95.8 68.54(66.55)*
正常挡水度η0 0.913 0.935 0.923 0.931 0.941 0.924(0.897)*
　　* 注：括号中数字为己衣坝1991年度挡水试验数据.
　　3.5　坝内渗流的水面分布，水头损失与流态
　　3.5.1　坝内各观测渗流水位历时变化过程  观测孔位置如图3，图4示出了实测的降雨量、库水位与坝内各孔渗流水位的历时变化过程， 可见接近上游面的Ⅰ、Ⅱ孔，其渗流水位总变化幅度与库水位总变化幅度相近，而距上游面愈远的孔水位总变幅就愈小.
　　图4 降雨量、库水位与坝内各孔渗流水位的历时变化过程
　　3.5.2　典型库水位（坝体水头）条件下坝内渗流水面分布与水头损失   以最高与每下降近5m的库水位为典型工况，给出了坝内渗流水面的实测数据（见表6），表里括号中数字是各孔渗流水位的降低值，忽略渗流流速水头，该值即沿程的损失水头.表中并以位于最下游的5# 孔为例，求得其区间渗流沿程损失达（0.76～0.83）h，平均约为0.80h.典型水头渗流纵剖面图见图5.
　　表6 典型坝体水头h与坝内各观测孔渗流水头实测数据/m
日期 典型坝体水头 1孔 2孔 3孔 4孔 6孔 5孔 (h*5h) 渗流量
Q/(m/s)
1993.9.3 68.54 57.52
(11.02) 50.34
(18.20) 34.61
(33.93) 26.18
(42.36) / 16.48
(52.08) 0.76 3.23
1993.9.7 65.03 55.54
(9.49) 48.41
(16.62) 32.51
(32.52) 24.06
(40.97) / 14.82
(50.21) 0.77 2.34
1993.11.2 59.96 51.31
(8.65) 45.41
(14.82) 29.05
(30.91) 20.85
(39.11) 13.56
(46.40) 11.84
(48.12) 0.80 1.16
1993.11.26 54.96 48.00
(6.96) 42.06
(12.90) 26.14
(28.82) 19.64
(35.32) 12.01
(42.95) 10.82
(44.14) 0.80 0.72
1993.12.26 49.94 43.93
(6.01) 38.06
(11.88) 21.47
(28.47) 17.34
(32.60) 9.92
(40.02) 8.47
(41.47) 0.83 0.37
1994.2.14 44.82 34.37
(10.55) 26.49
(18.33) 15.54
(29.28) 13.38
(31.44) 7.88
(36.94) 7.49
(37.33) 0.83 0.19
　　注：（1）表中括号中数字为同瞬时典型坝体水头h与该孔渗流水头的差值.（2）表中h*5为5孔在各典型坝体水头h下同一瞬时所测得的渗流沿程损失水头.
　　图5 典型渗流纵剖面
　　3.5.3　坝内渗流的空间分布与流态问题　以7#孔实测渗流水位，与同时实测1、2孔的数据用内插法求7 孔投影点的数值进行对比分析，粗略求得渗流水面横比降为15.2%.此值可能偏大，但揭示与证实确有横比降存在，爆破坝内渗流水面是一空间分布曲面.
　　坝体 1991 年挡水过程表明：（1）连日降雨或暴雨，库水位猛涨且水质浑浊，渗流随之急增与变浑；库水位不涨或较稳定，渗水变清澈但所见库水仍较浑.（2）下游面形成明显、稳定的集中渗流通道与出逸口.（3）静置3组不同日期、不同库水位与渗流量的库水与渗水样品、发现其固体沉淀物有明显差异，渗水沉淀物不由水库带来，而源于集中渗流通道与出逸口；库水沉淀物造成坝体内淤灌效应.综上宏观现象进而推测：坝内渗流流态可划分为上游、中间及下游3个区间，在上游区为接近紊流态向中间区逐渐变为接近层流态，中间区属接近层流动区，下游区又由接近层流向接近紊流变化；总之，坝内渗流为沿程变化而非固定的过渡区流态.
　　3.6　爆破坝渗透稳定的机理与己衣坝防渗处理的设计原则　己衣爆破坝由于地形、地质和爆破条件等诸多因素作用，在爆破成坝过程中，造成了坝体土石颗粒组成连续、组配良好，具有一定的密实度与孔隙率；土石颗粒由于重力分选堆积效应，还造就了坝体中间部位颗粒组成普遍较细，上、下游部位颇粗，且构成牢固的骨架体系；这样的坝体结构组成与其空间分布，构成了爆破坝渗透稳定的机理，也是其固有特性.
　　己衣坝两个年度直接挡水达到或极接近常规土石坝正常高水位.坝体在全过程中运行正常、安全可靠，表明坝体具有足够的挡水强度与渗透稳定性；同时坝体渗流量较大，库容小、来水少，水库当年汛末蓄至最高水位，至次年春灌时库水所剩约1/10，因此必须采取仅仅为减少渗流量的工程防渗措施. 此系应成为定向爆破堆石坝体防渗处理的设计原则.
　　4　结　论
　　（1）通过直接开挖坝体探井，研究了坝体结构特性，探讨爆破坝渗透稳定机理.
   　（2）坝体两个年度直接挡水最高水位分别达66.55和68.54m，按“挡水度”概念已达到常规土石坝正常高水位，坝体运用正常，表明未做防渗体的爆破坝具有足够挡水强度与可以直接挡水，也增大了实测资料与研究成果的工程应用价值.
　　（3）通过坝内渗流水位实测与分析，初步查明渗流水面为空间曲面，水头损失平均达80%，流态为沿程变化而非固定的过渡区流态.
　　（4）给出了爆破坝单宽坝体渗流量的计算方法与经验表达式，提出了己衣坝续建中坝体防渗处理的设计原则，具有工程应用价值.本原型研究是在已建成13年的己衣坝上进行的，观测时坝体变形已趋稳定，但早期资料未取得，因此引用本成果时需予注意.