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水 利 学 报

2021 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 5 期

文章编号：0559-9350（2021）05-0603-09

土石坝心墙掺砾土的渗透特性冻融演化规律试验研究

鲁 洋 ，刘斯宏 ，张勇敢 ，杨 蒙 ，王柳江 ，李 卓 3
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（1. 河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；2. 大坝长效特性及环保修复技术中西联合实验室，江苏 南京 210098；
3. 南京水利科学研究院 大坝安全与管理研究所，江苏 南京 210029）
摘要：高土石坝普遍采用掺砾黏土作为心墙区的压实填筑材料，而高寒区土石坝心墙在施工过程中面临严峻的冻
融问题。对经历冻融作用后的压实掺砾黏土料开展一系列三轴渗透试验，研究冻融条件下其渗透特性的演化规
律。试验结果表明：冻融作用后，掺砾黏土的渗透系数较未冻融时增大，且增加程度受冻融次数、围压、掺砾量
和初始含水率等因素影响。随着冻融次数的增加，渗透系数逐渐增大，且在第 1 ~ 2 次冻融过程中增幅最大；低
围压和高初始含水率情况下冻融导致的劣化作用更为突出，渗透系数增大更显著；掺砾量对渗透特性冻融演化规
律的影响与掺砾黏土内部的土-石细观结构分布密切相关；随着初始含水率的增加，冻融后的渗透系数逐渐增
大，但增幅在压实试样处于最优含水率的干侧时较大，而在湿侧时则较小一些。研究结果可为高寒季冻区高土石
坝的防渗设计和冬季施工过程的冻融防控提供一定的指导依据。
关键词：高寒区；心墙坝；掺砾黏土；冻融循环；渗透；土石细观结构
中图分类号：TU43 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200755

1 研究背景

我国已建、拟建土石坝的高度日益增大，且大多处于高海拔、高寒的多年冻土和季节性冻土
区，建坝条件和运行环境极为严酷复杂。心墙坝作为采用当地材料筑坝的代表性坝型之一，其黏土
心墙在冬季施工期过程中面临着土料冻融带来的严峻挑战，主要表现在：（1）负温施工条件下的心墙
料会因短时冻结造成压实性能降低；（2）压实后的心墙料经冻融作用会诱发结构开裂，使得防渗体强
度和防渗性能劣化。施工期的两河口大坝（坝高 295 m）是我国在藏区修筑的最大基础设施，为中国第
二、世界第三高土石坝，其施工难度在世界范围内首屈一指。由于地处川西高原地区，平均海拔接
近 3000 m，冬季日照时间短，气候寒冷、干燥，极端最低气温可达-15.9 ℃，其掺砾黏土心墙料在冬
季填筑过程中面临着严峻的土料冻融问题 ［1-2］ 。高寒区土石坝心墙在运行期也存在冻融带来的安全隐
患。例如，加拿大 Waterloo Lake 大坝心墙料是一种冻胀敏感性材料，冬季冻胀线从坝顶迁移到坝坡
下游侧，在冻吸力作用下库水自上游侧迁移到冻结前缘，在心墙内形成冰透镜体，往复冻胀冻融作
用下压实心墙产生不均匀沉降，导致沿坝顶产生大量纵向裂缝，先期冻融作用严重影响心墙的渗透
［4］
［3］
稳定，威胁大坝安全 。对此，我国的《碾压土石坝施工规范》（DL/T5129-2013）规定 ：“土石坝在负
温下填筑，应编制专项施工措施，压实土料的温度应在-1 ℃以上；当日最低气温在-10 ℃以下，或
在 0 ℃以下且风速大于 10 m/s 时，应停止施工”。因此，开展冻融作用对寒区筑坝心墙料渗透性演化
规律的研究，对指导高寒季冻区心墙坝的安全建设和长期运维具有重要意义。

收稿日期：2020-09-22；网络首发时间：2021-02-20
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210220.1508.001.html
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基金项目：国家自然科学基金雅砻江联合基金重点项目（U1765205）；国家自然科学基金面上项目（51979091，51979173）；中国
水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室开放研究基金（202006）
作者简介：鲁洋（1991-），助理研究员，主要从事土石坝工程和寒区水工岩土研究。E-mail：luy@hhu.edu.cn
通讯作者：刘斯宏（1964-），教授，博士生导师，主要从事土石坝工程、土工袋技术和水工岩土研究。E-mail：sihongliu@hhu.edu.cn
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