Page 102 - 水利学报2021年第52卷第5期

传统的中、低土石坝建设中常采用纯黏土作为心墙填料，但随着高坝的建设，发现其存在一系
列问题。例如，黏土强度和模量较低，相对坝壳沉降大，拱效应剧烈，易产生裂缝和水力劈裂，难
以适应大型机械施工和高强度填筑等。而掺砾黏土心墙料，即在黏土中掺入一定量的砾石，碾压后
可获得较高的密度和强度、较低的压缩性，且仍可保持良好的防渗性能，这既提高了力学性能，又
减少了黏土的使用量，因此在高土石坝工程中被广泛用作防渗心墙料 ［5-9］ 。国内外诸多学者已围绕其
在常温环境下的渗透特性开展了大量研究的工作，为高土石坝建设和发展提供了理论支撑 ［10-15］ 。然
而，冻融作用下掺砾黏土心墙料的渗透特性还鲜有研究。
冻融作为一种强风化作用，对土的渗透性影响显著 ［16-19］ 。许健等 ［20］ 开展了冻融过程对原状黄土渗
透特性影响的试验，认为由于土体内部冰晶生长及冷生结构形成，导致黄土微观结构的大颗粒集粒
数量明显减少，土粒胶结性变差，渗透性增大。Lu 等 ［21］ 进一步研究了干密度和冻融循环对黄土渗透
各向异性的影响。Han 等 ［22］ 对冻融条件下不同含盐量非饱和分散性土的渗透特性开展了试验研究。
Starkloff 等 ［23］ 研究了冻融循环作用下粉砂土的宏观孔隙结构和渗透特性演化规律。但以往的研究主要
集中在均一土料，其渗透特性主要取决于其干密度或压实孔隙比。而对于筑坝心墙掺砾土料，它是
一种由黏土基质和砾石混合而成二元介质，其渗透规律与其内部的土-石细观结构分布密切相关。
Shelley 等 ［24］ 、吴珺华等 ［25］ 和李方振等 ［26］ 相继研究了常温条件下掺砾土料的渗透特性，并探讨了掺砾
量对渗透特性的影响，但并未从土石细观结构的角度进行分析，其在冻融作用下渗透特性的演化规
律也尚不清晰，相关研究还十分缺乏。
鉴于此，本文以两河口大坝心墙掺砾混合土料为研究对象，开展冻融条件下筑坝掺砾黏土料的
三轴渗透特性试验，研究围压、冻融次数、掺砾量和初始含水率等因素对压实掺砾黏土渗透特性演
化规律的影响，并结合掺砾黏土内部的土-石细观结构分布特征对其演化机理进行分析，以期为高寒
和季冻区土石坝的防渗设计和冬季施工建设提供参考。

2 试验材料与试样制备

2.1 试验材料 试验所用土样取自两河口大坝的施工现场。其中，黏土属于低塑性黏土，土性参数
列于表 1，砾石料为板岩，由于试样尺寸的限制，试验用砾石为现场砾石料缩尺所得，考虑到相似级
［27-28］
配法和等量代替法用于渗透试验存在明显的局限性，本文选用混合法进行缩尺（比例系数 n=2.5） ，最
大粒径 20 mm，最小粒径 2 mm，不均匀系数 C =3.16，曲率系数 C =1.14，砾石料颗粒级配曲线如图 1
u
c
所示。
表 1 试验黏土样物性参数
-3
最大干密度ρ d/(g·cm ) 最优含水率 w opt/% 液限 w L/% 塑限 w P/%
比重 G s 塑性指数 I p
2.71 2.06 11.4 28.0 15.5 12.5
100
设计级配上包线
小于某粒径的土粒含量/% 60 原级配
80
设计级配下包线
缩尺后级配

40

20

0
100 10 1
粒径 d/mm
图 1 砾石料的颗粒级配曲线
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