4　小浪底土石坝筑坝材料研究

4.1　防渗土料性能研究

4.1.1　防渗土料的分类及工程量

大坝防渗料共采用了5种类型的土料，分别命名为1区、1A区、1B区、5区和10区。其中1区用于主坝斜心墙，1A区用于主坝混凝土防渗墙顶部的高塑性土区，1B区用于上游围堰斜墙，5区用于连接主坝斜心墙和上游围堰斜墙的上爬式内铺盖，10区用于上游水平人工铺盖。这5种材料除5区为土与砂卵石掺合料外，其他各区材料均为单一的土料，各区土料工程量见表4.1－1。

4.1.2　初步设计阶段的主要研究成果

（1）料场选择。初步设计阶段对十多个料场进行了勘探研究，这些料场分别为寺院坡、西河清、葱沟、瓮沟、蓼坞、小浪底、大西沟、小西沟、庙上、下街、木底沟和土崖底等料场，按地质年代分寺院坡料场处在四级阶地，其余处在二级阶地。四级阶地和二级阶地两者的土料相比，前者具有塑性好、渗透性小、抗冲刷能力稍好、击实性能稍差、强度偏低、压缩性偏大等特点，除轻粉质壤土处于中间偏分散性外，其他为非分散性土；而后者则相反，且有些料场中的某些土料具有分散性。

1）1区料场。拟作为1区料料场的有寺院坡、西河清、葱沟、瓮沟、蓼坞等料场。重点对寺院坡和西河清两料场土料进行了试验研究。瓮沟、西河清等料场中砂壤土有分散性，因此不予采用。

2）1B区料场。拟作为1B区料的料场有小浪底料场（包括大西沟、小西沟、庙上、下街）、木底沟和土崖底等，其中土崖底料场位于左岸坝址上游，其余料场位于右岸坝址围堰上游，木底沟料场轻砂壤土含量较多，且具分散性，不予采用。

3）1A区料场。初步设计阶段研究的料场有会瀍沟、梁村和河北省磁县等料场，经比较和论证分析选用了会瀍沟料场。

上述各料场储量见表4.1－2。

（2）土料的基本特性。按《土工试验规程》（SDS01—79）的三角分类法，寺院坡料场土料主要为重粉质壤土、中粉质壤土和轻粉质壤土及少量黏土，按统一分类法应为中塑性黏土。各料场土料主要物理特性见表4.1－3。

4.1.3　料场概况

（1）寺院坡料场。根据初步设计阶段对上述各料场的调查与试验研究和对比分析，考虑四级阶地和二级阶地两种料场土料特性的差别、土料用量与料场储量的关系、大坝的结构特点及在国际招投标施工条件下便于管理等因素，选择寺院坡料场为1区土料料场；位于坝址上游右岸的小浪底料场，包括大西沟、小西沟、庙上和下街四个料区为1B区料料场，而木底沟料场土料用于1B区水下抛填部分。

5区和10区是本设计阶段坝型优化设计新增加的两种材料，5区料由寺院坡料场土料与马粪滩料场的砂卵石掺合而成。10区料采用右岸坝基开挖的土料。

1区料料场，即寺院坡土料场实际是由寺院坡、李家坡、艮沟、后苇园、前苇园、毛沟、栾庄和西南坡等八个小料场组成。料场北部边界距坝址约1km，南北长3000m、东西宽600m。料场土层厚10～30m，由北向南平均黏粒含量逐渐减小。八部分的重、中、轻粉质壤土储量及距坝址距离见表4.1－4。

在岩层顶面和土层中上分布有少量红黏土约60万m3。土料中的钙质结核含量约6.7万m3。李家坡轻粉质壤土分布在上部12m土层中，钙质结核含量约9.8万m3。艮沟中轻粉质壤土分布在标高399～403m以下，厚3.4～5.5m，钙质结核含量约2.8万m3。前苇园的轻粉质壤土分布在上部厚10m土层中，基岩面上有一层约30万m3的黏土。毛沟轻粉质壤土分布在土层中部厚度2.7～5.2m。栾庄轻粉质壤土分布在下部厚约3.2～7.5m。西南坡山梁的轻粉质壤土分布山梁西段土层中部厚约3.4～7.0m。

从表4.1－4可以看出，料场中土料主要为中、重粉质壤土，约2000万m3，占总储量的90%左右，轻粉质壤土仅约240万m3，占总储量的10%左右。

（2）小浪底土料场。该料场共分为4个料区，包括庙上、下街和大西沟、小西沟，均位于坝址上游右岸1.0～2.0km范围内，属黄河二级阶地，高程166.00～230.00m。

4个料区都以河流冲积相的中、重粉质壤土为主，呈互层分布。土层总厚度10.0～30.0m，底部为层的砂卵石。料场储量见表4.1－5。

从表4.1－5可知，料场中轻粉质壤土含量仅占总量的6.8%；中、重粉质壤土占总量的93.2%，储量为220.9万m3。

（3）会瀍沟料场。在设计阶段，重点将梁村料场和会瀍沟料场进行比较分析。试验研究表明，两料场土料性能相近。两料场位置相临，距坝址均为13km。但梁村料场上覆的无用土层较厚，不利于开采。从料场储量而言，会瀍沟料场储量为总用量（包括混凝土防渗墙施工固壁泥浆用料）的3.4倍，已满足要求。考虑上述因素，最终选择会瀍沟料场作为1A区土料料场。

会瀍沟料场位于黄河南岸马屯镇西2km，距坝址13km。土料分布在会瀍沟南面山梁斜坡上，地面高程377.00～392.00m，地势平坦。上部有2～10m的覆盖层，可以作为1A区的土料为料场中的姜黄色粉质黏土和棕红色粉质黏土，料场土料储量见表4.1－6。

4.1.4　1区土料

4.1.4.1　基本性质

（1）物理性质。寺院坡料场中重粉质壤土、中粉质壤土和轻粉质壤土的物理性质见表4.1－7。

（2）化学和矿物成分。

1985年进行45组化学分析，分析结果表明，土料中易溶盐含量平均为0.04%，中溶盐含量平均为0.05%。碳酸盐含量为3.45%～18.92%，平均为6.68%。有机质含量为0.04%～0.26%，平均0.17%。pH值为7.6～9.0，平均为8.4。

1992年又补充做了10组化学分析。分析结果表明，土中易溶盐含量平均为0.034%，中溶盐含量为0，难溶盐碳酸钙含量平均为2.36%，有机质含量平均为0.107%；pH值为8.14～8.70，平均为8.41。

土料含有少量的蛭石、高岭石、绿泥石。黏土矿物在土料中的含量，伊利石为4%～15%，多数为13%左右，蛭石一般为4%～12%。高岭石、绿泥石均在1%～2%，个别样品含2%～3%蒙脱石。

4.1.4.2　击实性能

在设计过程中分别按SDS01—79、SD128—84和GBJ123—88三种《土工试验规程》规定的击实试验方法对重粉质壤土、中粉质壤土和轻粉质壤土分别进行了击实试验。击实试验成果汇总见表4.1－8。

从表4.1－8可以看出，对于三种土料而言，三种标准击实功能下的最大干容重和最优含水量均有一定差别，重粉质壤土最大干容重和最优含水量的变化比较有规律，最大干容重随击实功能的增加而增大，最优含水量随击实功能的增加而减少。而中粉质壤土和轻粉质壤土似乎规律性不好，这主要是由于这两种土用《土工试验规程》（SD128—1999）试验方法仅做一组试验，没有代表性。在不同标准击实功能下，重粉质壤土最大干容重差别为0.2kN/m3，最优含水量差别为1.2%；中粉质壤土最大干容重差为0.3kN/m3，最优含水量为1.75%；轻粉质壤土分别为1.1kN/m3和2.6%。

三种土料用不同标准击实功能所得的平均最大干容重和最优含水量见表4.1－9。

为了合理地选定重粉质壤土和中粉质壤土的设计干容重和最优含水量，做了不同击实功能的击实试验，击实功能与最大干容重、最优含水量关系见表4.1－10。

从表4.1－10可看出，当达到标准击实功能以后，再增加击实功能，这两种土料的最大干容重增加仍有增长。

为了进一步研究土料的最大干容重随击实功能增大而增加的规律，选用5个有代表性土样按《土工试验规程》（SD128—84）规定的方法进行了的不同击实功能的试验，其成果整理成表4.1－11，击数与最大干容重和最优含水量的关系曲线如图4.1－1所示。可看出，当击实功能达到标准击数（27击）后直至50击，击数每增加10击其最大干容重约增加0.2kN/m3。

4.1.4.3　土料干容重和含水量设计

土料的干容重和含水量设计与土料击实性能、压缩性能等多种因素有着密切的关系，干容重和含水量对土料的抗剪强度、渗透性能、抗水流冲蚀性能等都有较大的影响。同时，对土料填筑施工机械和施工方法的选择，施工进度、工期、工程造价都有关系。

在设计中，怎样根据各土样的最大干容重确定土料的最大干容重，规范中没有规定。对于采用的重粉质壤土和中粉质壤土而言，从上述三种不同的击实试验方法的试验结果可看出最大干容重较相近，确定标准击实试验最大干容重和最优含水量时作为一种土料统计。土料的标准击实试验最大干容重和最优含水量取诸多土样的平均值。

设计含水量按试验的最优含水量选取，设计干容重按式（4.1－1）确定：

《碾压式土石坝设计规范》（SDJ218—84）将P定义为压实度，对于1级、2级坝和各种等级的高坝要求压实度应不低于0.96～0.99，适用的击实按《土工试验规程》（SDS01—79）标准。1993年对该规范的修改和补充规定中将P定义为压实系数，并且将压实系数提高至不低于0.97～0.99。

考虑到小浪底工程规模宏大及其重要性，在设计中还参考了国外的设计标准。美国垦务局的土石坝填筑标准规定，黏性土用普氏击实试验控制时，当大于4号筛干重占总数百分数P＝0～25%时，高于50英尺的坝压实系数下限为0.98，平均为1.00；当P＝20%～50%时，压实度下限为0.95，平均为0.98。美国陆军工程师团（1977年）规定，填筑标准要求压实度为0.95～1.00（以普氏击实为标准）。按照上述标准计算重粉质壤土、中粉质壤土平均干容重值见表4.1－12。

由上述击实试验成果可知，当击实功能大于标准功能时，随着击实功能增加土料的干容重仍有的增大。因此设计干容重不应选得过小，以减小其后期的沉陷。从坝体结构而言，小浪底土石坝坝高较高，河床中存在有深约80m砂卵石覆盖层深槽，计算表明沿坝轴线方向的不均匀沉陷量较大。若选定的压实度偏低，压实干容重偏小时，后期沉陷将较大，对防止心墙裂缝不利，因此应选用较大的设计干容重。

由土料击实干容重统计资料可知，平均干容重γd＝16.95kN/m3是三种击实试验方法标准击实功能下的统计值。从统计资料还可看出，标准SD128—84的要求和GB123—88的要求的标准击实功能和最大干容重均稍低于标准SDS01—79的要求。《碾压堆石坝设计规范》（SDJ218—84）补充规定中规定当采用规程SD128—84规定的方法进行试验则压实度宜适当提高。

考虑上述多种因素，根据小浪底工程的实际情况，大坝设计时采用压实度约等于1.00，设计干容重为16.9kN/m3，相应的最优含水量wop＝18.6%。

设计干容重的大小对击实土的压缩性有一定的影响。选择的土料干容重过小，则坝的后期沉降量大，对坝的安全不利；若选择的干容重过大则对降低土料的压缩性作用不大，但由于增加较大的压实功能而不经济。不同干容重下的压缩系数a1－2见表4.1－13所示。

从表4.1－13中可看出，当干容重为17.0kN/m3时，再增加干容重，土料压缩系数的减小幅度并没有增大，而中粉质壤土的压缩系数不仅没有减小反而又有增加，说明设计干容重没有必要大于17.0kN/m3。从该表还可看出，同一种土料的压缩系数变化的规律性并不太好，这里有两方面的原因，其一，压缩试验时，在100～200kPa压力下的压缩系数容易出现波动；其二，表中各种干容重的压缩系数统计组数不一致。

一般而言，黄土类土经过重塑压实后，工程性质有所改变。但若填筑含水量偏小、干容重偏低时，仍有不可忽略的湿陷变形。为验证选择的土料设计干容重是否合适，曾用不同干容重和含水量进行湿陷变形对比试验，试验表明当制备试样干容重为16.5kN/m3、含水量为19.5%时，在法向压力为p＝0.2～0.8MPa下，湿陷变形系数为0.4～1.6，最大值出现在p＝0.5MPa下。当制备试样干容重为17.0kN/m3、含水量为18.1%时，在上述压力下没有发生湿陷变形。虽然这种对比试验做的较少，且与其他的试验结果也不完全一致，但仍说明适当增大设计干容重并在最优含水量下填筑对减小土料的湿陷变形是有利的。

试验表明土料干容重的变化幅度不大时，对其渗透性和抗渗透破坏能力影响并不显著，均在设计允许范围以内。典型土样不同干容重与渗透系数关系见表4.1－14。

4.1.4.4　击实土的工程性质

（1）渗透特性。

1）渗透系数。大量试验表明土料的渗透系数在1×10－7～1×10－8cm/s左右。

2）抗渗比降。土料的抗渗强度受土料的干容重大小、起始含水量、饱和度、保护土料的反滤级配及渗流出口是否被水淹没等多种因素影响。曾委托中国水利水电科学研究院进行试验，由于试验设备的限制，最大水头仅能达200比降，所以试验时取试样干容重小于设计干容重。试验表明，当干容重为16.0kN/m3时，其抗渗比降达200，试样没有破坏。试验认为，当干容重为16.9kN/m3时，其抗渗比降可达300以上。

实践表明高土石坝防渗体难免发生集中渗漏，为研究此种情况下土料的抗渗比降，曾委托中国水利水电科学研究院等单位做了土料缝隙抗渗试验。试验表明，在相同反滤保护下，土体裂缝后的抗渗比降为完整土样的1/10～1/15，即抗渗比降为20～30。在设计中，考虑到土料质量的不均一性、施工填筑不均匀性和其他不可预见因素，并参考其他工程经验及大量的研究，确定斜心墙底部宽度时采用的允许抗渗比降为2，确定坝基混凝土防渗墙插入土体高度时采用的允许抗渗比降为5。

3）渗透变形特性与抗冲蚀性能。试验表明，寺院坡土料渗透破坏时的特征是：当水头超过临界水头后，土样破坏很快，80%的试样在20min内破坏，40min内破坏比例达90%以上；最后的破坏形式均为穿洞破坏，90%土样都是一开始先向反滤掉土，或者渗流量明显增大，然后穿洞；重粉质壤土冲蚀破坏时，土料呈团粒状剥落，团粒直径一般在0.25～1.1mm，中粉质壤土的团粒较小。以上试验成果说明，土料的抗冲蚀性能较差，应加强反滤保护。

（2）压缩和膨胀特性。中国水利水电科学研究院和黄河水利委员会水利水电科学研究院等单位所做的土料压缩试验成果汇总见表4.1－15。

从试验成果可看出，这种土料应属中、低压缩性土。当填筑含水量小于最优含水量略超过2%时，填土的浸水下沉量和总压缩量都明显增大；当填筑含水量大于最优含水量略超过1%时，填土的浸水下沉量和总压缩量与最优含水量状态下的相接近，但固结速率却大大降低，从而增加大坝施工完工后所产生的沉降量在总沉降量中的比例。

（3）抗剪强度。三轴试验成果整理采用了摩尔圆法和主应力差法，土料抗剪强度指标见表4.1－16。

（4）动抗剪强度指标。动强度试验用土样物理性能及静强度指标见表4.1－17。

动力试验成果见表4.1－18，表中所列结果取轴向应变达到5%作为破坏标准。

4.1.4.5　施工填筑与质量检查

（1）上坝土料的选择。三种土料分析表明，重粉质壤土、中粉质壤土的性能较接近，且稍优于轻粉质壤土。从料场储量来看，寺院坡料场主要是重粉质壤土和中粉质壤土，轻粉质壤土含量仅占10%左右，重、中粉质壤土的储量已满足要求。由于小浪底土石坝坝高较高，是我国用黄土类土作为防渗体修建的最高的土石坝，且坝基覆盖层在深槽段平均最深70m以上，右岸滩地仅20m左右，厚度变化大。同时坝基砂卵石覆盖层又极不均匀，既有密实度较高的冲积砂卵石层，也有密度较低的砂层和大孤石架空层，这一点从河床砂卵石的渗透性可间接看出（其渗透系数变化范围在1×10－1～1×10－4cm/s之间）。由于这些因素影响，大坝的不均匀沉陷量较大，要求心墙土料要有较好的可塑性，相比之下轻粉质壤土可塑性较差。按谢拉德对土料抗冲蚀性能分类，重粉质壤土和中粉质壤土塑性指数为11.4～14.4，属抗冲蚀性能一般的土料，轻粉质壤土塑性指数为8.8，介于抗冲蚀性能一般和较差材料之间，且与较差材料相近。重、中粉质壤土优于轻粉质壤土。

考虑上述多种因素，主要采用重粉质壤土和中粉质壤土作为防渗土料，级配曲线见图4.1－2。

寺院坡料场中还含有少量的钙质结核，对于成层的钙质结核应于清除，对于零星分布的钙质结核可不清除，但含量不应超过8%，且在坝面填筑时不应集中。

（2）施工填筑标准的确定。小浪底工程实行国际招标施工，参照国际惯例在施工现场采用普氏击实试验确定填筑标准。考虑工程的重要性和普氏方法的标准击实功能小于SDS01—79试验方法，得出的最大干容重也稍小，因此，规定压实干容重应等于或大于标准普氏击实试验最大干容重，也就是说施工压实度等于或大于1.00。

由于料场土料压实性能不同，其最大干容重不同，因此现场采用压实度控制，而不采用一个固定的干容重控制，即采用“固定压实度、浮动干容重”的方法控制。采用这种控制方法，可确保各种土料均能达到规定的密实度，避免了用一种干容重控制可能造成干容重要求过高而不易达到或干容重要求偏低导致密实度不足等缺点。

填筑含水量应在最优含水量的＋2%～－1%的范围内。基础面上厚1m填筑范围内的填筑含水量在最优含水量＋3%～＋1%之间。含水量调节应在料场进行，必须在坝面调节时，应采用喷雾状喷水器洒水。

土料的填筑层厚度一般部位不大于0.25m，碾压遍数不少于6遍。压实机械采用凸块振动碾，滚轮净重不小于13000kg，直径不小于1.80m，宽度不小于2.00m。滚轮应至少有120个凸块，每个凸块面积不小于9000mm2，高度不小于100mm。

边角部位填筑层厚度不大于0.13m，应采用专门压实机械，如小型振动碾、蛙夯和小型夯板压实。

每层土料均应采用圆盘耙将土块耙碎。在上层填筑前，应将下层土刨毛，深度至少20mm。

（3）质量检查。在压实前，根据需要土料的质量检查可在料场或坝面进行。压实前每2000m3或每4h（按频度大者）取样一次检查土料级配和含水量。压实后每8000m3或每12h（按频度大者）取样检查干容重和压实度。

4.1.4.6　施工期补充研究及上坝土料级配曲线的调整

（1）问题的提出。1996年上坝的1区土料均采用寺院坡料场艮沟山梁土料，9～12月上坝土料质检月报资料表明，大量的1区土料黏粒含量偏高，据估算约有17万m3，其级配曲线大大超过设计级配包线，相当一部分黏粒含量超过40%，最高甚至高达45%以上，高出设计黏粒含量上限28%达17%。据分析可能有以下几方面的原因：

1）设计阶段料场勘探时，取样密度偏少，致使代表性较差。

2）设计阶段，颗分试验按照《土工试验规程》（SDS01—79）规定的土料方法进行，该方法规定采用氨水作分散剂；而施工质检采用《土工试验规程》（SD128—006—84）规定的方法进行颗粒成分试验，采用六偏磷酸钠作分散剂。两方法使用的比重计也不相同。分散剂和仪器的不同造成颗粒成分试验结果有一定差异。

3）施工开采时，可能取用了底部的黏土，造成大量上坝土料黏粒含量过高。

根据以上情况，有必要进行补充料场勘察和试验，研究造成黏粒含量偏高的原因，论证是否需要修正设计的土料级配曲线，即是否需要修正设计的黏粒含量上限。

（2）料场补充勘察。经建设单位、监理和设计各方研究，料场补充勘察在寺院坡料场的寺院坡山梁、李家坡山梁、前苇园山梁、后苇园山梁进行，勘探工作量见表4.1－19。

竖井勘探揭露的土料组成情况如下：

1）寺院坡山梁。上部土层为轻、中、重粉质壤土，厚5.5～8.5m；中部土层以重粉质壤土为主，夹有中粉质壤土及少量粉质黏土条带，土层厚10～16m；下部为粉质黏土，厚2～8m；下伏三叠系砂岩。

2）李家坡山梁。上部土层为轻、中、重粉质壤土，厚5.5～7.5m；中部土层以重粉质壤土为主，土层厚9～11.5m，中间夹1.0m厚粉质黏土；下部为粉质黏土，厚4～5m；下伏三叠系砂岩。

3）前苇园山梁。上部土层为轻、中重粉质壤土，厚13.5～14.5m；中部土层以重粉质壤土为主，土层厚10～12m，中间夹有1～2层厚1～1.5m的粉质黏土；下部为粉质黏土层。

4）后苇园山梁。上部土层为重粉质壤土，厚13.5m；中间夹有厚1m粉质黏土；下部为粉质黏土，厚3～5m；下伏三叠系砂岩。

上述勘探结果与设计阶段是一致的。

（3）颗粒成分对比试验。为验证两种试验方法的黏粒含量的差别，在竖井内每一米取一个颗粒成分样，个别厚土层每两米取一个颗粒成分样，共141个土样284组颗粒成分对比试验成果见表4.1－20。为了与前面土的定名一致，表中土名仍按氨水法给出。

从表4.1－20可看出，两种试验的黏粒含量相差约在－8%～11%之间，其分布统计列入表4.1－21。

从表4.1－20、表4.1－21、图4.1－3可看出，对比试验所取土样的土料种类包括重粉质砂壤土、轻粉质壤土、中粉质壤土、重粉质壤土和粉质黏土等五种土料共141个土样中，有75%以上的土样差别分布较分散，且少量土样采用六偏磷酸钠作分散剂的试验结果黏粒含量大于用氨水作分散剂时的试验结果，但黏粒含量之差p2－p1在－2%～6%较集中一些。

由前述可知，要求上坝土料为中粉质壤土和重粉质壤土，将这两种土料99组试验结果进行统计，其p2－p1的平均值为3.1%。

根据上述试验结果分析，有必要将原设计级配曲线进行适当地调整。

（4）上坝土料级配的调整。由上述可知，采用六偏磷酸钠作分散剂进行颗分试验黏粒含量平均提高3.1%，考虑到试验结果较分散，从表5.1－23可看出p2－p1等于6%～8%仍为高达12.8%，因此将黏粒含量上限上调7%，上限修正为35%，修正后的级配曲线如图4.1－4所示。

4.1.5　1A高塑性土区

4.1.5.1　物理性质

料场中两种土料的物理性质见表4.1－22。从表4.1－22可看出姜黄色粉质黏土稍优于棕红色粉质黏土，但差别不大。同时，考虑料场中两种土料的分布及施工开采等因素，两种土料均可作为1A区高塑性土区材料。

4.1.5.2　压实度设计

在主混凝土防渗墙顶设置高塑性土区的目的主要是提高墙顶以上土体适应变形能力，防止墙顶以上土体发生裂缝，改善对混凝土防渗墙的应力状态。因此，要求土料具有较好的塑性，并要选择合适的干容重和相应的含水量，使压实后的土体有较好的压缩变形特性。

采用两种不同的击实试验标准所做的最大干容重和最优含水量平均值见表4.1－23。典型土样不同干容重的压缩性能见表4.1－24。

如上所述，在坝体发生沉降变形时要求高塑性土区也能产生相应的变形，防止出现由于混凝土防渗墙顶的顶托作用和墙顶土体变形能力不够，而使墙顶土体发生裂缝。所以该区土料的干容重和含水量设计主要是考虑土料的压缩变形特性。由坝体应力应变计算知，1A区的大主应力约2.0MPa左右，因此不希望1A区土料在较小的压力下过早的完成压缩变形，同时也不希望1A区土料在压力大于2.0MPa才开始出现较大的压缩变形。从表4.1－24可看出，当压力小于0.8MPa时土料保持较强的变形能力，当压力大于0.8MPa后变形能力逐渐减弱。相对而言，当压力大于0.8MPa以后，击实功能低、干容重小时的变形能力稍大一些。根据上述情况，设计选用的压实度为0.90～0.95。

由土体的压缩变形规律可知，土体的压缩变形主要发生在固结压缩（或主固结压缩阶段），在该阶段土体压缩变形是土体随超静水压力消散而发生的压缩量。由于1A区是包括在1区土料之间，超静水压力的消散受两种土料的渗透系数比值影响。若1A区土料渗透系数不大于1区土料的渗透系数，或非常接近，则超静水压力不易消散，压缩变形无法产生；若1区渗透系数远远大于1A区土料的渗透系数，随压力增大超静水压力较快消散，在坝体变形远未稳定时1A区土料变形已完成。所以1A区土料的压缩变形过程不仅与上覆压力有关，还与其排水条件有关，即与两种土料的相对渗透性有关。渗透试验表明，1A区土料的渗透系数约为10－9cm/s数量级，1区土料的渗透系数为10－7～10－8cm/s数量级，是1A区土料渗透系数的10～100倍，基本可以满足要求。

1A区土料的级配曲线见图4.1－5。

4.1.5.3　填筑施工和质量检查

（1）填筑施工。压实标准的控制方法仍采用“固定压实系数、浮动干容重”法。填筑层厚0.25m，含水量要求控制在最优含水量的＋1%～＋3%之间。用17t振动碾碾压2遍，压实度控制在0.90～0.95之间。最大干容重和最优含水量按美国标准ASTM　D698规定的标准普氏击实试验确定。

（2）质量控制。压实前，每100m3或4h取样一次。压实后，每200m3或8h取样一次。试验项目同1区土料。

4.1.6　1B区土料

4.1.6.1　基本性质

（1）物性指标。1B区土料主要取自小浪底土料场，土料的颗粒级配见表4.1－25，土料基本物性见表4.1－26。

土料的有机质含量为0.44%，易溶盐含量为0.06%～0.12%，pH值在8.2～8.9之间，SiO2/R2O3值为2.80～2.84。

从上述土料的基本性质可看出，小浪底料场土料基本满足筑坝材料要求。但塑性较差，尤其是其中的轻粉质壤土，塑性指数偏小。

（2）击实特性。在设计过程中按照SDS01—79、SD128—84和GBJ123—88三种《土工试验规程》规定的击实试验方法对重粉质壤土、中粉质壤土和轻粉质壤土分别进行了击实试验，试验成果汇总见表4.1－27。

从表4.1－27的击实试验结果与寺院坡料场土料对比可看出，小浪底土料场土料的击实性能较好，平均最大干容重17.8kN/m3比寺院坡料场土料的平均最大干容重16.95kN/m3大0.85kN/m3，增加了5%。

为进一步了解土料的击实性能，按上述三种试验规程规定的方法进行了的不同击实功能的试验。现仅列出标准击实功能与大于标准功能的试验结果（见表4.1－28）。

从表4.1－28可推算出，当击数从25（或27）击增大至32（或37）击时，土料的最大干容重增大了1.1%～1.9%，平均增大1.4%；含水量减少了3.3%～5.8%，平均减少4.3%。小浪底工程土料的最大干容重和相应最优含水量的变化幅度与寺院坡料场土料相近。

（3）分散性。采用饱和浸提液和针孔试验两种方法验证，小浪底料场土料不具有分散性。

4.1.6.2　击实土的性能

（1）压缩性能。取庙上料区的重粉质壤土、中粉质壤土研究其压缩性能。试验表明，庙上土料为低压缩性土，压缩指数（Cc）约在0.12～0.19之间。

（2）渗透性能。渗透系数在0.48×10－6～5.27×10－6cm/s，满足防渗要求。

（3）抗剪强度。由三轴试验，土料的内摩擦角φcd＝26.7°～35.1°，小值平均值为27.2°；凝聚力Ccd＝0.0～56.0kPa，小值平均值为7.5kPa。

4.1.6.3　上坝土料选择与填筑标准

重粉质壤土、中粉质壤土、轻粉质壤土三种土料与寺院坡料场相应土料的性质相近。从料场储量分布来看，主要是重粉质壤土和中粉质壤土，轻粉质壤土含量仅占6.8%左右。1B区土料级配曲线见图4.1－6。

1B区土料的填筑标准同1区土料确定，压实系数为1.00。

4.1.6.4　质量控制

1B区土料在压实前，每2000m3或4h进行一次质量控制检验。压实后，每8000m3或12h进行一次记录检验。检测项目与要求同1区料。

4.1.7　5区掺合料

4.1.7.1　材料选择

在初步设计阶段内铺盖材料与大坝斜心墙土料相同。心墙料（主要由粉质土组成）在地震振动作用下是十分软弱的。由于地震振动使设在坝体内部的上游铺盖强度降低，因此使坝的整体性遭到削弱。为达到“增加内铺盖土料的抗剪强度，并选用地震时强度不降低或降低很少的土料”的双重要求，决定采用砾石土作为内铺盖料。共对黏土岩风化料、第三纪红土、风化砂卵石料和河床砂卵石与寺院坡料场土料掺和料等四种材料进行了研究。

（1）黏土岩风化料。所谓黏土岩风化料，实际上是利用其风化速度快的特点，将开挖岩石在放置一段时间后再上坝。风化料的颗粒级配见表4.1－29。

（2）第三纪红土。第三纪红土土层位于寺院坡料场下部紧靠岩层面，储量约60万m3。该层土料分为两层，上层呈岩土块状，下层呈土状。上层风化后及下层的黏土级配见表4.1－30。

（3）王良料场风化砂砾石料。王良料场位于黄河右岸坝址下游的塬上，属第三纪地层。距坝址约5km，储量约40万m3。采用风化料干筛、洗筛和风化后洗筛的土料平均级配见表4.1－31。渗透系数为10－7cm/s数量级。

（4）掺合料。掺合料用寺院坡料场土料与坝址处河床砂卵石掺合而成，砂卵石最大粒径为60mm，经掺土30%、40%两种料的试验，含砾量31%～27%，含黏量5.6%～7.4%，渗透系数为10－6～10－7cm/s。

从述四种料的初步资料可看出，黏土岩风化后的含砾量高达72%～84%，平均为79%，而且又缺乏粒径0.1mm以下的细颗粒，显然不能满足要求，不适于作5区料；第三纪红土颗粒偏细也不能满足要求。王良料场风化砂砾石料和掺合料两种材料的基本性能相近，可作为5区料。但王良料场储量仅40万m3，不能满足5区料45万m3的用量要求，且运距较远，因此决定采用掺合料。

4.1.7.2　掺合料级配选择

如上所述将内铺盖料由纯土料改为砾质土的目的就是在其渗透性能满足防渗要求的前提下，“增加内铺盖材料的抗剪强度”和“在地震情况下其抗剪强度不会有明显降低”。

以往的研究表明，影响砾质土渗透性的主要因素是细料的性质、含砾量（粒径大于5mm颗粒含量）和压实度。当含砾量不超过某一极限值（砾石完全起骨架作用时的砾石含量，用表示）时，渗透系数变化不大，其值主要依细料性质而定。

掺合料中的砂卵石级配是根据河床砂卵石的实际级配情况确定，其上、下包线和平均级配见表4.1－32，掺合用土料为1区土料。掺合料（5区）设计级配曲线见图4.1－7。

4.1.7.3　物理力学性能

击实试验采用SD128—87规定的方法进行，击实功能为604kJ/m3。上下包线的最大干容重分别为20.5kN/m3和21.0kN/m3，最优含水量分别为9.5%和7.8%。

掺合料的渗透系数为8.72×10－7～3.73×10－6。在反滤保护的条件下，临界比降为4.94～7.31。

三轴试验的抗剪强度（总应力强度指标）分别为，上包线φ＝20.8°、C＝30kPa；下包线φ＝22.3°、C＝50kPa。

用平均级配进行的三轴试验表明，当取干容重为20.3kN/m3时，有效强度指标为φ＝28.05°、C＝22.0kPa，

4.1.7.4　5区掺合料的动强度特性

采用平均级配、干容重为20.3kN/m3、φ＝28.05°、C＝22.0kPa的样品进行了动力试验，动抗剪强度指标见表4.1－33。

4.1.7.5　填筑施工和质量控制

（1）填筑施工。5区料的填筑施工要求同1区料。

（2）质量控制。5区料的质量控制分别在填筑前和压实后进行。填筑前每1000m3或4h取样1次，压实后每1000m3或8h取样1次，检测项目与1区料相同。