采用礫質(zhì)粘土填筑堆石壩心墻初探

張 群

（湖南五凌電力公司 長(zhǎng)沙市 410000）

1 概 述

托口水電站主壩為混合壩型，左岸為混凝土重力壩，最大壩高82.00 m。右岸為粘土心墻堆石壩（含混凝土制墻），最大壩高63.00 m，需堆石料約52萬(wàn)m3，防滲土料約 8萬(wàn) m3。

在可行性研究階段，規(guī)劃的粘土主料源有兩個(gè)：小羊山土料場(chǎng)和王麻溪左岸土料場(chǎng)（副壩開(kāi)挖區(qū)）。小羊山土料屬中壓縮性土，粘粒含量、塑性指數(shù)適中，天然含水率略高于最優(yōu)含水量，較易壓實(shí)固結(jié)，擊實(shí)土的滲透系數(shù)為2.15×10-6m/s，主要質(zhì)量指標(biāo)可滿(mǎn)足堆石壩防滲用料要求；儲(chǔ)量可滿(mǎn)足用料要求；剝采比18.2%，易于開(kāi)采，距主壩壩址公路距離12.5 km，推薦為主壩粘土心墻堆石壩防滲心墻的土料料源。王麻溪左岸土料場(chǎng)為副壩的開(kāi)挖區(qū)，該區(qū)土料中混雜有白堊系礫巖層的風(fēng)化砂礫，對(duì)其均一性、透水性有影響，其他物理力學(xué)指標(biāo)與小羊山土料相近，滿(mǎn)足堆石壩防滲用料要求；儲(chǔ)量滿(mǎn)足工程用料要求，屬副壩開(kāi)挖料；開(kāi)挖點(diǎn)距主壩壩址公路距離8.5 km，推薦為圍堰防滲用料。

2 課題的提出

近幾年來(lái)建設(shè)土石壩的突出進(jìn)步之一，就是筑壩材料的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。對(duì)于高堆石壩而言，其防滲體材料要求的側(cè)重點(diǎn)與低壩不同，防滲體裂縫及隨后的滲流沖刷，是影響安全的重要因素。因此：心墻防滲土料通常選擇具低壓縮變形的土料，以減少其發(fā)生裂縫的可能性，含砂礫的寬級(jí)配土料由于壓實(shí)性好，壓縮性低，裂縫自愈能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而在國(guó)內(nèi)外堆石壩中得到普遍地使用。因此，托口水電站主壩粘土心墻堆石壩最大壩高63.00 m，使用含風(fēng)化砂礫的王麻溪左岸土料作為主壩防滲體填筑材料，具有可行性；王麻溪左岸土料位于副壩開(kāi)挖區(qū)，屬開(kāi)挖棄料，且離主壩的公路距離與小羊山土料場(chǎng)離主壩的公路距離短4 km，若利用其作為主壩防滲體，具有經(jīng)濟(jì)性；小羊山土料場(chǎng)在托口集鎮(zhèn)邊，土料的開(kāi)采運(yùn)輸對(duì)托口集鎮(zhèn)居民有影響，土料的實(shí)際施工將反受居民制約，而王麻溪左岸土料位于工程專(zhuān)用公路邊，屬坡地，無(wú)居民，開(kāi)采、運(yùn)輸、施工便利。因此，開(kāi)展進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究，采用含礫質(zhì)的粘土填筑主壩粘土心墻堆石壩具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 研究試驗(yàn)路徑

研究分兩大類(lèi)：含風(fēng)化碎（礫）石的土料和摻和粉質(zhì)粘土的風(fēng)化碎（礫）石土料。通過(guò)室內(nèi)土試驗(yàn)，研究確定土料的物理力學(xué)與質(zhì)量指標(biāo)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)判斷土料是否能夠符合和滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)程、規(guī)范對(duì)心墻料的填筑質(zhì)量要求；通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓土體原狀樣進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，確定土料碾壓后的力學(xué)特性。通過(guò)對(duì)王麻溪左岸土料進(jìn)行較系統(tǒng)全面的室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，為心墻堆石壩提供相關(guān)參數(shù)，以期直接利用含風(fēng)化碎（礫）石的開(kāi)挖土料上壩，或摻加適量粉質(zhì)粘土后上壩，實(shí)現(xiàn)多種土料在心墻堆石壩施工中的應(yīng)用進(jìn)行有效的探索。

4 土工試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)取王麻溪左岸土料進(jìn)行了3組土工試驗(yàn)分析。碎（礫）石土土料的基本特性見(jiàn)表1。

表1 王麻溪左岸土料場(chǎng)碎（礫）石土試驗(yàn)成果表

根據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范初步判斷，碎（礫）石土土料P5（>5 mm）含量、粘粒含量、滲透系數(shù)等指標(biāo)符合要求，擊實(shí)最干密度大于天然干密度，塑性指數(shù)、天然含水率等指標(biāo)偏高。

同時(shí)，對(duì)碾壓場(chǎng)土料現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行顆粒分析，擊實(shí)等室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 碾壓場(chǎng)土粒顆粒級(jí)配、擊實(shí)試驗(yàn)成果表

試驗(yàn)成果表明，填筑碾壓的碎（礫）石土料較原室內(nèi)土工試驗(yàn)粗顆粒含量降低，粘粒含量明顯提高，表明碾壓工序?qū)ν亮现械娘L(fēng)化碎（礫）石有一定的破碎作用，并改善了顆粒級(jí)配。碾壓用土料的擊實(shí)指標(biāo)平均值為：碎（礫）石土料最大干密度1.85 g/cm3，最優(yōu)含水率15.3%；混合土料最大干密度1.79 g/cm3，最優(yōu)含水率15.0%。

5 現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)際填筑碾壓施工工法，選擇適合的壓實(shí)機(jī)械，擬定壓實(shí)參數(shù)，對(duì)碎（礫）石土進(jìn)行了10個(gè)小場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)。其主要壓實(shí)特性基本特征值及填筑碾壓的力學(xué)特性指標(biāo)見(jiàn)表 3，表 4。

根據(jù)試驗(yàn)成果綜合分析，碎（礫）石土在自然含水率較多的狀態(tài)下，經(jīng)搌動(dòng)碾碾壓6～8遍后，平均干密度大于其天然狀態(tài)，屬于中壓縮性土，具有較高的臨界滲透坡降和破壞滲透坡降以及低滲透性能。按室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果可推斷，若在連續(xù)晴天或高溫、干燥季節(jié)，碎（礫）

石土的天然含水率降低時(shí)，其碾壓干密度值將會(huì)有較大幅度提高，甚至接近室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度值。由此可判斷王麻溪左岸土料場(chǎng)碎（礫）石土能作為心墻防滲料使用。

同時(shí)，將碎（礫）石土與粉質(zhì)粘土按1∶1混合，對(duì)混合土進(jìn)行了4個(gè)小場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)。其主要壓實(shí)特性基本特征值及填筑碾壓后的力學(xué)特性指標(biāo)見(jiàn)表5，表6。

由此成果分析，碎（礫）石土與粉質(zhì)粘土均可單獨(dú)作為心墻防滲料使用，在心墻堆石壩施工過(guò)程中不必要人為摻混兩種土料。

表3 碎（礫）石土主要壓實(shí)特性基本特征值表

表4 碎（礫）石土碾壓后主要力學(xué)特性指標(biāo)表

表5 混合土主要壓實(shí)特性基本特征值表

表6 混合土碾壓后主要力學(xué)特性指標(biāo)表

6 結(jié) 論

（1）根據(jù)王麻溪左岸土料場(chǎng)心墻土料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)與室內(nèi)土工試驗(yàn)成果綜合判斷，土料質(zhì)量滿(mǎn)足有關(guān)規(guī)程、規(guī)范要求，土料填筑碾壓質(zhì)量較好，密實(shí)度均大于土料天然狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)滲透系數(shù)近似值為i×10-6m/s，碾壓后原狀樣的滲透系數(shù)為（i×10-6～i×10-8）cm/s，具有較高的臨界滲流坡降和破壞滲流坡降，為中-低壓縮性土，判斷碎（礫）石土料、摻加粉質(zhì)粘土土料都能作為心墻防滲料使用。

（2）王麻溪左岸土料場(chǎng)心墻土料液限水塑性指數(shù)較規(guī)范要求偏高，對(duì)含水率變化較敏感。本次心墻料現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)表明，在土料含水率相對(duì)適宜（被碾壓土料與碾輪不出現(xiàn)沾粘）時(shí)，高液限和高塑性指數(shù)土料對(duì)開(kāi)采、運(yùn)輸、填筑以及碾壓等施工工作不會(huì)產(chǎn)生明顯的不利影響。

（3）為保證大壩心墻施工質(zhì)量，施工組織設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮避開(kāi)雨雪季節(jié)施工，或至少避免在連續(xù)雨雪天氣施工，同時(shí)采取有效的施工措施，將土料含水率調(diào)整到接近最有含水率狀態(tài)，以避免或減小心墻料因含水率偏高對(duì)大壩心墻施工質(zhì)量帶來(lái)影響。