紅黏土在南方土石壩中的應(yīng)用研究

(云南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650021)

南方紅黏土是濕熱氣候條件下的風(fēng)化產(chǎn)物，在我國(guó)南方分布較多。其滲透系數(shù)較低，但高黏粒含量、高塑性指數(shù)、高含水率、低干密度等特點(diǎn)使其在以往的土石壩防滲體中應(yīng)用較為有限。本文以德厚水庫(kù)黏土心墻堆石壩為例，對(duì)南方紅黏土用于防滲心墻土料填筑進(jìn)行分析，研究紅黏土筑壩的特性及主要質(zhì)量控制措施。

1 工程概況

德厚水庫(kù)地處云南省東南部的文山市境內(nèi)，壩址位于國(guó)際河流盤龍河一級(jí)支流德厚河中下游河段，距文山市31km，距昆明市317km，總庫(kù)容1.13億m3。水庫(kù)是一座以生活、工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)供水為主要任務(wù)的大(2)型綜合利用水利工程。

工程由大壩樞紐、防滲及輸水工程等三部分組成。大壩樞紐包括黏土心墻堆石壩、開(kāi)敞式溢洪道、右岸團(tuán)結(jié)大溝輸水隧洞、引水隧洞、導(dǎo)流泄洪隧洞，壩后電站及泵站集中布置于一個(gè)廠房?jī)?nèi)。防滲工程由壩址區(qū)及咪哩河庫(kù)區(qū)兩部分組成，線路總長(zhǎng)4697m，采用帷幕灌漿防滲。

黏土心墻堆石壩最大壩高70.90m，由上游到下游分為上游堆石料區(qū)、上游反濾層、防滲心墻、下游反濾層、下游主堆石區(qū)(下游水平排水區(qū))、下游利用料填筑區(qū)(下游干燥區(qū))6個(gè)區(qū)(見(jiàn)圖1)。

2 壩址基本地形、地質(zhì)條件

壩址位于德厚河與右岸支流咪哩河交匯口下游約600m處的德厚河上，河道呈蛇形彎曲，河床高程約1320.00m，河道一般寬8～15m，河流流向近NE向，比降約7‰。兩岸坡上緩下陡，呈不對(duì)稱V 形峽谷，坡度10°～70°，岸坡高度約130m。

河床沖洪積層(Qpal)為碎石土、砂質(zhì)黏土、砂卵礫石夾漂石混雜堆積，厚度0～15m；殘坡積層(Qedl)為棕黃、棕紅色含碎石黏土，結(jié)構(gòu)較為松散，厚1～4m，主要分布在兩岸緩坡及溶蝕洼地。

壩基巖石主要為石炭系上統(tǒng)C3及二疊系下統(tǒng)P1厚層、巨厚層狀灰?guī)r，巖層總體緩傾向下游偏右岸，巖體中發(fā)育有密度較大、發(fā)育深度較大的緩傾角結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面部分連通性好，且具有斷續(xù)夾泥現(xiàn)象，順河及垂直河道的陡傾結(jié)構(gòu)面亦較為發(fā)育。

3 紅黏土用于防滲心墻填筑試驗(yàn)研究

3.1 土料場(chǎng)基本情況

料場(chǎng)位于花莊西偏北方向的文平公路旁，距離主壩區(qū)約8～10km。料場(chǎng)分布高程1450.00～1475.00m，料場(chǎng)長(zhǎng)約320m，寬約220m，地形平緩開(kāi)闊，料場(chǎng)西高東低，無(wú)沖溝發(fā)育，地形坡度0°～5°，植被以經(jīng)濟(jì)作物為主。料場(chǎng)上部為第四系殘坡積層(Qedl)，上部為棕紅色黏土；殘坡積下部為棕黃、灰黃色黏土，含少量鐵錳質(zhì)顆?；蚪Y(jié)核，呈可塑狀態(tài)。下伏基巖為石炭系中統(tǒng)(C2)的細(xì)晶灰?guī)r。料區(qū)廣布耕地，零星分布有九座民墳。料場(chǎng)剝離層為上部耕植土，含較多植物根系，平均剝離厚度0.50m，料場(chǎng)有用層為棕紅色黏土層，厚度變化較大，最薄2.90m，最厚達(dá)6.50m，平均開(kāi)采深度4.45m，在地下水位以上開(kāi)采。

總體評(píng)價(jià)：該料場(chǎng)面積較大，地形起伏較小，有用層厚度較不穩(wěn)定，土層結(jié)構(gòu)單一，屬Ⅱ類料場(chǎng)。

3.2 土料勘探取樣研究

按照Ⅱ類料產(chǎn)地布置勘探點(diǎn)和取樣，勘探精度為詳查。勘探采取點(diǎn)、線、面相結(jié)合，基本按方格網(wǎng)進(jìn)行控制，共布置勘探線5條，大致平行布置，長(zhǎng)度164～182m，間距50m，勘探線上布置探坑，間距50～100m，一般50m。累計(jì)布置探坑25個(gè)，深度5.90～6.60m，均未揭穿覆蓋層。據(jù)探坑揭露土層變化情況，結(jié)合料場(chǎng)開(kāi)采條件，共取原狀樣18組、棕紅色黏土擾動(dòng)樣20組。土料物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果見(jiàn)表1，質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)見(jiàn)表2，國(guó)內(nèi)部分地區(qū)紅黏土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 土料場(chǎng)防滲土料物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

注1.表中孔隙比及飽和度為按98%壓實(shí)度控制備樣的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)成果；2.指標(biāo)統(tǒng)計(jì)建議值抗剪強(qiáng)度、比重、最大干密度取小值均值，滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)取大值均值，其余指標(biāo)取平均值。

表2 防滲土料質(zhì)量技術(shù)評(píng)價(jià)

表3 國(guó)內(nèi)主要紅黏土區(qū)紅黏土物理力學(xué)參數(shù)

注表中分母為平均值。

由以上表中可見(jiàn)，德厚大壩心墻土料具有滲透系數(shù)低、黏粒含量及塑性指數(shù)高、天然含水率高、接近最優(yōu)含水率、干密度低、壓實(shí)干密度低等特點(diǎn)，屬于典型的南方紅黏土。

3.3 國(guó)內(nèi)工程實(shí)例

紅黏土具有低滲透系數(shù)，是填筑防滲土體的較優(yōu)材料，但高黏性、高含水率、低干密度，以及低—中等壓縮特性所帶來(lái)的壓實(shí)較普通黏土困難及高應(yīng)力狀態(tài)下的變形特性，使其在以往的高土石壩防滲體中應(yīng)用較為有限。上世紀(jì)五六十年代，云南省分別建成了曲靖花山、蒙自莊寨、會(huì)澤毛家村等土壩，為紅黏土筑壩積累了成功經(jīng)驗(yàn)。2008年，文山暮底河水庫(kù)成功建成，該工程距德厚水庫(kù)約23km，采用黏土心墻堆石壩，壩高67.20m，總庫(kù)容5850.7萬(wàn)m3，心墻土料采用石炭系上覆次生紅黏土，工程建成至今，大壩運(yùn)行情況總體良好。德厚水庫(kù)防滲心墻紅土與云南省部分已建工程紅土物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 德厚水庫(kù)與云南省已建工程紅黏土物理力學(xué)參數(shù)

注表中分母為平均值。

4 施工質(zhì)量控制措施

4.1 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

為了復(fù)核壩料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，研究含水率對(duì)土料碾壓效果的影響，確定合理的施工參數(shù)、工藝和可行的控制指標(biāo)，大壩填筑前對(duì)心墻土料的施工參數(shù)和控制指標(biāo)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究。試驗(yàn)對(duì)天然開(kāi)采土料采取雙參數(shù)組合試驗(yàn)并最終驗(yàn)證法，在同一壓實(shí)設(shè)備、相同行車速度下，首先以25cm、30cm、35cm三種不同鋪土厚度與6遍、8遍 、10遍三種碾壓遍數(shù)分別進(jìn)行組合碾壓，然后分析比較選擇其中較優(yōu)的兩種組合，進(jìn)行復(fù)核碾壓及對(duì)比試驗(yàn)，最終確定施工碾壓參數(shù)及工藝。試驗(yàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5，試驗(yàn)成果見(jiàn)表6。

表5 心墻土料現(xiàn)場(chǎng)碾壓設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

由表6可見(jiàn)，雙參數(shù)組合碾壓試驗(yàn)中，相同的碾壓功率下，薄層鋪筑更能提高壓實(shí)度，但在鋪厚30cm與35cm時(shí)，提高空間有限；碾壓遍數(shù)6遍時(shí)，檢測(cè)試樣土料的平均壓實(shí)度均小于98%，碾壓8遍后，鋪厚25cm及30cm的平均壓實(shí)度均大于98%，壓實(shí)度總體有所提升，繼續(xù)增加遍數(shù)至10遍，壓實(shí)度提高率降低?？傮w分析，碾壓遍數(shù)以8遍相對(duì)較優(yōu)；從經(jīng)濟(jì)角度及施工進(jìn)度上分析，鋪厚25cm雖然更能保證壓實(shí)度設(shè)計(jì)要求，但工效降低、施工進(jìn)度降低，不利于工程進(jìn)度總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。因此，按照30cm和35cm兩種鋪厚進(jìn)行8遍復(fù)核碾壓試驗(yàn)。

復(fù)核試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表明，在按照30cm和35cm兩種鋪厚進(jìn)行8遍碾壓后，土料滲透系數(shù)均為7.15×10-6cm/s，能滿足室外小于1×10-5cm/s的要求；平均壓實(shí)度均大于98%。采用30cm鋪厚平均壓實(shí)度為98.5%，按照不小于98%的控制標(biāo)準(zhǔn)其試驗(yàn)保證率為75%，采用35cm鋪厚的平均壓實(shí)度為98%，不小于98%的試驗(yàn)保證率僅為57%。

根據(jù)試驗(yàn)成果，考慮室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)與實(shí)際施工條件差別，確定施工鋪土厚度30cm±5cm，碾壓8遍，壓實(shí)度控制指標(biāo)為不小于98%。

4.2 施工質(zhì)量控制措施

含水率是黏土填筑施工中的一項(xiàng)重要壓實(shí)質(zhì)量保證指標(biāo)，通常情況下，黏土的施工含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%～+3%的偏差范圍內(nèi)較易于滿足填筑質(zhì)量目標(biāo)。德厚土料黏性高，土料料場(chǎng)天然含水率與最優(yōu)含水率接近，局部天然含水率偏高，壓實(shí)度對(duì)含水率變化較為敏感。

表6 德厚水庫(kù)大壩心墻紅土料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)成果

注1.表中分母為平均值；2.壓實(shí)設(shè)備為CLG6122振動(dòng)凸塊碾，碾重22t，行車速度2.5km/h。

為保證填筑施工質(zhì)量，德厚水庫(kù)心墻黏土料開(kāi)挖、運(yùn)輸、鋪筑中主要采取了以下措施：在料場(chǎng)及周邊設(shè)置截、排水溝，防止雨水進(jìn)入、浸濕土料；對(duì)土料進(jìn)行立面開(kāi)采，使其上、中、下層土得以拌和混摻；料場(chǎng)派設(shè)質(zhì)量員實(shí)時(shí)跟蹤檢查采區(qū)土料天然含水率，一旦發(fā)現(xiàn)較大變異，及時(shí)進(jìn)行合理晾曬；運(yùn)輸中進(jìn)行覆蓋，避免水分遭受損失或被雨淋濕；采取進(jìn)占法鋪料，碾壓方向平行于壩軸線，鋪土厚度為30+5cm；嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)獲取的碾壓遍數(shù)、工藝進(jìn)行碾壓填筑。

4.3 一期心墻填筑情況

德厚大壩主體建設(shè)于2018年3月下旬開(kāi)始，并于5月底完成一期共111層心墻黏土料填筑，相應(yīng)一期壩體心墻頂高27.80m。根據(jù)施工單位自檢及第三方質(zhì)量檢測(cè)，一期心墻土料滲透系數(shù)及壓實(shí)度均滿足設(shè)計(jì)要求(見(jiàn)表7)。

表7 一期心墻料主要物理指標(biāo)檢測(cè)值

5 結(jié) 語(yǔ)

德厚水庫(kù)采用典型南方紅黏土作為防滲心墻土料。土料中小于0.075mm的顆粒含量平均大于95%，黏粒含量平均為53%；土料天然含水率接近最優(yōu)，局部偏高；壓實(shí)干密度平均1.32g/cm3。土料具有較優(yōu)的防滲性能，但高黏粒、偏高的天然含水率給施工質(zhì)量保證帶來(lái)困難。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)提出合理的壓實(shí)度控制指標(biāo)，施工中采取立面開(kāi)采、晾曬、覆蓋等措施，保證施工含水率在最優(yōu)含水率的-2%～+3%的偏差范圍內(nèi)。根據(jù)檢測(cè)資料，一期心墻土料平均滲透系數(shù)為1.8×10-7cm/s，壓實(shí)度最小為98.50%，平均100.10%，兩項(xiàng)主要控制指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。