某水庫工程膨脹土壩的性狀調查及加壩方案研究

梁為邦，張 鈞，李少飛

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南 昆明 650021)

大壩防滲土料的理想性質宜具有工程所要求的防滲性、容重、抗剪強度，適應壩體變形的塑性，較低的壓縮性，抗御滲透變形破壞的能力，不存在影響壩體穩(wěn)定的膨脹性或收縮性，材料的施工性良好，不含水溶性材料和有機物等。20世紀50、60年代，中小型水利工程在修建土石壩時曾用過膨脹土作為防滲土料，國內對膨脹土能否筑壩以及如何筑壩的問題沒有明文規(guī)定，甚至有些文獻資料對膨脹土筑壩持否定態(tài)度，許多關于土石壩的專著及規(guī)范建議避免使用膨脹土作防滲土料。DL/T 5388—2007《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》規(guī)定：膨脹土作為土石壩防滲體時，質量技術指標應按工程要求作專門論證[1]。SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》規(guī)定：當采用特殊土作為填筑土料和防滲土料時，應進行專門論證[2]。SL 274—2001《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定：膨脹土不宜作為壩的防滲體填筑料，必須采用時，應根據其特性采取相應的措施[3]。

云南省某水庫工程設計壩型為防滲心墻風化料分區(qū)壩，建設于20世紀80年代末，采用樞紐區(qū)附近土料作為防滲心墻土料，工程前期勘察設計、施工建設過程中只進行了土料的一些常規(guī)物理力學性質試驗，未進行土的自由膨脹率、分散性等指標試驗，工程建成后大壩運行尚算正常。由于社會經濟發(fā)展的需要，需在原壩體上擴建加高大壩，對壩體填筑質量進行勘探檢測時，發(fā)現(xiàn)原壩體心墻土料具有膨脹性。為此，需對膨脹土填筑壩體質量進行評價，并研究論證在膨脹土壩體上能否加高壩體，采用何種壩型何種材料加高壩體。

1 工程概況

某水庫位于云南省玉溪市華寧縣盤溪鎮(zhèn)的珠江流域南盤江右岸支流矣則河上，是一座以農田灌溉為主，兼顧人畜飲水，同時對下游村鎮(zhèn)和農田具有防洪保護作用的小型水利工程，是盤溪大型灌區(qū)的水源地之一。水庫大壩于1988年開工，1992年建成，壩高58.4m，庫容為751×104m3，壩型為黏土心墻風化料分區(qū)壩，工程規(guī)模為小(1)型水庫，水庫樞紐主要建筑物為攔河壩、輸水隧洞、溢洪道。

工程區(qū)地處云南東南地區(qū)南盤江河谷，屬南亞熱帶低緯度高原季風氣候，高山低谷地貌復雜，立體氣候明顯。年平均日照時數(shù)為2488h，年均氣溫為20.3℃，年降雨量為850～950mm。

1988年水庫開工建設，筑壩防滲土料采用位于壩軸線上游庫區(qū)右岸山坡上的土料場，地表為第四系(Qeld)殘坡積黏土層，厚1.2～1.5m，下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)翠云峰組(D1c)粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及粉細砂巖。防滲土料主要采用殘坡積黏土層及少量全風化細砂巖、泥頁巖、粉砂巖，至壩址區(qū)運距約為1.0 km。壩體防滲心墻施工共填筑194層，干密度取樣檢測1106組，干密度范圍值為1.76～1.94 g/cm3，均值為 1.82 g/cm3，合格率為 99.5 %，符合關于防滲土料干密度合格率不應小于 90% 的要求[4]。現(xiàn)場試驗所得滲透系數(shù)K范圍值為3.9×10-6～2.9×10-5cm/s，均值 為1.3×10-5cm/s，基本符合防滲體碾壓后小于1×10-5cm/s的規(guī)定。

工程建成后大壩運行尚算正常，由于社會經濟發(fā)展的需要，需在原壩體上擴建加壩，2013年進行擴建工程勘察設計工作，擬采用從原壩體下游面培厚加高的方法，加高壩體采用防滲斜墻與原壩心墻防滲體連接，擴建后壩頂高程為1 296.50m，最大壩高為69.5m，壩長330.0m，壩頂寬6.0m，正常蓄水位為1 292.00m，庫容為1 070×104m3。

2 防滲心墻及土料場勘探情況

進行擴建加高工程勘察時，對原壩體進行勘探、試驗，了解壩體的質量和安全狀況，作為擴建加高設計的依據。沿壩軸線在心墻防滲體上布置了4個鉆孔進行勘探，取原狀土樣22組進行試驗；擬采用原筑壩防滲土料場土料作為擴建加高大壩防滲斜墻土料，為此布置探坑進行勘探，探坑揭示土層為黃色黏土夾灰白、灰綠等雜色黏土，野外簡易鑒別其黏粒含量較高，取土樣11組進行試驗。

防滲心墻原狀土樣取22 組，進行自由膨脹率δef試驗，δef范圍值 為31%～52 %，其中δef>40%的有11組，占試樣總數(shù)的50%，屬于膨脹土，具弱膨脹潛勢。原筑壩防滲土料場土樣 11 組，自由膨脹率范圍值 為31%～70 %，其中δef>40 %的有 8 組，占試樣總數(shù)的72%，屬于膨脹土，具弱-中膨脹潛勢。土料場土樣采用平衡法(以外力平衡內力)測得擊實膨脹土的膨脹力為46.5～73.3kPa，表明土樣的工程地質分類為弱膨脹土-中等膨脹土。

南水北調中線工程采取1/3臨界值方法對非均質巖土膨脹等級進行確定，即在工程區(qū)內只要檢測土樣的自由膨脹率δef有1/3超過40%，就可確定該工程區(qū)為膨脹巖土地區(qū)。依據防滲土體與原筑壩防滲土料場土樣自由膨脹率δef超過40%的占比分別為50%、72%，可以判別本工程大壩心墻防滲體采用了膨脹土與非膨脹土進行混合土料填筑。

由于膨脹土遇水膨脹、失水收縮，膨脹后強度顯著降低，收縮后可能產生大量裂縫，因而可能致使壩體遭到損害，膨脹土作為防滲土料時，應進行專門論證，應根據其特性采取相應措施，為此須對膨脹土的性質進行研究。

3 膨脹土特性

膨脹土是一種含有大量親水性礦物，濕度變化時有較大體積變化，受約束時產生較大內應力的黏性土。其主要特征是：粒度組成中膠粒(粒徑小于0.002mm)含量大于30%；黏土礦物成分中，伊利石、蒙脫石等強親水性礦物占主導地位；土體濕度增大時，體積膨脹并形成膨脹壓力；土體干燥時，體積收縮并形成收縮裂縫；膨脹、收縮變形可隨環(huán)境變化往復發(fā)生，導致土的強度衰減；屬液限大于40%的高塑性土[5]。我國的膨脹土的黏土礦物成分，主要是伊利石，蒙脫石居其次，也有些地區(qū)蒙脫石含量較多。

膨脹土的形成原因：在適宜的氣候環(huán)境下，硅酸鹽為主的礦物不斷分解，鈣大量流失，鉀離子被次生礦物吸收形成伊利石或伊利石-蒙脫石混層礦物為主的黏土礦物。膨脹土的微觀結構屬于面-面疊聚體，其雙團粒結構具有更大的吸水膨脹和失水收縮的能力，膨脹土的結構強度和體積變形主要決定于黏土基質的成分含量和排列[6]。

控制膨脹土脹縮勢能大小的物質成分主要是土中蒙脫石含量、離子交換量以及小于0.002mm的膠粒含量，這些物質成分本身具有較強的親水特性，是膨脹土具有較大膨縮變形的物質基礎[7]。加水浸濕是土體膨脹的最大原因，土體膨脹降低了其密度，以致削弱了抗剪強度。膨脹土由于含有膨脹性的黏土礦物，特別容易吸水，含水量改變得特別大，所以強度也變化得特別大，當土經過浸濕、風干、再浸濕后，土的凝聚力顯著降低[8]。膨脹土的脹縮性強弱除與礦物的親水性有關外，還與密實度、含水率及外在約束有關。比如，高密實度、低含水率的膨脹土的膨脹性就強，反之就弱；外在的約束條件對膨脹量有明顯的影響，稍加約束力，膨脹量就可以減少很多。膨脹土在約束條件下浸水，其抗剪強度無明顯降低。

膨脹土浸水后體積膨脹，發(fā)生崩解，強膨脹土浸水后幾分鐘即完全崩解；弱膨脹土則崩解緩慢且不完全。膨脹土對氣候因素很敏感，極易產生風化破壞。開挖后，在風化作用下，土體很快產生破裂、剝落，從而造成土體結構破壞，強度降低。膨脹土的抗剪強度為典型的變動強度，經過多次濕脹干縮循環(huán)后，黏聚力和內摩擦角均有大幅降低。

云南省東南地區(qū)膨脹土物理力學性質指標見表1。

由表1發(fā)現(xiàn)，滇東南地區(qū)膨脹土塑性指數(shù)高(>25)，膠粒含量高(>40%)，自由膨脹率較高(50%～80%)，膨脹力較高(40～100 kPa)。

表1 云南省東南地區(qū)膨脹土物理力學性質指標

4 膨脹土判別

膨脹土的判別，目前尚無統(tǒng)一的標準和方法。國內不同單位或標準采用的指標主要有自由膨脹率、蒙脫石或伊利石含量、黏粒含量、膨脹力等，國外也有采用液限、塑限、縮性指標及縮率作為判別指標，綜合判斷土的膨脹性，從而進行膨脹土分類。其中自由膨脹率是一個廣泛采用的評價指標，但在確定土的膨脹性及進行工程地質評價時，應結合土的宏觀特征、膨脹力及其他物理指標進行綜合評判。

4.1 物理指標判別

工程上常把自由膨脹率(δef)>40%、液限(WL)>40%、縮限(Ws)<12%的土間接判定為膨脹土。除上述指標外，也有文獻列出了以下指標作為膨脹土的特征：黏粒含量>35%、膠粒含量>25%，塑性指數(shù)(IP)>15，液性指數(shù)(IL)一般小于0.25，在天然條件下一般處于硬塑或堅硬狀態(tài)[9]。按照這些物理指標對防滲心墻土樣與防滲土料場土樣進行統(tǒng)計判別膨脹土，見表2。

由表2發(fā)現(xiàn)，按自由膨脹率δef>40%劃分為膨脹土的試樣，液限、黏粒含量、膠粒含量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)等指標(均值)均符合膨脹土的特征；自由膨脹率δef≤40%劃分為非膨脹土的試樣，液限、黏粒含量、膠粒含量、塑性指數(shù)、液性指數(shù)等指標(均值)有多項不符合膨脹土的特征。

表2 防滲心墻土樣與防滲土料土樣指標統(tǒng)計

4.2 礦物成分判別

自由膨脹率是一個很有用的指標，但不能作為唯一依據，否則易造成誤判。中國科學院地質研究所將鈉蒙脫石含量為5%～6%，鈣蒙脫石含量為11%～14%作為判定標準。鐵道部第一勘測設計院以蒙脫石含量8%，或伊利石含量20%作為標準。

對經自由膨脹率劃分膨脹土(δef>40%)、非膨脹土(δef≤40%)的試樣進行礦物組成成分試驗，試驗表明：膨脹土的礦物組成成分主要為石英(65%～85%)，其次為伊利石(10%～20%)，其余為鉀長石及其他雜質(5%～15%)，膨脹土的伊利石含量較高。非膨脹土的礦物組成成分主要為石英(75%～90%)，其次為伊利石(5%～15%)，其余為鉀長石及其他雜質(5%～10%)，非膨脹土的伊利石含量較低。

4.3 相關指標的判別

GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范(2009年版)》規(guī)定：具有膨脹土工程特征的地區(qū)，自由膨脹率一般大于40%，可初判為膨脹土[10]。我國GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》也做了類似規(guī)定。值得注意的是，經驗證明，許多膨脹土的自由膨脹率常小于40%，應采用綜合指標判別?！对颇鲜∨蛎浲僚袆e標準》規(guī)定：黏土自由膨脹率大于40%應判別為膨脹土；粉質黏土、紅黏土自由膨脹率大于35%應判為膨脹土。

國內外也有一些研究者認為，當采用膨脹性指標、壓實指標、活動性指數(shù)KA、吸水指標KW、線膨脹率δep、縮限Ws、縮性指數(shù)Is、線收縮、體膨脹率(或體縮)、自由膨脹率等，這些指標進行判別時，只要某一項達到或超過判別標準臨界值時，即可判為膨脹土。采用這些相關指標對土料場土樣進行判別情況見表3，采用活動性指數(shù)、吸水指標對防滲體土樣及防滲土料場土樣進行判別情況見表4。

表3 土料場綜合指標判別膨脹土

表4 采用活動性指數(shù)、吸水指標判別膨脹土

采用自由膨脹率這單一指標判別為膨脹土的試樣，在采用綜合指標判別時，無論選用國外或是國內的臨界值，判別結果均為膨脹土。采用活動性指數(shù)、吸水指標進行膨脹土判別，按照國外標準：幾乎所有土樣均可判為膨脹土；按照國內標準：與采用自由膨脹率(單一指標)是否大于40%所判定的膨脹土結果相同。

4.4 判別結論

經過采用工程地質界常用的物理指標、礦物組成成分分析及一些相關指標的綜合判別，與采用自由膨脹率單一指標的判別結果基本一致。綜合判別結論為：本工程建設時大壩心墻防滲體采用了膨脹土與非膨脹土進行混合土料填筑，原填筑防滲體所使用的防滲土料由膨脹土與非膨脹土構成。

5 膨脹土筑壩情況調查

水利工程土石壩工程具有不同于其他工程的不利條件，壩體經常受水浸泡，只有自重壓力而無附加壓力，壩體為重塑土，其工程性質較天然土差。膨脹土作為壩料，除失水會形成堅硬土塊，開挖和施工均不方便外，對筑壩的影響主要表現(xiàn)在遇水膨脹，強度降低，失水產生裂隙，因此它不是理想的防滲土料。膨脹土對壩體損害以及損害的方式和程度，通過對已建成水庫工程的調查研究來確定，是最直接可靠的方法。

云南采用膨脹土或混合土(膨脹土與非膨脹土混合使用)筑壩的工程較少，僅賓川大銀甸水庫、曲靖花山水庫、蒙自長橋海水庫。賓川大銀甸水庫采用混合土(湖積相膨脹土中摻入碎石)填筑心墻，并設置“穿靴戴帽”(心墻底部與頂板使用非膨脹土)的措施，工程已運行30多年，心墻無病害。曲靖花山水庫改擴建時采用殘坡積膨脹土或混合土填筑均質土壩，塊石護坡，工程已運行25年，壩體無病害。

5.1 膨脹土壩

1980年，柯尊敬等人在廣西、湖北、河南、河北、山東、安徽、云南、貴州、四川等膨脹土代表性地區(qū)進行了20座膨脹土壩調查[11]。按壩型劃分：均質壩15座、心墻壩4座、斜墻壩1座。按壩高劃分：低壩15座、中壩5座(最大壩高為67m的1座，其余壩高為30～43m)。按填筑的壩料劃分：使用強膨脹土的5座、中等膨脹土的10座、弱膨脹土的5座。運行情況基本正常的有15座；出現(xiàn)局部淺層滑坡情況的有5座，都是均質壩。5座水庫的均質壩出現(xiàn)淺層滑坡的原因主要是：①壩體有的未設護坡或護坡不善，表層出現(xiàn)干縮裂縫；②壩體有的排水溝堵塞、漏水，雨季時雨水迅速集中進入壩體，壩體強度急劇降低?；陆浱幚砗?，不再繼續(xù)滑動，運行正常。

5.2 混合土壩

柯尊敬等人還調查了膨脹土與非膨脹土摻配填筑的混合土壩，具有代表性的4座壩都為均質壩，壩高為11.5～19.0m，膨脹土有強、中、弱各種等級，混合方式有層鋪法和混合法2種，混合比例為30%～50%，運行情況正常的有2座，出現(xiàn)局部淺層滑坡情況的有2座。淺層滑坡的形成原因與膨脹土壩的相類似，主要是設計施工質量差、使用管理不善。

劉麟德等[12]對四川膨脹土筑壩進行了研究，調研了位于西充縣境內的升中水庫，壩型為黏土心墻石渣壩，壩高為79m。壩區(qū)土料場經檢驗有部分屬膨脹土，筑壩時將膨脹土與非膨脹土摻和后使用，用重型羊足碾壓實。土工試驗表明，膨脹土與非膨脹土摻和壓實后，抗剪強度及抗?jié)B強度均有所提高，自由膨脹率由49.1%降至30.0%。水庫于1982年建成蓄水后，運行到現(xiàn)在情況良好。

5.3 調查結論

①所調查的膨脹土壩，未出現(xiàn)整體穩(wěn)定問題，也未出現(xiàn)因膨脹土發(fā)生漏水、管涌現(xiàn)象，用膨脹土筑壩是可能的。②無論是均質壩還是心墻或斜墻防滲土料，都可以用膨脹土，也可以用膨脹土與非膨脹土混合使用。③膨脹土壩可用包蓋式，即在壩體表面包蓋一定厚度的非膨脹土，據現(xiàn)有經驗，厚度一般不小于2m為宜，膨脹土等級愈強，包蓋厚度應愈大。

6 壩體現(xiàn)狀及質量情況

本工程大壩為黏土心墻風化料壩，壩高58.4m，壩長211.5m，壩頂寬6m，壩頂高程為1285.40m。心墻頂寬4.6m，頂高程為1283.00m，上、下游坡比均為1∶0.2。心墻上游側用粗細粒風化料回填，下游側設水平寬2.0m的過渡料。大壩上游壩坡坡比為1∶2.25，1∶2.5，1∶3.0，下游壩坡坡比為1∶1.75，1∶2.0，1∶2.25。

水庫大壩由2種料源組成，心墻土料為壩址上游右岸殘坡積層、風化料為壩址下游左岸砂泥巖風化層?？辈祀A段心墻位置布置4個鉆孔，后壩坡(壩殼)布置3個鉆孔，進行了注水、標貫、取樣等工作。

6.1 防滲心墻土體

水庫運行20多年，現(xiàn)場巡查未見壩體滲水及變形、塌陷、開裂等，通過查閱施工時的質量控制檢測原始記錄，壩體心墻土體壓實度、滲透系數(shù)等質量指標均合格，壩體心墻總體不存在影響水庫正常運行的問題。

心墻土體標貫試驗錘擊數(shù)N值(修正值)為10.5～32.0，均值為18.1，小值均值為14.6，土體處于硬可塑—硬塑狀態(tài)，無側限抗壓強度qu范圍值為135～448kPa，小值均值qu=194kPa；按工程經驗確定的抗剪強度小值均值內摩擦角Φ=23.7°，凝聚力C=59kPa。按Terzaghi獨立基礎計算公式確定地基承載力fk=219kPa；查表確定地基承載力fk=224kPa；利用抗剪強度、Φ、C值，確定地基承載力[13]fk=234kPa；按土的含水比、孔隙比確定地基承載力fk=250kPa，以上成果表明，心墻土體強度較高。

壩體心墻壩頂以下0～5m，注水試驗所得的滲透系數(shù)為4.41×10-5～5.57×10-3cm/s，不滿足防滲體碾壓后小于1×10-5cm/s的規(guī)范要求，說明壩體心墻頂部0～5m防滲性能差；心墻壩頂以下5～51m，滲透系數(shù)為1.61×10-6～3.39×10-5cm/s，均值為7.86×10-6cm/s，大值均值為1.63×10-5cm/s，基本滿足防滲體碾壓后小于1×10-5cm/s的規(guī)范要求，說明心墻深部防滲性能較好。

6.2 風化料壩體

水庫運行20多年，現(xiàn)場巡查未見壩體變形、開裂、滑動、塌陷等，通過查閱施工時的質量控制檢測原始記錄，風化料壩體壓實度、滲透系數(shù)等質量指標均合格，風化料壩體總體不存在影響水庫正常運行的問題。

風化料采用壩下游左岸D1c粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及粉細砂巖，運距為0.3km。施工共填筑117層，干密度檢測351組，干密度為1.93～2.15 g/cm3，均值為 2.07 g/cm3；孔隙率為20.9%～29.0%，均值為23.9%，風化料壩殼用料雖然干密度變化較大，但施工中嚴格控制了孔隙率，大壩碾壓較密實，施工碾壓總體質量較好。

風化料(鉆孔注水試驗)滲透系數(shù)為6.0×10-3～4.2×10-2cm/s，均值為1.4×10-2cm/s，小值均值為7.0×10-3cm/s，屬中等-強透水，滿足壩殼填筑料滲透系數(shù)>1×10-3cm/s，或大于防滲體的50倍的質量技術指標要求。風化料允許水力坡降為0.30～0.40，在原壩體正常蓄水位條件下，最大實際水力坡降約為0.29，不會產生滲流穩(wěn)定破壞。經過大壩抗滑穩(wěn)定計算分析，大壩滿足抗滑穩(wěn)定要求。

6.3 大壩質量評價

從國內膨脹土壩調查情況看，膨脹土壩未出現(xiàn)過整體穩(wěn)定問題，只要控制好施工質量，利用膨脹土筑壩是可行的。本工程采用了膨脹土與非膨脹土混合填筑防滲土體，從現(xiàn)場巡查未見壩體滲水及變形，原施工質量記錄及現(xiàn)場勘探原位試驗等成果表明：壩體心墻土體填筑質量較好，土體壓實度、滲透系數(shù)等質量指標基本合格，壩體心墻總體上不存在影響水庫正常運行的問題。風化料壩土碾壓質量較好，密實度較高，壩土經過多年運行已經固結穩(wěn)定，大壩運行20多年未見壩體滲水及塌陷等問題，具備加壩擴建條件，可以在原壩體上進行大壩擴建。

7 加壩方案選擇

7.1 壩體、壩基強度

心墻土體承載力fk>210kPa，抗剪強度Φ=23.7°、C=59kPa；壩體風化料抗剪強度Φ=30°～32°、C=30～40kPa。心墻土體及風化料壩體施工質量較好，強度較高，可以在原壩體上進行大壩擴建。

壩基為D1c粉砂質泥巖、泥質粉砂巖及粉細砂巖，呈強風化，承載力fk=300～800kPa，抗剪強度Φ=27°～32°、C=50～100kPa。承載力及抗剪強度能滿足擴建加高大壩壩基變形穩(wěn)定及抗滑穩(wěn)定要求，可以作為擴建加壩的壩基。

7.2 壩體培厚型式選擇

根據壩址區(qū)地質條件及壩址區(qū)周邊天然建筑材料情況，壩體加高應充分利用原老壩體，采用培厚加高型式。水庫壩前淤積較厚，難以清除；如果進行地基處理，則施工較為困難且施工經費較高，并且從上游面加高需要放空水庫，影響水庫正常運行，故不適合采用上游壩坡培厚型式。采用后壩坡培厚方案，可以充分利用現(xiàn)大壩防滲心墻土體及風化料壩體，且擴建壩基地質條件較好，施工方便，故選擇采取后壩坡培厚型式。

7.3 壩型方案比選

根據現(xiàn)狀大壩情況，結合現(xiàn)場地質、地形條件和壩址附近天然建筑材料勘探試驗結果，進行2種加高培厚壩型方案比較：方案1為黏土斜墻風化料壩；方案2為面板堆石壩(在原壩體上設置混凝土面板與原壩體心墻結合)，2種加高培厚方案經抗滑穩(wěn)定計算均滿足壩體穩(wěn)定要求。壩型選擇主要涉及地震因素、大壩結構、施工條件、工程投資等方面。

①水庫地處Ⅷ度地震區(qū)，壩址距離區(qū)域小江活動斷裂直線距離小于5km，地震時混凝土面板堆石壩的風險要大一些；②現(xiàn)狀壩體為黏土心墻風化料壩，培厚加高采用堆石壩體，新加壩體材料在填筑后與現(xiàn)狀壩體存在變形不一致的問題；③現(xiàn)狀壩體心墻頂黏土作為趾板基礎，與趾板混凝土底面接觸滲透穩(wěn)定存在安全隱患，趾板存在不均勻沉降變形的風險；④兩岸壩基為強風化軟質巖體，不宜直接作為混凝土趾板基礎，須進行地基處理。基于以上情況分析，最終壩型選擇為黏土斜墻風化料分區(qū)壩。

8 斜墻土料選擇

壩址區(qū)周邊5km范圍內只有膨脹土防滲土料分布，距離壩址運距約10km，有非膨脹土料分布。SL 274—2001規(guī)定：采用膨脹土筑壩時，應根據膨脹土特點，常選擇帶心墻的壩型，表層加蓋重或換成非膨脹土，以及降低填筑密度、填筑含水率控制在最優(yōu)含水率濕側等。膨脹土筑壩推薦采用的壩型是防滲心墻壩，未推薦防滲斜墻壩型。

8.1 膨脹土斜墻壩型調查

國內膨脹土筑壩采用斜墻壩型的工程較少，位于湖北竹山的明欽水庫，壩型為斜墻壩，最大壩高為29.7m，防滲土料使用中等膨脹土。膨脹土擊實試驗：最優(yōu)含水率為25.5%、最大干密度為1.60 g/cm3。滲透系數(shù)為8.9×10-9cm/s，壓縮系數(shù)a0.1～0.2為0.170 MPa-1，崩解速度為0.18%/min、最終崩解量為67.7%。膨脹土的抗剪強度指標見表5，在不同壓力下膨脹穩(wěn)定后的快剪強度指標見表6。

表5顯示，土樣經過三向膨脹后，C、Φ值顯著下降，強度變得很差。表6顯示，隨著外力的增加，膨脹土強度提高，當壓力超過200kPa以后，強度增長的速度變緩。明欽水庫壩坡設計：內坡坡比為1∶2.0，外坡坡比為1∶2.0，內坡采用片石護坡，外坡采用植草護坡，1965年建成使用，運行正常。明欽水庫成功經驗說明：只要工程措施得當，表層(采用片石護坡)加蓋重，使用膨脹土填筑防滲斜墻壩的方案是可行的。

表5 明欽水庫膨脹土抗剪強度指標

表6 明欽水庫膨脹土不同壓力下膨脹穩(wěn)定后(快剪)抗剪強度指標

8.2 膨脹土斜墻的蓋層厚度研究

膨脹土填筑的均質壩或斜墻壩，壩坡可視為膨脹土邊坡，土體含水量的變化將引起膨脹土吸水膨脹軟化，失水收縮，造成土體裂隙發(fā)育，多呈碎塊狀，結構連結大部分喪失，土體抗剪強度隨著時間下降，從而導致邊坡發(fā)生開裂變形、失穩(wěn)滑動。國內有高速公路路堤采用膨脹土填筑的工程實例，路堤建成后出現(xiàn)了沉陷變形、開裂擴張、滑坡、溜塌等病害。

如果采用膨脹土作為填筑斜墻土料，須對膨脹土斜墻進行蓋重或外包非膨脹土處理，盡量減少膨脹土內部的含水率變化。①蓋重方式：根據有荷膨脹力、膨脹率的測試情況，在膨脹土上部設置蓋重層，使其在荷載作用下，不產生膨脹變形破壞，根據現(xiàn)有經驗，蓋重厚度一般不小于2m為宜，膨脹土等級愈強，包蓋厚度應愈大。②外包非膨脹土方式：根據當?shù)卮髿庥绊懮疃龋_定外包厚度，國內有外包2.0～2.5m厚的工程實例。

本工程區(qū)地處低緯度亞熱帶南盤江河谷地區(qū)，年降雨量為850～950mm，按GB 50112—2013計算得到[14]：工程區(qū)膨脹土的濕度影響系數(shù)Ψw為0.56，查表確定大氣影響深度>5m，大氣影響急劇層深度>2.25m。按DBJ 53/T—83—2017《云南省膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)程》查表得到[15]：工程區(qū)膨脹土大氣影響深度5.0m，大氣影響急劇層深度2.4m。

勘探心墻壩頂以下0～5m鉆孔注水試驗所獲的滲透系數(shù)較大，標準貫入試驗土體強度較低的情況也證實了膨脹土大氣影響深度在5m以上。心墻壩頂以下0～5m注水試驗滲透系數(shù)為4.4×10-5～5.6×10-3cm/s，大值均值為1.9×10-3cm/s，說明膨脹土大氣影響帶內土體透水性中等，不滿足防滲要求；心墻壩頂以下0～5m土體標貫試驗錘擊N為10.5～16.5，小值均值N=11.1，無側限抗壓強度qu=150kPa，承載力fk=130kPa，抗剪強度Φ=18.9°、C=35kPa，說明大氣影響帶內膨脹土體力學強度較低。因此，膨脹土斜墻的蓋重或外包非膨脹土厚度應超過大氣影響急劇深度，建議設置為2.5m。

8.3 填筑斜墻土料的確定

利用膨脹土作為斜墻防滲體土料，國內有工程實例，只要工程措施得當，膨脹土就可以加以利用。但使用膨脹土填筑斜墻，須設置厚度2.5m以上的蓋重或外包非膨脹土，將增加施工工序及工程投資，且膨脹土存在長期隱藏的地質災害危險，對工程結構具有潛在的破壞作用。

本工程擴建加壩所需斜墻防滲土料用量約為2.35×104m3，斜墻土料用量較少，經設計、施工、概算等專業(yè)綜合分析，采用運距10km的非膨脹土與采用壩址區(qū)附近運距1.0km膨脹土作為斜墻防滲土料的投資概算區(qū)別不是很大。為了避免工程建設、運行中潛在的膨脹土危害，最終確定選用運距約10km的非膨脹土作為擴建加壩斜墻防滲土料。

9 結語

膨脹土具有脹縮性、多裂隙性、強度變動性，在工程界被認為具有隱藏的地質災害，對工程結構具有嚴重的破壞作用，往往存在長期潛在的危險?，F(xiàn)行工程標準認為膨脹土不宜作為壩的防滲體填筑料，必須采用時，應進行專門論證，根據其特性采取相應的措施。

(1)對可能有膨脹土的地區(qū)，加大勘察工作，選定料場不同土層應取土樣，除一般土料要求的試驗外，還應進行化學成分、礦物成分、自由膨脹率、膨脹力、體縮率、縮限等試驗，綜合判別土料是否具有膨脹性。

(2)膨脹土作為壩料，除失水會形成堅硬土塊，開挖和施工均不方便外，對筑壩的影響主要表現(xiàn)在遇水膨脹，強度降低；失水產生裂隙，增大滲透系數(shù)，降低允許水力比降，因此膨脹土不是理想的防滲料，工程中對具有膨脹性的土料盡量不用，采用非膨脹土。

(3)工程區(qū)附近沒有非膨脹土的料源，采用膨脹土作為土石壩防滲心(斜)墻時，質量技術指標應做專門研究論證。采用膨脹土筑壩，應根據膨脹土特點，采取主要措施：①通過摻碎(礫)石對膨脹土改性，抑制膨脹性；②表層加蓋重或換成非膨脹土，抑制膨脹性；③控制施工填筑含水率與最優(yōu)含水率基本一致，便于壓實；④控制心(斜)墻運行期的含水率變化，抑制膨脹性。

本工程原壩體建設時未鑒別心墻防滲土料為膨脹土，擴建加壩勘察發(fā)現(xiàn)心墻防滲土體具有膨脹性，為此，對膨脹土壩進行了專門性研究。擴建加壩采用斜墻壩型方案，為避免膨脹土長期潛在的危害性，選用運距較遠的非膨脹土作為斜墻防滲土料。