高含水量粘土在九龍?zhí)端畮?kù)大壩中的應(yīng)用

鄒玉華

(四川南充水利電力建筑勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 南充，637000)

1 工程概況

九龍?zhí)端畮?kù)樞紐位于西充縣晉城鎮(zhèn)龍門橋村，大壩距西充縣城2.5km。工程開發(fā)任務(wù)以灌溉和城鎮(zhèn)供水為主，并作為南充市應(yīng)急備用水源，水庫(kù)壩址以上集雨面積1.73km2，它是升鐘水庫(kù)灌區(qū)內(nèi)的一座中型囤蓄水庫(kù)。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位371.25m，校核洪水位371.44m，總庫(kù)容1316.88萬(wàn)m3，正常蓄水位370.92m，正常庫(kù)容1271.84萬(wàn)m3，死水位354.00m，死庫(kù)容134.88萬(wàn)m3，有效庫(kù)容1136.96萬(wàn)m3。

水庫(kù)樞紐由大壩、兩個(gè)取水設(shè)施、引水設(shè)施及抽水泵站等組成。

工程等級(jí)為Ⅲ等，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇。水庫(kù)主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。

大壩為粘土心墻石渣壩，壩頂寬8.0m，壩頂長(zhǎng)294.94m，最大壩高48.17m。上游壩坡分為3級(jí)，壩坡自上而下分別為1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0；下游壩坡分為4級(jí)，自上而下分別為1∶2.3、1∶2.5、1∶2.6和1∶2.6，最大壩底寬259.1m。

大壩防滲心墻頂高程372.0m，頂寬4.5m，上下坡度均為1∶0.25，最大底寬27.0m，防滲齒槽底部嵌入弱風(fēng)化基巖，最低高程323.59m，心墻填筑量為13萬(wàn)m3。

2 心墻粘土料特性

九龍?zhí)稁?kù)區(qū)內(nèi)張家溝和杜家溝內(nèi)粘土含量豐富，地表耕植土厚度約1.0m，為無(wú)用層，下部粘土厚度3.7m～6.0m，儲(chǔ)量37.71萬(wàn)m3，塑性較好。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)，粘粒含量20.8%～34.9%，塑性指數(shù)13.4～26.5，天然含水量23.8%～39.81%，水溶鹽含量1.83%～2.15%，有機(jī)質(zhì)含量(按重量計(jì))1.35%～1.80%，pH值7.08～7.30，除含水量高以外，其他質(zhì)量如顆粒組成、有機(jī)質(zhì)含量、水溶鹽含量、pH值等均滿足規(guī)范要求。粘土心墻料物理力學(xué)性質(zhì)及顆粒組成試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表1和表2。

表1 九龍?zhí)端畮?kù)粘土防滲料基本物理性質(zhì)試驗(yàn)成果

表2 九龍?zhí)端畮?kù)粘土防滲料顆粒組成試驗(yàn)成果

溝內(nèi)粘土料呈可塑～軟塑到流塑狀粘土，大部分料源在溝底，含水率高，土質(zhì)特細(xì)，液限高達(dá)40%左右，裹水能力很強(qiáng)。溝底粘土開挖出來(lái)就是粘結(jié)在一起、過(guò)濕且無(wú)法破碎的大塊，翻曬后當(dāng)表面含水量小于低限施工最佳含水量時(shí)，表面干硬，里面含水率仍比較高，又不容易破碎。如果直接碾壓填筑，則層內(nèi)土塊難以結(jié)合在一起，多為顆粒狀麻面，達(dá)不到相應(yīng)的壓實(shí)度，而且下雨后，水由麻面空隙灌入土中，又泡軟土層。若要把粘土中結(jié)塊完全破碎，減小含水量，不但需要翻曬的遍數(shù)多，時(shí)間長(zhǎng)，而且先破碎的細(xì)料水分蒸發(fā)過(guò)快，形成干土，無(wú)法壓實(shí)，又需要灑水濕潤(rùn)。不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且也容易造成土料含水不均勻，影響填筑質(zhì)量。

為了降低土塊含水量，又不至于使細(xì)料過(guò)分風(fēng)干導(dǎo)致含水量偏低，以及確保粘土含水率均勻，結(jié)合生活中“醒發(fā)面”經(jīng)驗(yàn)，翻曬后不直接上壩，需要堆放儲(chǔ)存，“醒、發(fā)”一段時(shí)間再填筑。

3 上壩料指標(biāo)控制

庫(kù)區(qū)粘土料除部分臺(tái)地料含水量較低外，其余溝底基本處于飽和狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮過(guò)采用多種料進(jìn)行摻配混合、翻曬等方案處理，通過(guò)投資和施工難度比較，選擇通過(guò)開溝排水、翻曬措施降低土料含水量。

按照規(guī)范要求，設(shè)計(jì)上壩粘土料含水量在最優(yōu)含水-2%～3%范圍內(nèi)，根據(jù)料場(chǎng)粘土料室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，其最優(yōu)含水率為16.4%～20.2%，平均值18.35%，最大干密度為1.71g/cm3～1.80g/cm3，平均值1.76g/cm3。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果見表3。為便于施工檢測(cè)控制，設(shè)計(jì)控制上壩料含水率在16%～20%范圍內(nèi)，壓實(shí)度不小于0.98。壓實(shí)后土料干密度不小于1.72g/cm3，滲透系數(shù)不大于1x10-6cm/s。

表3 粘土防滲料擊實(shí)試驗(yàn)成果

4 粘土料翻曬儲(chǔ)存方案

4.1 當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)

工程區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，一年中春夏多旱，夏季炎熱，降雨集中；秋多綿雨，冬無(wú)嚴(yán)寒，雨量少，多陰天，日照少。降水量一般集中在5-9月份，約占全年降水量的65%。多年平均氣溫17.3℃，極端最高氣溫40.3℃，極端最低氣溫-3℃，多年平均降水量949.2mm，多年平均蒸發(fā)量1078.1mm，多年平均風(fēng)速1.5m/s，多年平均日照數(shù)1355.2h。

4.2 翻曬方案

4.2.1 翻曬順序及曬場(chǎng)選擇

在實(shí)際施工時(shí)，控制上壩含水量成為該工程施工的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)翻曬碾壓試驗(yàn)，并經(jīng)各方共同研究，確定翻曬方案：開溝排水→開挖運(yùn)輸→翻曬場(chǎng)翻曬→監(jiān)測(cè)含水量→堆集儲(chǔ)存。

先在庫(kù)區(qū)料場(chǎng)開挖樹枝狀通風(fēng)排水溝，將水引至圍堰內(nèi)，再通過(guò)自排結(jié)合抽排將水排至大壩下游。排水溝寬度1m～2.0m，深度根據(jù)地形和取料深度確定，以能排干積水為準(zhǔn)。

根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇在大壩基坑與張家溝、杜家溝圍堰之間位置，利用棄渣填筑、平整出面積約2萬(wàn)m2的場(chǎng)地作為粘土料的翻曬、堆放場(chǎng)，場(chǎng)地用平面振動(dòng)壓路機(jī)碾壓密實(shí)平整，高出原地面約2m～3m，中間高，周圍稍低，周圍做排水溝，便于排水。

4.2.2 翻曬儲(chǔ)存方案

翻曬進(jìn)度計(jì)劃及方案，根據(jù)施工總進(jìn)度計(jì)劃安排，粘土填筑在2013年2月開始，考慮到翻曬需要一定時(shí)間。施工進(jìn)度計(jì)劃安排自2012年11月5日開始，先翻曬堆放儲(chǔ)備一部分，儲(chǔ)備量要滿足1～2個(gè)月填筑量，以后翻曬、填筑滾動(dòng)進(jìn)行。翻曬后堆放儲(chǔ)備時(shí)間大于1個(gè)月的料才能上壩填筑。

采用反鏟挖機(jī)開挖，載重汽車運(yùn)輸?shù)椒瓡駡?chǎng)退占法卸車，推土機(jī)攤鋪成厚度0.5m左右進(jìn)行晾曬，再配合碎土能力較強(qiáng)的橫軸式旋耕機(jī)，翻耙破碎土塊。晾曬時(shí)根據(jù)天氣情況每天用旋耕機(jī)進(jìn)行翻耙破碎2～3次，一般2d～3d可曬好一批。

翻曬后，控制粒徑小于10mm細(xì)料含量不小于60%，其含水量在15%～17%范圍內(nèi)；粒徑小于100mm大塊料含量不大于40%，其含水量可以放寬到20%～23%。

翻曬后進(jìn)行堆存，堆料頂部預(yù)留斜坡，表面拍實(shí)保持光滑，四周設(shè)排水溝，減少雨水入浸。細(xì)、塊料堆放“悶、發(fā)”大概一個(gè)月左右，水分相互吸、排，塊料也基本破碎，土料含水量均勻，基本都能滿足填筑要求，可上壩填筑。上壩前可將表層含水量高的粘土重新晾曬，符合要求后上壩填筑。內(nèi)部粘土經(jīng)過(guò)檢測(cè)基本都符合含水量要求，可直接上壩填筑，局部含水量不符合要求的，經(jīng)晾曬或?yàn)⑺?，滿足設(shè)計(jì)要求后上壩填筑。

5 粘土心墻填筑及檢測(cè)成果分析

根據(jù)碾壓試驗(yàn)，心墻壩填筑采用22t凸塊碾碾壓，鋪土厚度控制為40±5cm，順壩軸線方向碾壓，機(jī)械行車速度控制為2km/h，壓實(shí)作業(yè)采用進(jìn)退錯(cuò)距法，碾壓搭接寬度不小于20cm，采用靜壓法，碾壓遍數(shù)8遍。施工填筑過(guò)程嚴(yán)格按照碾壓試驗(yàn)確定的參數(shù)進(jìn)行，經(jīng)第三方抽檢全部合格。抽檢統(tǒng)計(jì)資料如下：

粘土心墻(高程324.09m～372.0m)共填筑121層，第三方檢測(cè)單位進(jìn)行干密度和壓實(shí)度抽檢68層(共261點(diǎn))全部合格。同時(shí)第三方分別對(duì)高程330m、335m、340m、345m、350m、355m、360m、365m、370m共9層心墻，進(jìn)行大樣抽檢試驗(yàn)，每層抽取6個(gè)點(diǎn)，共計(jì)54組樣，進(jìn)行含水率、干密度、比重、顆粒組成、抗剪強(qiáng)度、壓縮指標(biāo)、滲透系數(shù)等指標(biāo)檢測(cè)，其中高程360m和370m層抗剪強(qiáng)度做了壓實(shí)后土樣快剪、飽和固結(jié)快剪、飽和慢剪，其余各層均做了不飽和不固結(jié)快剪、飽和固結(jié)快剪。檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4。

表4 九龍?zhí)端畮?kù)心墻填筑質(zhì)量檢測(cè)成果(干密度和壓實(shí)度)

表5 九龍?zhí)端畮?kù)心墻填筑質(zhì)量檢測(cè)成果(9層54組樣顆粒組成)

表6 九龍?zhí)端畮?kù)心墻填筑質(zhì)量檢測(cè)成(9層54組樣抗剪強(qiáng)度及壓縮指標(biāo))

表7 九龍?zhí)端畮?kù)心墻填筑質(zhì)量檢測(cè)成果(2層12組樣抗剪強(qiáng)度及壓縮指標(biāo))

檢測(cè)結(jié)果表明，碾壓后粘土心墻各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求。

6 水庫(kù)運(yùn)行情況

大壩已于2016年2月全面完工，2016年6月水庫(kù)開始試蓄水運(yùn)行，庫(kù)水位在正常水位370.92m與354.0m之間運(yùn)行，2017年、2018年、2019年、2020年最高庫(kù)水位曾達(dá)到正常蓄水位370.92m，且最長(zhǎng)維持近6個(gè)月時(shí)間。

水庫(kù)試運(yùn)行5年多，沒(méi)有出現(xiàn)安全隱患。自2016年5月開始，到目前已進(jìn)行了106次安全監(jiān)測(cè)，大壩累計(jì)最大豎向位移103.80mm，累計(jì)最大水平位移40.56mm，均小于警戒值。水庫(kù)滲漏情況在設(shè)計(jì)控制范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)浸潤(rùn)線與設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果基本一致，沒(méi)有出現(xiàn)異常。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)九龍?zhí)端畮?kù)設(shè)計(jì)、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于當(dāng)?shù)夭牧蠅?，可根?jù)材料分布情況，按照安全、節(jié)約、環(huán)保、就近、盡量減少占地的原則選擇筑壩材料。對(duì)于庫(kù)區(qū)高含水量粘土，通過(guò)選擇合理的翻曬、儲(chǔ)存方法，及適宜的指標(biāo)控制，完全可以滿足粘土心墻相關(guān)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)高含水量粘土在大壩心墻中的應(yīng)用。