大壩心墻接觸粘土工程特性試驗研究

保華富，龐 桂，王 坤，王 磊，武進云

(1.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南昆明650033；

2.四川大唐國際甘孜水電開發有限公司中心實驗室，四川甘孜626001)

1 概 述

長河壩水電站系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第10級電站，上接猴子巖水電站，下游為黃金坪水電站。壩址區上距丹巴縣城約85 km，下距康定縣城和瀘定縣城分別為51 km和50 km，距成都約360 km。長河壩水電站是單一發電的大型水電站。電站總裝機容量2 600 MW，本工程為一等大(1)型工程，攔河壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，在同類型壩中壩高均次于糯扎渡水電站大壩，名列國內第二，屬超高型大壩。工程主要項目礫石土心墻防滲料填筑量約428.32×104m3，接觸粘土填筑量約22.1×104m3，反濾料填筑約175.08×104m3，過渡料填筑約288.96×104m3，堆石料填筑約2 311.5×104m3。

設置接觸粘土的目的在于提高心墻與壩基岸坡接觸部位抗沖刷能力和抗裂性能，保證由于心墻不均勻沉降而不至于與岸坡脫裂。接觸粘土必須具備良好的塑性和粘性、良好的抗滲變形能力，一般采用高塑性粘土填筑[1-2]。接觸粘土的質量好壞直接關系到整個壩體的安全運行。

由于長河壩水電站壩體超高，位于狹窄河谷內，壩基下沖基砂卵石層厚達70多米，心墻又是大壩防滲的主體和核心，而與邊坡接觸部位施工往往也是施工質量控制的薄弱區，這從各方面給心墻接觸粘土提出了更高要求。

本文結合長河壩水電站大壩心墻接觸粘土的開采質量控制，介紹了質量檢測所取得的成果，重點對粘土的擊實性能及小于0.075 mm顆粒級配的不同檢測方法對成果的影響進行探討，同時結合工程實際，研究不同壓實度、不同壓實含水率條件下高塑性土料的工程性質。

表1為心墻接觸粘土設計技術指標[3]。要求最大粒徑小于5 mm，壓實度宜為92%～95%。含水率應為 ω0p+2%≤ω≤ω0p+4%，即填土含水率比最優含水率大2%～4%。質量檢測和試驗研究嚴格執行相關技術規程[4-5]。

表1 心墻接觸粘土設計技術指標

2 粘土有關工程特性試驗研究

2.1 粘土基本物理特性

高塑性粘土物理、化學檢測結果見表2，野壩儲料場高塑性粘土采取的土樣天然含水率在19.8%～26.6%之間，平均為24.4%，土料含水率不均；塑性指數在 14.5～22.8之間，平均為18.0，有個別土樣塑性指數有輕微超標，土樣分類結果均為低液限粘土(CL)。選用592.2 kJ/m3擊實功能進行擊實(干法)，最大干密度在 1.54 g/cm3～1.70 g/cm3之間，最大干密度最大相差0.16 g/cm3，由于接觸粘土上壩難以混合均勻及存在較大的壓實性差異，建議宜采用干密度與壓實度兩項指標控制上壩土料壓實質量。最優含水率在17.5%～25.0%之間，平均為22.2%，平均小于天然含水率2.2%，考慮到二次開采、運輸、鋪料及碾壓過程含水率損失，顯然土料含水率難以滿足設計填筑含水率要求，建議在正式上壩填筑前須對儲存料含水率進行復查，必要時進行調整。土樣粒徑大于5 mm顆粒含量在0～11.3%之間，平均為3.3%，有少量土樣大于5 mm顆粒含量稍有超標情況，但考慮到上壩時經過碾壓破碎，實際壓實土體的超徑含量會有明顯減少；粒徑小于0.005 mm粘粒含量在25.5%～43.9%之間，平均為31.4%。土樣有機質含量在0.15%～0.33%之間；易溶鹽含量在0～0.09%之間，化學分析結果均滿足設計要求。

圖1給出了樣品編號HZP-T-66用不同檢測方法對小于 0.075 mm顆粒級配檢測結果，小于0.075mm顆粒含量分別采用風干土和烘干土兩種狀態加分散劑和不加分散劑進行密度計顆分對比檢測，顆分試驗中分散劑選用濃度為4%的六偏磷酸鈉。分析得出:

表2 高塑性粘土物理、化學檢測結果

(1)風干土加分散劑和不加分散劑小于0.05 mm顆粒含量之差為2.5%、小于0.01 mm顆粒含量之差為 8.5%、小于 0.005 mm粘粒含量之差為6.0%、小于0.002 mm膠粒含量之差為11.3%，烘干土加分散劑和不加分散劑小于0.05 mm顆粒含量之差為1.6%、小于0.01 mm顆粒含量之差為3.5%、小于0.005 mm粘粒含量之差為4.3%、小于0.002 mm膠粒含量之差為10.1%。結果表明:同種土樣在兩種狀態下加分散劑的土樣小于0.075 mm各粒級土粒含量較不加分散劑情況均有不同程度提高，且隨著土料粒徑的減小顆粒含量增大程度趨明顯，與不加分散劑相比，兩種狀態的土樣小于0.005 mm粘粒含量分別提高了20.7%和15.0%，小于0.002 mm膠粒含量分別提高了89.0%和80.8%。

圖1 土樣小于0.075 mm顆粒大小分布級配曲線

(2)同一種土樣風干土加分散劑與烘干土加分散劑對比檢測結果:風干土加分散劑與烘干土加分散劑小于0.05 mm顆粒含量之差為1.9%、小于0.01 mm顆粒含量之差為2.0%、小于0.005 mm粘粒含量之差為2.0%、小于0.002 mm膠粒含量之差為1.4%，前者結果稍有提高。目前使用的規程針對小于0.075 mm顆粒含量進行密度計顆分試驗，規定分別采用風干土或烘干土兩種說法[4-5]，通過本次試驗結果分析認為:在顆分試驗中采用風干土為佳，也更符合土料的實際性能。

圖2、圖 3 為編號 HZP-T-85、HZP-T-90 兩組土樣在擊實功能為592.2 kJ/m3下擊實試驗成果:干法擊實(風干)最大干密度分別為1.58 g/cm3、1.59 g/cm3，最優含水率分別為22.6%、22.0%；而上述土料用濕法擊實(自然含水率狀態下)所得最大干密度分別為 1.54 g/cm3、1.55 g/cm3，最優含水率均為24.1%，兩組土樣采用兩種方法所得最大干密度差值均為 0.04 g/cm3，最優含水率之差最大為2.1%。可以看出干法擊實所得最大干密度比濕法高，而最優含水率確比濕法低。由于土料性質的不可逆性，心墻接觸粘土填筑宜采用濕法擊實試驗結果作為控制標準較為合理，也符合現場實際[6-7]。

2.2 粘土基本力學特性

土料力學特性檢測結果見表3，土樣在控制的干密度(最大干密度)和含水率(最優含水率)條件下，滲透系數 k20在 2.85×10-8cm/s～8.75×10-7cm/s之間，飽和固結快剪 c值在9.1 kPa～96.6 kPa之間，內摩擦角在15.6°～26.7°之間；飽和固結試驗壓力加至3.2 MPa，其中在0.1 MPa～0.2 MPa之間的壓縮系數 avi0.1～0.2在0.17MPa-1～ 0.50 MPa-1之間，均屬中壓縮性。滲透破壞坡降在19～58之間。粘土的各項力學性指標均滿足設計要求。

圖2 HZP-T-85擊實試驗 ω-ρd關系曲線

圖3 HZP-T-90擊實試驗 ω-ρd關系曲線

表3 高塑性粘土力學性檢測結果

2.2.1 粘土壓縮性的進一步探討

圖4～圖7為編號HZP-T-66土樣在不同壓實度和不同含水率條件下飽和固結試驗結果，分析得出:

(1)當壓實度由92%逐級增至101%時，土樣單位沉降量由221.75 mm/m逐級降至198.25 mm/m，土樣的壓實度越大單位沉降量越小。從圖4、圖5還可看出:壓實度98%左右為一個臨界點，壓實度在98%以下時，單位沉降量隨壓實度增大而減小較為明顯，壓實度在98%及以上時，沉降量變化趨于平緩狀態。建議設計填筑壓實度不宜小于98%。

圖4 土樣的λ-Si關系曲線

圖5 土樣的 λ-avi-Esi關系曲線

(2)當壓實度由92%逐級增至101%時，壓縮系數由0.55 MPa-1逐級降至0.28 MPa-1，壓縮模量則由3.36MPa逐級增至5.83 MPa。即隨著土樣壓實度的增大，壓縮系數隨之減小，壓縮模量則隨之增大。當壓實度小于98%左右時，這種變化較為明顯，之后壓實度對壓縮系數及壓縮模量變化的影響程度明顯減弱，即當壓實度大于98%左右時，土樣的壓縮性明顯減弱，抗變形能力明顯增強。

圖6 土樣的ω-Si關系曲線

(3)從相同壓實度，不同制樣含水率下的飽和固結試驗成果看:制樣含水率對土樣固結試驗成果有一定影響。當含水率從20.1%(制樣含水率比最優含水率偏干3%)逐級增至27.1%(制樣含水率比最優含水率偏濕 4%)時，單位沉降量從 200.98 mm/m降至196.61mm/m，壓縮系數由0.31MPa-1降至0.24 MPa-1，壓縮模量則由5.55 MPa逐級增至7.20 MPa。即隨著含水率的增大，單位沉降量及壓縮系數隨之減小，壓縮模量則隨之增大。從減小水庫蓄水后的壩體沉降量角度考慮，設計技術要求天然含水率應比最優含水率大2%～4%是合理的。

圖7 土樣的 ω-avi-Esi關系曲線

2.2.2 粘土滲透性的進一步探討

圖8、圖9給出了粘土不同壓實度及不同含水率條件下土樣滲透試驗結果，分析得出:

(1)隨著壓實度的增大，滲透系數隨之減小。當壓實度從92%逐級增至 101%時，滲透系數從3.94×10-6cm/s逐漸降至1.66×10-7cm/s，滲透系數變化近一個數量級。當壓實度小于95%左右時，滲透系數已不能滿足設計要求。壓實度在98%以下時滲透系數隨壓實度變化較為明顯，之后滲透系數變化趨于平緩。

(2)制樣含水率對土樣滲透系數有一定影響，在相同壓實度下，隨著制樣含水率的增大，滲透系數隨之減小。當含水率從20.1%增至27.1%時，滲透系數從2.79×10-7cm/s降至 4.29×10-8cm/s。從工程角度考慮，接觸粘土上壩壓實時，設計要求土料含水率大于最優含水率2%～4%，即寧潮勿干[2]，這有利于增加土的塑性和粘性，減小滲透及蓄水后大壩的沉降，防止接觸沖刷和接觸流土的發生。

圖8 土樣的 λ-k20關系曲線

圖9 土樣的 ω-k20關系曲線

2.2.3 粘土強度特性的進一步探討

圖10、圖11為土樣在不同含水率、不同壓實度條件下飽和固結快剪試驗成果，分析得出:

(1)隨著含水率的增大，凝聚力C逐漸增大，內摩擦角 φ逐漸減小。當含水率從20.1%逐級增至27.1%時，凝聚力從17.8 kPa增至31.8 kPa，內摩擦角則從23.7°降至21.4°。

圖10 土樣飽和固結快剪 ω-C(φ)關系

圖11 土樣飽和固結快剪λ-C(φ)關系

(2)隨著壓實度的增大，凝聚力和內摩擦角均逐漸增大，既強度隨壓實度增加而提高。當壓實度從92%逐級增至101%時，凝聚力從26.2 kPa增至29.5 kPa、內摩擦角從 19.8°增至23.4°。壓實度在98%以下時凝聚力和內摩擦角增大較為明顯，壓實度在98%及以上時凝聚力和內摩擦角增大程度趨于平緩狀態。

3 結 語

綜合分析認為，壓實度98%是影響粘性土料工程特性的一個臨界點，建議長河壩水電站大壩接觸粘土現場壓實度宜控制在98%及以上[1]、從增加土的塑性和粘性、減小滲透及水庫蓄水后大壩沉降，提高粘土抗滲透變形能力角度考慮，設計含水率控制在 ω0p+2%～ω0p+4%之間是合理的，但從施工角度還需下一步的現場碾壓試驗驗證[8]。

[1]中華人民共和國水利部.SL274-2001.碾壓式土石壩設計規范[S].北京:中國水利水電出版社，2002:15-41.

[2]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T5129-2001.碾壓式土石壩施工規范[S].北京:中國電力出版社，2001:32-88.

[3]中國水電顧問集團成都勘測設計研究院.四川大渡河長河壩水電站大壩礫石土心墻和高塑性粘土料碾壓試驗技術要求[R].成都:中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，2011:8.

[4]中華人民共和國水利部.SL237-1999.土工試驗規程[S].北京:中國水利水電出版社，1999:43-65.

[5]中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5355-2006.水電水利工程土工試驗規程[S].北京:中國電力出版社，2006:31-38.

[6]保華富，金 波，張 春.暮地河水庫大壩心墻壓實質量檢測和成果分析[J].云南水力發電，2004，20(4):72-77.

[7]保華富，黃 英.戶宋河電站主壩土料填筑質量控制與檢測成果分析[J].云南水力發電，1998，14(2):27-32.

[8]楊蔭華.土石料壓實和質量控制[M].北京:中國水利電力出版社，1992:165-200.