新疆頭屯河樓莊子水庫粘土心墻質(zhì)量控制要點(diǎn)淺析

張永偉

【摘要】新疆頭屯河樓莊子水庫地質(zhì)條件相對(duì)較好，當(dāng)?shù)赜休^為豐富的粘土，通過對(duì)區(qū)域、壩址和工程地質(zhì)條件、水文條件，經(jīng)濟(jì)、技術(shù)綜合比較，選擇粘土心墻作為防滲體。大壩壩高78.75m，采用粘土防滲，其質(zhì)量控制環(huán)節(jié)較多，故從料場勘察比選、土料制備、碾壓試驗(yàn)、碾壓施工、試驗(yàn)檢測等環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行研究總結(jié)，為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】粘土心墻;質(zhì)量控制;要點(diǎn)? ? ?【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.001

一、引言

樓莊子水庫是頭屯河上游山區(qū)控制性骨干工程，位于頭屯河硫磺溝鎮(zhèn)以南 25km 處，壩址集水面積為 840km，多年平均徑流量 2×108m。 工程主要任務(wù)是灌溉、防洪和城市生活及工業(yè)供水，是一座綜合利用的水庫樞紐工程。

樓莊子水庫為Ⅲ等中型工程，水庫總庫容7466萬m，大壩設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為 100 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為 2000 年一遇，最大壩高78.75m，由擋水建筑物粘土心墻大壩、泄水建筑物溢洪洞、導(dǎo)流排砂隧洞、引水建筑物引水隧洞等組成。其中大壩為2級(jí)建筑物，泄洪沖沙兼導(dǎo)流洞、溢洪洞、引水洞為3級(jí)建筑物。工程設(shè)防烈度Ⅷ度。

粘土心墻壩壩頂長 570.31m，壩頂高程 1400.3m，最大壩高 82.6m，壩頂寬度 10m，上游壩坡1：2.5，下游壩坡1：2.0。心墻頂高程1398.2m，寬5m，心墻邊坡1： 0.25，上、下游設(shè) 3m 寬的反濾層，反濾層之外為砂礫石壩體。心墻底板澆筑厚 50cm 的 C20 混凝土蓋板，蓋板下為帷幕灌漿及固結(jié)灌漿。左岸階地段深厚砂礫石覆蓋層心墻基礎(chǔ)的垂直防滲采用混凝土防滲墻。

二、粘土心墻質(zhì)量控制

1、料場勘察

現(xiàn)場有T1、T2、T3等三個(gè)粘土料場 ，距壩址分別在2km、0.5km、 4.5km范圍內(nèi)。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL251-2000 ）要求進(jìn)行勘探取樣。T1、T2、T3等三個(gè)粘土料場分別布置剖面10、6、5條，探坑20、9、10個(gè)，勘探點(diǎn)間距分別為不大于100m、200m、50m左右。采用刻槽法共取樣10、3、14組。所有探坑中最大勘探深度為12m ，無用層均小于0.8m，有用層平均厚度為9m。料場總儲(chǔ)量512萬m，埋深適度，無地下水滲出，便于機(jī)械開采，儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于填筑粘土心墻所需工程量69萬m，。其中T2儲(chǔ)量260萬m，施工過程心墻粘土材料全部來源T2。C2 料場儲(chǔ)量豐富，且地形開闊、便于機(jī)械開采。

分別按針孔試驗(yàn)、孔隙水陽離子試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙密度計(jì)試驗(yàn)四種方法進(jìn)行土料分散性試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)土料為非膨脹性土，無膨脹潛勢(shì)，對(duì)土的分散沒有促進(jìn)作用，不具有分散性。該三個(gè)料場土層結(jié)構(gòu)稍密，顆粒分布均勻，上部干燥，下部潮濕，為低液限粘土（CL），除天然含水量較低，其它試驗(yàn)指標(biāo)均滿足防滲土料規(guī)范要求。

T2 料場砂礫石有用層厚度穩(wěn)定，勘探面積 28.0×104m，儲(chǔ)量采用平均厚度法計(jì)算， 無用層厚度 0.5～1.5m，方量 25.5×104m;有用層厚 20～24m，儲(chǔ)量 560.8×104m。由于料場位于一鄉(xiāng)村道路旁，遠(yuǎn)離道路 20 米并 1：1 放坡開采，受此影響可開采量約500×104m。卵礫石磨圓度較好，最大可見粒徑 350mm。據(jù)顆分試驗(yàn)，該料場平均有效粒徑 0.229，不均勻系數(shù) 149.3，曲率系數(shù) 1.6，級(jí)配不良，砂礫石有用層作為壩殼料使用。

2、粘土檢測

粘土心墻土料采用T2土料場的土料，制備土料前對(duì)料場進(jìn)行復(fù)查，詳見土料場上、下包絡(luò)線及平均線顆粒級(jí)配（表二）、土料粒徑級(jí)配特征參數(shù)（表三）。故制備心墻粘土土料，主要是改變含水率。

T2土料場的土料上下包線顆粒級(jí)配圖見圖二。

T2防滲土料（粘土）級(jí)配曲線圖

3、粘土制備

在填筑開工之前3個(gè)月，按50～100m方格網(wǎng)分層取土進(jìn)行顆分和擊實(shí)試驗(yàn)，以確定分區(qū)使用的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)測定土料的含水率，以確定含水量調(diào)整方法。并通過擊實(shí)（重型擊實(shí)儀）試驗(yàn)確定最大干密度及最優(yōu)含水率，按設(shè)計(jì)壓實(shí)度確定施工質(zhì)量控制指標(biāo)。

如遇自然含水量偏低過多，一般在料場開溝或打畦泡水不少于3個(gè)月，如土料過濕，則應(yīng)分層翻曬。本案采用堆土牛方式制備粘土，預(yù)先制備土料，將同一料場顆粒組成有差別的土料和不同含水量的土料，分別由挖土機(jī)械開挖，運(yùn)至填筑體附近，利用有利地形堆置土牛，

首先清除地表表面腐植土，清除樹木草根雜物，將場地平整后，平鋪1m厚粘土，就地按照5mx5m分溝畦，打0.5m高埂子，根據(jù)缺水量補(bǔ)水浸泡，雨季應(yīng)注意防水排水。之后再平鋪一層，循環(huán)第一層補(bǔ)水工序。如此往復(fù)，為保持堆土穩(wěn)定，便于開挖，每個(gè)土牛堆6-8層高，可覆蓋塑料布，悶泡水90天以上，直至含水均勻，且含水率略高于最優(yōu)含水率1%～3%。含水量滿足施工要求即可開采上壩。制備土牛過程需要注意盡量均勻補(bǔ)水浸泡，也可以薄層灑水悶泡，開采前多點(diǎn)檢測含水率。檢查合格，再挖運(yùn)填筑。

4、鋪土填筑

深厚覆蓋層段防滲墻伸入心墻部位的混凝土防滲墻周圍設(shè)高塑性土區(qū)，該區(qū)采用全料填筑，高塑性土料中粘粒含量為22%～28%。T2料場粘土料的最優(yōu)含水量為14.52%，填筑含水率高于最優(yōu)含水率1%～3%，土料壓實(shí)度P≥0.99。其他部位心墻土料的壓實(shí)度指標(biāo)采用P≥0.99，填筑土料含水率比最優(yōu)含水率增加-2%～3%;其中心墻與基礎(chǔ)混凝土蓋板接觸面處，填筑含水率要高于最優(yōu)含水率1%～3%。

根據(jù)碾壓實(shí)驗(yàn)確定的碾壓參數(shù)成果，心墻施工采用20t自卸汽車運(yùn)輸粘土、進(jìn)占法卸料，沿壩軸線方向及時(shí)鋪筑，避免車輛在已壓實(shí)土料上行駛;使用220HP推土機(jī)推開平整，插入鋼釬來控制鋪虛土厚度合平整度，虛土厚度35cm（設(shè)備儀器和混凝土防滲墻周邊鋪土厚度20cm），兩臺(tái)22t自行式凸塊振動(dòng)碾碾壓，半磙錯(cuò)距碾壓6遍，車速小于每小時(shí)3km，中油門、中頻率。

土料填筑按照先砂后土的填筑方法，土料、反濾料、壩殼料相銜接，厚度匹配進(jìn)行填筑施工，即兩層粘土一層反濾料，反濾料和壩殼砂礫料結(jié)合部位是四層反濾料和三層壩殼砂礫料可以同層碾壓。

鋪土前首先填筑心墻上下游反濾料，自然卸料堆方，坡比一般為1：0.8～1：1，粘土和砂邊界固定一臺(tái)反鏟并配合人工，先規(guī)整反濾料邊坡后填粘土，推鋪并碾壓一層粘土合格后，測量施放壩體粘土和反濾料分界線，用白灰標(biāo)示，人工進(jìn)行第一次補(bǔ)砂，兩層土補(bǔ)兩次砂。土料填筑兩層和反濾料齊平，待土料、反濾料碾壓合格后，再用振動(dòng)平碾進(jìn)行騎縫碾壓，遍數(shù)較正常遍數(shù)要多3～5遍，保證土砂結(jié)合緊密。

粘土進(jìn)行下一層鋪土前需進(jìn)行灑水、拉毛工序處理，灑水量根據(jù)蒸發(fā)量進(jìn)行補(bǔ)給，拉毛深度控制在3-5cm，以保證上下層間有效結(jié)合。攤鋪虛土厚度通常為不超過35cm。鋪土后需清理樹根、草根等雜物，鋪土層表面使用攤鋪機(jī)進(jìn)行平整，人工配合整理邊角，保持厚度均勻。

混凝土防滲墻兩側(cè)和上部區(qū)使用高塑性粘土，鋪土厚度為20cm，施工時(shí)在該區(qū)水平3m范圍內(nèi)，由內(nèi)而外，兩側(cè)各用一臺(tái)小型振動(dòng)碾，同向同距同速同步對(duì)稱碾壓，混凝土2m范圍內(nèi)不開強(qiáng)振。與混凝土接觸部位1m范圍內(nèi)，采用小型挖掘機(jī)或鏟車配和人工，薄層鋪填20cm后壓實(shí)。

5、粘土心墻填筑施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

應(yīng)選擇滲透性小，具有一定的塑性，滲透穩(wěn)定性好、物理、力學(xué)性能和粘粒含量等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的粘土。

嚴(yán)禁在鋪筑面干燥狀況下鋪填新土;已壓實(shí)表面形成光面時(shí)，鋪土前應(yīng)刨毛并灑水濕潤。對(duì)層間光面、剪力破壞、“彈簧土”壓或欠壓土層等需采取不同方法進(jìn)行處理。重點(diǎn)控制粘土與壩基、岸坡、剛性建筑物等的結(jié)合;縱橫向接縫的處理與結(jié)合;土砂結(jié)合部位施工質(zhì)量。

對(duì)汽車經(jīng)常進(jìn)入心墻部位填筑面上的道路處，有剪力破壞的必須返工處理。雨天施工時(shí)，應(yīng)檢查施工措施落實(shí)情況，雨前應(yīng)檢查壩面松土表層是否已適當(dāng)壓實(shí)和平整;應(yīng)檢查雨前表面松土是否已平整和壓實(shí)、壓光，清除填筑面上散落的松土、雜物，雨后復(fù)工前應(yīng)檢查填筑面上土料是否合格。

粘土心墻在嚴(yán)寒冬季不進(jìn)行施工，如施工應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范采取質(zhì)量保證措施。對(duì)特殊部位鋪料和碾壓質(zhì)量加強(qiáng)現(xiàn)場控制，不得超厚、漏壓或欠壓。特別是與壩基（包括齒墻）、岸坡、混凝土等結(jié)合部位的填筑。分段碾壓時(shí)，相鄰兩段碾跡應(yīng)搭接，垂直碾壓方向搭接寬度0.3～0.5m，平行碾壓方向搭接寬度1.0～1.5m。不同填筑層道路錯(cuò)開布置，不應(yīng)留縱向接縫，橫向接縫不宜陡于1：3，需采用更陡接坡時(shí)，應(yīng)論證后實(shí)施。

因故短時(shí)間停工時(shí)，表面土層應(yīng)灑水濕潤或晾曬，控制含水率。需長時(shí)間停工，應(yīng)鋪設(shè)保護(hù)層，在復(fù)工時(shí)將其清除干凈。

與防滲體接觸的巖石面或混凝土面接觸部位，清理干凈后，應(yīng)灑水濕潤，涂刷過渡結(jié)合漿。并邊涂刷濃泥漿、邊鋪土、邊夯實(shí)，泥漿涂刷高度與鋪土厚度一致，且與下部涂層銜接。不得在泥漿干涸后鋪土和壓實(shí)。泥漿濃度通過試驗(yàn)確定。

采用環(huán)刀法檢測壓實(shí)度時(shí)，應(yīng)取壓實(shí)層的下部。壓實(shí)控制指標(biāo)采用干密度、含水率或壓實(shí)度。壓實(shí)質(zhì)量以壓實(shí)參數(shù)和指標(biāo)檢測相結(jié)合進(jìn)行控制，壓實(shí)過程參數(shù)應(yīng)有檢測記錄，并按要求檢測粘土大樣，對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核。

6、粘土施工質(zhì)量檢測

粘土心墻共填筑69萬m，每一區(qū)每層不超過100-200m取樣一組，檢測指標(biāo)為壓實(shí)度100%大于0.99。含水率均控制在最優(yōu)含水率附近。粘土壓實(shí)后壓縮量7cm左右，在合理范圍內(nèi)。

粘土心墻每壓實(shí)升高2-3米，取粘土大樣一組，進(jìn)行室內(nèi)檢測，剪切、壓縮、滲透試驗(yàn)，驗(yàn)證土料和壓實(shí)質(zhì)量，各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

7、安全監(jiān)測分析

大壩監(jiān)測重點(diǎn)為變形檢測、滲流檢測和應(yīng)力監(jiān)測。主要是在壩體表面設(shè)置水平位移和垂直位移監(jiān)測設(shè)施;在粘土心墻設(shè)置垂直位移和水平位移設(shè)施;在兩岸設(shè)置繞壩滲流、壩體和壩基滲流監(jiān)測設(shè)施。在最大壩高斷面壩0+415.000m和右岸河床斷面壩0+503.000m的心墻軸線處，布置分層沉降儀和測斜儀，監(jiān)測心墻內(nèi)部垂直位移及水平位移。監(jiān)測粘土心墻的土壓力，右岸岸坡段粘土心墻與基礎(chǔ)蓋板面之間的接觸土壓力及界面變形;監(jiān)測心墻基礎(chǔ)混凝土防滲墻應(yīng)力、應(yīng)變。對(duì)粘土心墻土應(yīng)力和變形與初始值進(jìn)行比較，施工期內(nèi)監(jiān)測結(jié)果沒有異常變化，說明心墻粘土填筑質(zhì)量較好。

三、結(jié)語

與混凝土面板堆石壩和瀝青心墻壩型相比較，粘土心墻壩的抗震性能較好，基礎(chǔ)處理簡單，可減少大量削坡工程量。當(dāng)?shù)卣惩?、壩殼堆石料及混凝土骨料?chǔ)量豐富、質(zhì)量滿足技術(shù)要求，結(jié)合安全、經(jīng)濟(jì)和施工難度進(jìn)行綜合比較， 樓莊子水庫粘土心墻壩優(yōu)于混凝土面板堆石壩和瀝青心墻壩。

粘土作為心墻防滲材料，從料場勘察復(fù)查、粘土制備和現(xiàn)場施工，均需及時(shí)足頻次開展粘土的物理、化學(xué)檢測工作，避免使用質(zhì)量不合格粘土上壩。避免冬季施工，如粘土心墻接合面出現(xiàn)冰層、或有降雪，應(yīng)該進(jìn)行清除，或采取保護(hù)措施后停工。尤其注意避免上凍的粘土筑壩，如出現(xiàn)凍土上壩填筑心墻，則無論如何必須堅(jiān)決清除。冬季停工后應(yīng)該對(duì)心墻采取覆蓋物保溫，復(fù)工時(shí)需清理表層覆土，檢測合格后方可施工。

心墻填筑粘土要與反濾料和相應(yīng)壩殼料同步上升，保證不同材料結(jié)合緊密無空隙，各結(jié)構(gòu)的填筑材料壓實(shí)足夠，避免不同筑壩材料混慘，避免不均勻沉降導(dǎo)致粘土心墻出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，從而產(chǎn)生土拱效應(yīng)。

嚴(yán)格控制反濾料原材料和施工質(zhì)量，在滲水壓力環(huán)境中，發(fā)揮反濾料排水順暢、防止粘土流失和保護(hù)粘土心墻結(jié)構(gòu)的作用。

施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按批準(zhǔn)的碾壓參數(shù)施工，注意層間結(jié)合工序處理，不漏壓、不過壓，對(duì)發(fā)生剪切破壞和彈簧土現(xiàn)象的粘土體要清除，并分析產(chǎn)生原因，及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。

由于粘土心墻作為大壩防滲體，其質(zhì)量優(yōu)劣關(guān)系工程安全甚至成敗，所以參建各方需要緊密配合，建立健全工程質(zhì)量管理體系，履行好設(shè)計(jì)服務(wù)、監(jiān)理控制、施工單位保證的質(zhì)量職責(zé)。嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行施工，牢牢把我每一個(gè)工序和環(huán)節(jié)質(zhì)量關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL274-2001.水利部發(fā)布.中國水利水電出版社發(fā)行.2002年3月1日實(shí)施.主要起草人甘憲章、孫勝利、錢忠柔等.

[2]《碾壓式土石壩施工規(guī)范》DLT5129-2013 .國家能源局發(fā)布.中國電力出版社發(fā)行.2014年4月1日實(shí)施.主要起草人吳高見、田忠濤、何小雄等.

[3]《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》SL303-2004.水利部發(fā)布.中國水利水電出版社發(fā)行.2004年12月1日實(shí)施.主要起草人任金明、肖煥雄、胡志根等.

[4]《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》SL551-2012.水利部發(fā)布.中國水利水電出版社發(fā)行.2012年6月28日實(shí)施.主要起草人吳銘江、王士軍、熊國文等.

[5]《堤防工程施工規(guī)范》SL260-2014.水利部發(fā)布.中國水利水電出版社發(fā)行.2014年10月16日實(shí)施.主要起草人劉玉年、李良義、張力爭等.