采用砾质粘土填筑堆石坝心墙初探

张 群

（湖南五凌电力公司 长沙市 410000）

1 概 述

托口水电站主坝为混合坝型，左岸为混凝土重力坝，最大坝高82.00 m。右岸为粘土心墙堆石坝（含混凝土制墙），最大坝高63.00 m，需堆石料约52万m3，防渗土料约 8万 m3。

在可行性研究阶段，规划的粘土主料源有两个：小羊山土料场和王麻溪左岸土料场（副坝开挖区）。小羊山土料属中压缩性土，粘粒含量、塑性指数适中，天然含水率略高于最优含水量，较易压实固结，击实土的渗透系数为2.15×10-6m/s，主要质量指标可满足堆石坝防渗用料要求；储量可满足用料要求；剥采比18.2%，易于开采，距主坝坝址公路距离12.5 km，推荐为主坝粘土心墙堆石坝防渗心墙的土料料源。王麻溪左岸土料场为副坝的开挖区，该区土料中混杂有白垩系砾岩层的风化砂砾，对其均一性、透水性有影响，其他物理力学指标与小羊山土料相近，满足堆石坝防渗用料要求；储量满足工程用料要求，属副坝开挖料；开挖点距主坝坝址公路距离8.5 km，推荐为围堰防渗用料。

2 课题的提出

近几年来建设土石坝的突出进步之一，就是筑坝材料的应用范围越来越广。对于高堆石坝而言，其防渗体材料要求的侧重点与低坝不同，防渗体裂缝及随后的渗流冲刷，是影响安全的重要因素。因此：心墙防渗土料通常选择具低压缩变形的土料，以减少其发生裂缝的可能性，含砂砾的宽级配土料由于压实性好，压缩性低，裂缝自愈能力强等优点而在国内外堆石坝中得到普遍地使用。因此，托口水电站主坝粘土心墙堆石坝最大坝高63.00 m，使用含风化砂砾的王麻溪左岸土料作为主坝防渗体填筑材料，具有可行性；王麻溪左岸土料位于副坝开挖区，属开挖弃料，且离主坝的公路距离与小羊山土料场离主坝的公路距离短4 km，若利用其作为主坝防渗体，具有经济性；小羊山土料场在托口集镇边，土料的开采运输对托口集镇居民有影响，土料的实际施工将反受居民制约，而王麻溪左岸土料位于工程专用公路边，属坡地，无居民，开采、运输、施工便利。因此，开展进一步的实验研究，采用含砾质的粘土填筑主坝粘土心墙堆石坝具有十分重要的现实意义。

3 研究试验路径

研究分两大类：含风化碎（砾）石的土料和掺和粉质粘土的风化碎（砾）石土料。通过室内土试验，研究确定土料的物理力学与质量指标；通过现场填筑碾压试验判断土料是否能够符合和满足相关规程、规范对心墙料的填筑质量要求；通过对现场碾压土体原状样进行室内力学性质试验，确定土料碾压后的力学特性。通过对王麻溪左岸土料进行较系统全面的室内和现场试验研究，为心墙堆石坝提供相关参数，以期直接利用含风化碎（砾）石的开挖土料上坝，或掺加适量粉质粘土后上坝，实现多种土料在心墙堆石坝施工中的应用进行有效的探索。

4 土工试验

现场取王麻溪左岸土料进行了3组土工试验分析。碎（砾）石土土料的基本特性见表1。

表1 王麻溪左岸土料场碎（砾）石土试验成果表

根据相关规程、规范初步判断，碎（砾）石土土料P5（>5 mm）含量、粘粒含量、渗透系数等指标符合要求，击实最干密度大于天然干密度，塑性指数、天然含水率等指标偏高。

同时，对碾压场土料现场取样，进行颗粒分析，击实等室内土工实验，试验成果见表2。

表2 碾压场土粒颗粒级配、击实试验成果表

试验成果表明，填筑碾压的碎（砾）石土料较原室内土工试验粗颗粒含量降低，粘粒含量明显提高，表明碾压工序对土料中的风化碎（砾）石有一定的破碎作用，并改善了颗粒级配。碾压用土料的击实指标平均值为：碎（砾）石土料最大干密度1.85 g/cm3，最优含水率15.3%；混合土料最大干密度1.79 g/cm3，最优含水率15.0%。

5 现场填筑碾压实验

模拟实际填筑碾压施工工法，选择适合的压实机械，拟定压实参数，对碎（砾）石土进行了10个小场填筑碾压试验。其主要压实特性基本特征值及填筑碾压的力学特性指标见表 3，表 4。

根据试验成果综合分析，碎（砾）石土在自然含水率较多的状态下，经搌动碾碾压6～8遍后，平均干密度大于其天然状态，属于中压缩性土，具有较高的临界渗透坡降和破坏渗透坡降以及低渗透性能。按室内击实试验成果可推断，若在连续晴天或高温、干燥季节，碎（砾）

石土的天然含水率降低时，其碾压干密度值将会有较大幅度提高，甚至接近室内击实试验最大干密度值。由此可判断王麻溪左岸土料场碎（砾）石土能作为心墙防渗料使用。

同时，将碎（砾）石土与粉质粘土按1∶1混合，对混合土进行了4个小场填筑碾压试验。其主要压实特性基本特征值及填筑碾压后的力学特性指标见表5，表6。

由此成果分析，碎（砾）石土与粉质粘土均可单独作为心墙防渗料使用，在心墙堆石坝施工过程中不必要人为掺混两种土料。

表3 碎（砾）石土主要压实特性基本特征值表

表4 碎（砾）石土碾压后主要力学特性指标表

表5 混合土主要压实特性基本特征值表

表6 混合土碾压后主要力学特性指标表

6 结 论

（1）根据王麻溪左岸土料场心墙土料现场碾压试验与室内土工试验成果综合判断，土料质量满足有关规程、规范要求，土料填筑碾压质量较好，密实度均大于土料天然状态，现场渗透系数近似值为i×10-6m/s，碾压后原状样的渗透系数为（i×10-6～i×10-8）cm/s，具有较高的临界渗流坡降和破坏渗流坡降，为中-低压缩性土，判断碎（砾）石土料、掺加粉质粘土土料都能作为心墙防渗料使用。

（2）王麻溪左岸土料场心墙土料液限水塑性指数较规范要求偏高，对含水率变化较敏感。本次心墙料现场填筑碾压试验的经验表明，在土料含水率相对适宜（被碾压土料与碾轮不出现沾粘）时，高液限和高塑性指数土料对开采、运输、填筑以及碾压等施工工作不会产生明显的不利影响。

（3）为保证大坝心墙施工质量，施工组织设计时应考虑避开雨雪季节施工，或至少避免在连续雨雪天气施工，同时采取有效的施工措施，将土料含水率调整到接近最有含水率状态，以避免或减小心墙料因含水率偏高对大坝心墙施工质量带来影响。