改性掺和料在黏土心墙土石坝中的应用与分析

丁丽元　赵听来

（湖南省光辉监理有限公司　岳阳市　414000）



改性掺和料在黏土心墙土石坝中的应用与分析

丁丽元赵听来

（湖南省光辉监理有限公司岳阳市414000）

【摘要】黏土和砂砾石进行掺和作为心墙防渗料运用在土石坝中。文章论述了改性掺和料在黏土心墙土石坝中的掺和工艺、压实特性及质量控制的实践应用与分析。可供类似工程参考借鉴。

【关键词】改性掺和料黏土心墙土石坝掺和工艺压实特性质量控制应用与分析

1　工程概述

狮泉河水电站位于西藏自治区西部阿里地区行署所在地狮泉河镇上游约7km的狮泉河上，距拉萨市公路距离约1752km，距新疆叶城公路距离约1 100km。海拔高程4300m，高寒地远，对外交通不便。

电站坝址控制流域面积14 870km2，多年平均流量9.28m3/s，水库蓄水位4 315m时，总库容1.36 亿m3。电站挡水建筑物采用黏土和砂砾石的掺和料作为心墙土石坝，2005年6月坝体填筑开始至2005年11月完成。2006年2月通过蓄水安全鉴定，至今大坝运行安全稳定。

2　黏土心墙土石坝结构

黏土心墙土石坝最大坝高31m，坝顶高程4 318m，坝顶长407.45m，宽6.00m，上、下游坝坡分别为1∶2.2和1∶2.0的砂卵石坝壳料。掺和料心墙顶高程4 317.50m，顶宽3m，上、下游坡均为1∶0.25，在黏土心墙上下游两侧设反滤层，坝下游基础面设反滤排水层，坝下游坡脚采用贴坡式堆石排水，上、下游坝坡均采用干砌石护坡。坝基采用混凝土防渗墙防渗，混凝土防渗墙厚0.8m，最大墙深约73.2m（槽孔部分），右坝肩基岩及左坝肩覆盖层均采用帷幕灌浆防渗。

3　掺和料基础数据统计分析成果

西藏狮泉河水电站主要建筑物防渗心墙土石坝填筑料采用改性掺和土料，改性掺和土料的基本土料为塔那波料场黏土料，用阿里砂卵石料场的小于40mm粒径砂砾石料和它进行掺和。

（1）作为掺和料的塔那波料场黏土料基础资料。

先后对塔那波料场黏土料进行了20组物性试验，并以六偏磷酸钠作为分散剂的双比重计法对其是否属分散性土进行了论证，结论为分散性土。

20组物性试验成果统计，其天然含水率平均3.0%，液限平均34.6%，塑限平均20.5%，塑性指数平均14.1；颗粒组成中，小于0.075mm粒径颗粒含量92.04%，小于0.005mm粒径颗粒含量54.56%。按国家标准分类定名为低液限黏土（CL）。

（2）作为掺和料的阿里小于40mm粒径砂砾石料基础资料。

对阿里砂卵石料场开展的29组物理性试验成果和10组大型颗粒分析试验成果，共39个成果样本进行统计表明，其颗粒组成中，无大于200mm粒径的漂石，（200～60）mm粒径的卵石含量平均为9.30%，（60～2）mm粒径的砾石含量平均为60.05%，（2～0.075）mm粒径砂含量平均为29.89%，小于0.075mm粒径颗粒含量平均为0.76%。不均匀系数48.57，曲率系数0.61，按国家标准分类定名为级配不良砾（GP）。

阿里砂砾石料场的砂砾石料剔除大于40mm粒径以上颗粒后的成品料，一料两用，既作为反滤料使用，又作为心墙防渗掺和料的掺入料使用。

4　掺和料方案确定及现场掺和工艺试验论证

4.1掺和料方案确定

根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274-2001. P9.“4.1.10”中对砾石土粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50%和小于0.075mm以下颗粒含量不应少于15%原则，通过对塔那波料场黏土和阿里砂卵石料场剔除大于40mm粒径颗粒的砂砾石进行掺合作为心墙防渗料的压实特性及其渗透变形、在反滤料保护下的抗渗和防冲刷性能、力学强度特性的室内试验，以及阿里天然砂卵石料剔除大于40mm粒径颗粒直接作为反滤料和人工配制反滤料的比较。拟定掺和料方案：按干重量比“塔那波黏土料∶阿里小于40mm粒径砂砾石料=50%∶50%”进行现场掺和。

4.2现场掺和工艺试验论证

如何在施工现场确定一套既能满足上述“掺和料方案”相关技术指标，又能满足施工强度的“掺和工艺”，同时，解决掺和均匀和加水至最优含水率的难题。使得改性掺和料作为黏土心墙防渗材料这一工程措施能在实践中得到有效检验与运用，现场通过两种“掺和工艺”进行对比试验，加以论证。

4.2.1现场掺和料掺和工艺

（1）第一种“掺和工艺”：将阿里小于40mm粒径砂砾石料和塔那波黏土料根据干容重换算成铺料厚度，分层铺料，一层砂砾石，一层黏土料，采取在铺料过程中向砂砾料加水和不加水两种组合，然后用装载机翻腾拌和，并在拌和过程中人工辅机具加水。

（2）第二种“掺和工艺”：第一步，在黏土料场用反铲挖沟，沟间距3m，沟深（2～3）m，然后向沟里灌满水，进行自然渗透1～2天后，用反铲进行充分拌和，使黏土含水均匀，并达到或超过最优含水率。同时，对天然砂砾料进行灌水，使之达到饱和状态。第二步，测定充分拌和的黏土及天然砂砾料的含水率、干容重。第三步，根据两种料的干容重换算铺料厚度，分层铺料，一层砂砾石（进占法），一层黏土料（退却法），用装载机按不同的遍数拌和后，分别取样进行颗分、含水量试验，判断是否拌和均匀、含水量达到要求。

4.2.2现场取样试验结论

（1）第一种“掺和工艺”：黏土天然含水量低，拌和过程中扬尘较大，造成环境污染，且对施工人员身体伤害较大。同时，掺和过程中加水困难，黏土遇水易结块，掺和不均匀，不能满足设计相关技术指标要求。

（2）第二种“掺和工艺”：通过多次现场对黏土加水取样试验，在掺合前，黏土含水量可达10%～16%，加水后的黏土干容重为1.34 g/cm3，天然砂砾料干容重为1.946 g/cm3，砂砾料含砂率（≤5mm）为42%，据此理论计算黏土料和砂砾料掺和体积比为：1.5∶1。通过黏土不同含水量掺合试验，黏土含水量≤14%时掺合效果最佳，黏土含水量＞14%时掺合过程中黏土容易结块。掺合4遍后，通过室内颗分试验，黏土料和砂砾料掺合均匀。掺合前用于掺合的砂砾料砂率（≤5mm）为42%，掺合后掺和料≤5mm粒径颗粒含量平均为72.3%，据此测算黏土和砂砾料的质量比为60∶56，与理论计算十分吻合，掺合均匀。掺合后掺和料≤0.075mm粒径颗粒含量平均为41.1%，据此反测算黏土和砂砾料的质量比与理论计算吻合，掺合均匀。

掺合前黏土含水量控制在9%～14%之间，掺合遍数为4遍，根据砂砾料砂率变化幅度和保证黏土含量，掺合后≤5mm粒径颗粒含量66%～78%、≤0.075mm粒径颗粒含量39%～44%作为成品料控制指标。掺合后掺和料含水率控制在9%～14%之间。

5　掺和料碾压试验及碾压质量控制

5.1掺和料碾压试验

5.1.1试验场地和铺料

铺料采用符合填筑技术指标要求的掺和料进行现场碾压试验。在右岸下游侧0.6km处掺和料备料场用装载机运输至试验场地，在专人的指挥下按进占法进行卸料，卸料达到一定面积后，用推土机平料，平料时，用标杆控制其松铺厚度。此次试验松铺厚度共2种，分别为30 cm、40 cm，铺填示意如图1。

5.1.2试验现场碾压和取样

将铺好的心墙掺和料统一用由德国宝马公司生产的BW216D-2型振动碾沿行车方向（模拟坝轴线方向）静压2遍，开启振动碾压4遍，然后按图示位置用灌砂法（灌水法）测出其湿密度。同时取代表性试样大于5 000 g（全级料），带回试验室以做含水量试验。然后再振动碾压6遍，8遍，重复上述试验方法，测得各碾压遍数下的湿密度及含水量，通过上述试验获得参数计算各碾压遍数下干密度。

图1　铺填示意图

在整个碾压试验过程中，振动碾的行进速度控制在2km/h。为防止漏碾或搭接处碾压不密实，碾压时的搭接碾压宽度控制在（20～30）cm。

5.2心墙掺和料碾压质量控制

5.2.1试验现场碾压取样及室内击实试验

从现场取回的试样中抽取试样（35～45）kg，根据现场掺和料实测的含水率，按依次相差约2%的含水率，调制不少于5个试样的含水率，其中2个大于最优含水率，2个小于最优含水率，并使其充分湿润且静置24 h后进行室内击实，通过击实试验最后得到最大干密度2.027 g/cm3和最优含水率10.4%。

5.2.2含水率、干密度实验

从现场取回的试样中抽取试样（1 000～2 000）g分装在2个事先称量过的盘中，称出质量，放入电热鼓风干燥箱中进行烘烤（6～8）h，冷却后称量，分别得出湿土和干土质量，再根据现场算出的湿密度，计算出含水率和干密度。见表1和图2。

5.2.3掺和料质量控制

根据生产性试验成果，掺和料按质量比1∶1进行掺和，不得有团状物，成品料必须堆放2天以上，及时对上坝料进行颗分和含水率检测，不合格料不得上坝。由于掺和料中大于5mm粒径颗粒含量随机变化以及本工程所使用的掺和料为黏土料掺砂砾石料，两种材料的亲水性相差太大，同时，两种材料的亲和性较差；因此，本工程掺和料的碾压控制及碾压后的检测除与其它工程掺和料有相同之处外，还有其不同之处：

表1　心墙掺和料碾压试验成果

图2　不同铺料厚度时的干密度与碾压遍数关系图

（1）掺和料压实度检测：掺和料碾压压实度检测宜采用“固定全料压实度（压实度=100%），浮动全料干密度（全料干密度随粗粒含量不同而不同）”。

（2）掺和料含水率：掺和料碾压前加减含水率宜采用小于5mm粒径的含水率作为控制标准。碾压后含水率检测，可用全料含水率作为标准，也可用小于5mm粒径的含水率作为标准。

5.2.4掺和料质量控制检测成果

黏土心墙掺和料设计最大干密度与＜5mm的颗粒含量成线性关系，Y=2.064-0.002887（X-68）（其中：X为＜5mm的颗粒百分含量%，Y为最大干密度g/cm3）。现场压实度共抽检459组，最大值1.06，最小值0.99，平均值1.00，抽检成果表明：压实度、干密度、含水量及颗料级配含量等各项指标均满足设计要求。见表2和表3。

表2　心墙掺和料抽检成果统计表

（下转第6O页）

作者简介：丁丽元（1971-），男，湖南华容人，大学本科，工程师，目前从事水利水电管理工作，手机：18973089856。