五彩湾冬季调蓄水库应用膨胀性泥岩的坝料设计

杨辉琴

（新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐830000）

五彩湾冬季调蓄水库应用膨胀性泥岩的坝料设计

杨辉琴

（新疆水利水电规划设计管理局，新疆乌鲁木齐830000）

新疆准东五彩湾地区分布巨厚的白垩系泥岩，具有遇水膨胀失水干缩等特性，对建筑物基础处理、管线回填及筑坝材料的选用都具有一定的制约性。准东供水工程180万m3调节池和5000万m3冬季调蓄水库，都采用了这种膨胀性泥岩作为筑坝材料，大大节省了工程投资、节约了工期。由于前期对坝料进行了详细勘察及设计，同时也采取必要的防护措施，工程目前运行情况良好，可为今后该区域类似工程的设计、施工提供参考。

调蓄水库；膨胀性泥岩；坝料设计

泥岩在全国范围内分布广泛，如南水北调中线段就穿越泥岩段335.8 km。由于人们对泥岩的性质缺乏足够认识，在许多水利工程建设中，没有得到充分有效的利用，甚至当成工程中有害岩体及不良填筑材料，造成工程投资的增加和浪费，而且对于泥岩这种特殊岩土的使用，目前还没有合适的规范依据，且缺乏相应的工程实例作为参考。准东供水工程受水区分布着大范围的白垩系泥岩地层，该区域2座事故备用水池和1座冬季调蓄水库（5000万m3）的坝体填筑土料均采用了具有膨胀性的泥岩，如此大规模的使用在国内尚属首次。从建设后坝体沉降和边坡变形分析均没有太大的变化，运行情况运行良好。本文重点介绍了工程区膨胀性泥岩物理力学性质和坝体土料的选择、设计及坝体防护措施，可对今后类似地区的工程建设具有借鉴意义。

1 工程概况

五彩湾冬季调蓄水库总库容5000万m3，属中型Ⅲ等工程，大坝采用均质土坝，四面围筑而成，坝体总长6570.796 m，最大坝高24 m，坝顶宽6 m，强风化泥岩填筑上游坝坡1∶2.5，库盘覆盖层开挖料盖重边坡1∶3.0，强风化泥岩填筑下游坝坡1∶1.75，下游弃料边坡1∶3.0，总填筑量为1297万m3。

库区广泛分布巨厚的白垩系泥岩，仅表层有较薄的洪积土层，最厚处3.5 m，最薄处0.8 m，为第四系全新统洪积粉土质砂、低液限粘土质砂，局部夹低液限粘土和砂透镜体；库区深度3.5 m以下为白垩系下统泥岩、砂岩，局部夹有砾岩透镜体，强风化层厚2.0 m~2.5 m，弱风化层厚度10 m~15 m。泥岩在整个库区均有分布；砂岩、砂砾岩主要分布在库区南侧，向东、南、西延伸穿过坝基，据库址附近3 km处钻孔资料显示，勘探钻孔600 m未穿透该区域泥岩层。

设计阶段结合土料选择，工程造价分析，摈弃了运距在100 km以外砂砾石筑坝方案及运距在70 km以外粘土心墙坝方案，最终推荐采用库内丰富的泥岩筑坝。

2 坝体土料设计

2.1 填筑土料场及质量分析

主要开采料场T1位于库区内，交通运输条件较好，土层岩性主要为低液限粉土质砂、含砾低液限粘土质砂、强风化泥岩、含砾强风化泥岩，局部为砂岩透镜体及胶结较坚硬的含砾泥岩。根据坝体分区设计，库区低液限粉土质砂可作为坝体上游盖重上坝，强风化泥岩和含砾强风化泥岩作为坝体填筑料全部上坝，含砾低液限粘土质砂则作为弃料置于坝后。各类土料特性表详见表1。

2.2 填筑土料设计

根据土料特性，强风化泥岩和含砾强风化泥岩的渗透系数k20分别为2.66×10-7cm/s和4.3×10-6cm/s，完全满足均质坝对防渗土料的要求，水溶盐和有机质含量均低于规范要求，塑限指数和液限也满足规范要求。唯一不符合规范要求的是泥岩土料具有遇水膨胀和失水干缩问题，根据地勘资料，强风化泥岩自由膨胀率δef＝49%，含砾强风化泥岩自由膨胀率δef＝53.2%，为弱膨胀潜势土料。结合五彩湾已建类似小（1）型工程经验，提出如下设计的要求：

表1 T1料场土料特性表

（1）土料含水量设计

膨胀土的胀缩特性除了受土体自身的粘土矿物成分及含量控制外，土体的基质吸力及湿度的变化也是重要因素，土体中含水量（ω）变化是膨胀土产生膨胀与收缩、强度变化等重要特性的基础，也是影响建筑物边坡稳定的重要因素之一。当膨胀土处于干燥状态时，具有高的膨胀潜势，反之则低。现行土石坝设计规范规定：含砾和不含砾粘土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标，施工填筑含水率应根据土料性质、填筑部位、气候条件和施工机具等情况，控制在最优含水率的-2%~+3%偏差范围内。

目前，国内关于膨胀土填筑土料含水量的控制有四种认识，一是设计填筑土料含水量与塑限相近，其差值在2%左右，并按适用击实功能求得相应的最大干密度，按土体部位的深浅，即荷载的大小，在93%~95%范围内取值；二是在比最优含水量高2%~4%的情况下压实到不小于95%的压实度，这时压实土具有比较高的初期强度和长期强度，并且浸水后的膨胀量、膨胀力以及强度衰减都比较小；三是在最优含水量下压实到最大干密度，此标准控制的压实土在膨胀前后都具有较高的强度，较低的膨胀和收缩，以及较低的压缩性和较高的抗剪强度；四是填筑标准应高含水量低密度，以这种标准控制的填土，其膨胀量小，强度衰减也少，但初期强度较低，收缩变形较大。

本工程强风化泥岩土料有两种，不含砾泥岩的最优含水量与塑限较为接近，其差值在2%左右；但含砾泥岩的最优含水量与塑限差值在8.4%以上。因此，设计最优含水量根据土料特性，偏湿条件下性能比较稳定，选取含砾和不含砾填筑土料的含水量最优含水率+2%来控制，其对应的最大干密度为1.66 g/cm3和1.65 g/cm3。

（2）压实度

本工程坝体建筑物等级为3级，根据规范规定，土料压实度应为96%~98%，考虑土体高含水低重度下膨胀量较低的特点，将土料的压实度控制在96%。

（3）边坡

根据南水北调工程经验，膨胀土边坡设计若不考虑软弱结构面，而采用均质土体的稳定计算是无法合理地确定渠道边坡。如南阳刁南灌区已建成渠道172 km，中膨胀土渠坡一般小于10 m，设计坡度均为1∶2，渠坡未做处理，现已发生滑坡61处，过流能力减小，对灌区运行造成严重影响，并危及工程安全。南水北调工程对坡比、土料种类及边坡稳定安全系数进行了理论分析，详见表2。

表2 不同膨胀性土料边坡稳定理论分析成果表

本工程填筑土料为弱膨胀土，同时还对坝体进行措施处理，因此，上游边坡取1∶1.5,下游边坡取1∶1.5，通过采用毕肖甫法对边坡进行稳定分析计算，在正常蓄水位稳定渗流期、施工期、水库水位快速下降三种工况下，安全系数分别为3.29、2.15、1.36，均满足规范允许值。

3 坝体防护设计

膨胀土的抗剪强度较一般的粘性土低，对于均质土坝来说，表层易产生干缩裂缝和浅层滑动，尽管目前未见采用膨胀土筑坝产生失稳的案例，但出于对运行安全要求，对强风化泥岩填筑坝体进行防护处理是必要的。

（1）用非膨胀土包盖膨胀土坝体。膨胀土均质坝的表层由于所受自重压力很小，遇水后膨胀量大，强度低，因而有产生滑动可能。在其上设一层非膨胀具有高强度的土体盖重，可抵消表层遇水产生的膨胀。盖重材料分为两部分，上游坝坡和坝顶采用库区开挖的低液限粉土质砂和含砾低液限粘土质砂，坝顶包盖垂直厚度为2 m，上游最外层边坡达到1∶3，泥岩填筑顶高程处的盖重水平厚度达到7.5 m左右，坝基的盖重范围达到了38 m；为减小弃渣场面积，下游盖重全部采用库区清废料及少量弱风化泥岩，弃渣顶宽度18 m与坝顶等高，成型边坡1∶3。

（2）采取排水措施。为防止坝体表面混凝土护坡板冻胀破坏并保护坝坡盖重护坡料不被水带出，在坝体混凝土护坡板后设置垫层，垫层料采用满足反滤关系的砂砾石料，并在混凝土面板上设排水孔，使层间积水能迅速排出。此外，在下游坡脚处设反滤排水料，降低浸润线高度。

4 结语

新疆准噶尔盆地受地质构造影响，分布广泛的白垩系地层，泥岩地层的穿越、材料的使用成为各项工程中避免不了的问题，五彩湾冬季调蓄水库采用当地材料强风化泥岩筑坝，对不良地质材料的使用做出了有益的尝试。今后还可对运行后的坝体进行物理力学实验分析，特别是对其胀缩性、渗透性、崩解性、压缩性及抗剪强度变化进行理论研究和对比总结，使泥岩的使用能更规范、更安全。

TV41

B

1673-9000（2017）03-0142-03

2017-03-10

杨辉琴（1969-），女，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计和项目前期评审工作。