红黏土在南方土石坝中的应用研究

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

南方红黏土是湿热气候条件下的风化产物，在我国南方分布较多。其渗透系数较低，但高黏粒含量、高塑性指数、高含水率、低干密度等特点使其在以往的土石坝防渗体中应用较为有限。本文以德厚水库黏土心墙堆石坝为例，对南方红黏土用于防渗心墙土料填筑进行分析，研究红黏土筑坝的特性及主要质量控制措施。

1 工程概况

德厚水库地处云南省东南部的文山市境内，坝址位于国际河流盘龙河一级支流德厚河中下游河段，距文山市31km，距昆明市317km，总库容1.13亿m3。水库是一座以生活、工业供水和农业供水为主要任务的大(2)型综合利用水利工程。

工程由大坝枢纽、防渗及输水工程等三部分组成。大坝枢纽包括黏土心墙堆石坝、开敞式溢洪道、右岸团结大沟输水隧洞、引水隧洞、导流泄洪隧洞，坝后电站及泵站集中布置于一个厂房内。防渗工程由坝址区及咪哩河库区两部分组成，线路总长4697m，采用帷幕灌浆防渗。

黏土心墙堆石坝最大坝高70.90m，由上游到下游分为上游堆石料区、上游反滤层、防渗心墙、下游反滤层、下游主堆石区(下游水平排水区)、下游利用料填筑区(下游干燥区)6个区(见图1)。

2 坝址基本地形、地质条件

坝址位于德厚河与右岸支流咪哩河交汇口下游约600m处的德厚河上，河道呈蛇形弯曲，河床高程约1320.00m，河道一般宽8～15m，河流流向近NE向，比降约7‰。两岸坡上缓下陡，呈不对称V 形峡谷，坡度10°～70°，岸坡高度约130m。

河床冲洪积层(Qpal)为碎石土、砂质黏土、砂卵砾石夹漂石混杂堆积，厚度0～15m；残坡积层(Qedl)为棕黄、棕红色含碎石黏土，结构较为松散，厚1～4m，主要分布在两岸缓坡及溶蚀洼地。

坝基岩石主要为石炭系上统C3及二叠系下统P1厚层、巨厚层状灰岩，岩层总体缓倾向下游偏右岸，岩体中发育有密度较大、发育深度较大的缓倾角结构面，结构面部分连通性好，且具有断续夹泥现象，顺河及垂直河道的陡倾结构面亦较为发育。

3 红黏土用于防渗心墙填筑试验研究

3.1 土料场基本情况

料场位于花庄西偏北方向的文平公路旁，距离主坝区约8～10km。料场分布高程1450.00～1475.00m，料场长约320m，宽约220m，地形平缓开阔，料场西高东低，无冲沟发育，地形坡度0°～5°，植被以经济作物为主。料场上部为第四系残坡积层(Qedl)，上部为棕红色黏土；残坡积下部为棕黄、灰黄色黏土，含少量铁锰质颗粒或结核，呈可塑状态。下伏基岩为石炭系中统(C2)的细晶灰岩。料区广布耕地，零星分布有九座民坟。料场剥离层为上部耕植土，含较多植物根系，平均剥离厚度0.50m，料场有用层为棕红色黏土层，厚度变化较大，最薄2.90m，最厚达6.50m，平均开采深度4.45m，在地下水位以上开采。

总体评价：该料场面积较大，地形起伏较小，有用层厚度较不稳定，土层结构单一，属Ⅱ类料场。

3.2 土料勘探取样研究

按照Ⅱ类料产地布置勘探点和取样，勘探精度为详查。勘探采取点、线、面相结合，基本按方格网进行控制，共布置勘探线5条，大致平行布置，长度164～182m，间距50m，勘探线上布置探坑，间距50～100m，一般50m。累计布置探坑25个，深度5.90～6.60m，均未揭穿覆盖层。据探坑揭露土层变化情况，结合料场开采条件，共取原状样18组、棕红色黏土扰动样20组。土料物理力学指标试验成果见表1，质量技术评价见表2，国内部分地区红黏土物理力学参数见表3。

表1 土料场防渗土料物理力学指标统计

注1.表中孔隙比及饱和度为按98%压实度控制备样的指标统计成果；2.指标统计建议值抗剪强度、比重、最大干密度取小值均值，渗透系数、压缩系数取大值均值，其余指标取平均值。

表2 防渗土料质量技术评价

表3 国内主要红黏土区红黏土物理力学参数

注表中分母为平均值。

由以上表中可见，德厚大坝心墙土料具有渗透系数低、黏粒含量及塑性指数高、天然含水率高、接近最优含水率、干密度低、压实干密度低等特点，属于典型的南方红黏土。

3.3 国内工程实例

红黏土具有低渗透系数，是填筑防渗土体的较优材料，但高黏性、高含水率、低干密度，以及低—中等压缩特性所带来的压实较普通黏土困难及高应力状态下的变形特性，使其在以往的高土石坝防渗体中应用较为有限。上世纪五六十年代，云南省分别建成了曲靖花山、蒙自庄寨、会泽毛家村等土坝，为红黏土筑坝积累了成功经验。2008年，文山暮底河水库成功建成，该工程距德厚水库约23km，采用黏土心墙堆石坝，坝高67.20m，总库容5850.7万m3，心墙土料采用石炭系上覆次生红黏土，工程建成至今，大坝运行情况总体良好。德厚水库防渗心墙红土与云南省部分已建工程红土物理力学参数见表4。

表4 德厚水库与云南省已建工程红黏土物理力学参数

注表中分母为平均值。

4 施工质量控制措施

4.1 现场碾压试验

为了复核坝料设计标准的合理性，研究含水率对土料碾压效果的影响，确定合理的施工参数、工艺和可行的控制指标，大坝填筑前对心墙土料的施工参数和控制指标进行了现场碾压试验研究。试验对天然开采土料采取双参数组合试验并最终验证法，在同一压实设备、相同行车速度下，首先以25cm、30cm、35cm三种不同铺土厚度与6遍、8遍 、10遍三种碾压遍数分别进行组合碾压，然后分析比较选择其中较优的两种组合，进行复核碾压及对比试验，最终确定施工碾压参数及工艺。试验设计标准见表5，试验成果见表6。

表5 心墙土料现场碾压设计标准

由表6可见，双参数组合碾压试验中，相同的碾压功率下，薄层铺筑更能提高压实度，但在铺厚30cm与35cm时，提高空间有限；碾压遍数6遍时，检测试样土料的平均压实度均小于98%，碾压8遍后，铺厚25cm及30cm的平均压实度均大于98%，压实度总体有所提升，继续增加遍数至10遍，压实度提高率降低。总体分析，碾压遍数以8遍相对较优；从经济角度及施工进度上分析，铺厚25cm虽然更能保证压实度设计要求，但工效降低、施工进度降低，不利于工程进度总体目标的实现。因此，按照30cm和35cm两种铺厚进行8遍复核碾压试验。

复核试验成果统计表明，在按照30cm和35cm两种铺厚进行8遍碾压后，土料渗透系数均为7.15×10-6cm/s，能满足室外小于1×10-5cm/s的要求；平均压实度均大于98%。采用30cm铺厚平均压实度为98.5%，按照不小于98%的控制标准其试验保证率为75%，采用35cm铺厚的平均压实度为98%，不小于98%的试验保证率仅为57%。

根据试验成果，考虑室内试验、现场碾压试验与实际施工条件差别，确定施工铺土厚度30cm±5cm，碾压8遍，压实度控制指标为不小于98%。

4.2 施工质量控制措施

含水率是黏土填筑施工中的一项重要压实质量保证指标，通常情况下，黏土的施工含水率控制在最优含水率的-2%～+3%的偏差范围内较易于满足填筑质量目标。德厚土料黏性高，土料料场天然含水率与最优含水率接近，局部天然含水率偏高，压实度对含水率变化较为敏感。

表6 德厚水库大坝心墙红土料现场碾压试验成果

注1.表中分母为平均值；2.压实设备为CLG6122振动凸块碾，碾重22t，行车速度2.5km/h。

为保证填筑施工质量，德厚水库心墙黏土料开挖、运输、铺筑中主要采取了以下措施：在料场及周边设置截、排水沟，防止雨水进入、浸湿土料；对土料进行立面开采，使其上、中、下层土得以拌和混掺；料场派设质量员实时跟踪检查采区土料天然含水率，一旦发现较大变异，及时进行合理晾晒；运输中进行覆盖，避免水分遭受损失或被雨淋湿；采取进占法铺料，碾压方向平行于坝轴线，铺土厚度为30+5cm；严格按照现场碾压试验获取的碾压遍数、工艺进行碾压填筑。

4.3 一期心墙填筑情况

德厚大坝主体建设于2018年3月下旬开始，并于5月底完成一期共111层心墙黏土料填筑，相应一期坝体心墙顶高27.80m。根据施工单位自检及第三方质量检测，一期心墙土料渗透系数及压实度均满足设计要求(见表7)。

表7 一期心墙料主要物理指标检测值

5 结 语

德厚水库采用典型南方红黏土作为防渗心墙土料。土料中小于0.075mm的颗粒含量平均大于95%，黏粒含量平均为53%；土料天然含水率接近最优，局部偏高；压实干密度平均1.32g/cm3。土料具有较优的防渗性能，但高黏粒、偏高的天然含水率给施工质量保证带来困难。通过现场碾压试验提出合理的压实度控制指标，施工中采取立面开采、晾晒、覆盖等措施，保证施工含水率在最优含水率的-2%～+3%的偏差范围内。根据检测资料，一期心墙土料平均渗透系数为1.8×10-7cm/s，压实度最小为98.50%，平均100.10%，两项主要控制指标均满足设计要求。