某水库工程膨胀土坝的性状调查及加坝方案研究

梁为邦，张 钧，李少飞

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

大坝防渗土料的理想性质宜具有工程所要求的防渗性、容重、抗剪强度，适应坝体变形的塑性，较低的压缩性，抗御渗透变形破坏的能力，不存在影响坝体稳定的膨胀性或收缩性，材料的施工性良好，不含水溶性材料和有机物等。20世纪50、60年代，中小型水利工程在修建土石坝时曾用过膨胀土作为防渗土料，国内对膨胀土能否筑坝以及如何筑坝的问题没有明文规定，甚至有些文献资料对膨胀土筑坝持否定态度，许多关于土石坝的专著及规范建议避免使用膨胀土作防渗土料。DL/T 5388—2007《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》规定：膨胀土作为土石坝防渗体时，质量技术指标应按工程要求作专门论证[1]。SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》规定：当采用特殊土作为填筑土料和防渗土料时，应进行专门论证[2]。SL 274—2001《碾压式土石坝设计规范》规定：膨胀土不宜作为坝的防渗体填筑料，必须采用时，应根据其特性采取相应的措施[3]。

云南省某水库工程设计坝型为防渗心墙风化料分区坝，建设于20世纪80年代末，采用枢纽区附近土料作为防渗心墙土料，工程前期勘察设计、施工建设过程中只进行了土料的一些常规物理力学性质试验，未进行土的自由膨胀率、分散性等指标试验，工程建成后大坝运行尚算正常。由于社会经济发展的需要，需在原坝体上扩建加高大坝，对坝体填筑质量进行勘探检测时，发现原坝体心墙土料具有膨胀性。为此，需对膨胀土填筑坝体质量进行评价，并研究论证在膨胀土坝体上能否加高坝体，采用何种坝型何种材料加高坝体。

1 工程概况

某水库位于云南省玉溪市华宁县盘溪镇的珠江流域南盘江右岸支流矣则河上，是一座以农田灌溉为主，兼顾人畜饮水，同时对下游村镇和农田具有防洪保护作用的小型水利工程，是盘溪大型灌区的水源地之一。水库大坝于1988年开工，1992年建成，坝高58.4m，库容为751×104m3，坝型为黏土心墙风化料分区坝，工程规模为小(1)型水库，水库枢纽主要建筑物为拦河坝、输水隧洞、溢洪道。

工程区地处云南东南地区南盘江河谷，属南亚热带低纬度高原季风气候，高山低谷地貌复杂，立体气候明显。年平均日照时数为2488h，年均气温为20.3℃，年降雨量为850～950mm。

1988年水库开工建设，筑坝防渗土料采用位于坝轴线上游库区右岸山坡上的土料场，地表为第四系(Qeld)残坡积黏土层，厚1.2～1.5m，下伏基岩为泥盆系下统翠云峰组(D1c)粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉细砂岩。防渗土料主要采用残坡积黏土层及少量全风化细砂岩、泥页岩、粉砂岩，至坝址区运距约为1.0 km。坝体防渗心墙施工共填筑194层，干密度取样检测1106组，干密度范围值为1.76～1.94 g/cm3，均值为 1.82 g/cm3，合格率为 99.5 %，符合关于防渗土料干密度合格率不应小于 90% 的要求[4]。现场试验所得渗透系数K范围值为3.9×10-6～2.9×10-5cm/s，均值 为1.3×10-5cm/s，基本符合防渗体碾压后小于1×10-5cm/s的规定。

工程建成后大坝运行尚算正常，由于社会经济发展的需要，需在原坝体上扩建加坝，2013年进行扩建工程勘察设计工作，拟采用从原坝体下游面培厚加高的方法，加高坝体采用防渗斜墙与原坝心墙防渗体连接，扩建后坝顶高程为1 296.50m，最大坝高为69.5m，坝长330.0m，坝顶宽6.0m，正常蓄水位为1 292.00m，库容为1 070×104m3。

2 防渗心墙及土料场勘探情况

进行扩建加高工程勘察时，对原坝体进行勘探、试验，了解坝体的质量和安全状况，作为扩建加高设计的依据。沿坝轴线在心墙防渗体上布置了4个钻孔进行勘探，取原状土样22组进行试验；拟采用原筑坝防渗土料场土料作为扩建加高大坝防渗斜墙土料，为此布置探坑进行勘探，探坑揭示土层为黄色黏土夹灰白、灰绿等杂色黏土，野外简易鉴别其黏粒含量较高，取土样11组进行试验。

防渗心墙原状土样取22 组，进行自由膨胀率δef试验，δef范围值 为31%～52 %，其中δef>40%的有11组，占试样总数的50%，属于膨胀土，具弱膨胀潜势。原筑坝防渗土料场土样 11 组，自由膨胀率范围值 为31%～70 %，其中δef>40 %的有 8 组，占试样总数的72%，属于膨胀土，具弱-中膨胀潜势。土料场土样采用平衡法(以外力平衡内力)测得击实膨胀土的膨胀力为46.5～73.3kPa，表明土样的工程地质分类为弱膨胀土-中等膨胀土。

南水北调中线工程采取1/3临界值方法对非均质岩土膨胀等级进行确定，即在工程区内只要检测土样的自由膨胀率δef有1/3超过40%，就可确定该工程区为膨胀岩土地区。依据防渗土体与原筑坝防渗土料场土样自由膨胀率δef超过40%的占比分别为50%、72%，可以判别本工程大坝心墙防渗体采用了膨胀土与非膨胀土进行混合土料填筑。

由于膨胀土遇水膨胀、失水收缩，膨胀后强度显著降低，收缩后可能产生大量裂缝，因而可能致使坝体遭到损害，膨胀土作为防渗土料时，应进行专门论证，应根据其特性采取相应措施，为此须对膨胀土的性质进行研究。

3 膨胀土特性

膨胀土是一种含有大量亲水性矿物，湿度变化时有较大体积变化，受约束时产生较大内应力的黏性土。其主要特征是：粒度组成中胶粒(粒径小于0.002mm)含量大于30%；黏土矿物成分中，伊利石、蒙脱石等强亲水性矿物占主导地位；土体湿度增大时，体积膨胀并形成膨胀压力；土体干燥时，体积收缩并形成收缩裂缝；膨胀、收缩变形可随环境变化往复发生，导致土的强度衰减；属液限大于40%的高塑性土[5]。我国的膨胀土的黏土矿物成分，主要是伊利石，蒙脱石居其次，也有些地区蒙脱石含量较多。

膨胀土的形成原因：在适宜的气候环境下，硅酸盐为主的矿物不断分解，钙大量流失，钾离子被次生矿物吸收形成伊利石或伊利石-蒙脱石混层矿物为主的黏土矿物。膨胀土的微观结构属于面-面叠聚体，其双团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水收缩的能力，膨胀土的结构强度和体积变形主要决定于黏土基质的成分含量和排列[6]。

控制膨胀土胀缩势能大小的物质成分主要是土中蒙脱石含量、离子交换量以及小于0.002mm的胶粒含量，这些物质成分本身具有较强的亲水特性，是膨胀土具有较大膨缩变形的物质基础[7]。加水浸湿是土体膨胀的最大原因，土体膨胀降低了其密度，以致削弱了抗剪强度。膨胀土由于含有膨胀性的黏土矿物，特别容易吸水，含水量改变得特别大，所以强度也变化得特别大，当土经过浸湿、风干、再浸湿后，土的凝聚力显著降低[8]。膨胀土的胀缩性强弱除与矿物的亲水性有关外，还与密实度、含水率及外在约束有关。比如，高密实度、低含水率的膨胀土的膨胀性就强，反之就弱；外在的约束条件对膨胀量有明显的影响，稍加约束力，膨胀量就可以减少很多。膨胀土在约束条件下浸水，其抗剪强度无明显降低。

膨胀土浸水后体积膨胀，发生崩解，强膨胀土浸水后几分钟即完全崩解；弱膨胀土则崩解缓慢且不完全。膨胀土对气候因素很敏感，极易产生风化破坏。开挖后，在风化作用下，土体很快产生破裂、剥落，从而造成土体结构破坏，强度降低。膨胀土的抗剪强度为典型的变动强度，经过多次湿胀干缩循环后，黏聚力和内摩擦角均有大幅降低。

云南省东南地区膨胀土物理力学性质指标见表1。

由表1发现，滇东南地区膨胀土塑性指数高(>25)，胶粒含量高(>40%)，自由膨胀率较高(50%～80%)，膨胀力较高(40～100 kPa)。

表1 云南省东南地区膨胀土物理力学性质指标

4 膨胀土判别

膨胀土的判别，目前尚无统一的标准和方法。国内不同单位或标准采用的指标主要有自由膨胀率、蒙脱石或伊利石含量、黏粒含量、膨胀力等，国外也有采用液限、塑限、缩性指标及缩率作为判别指标，综合判断土的膨胀性，从而进行膨胀土分类。其中自由膨胀率是一个广泛采用的评价指标，但在确定土的膨胀性及进行工程地质评价时，应结合土的宏观特征、膨胀力及其他物理指标进行综合评判。

4.1 物理指标判别

工程上常把自由膨胀率(δef)>40%、液限(WL)>40%、缩限(Ws)<12%的土间接判定为膨胀土。除上述指标外，也有文献列出了以下指标作为膨胀土的特征：黏粒含量>35%、胶粒含量>25%，塑性指数(IP)>15，液性指数(IL)一般小于0.25，在天然条件下一般处于硬塑或坚硬状态[9]。按照这些物理指标对防渗心墙土样与防渗土料场土样进行统计判别膨胀土，见表2。

由表2发现，按自由膨胀率δef>40%划分为膨胀土的试样，液限、黏粒含量、胶粒含量、塑性指数、液性指数等指标(均值)均符合膨胀土的特征；自由膨胀率δef≤40%划分为非膨胀土的试样，液限、黏粒含量、胶粒含量、塑性指数、液性指数等指标(均值)有多项不符合膨胀土的特征。

表2 防渗心墙土样与防渗土料土样指标统计

4.2 矿物成分判别

自由膨胀率是一个很有用的指标，但不能作为唯一依据，否则易造成误判。中国科学院地质研究所将钠蒙脱石含量为5%～6%，钙蒙脱石含量为11%～14%作为判定标准。铁道部第一勘测设计院以蒙脱石含量8%，或伊利石含量20%作为标准。

对经自由膨胀率划分膨胀土(δef>40%)、非膨胀土(δef≤40%)的试样进行矿物组成成分试验，试验表明：膨胀土的矿物组成成分主要为石英(65%～85%)，其次为伊利石(10%～20%)，其余为钾长石及其他杂质(5%～15%)，膨胀土的伊利石含量较高。非膨胀土的矿物组成成分主要为石英(75%～90%)，其次为伊利石(5%～15%)，其余为钾长石及其他杂质(5%～10%)，非膨胀土的伊利石含量较低。

4.3 相关指标的判别

GB 50021—2001《岩土工程勘察规范(2009年版)》规定：具有膨胀土工程特征的地区，自由膨胀率一般大于40%，可初判为膨胀土[10]。我国GB 50112—2013《膨胀土地区建筑技术规范》也做了类似规定。值得注意的是，经验证明，许多膨胀土的自由膨胀率常小于40%，应采用综合指标判别。《云南省膨胀土判别标准》规定：黏土自由膨胀率大于40%应判别为膨胀土；粉质黏土、红黏土自由膨胀率大于35%应判为膨胀土。

国内外也有一些研究者认为，当采用膨胀性指标、压实指标、活动性指数KA、吸水指标KW、线膨胀率δep、缩限Ws、缩性指数Is、线收缩、体膨胀率(或体缩)、自由膨胀率等，这些指标进行判别时，只要某一项达到或超过判别标准临界值时，即可判为膨胀土。采用这些相关指标对土料场土样进行判别情况见表3，采用活动性指数、吸水指标对防渗体土样及防渗土料场土样进行判别情况见表4。

表3 土料场综合指标判别膨胀土

表4 采用活动性指数、吸水指标判别膨胀土

采用自由膨胀率这单一指标判别为膨胀土的试样，在采用综合指标判别时，无论选用国外或是国内的临界值，判别结果均为膨胀土。采用活动性指数、吸水指标进行膨胀土判别，按照国外标准：几乎所有土样均可判为膨胀土；按照国内标准：与采用自由膨胀率(单一指标)是否大于40%所判定的膨胀土结果相同。

4.4 判别结论

经过采用工程地质界常用的物理指标、矿物组成成分分析及一些相关指标的综合判别，与采用自由膨胀率单一指标的判别结果基本一致。综合判别结论为：本工程建设时大坝心墙防渗体采用了膨胀土与非膨胀土进行混合土料填筑，原填筑防渗体所使用的防渗土料由膨胀土与非膨胀土构成。

5 膨胀土筑坝情况调查

水利工程土石坝工程具有不同于其他工程的不利条件，坝体经常受水浸泡，只有自重压力而无附加压力，坝体为重塑土，其工程性质较天然土差。膨胀土作为坝料，除失水会形成坚硬土块，开挖和施工均不方便外，对筑坝的影响主要表现在遇水膨胀，强度降低，失水产生裂隙，因此它不是理想的防渗土料。膨胀土对坝体损害以及损害的方式和程度，通过对已建成水库工程的调查研究来确定，是最直接可靠的方法。

云南采用膨胀土或混合土(膨胀土与非膨胀土混合使用)筑坝的工程较少，仅宾川大银甸水库、曲靖花山水库、蒙自长桥海水库。宾川大银甸水库采用混合土(湖积相膨胀土中掺入碎石)填筑心墙，并设置“穿靴戴帽”(心墙底部与顶板使用非膨胀土)的措施，工程已运行30多年，心墙无病害。曲靖花山水库改扩建时采用残坡积膨胀土或混合土填筑均质土坝，块石护坡，工程已运行25年，坝体无病害。

5.1 膨胀土坝

1980年，柯尊敬等人在广西、湖北、河南、河北、山东、安徽、云南、贵州、四川等膨胀土代表性地区进行了20座膨胀土坝调查[11]。按坝型划分：均质坝15座、心墙坝4座、斜墙坝1座。按坝高划分：低坝15座、中坝5座(最大坝高为67m的1座，其余坝高为30～43m)。按填筑的坝料划分：使用强膨胀土的5座、中等膨胀土的10座、弱膨胀土的5座。运行情况基本正常的有15座；出现局部浅层滑坡情况的有5座，都是均质坝。5座水库的均质坝出现浅层滑坡的原因主要是：①坝体有的未设护坡或护坡不善，表层出现干缩裂缝；②坝体有的排水沟堵塞、漏水，雨季时雨水迅速集中进入坝体，坝体强度急剧降低。滑坡经处理后，不再继续滑动，运行正常。

5.2 混合土坝

柯尊敬等人还调查了膨胀土与非膨胀土掺配填筑的混合土坝，具有代表性的4座坝都为均质坝，坝高为11.5～19.0m，膨胀土有强、中、弱各种等级，混合方式有层铺法和混合法2种，混合比例为30%～50%，运行情况正常的有2座，出现局部浅层滑坡情况的有2座。浅层滑坡的形成原因与膨胀土坝的相类似，主要是设计施工质量差、使用管理不善。

刘麟德等[12]对四川膨胀土筑坝进行了研究，调研了位于西充县境内的升中水库，坝型为黏土心墙石渣坝，坝高为79m。坝区土料场经检验有部分属膨胀土，筑坝时将膨胀土与非膨胀土掺和后使用，用重型羊足碾压实。土工试验表明，膨胀土与非膨胀土掺和压实后，抗剪强度及抗渗强度均有所提高，自由膨胀率由49.1%降至30.0%。水库于1982年建成蓄水后，运行到现在情况良好。

5.3 调查结论

①所调查的膨胀土坝，未出现整体稳定问题，也未出现因膨胀土发生漏水、管涌现象，用膨胀土筑坝是可能的。②无论是均质坝还是心墙或斜墙防渗土料，都可以用膨胀土，也可以用膨胀土与非膨胀土混合使用。③膨胀土坝可用包盖式，即在坝体表面包盖一定厚度的非膨胀土，据现有经验，厚度一般不小于2m为宜，膨胀土等级愈强，包盖厚度应愈大。

6 坝体现状及质量情况

本工程大坝为黏土心墙风化料坝，坝高58.4m，坝长211.5m，坝顶宽6m，坝顶高程为1285.40m。心墙顶宽4.6m，顶高程为1283.00m，上、下游坡比均为1∶0.2。心墙上游侧用粗细粒风化料回填，下游侧设水平宽2.0m的过渡料。大坝上游坝坡坡比为1∶2.25，1∶2.5，1∶3.0，下游坝坡坡比为1∶1.75，1∶2.0，1∶2.25。

水库大坝由2种料源组成，心墙土料为坝址上游右岸残坡积层、风化料为坝址下游左岸砂泥岩风化层。勘察阶段心墙位置布置4个钻孔，后坝坡(坝壳)布置3个钻孔，进行了注水、标贯、取样等工作。

6.1 防渗心墙土体

水库运行20多年，现场巡查未见坝体渗水及变形、塌陷、开裂等，通过查阅施工时的质量控制检测原始记录，坝体心墙土体压实度、渗透系数等质量指标均合格，坝体心墙总体不存在影响水库正常运行的问题。

心墙土体标贯试验锤击数N值(修正值)为10.5～32.0，均值为18.1，小值均值为14.6，土体处于硬可塑—硬塑状态，无侧限抗压强度qu范围值为135～448kPa，小值均值qu=194kPa；按工程经验确定的抗剪强度小值均值内摩擦角Φ=23.7°，凝聚力C=59kPa。按Terzaghi独立基础计算公式确定地基承载力fk=219kPa；查表确定地基承载力fk=224kPa；利用抗剪强度、Φ、C值，确定地基承载力[13]fk=234kPa；按土的含水比、孔隙比确定地基承载力fk=250kPa，以上成果表明，心墙土体强度较高。

坝体心墙坝顶以下0～5m，注水试验所得的渗透系数为4.41×10-5～5.57×10-3cm/s，不满足防渗体碾压后小于1×10-5cm/s的规范要求，说明坝体心墙顶部0～5m防渗性能差；心墙坝顶以下5～51m，渗透系数为1.61×10-6～3.39×10-5cm/s，均值为7.86×10-6cm/s，大值均值为1.63×10-5cm/s，基本满足防渗体碾压后小于1×10-5cm/s的规范要求，说明心墙深部防渗性能较好。

6.2 风化料坝体

水库运行20多年，现场巡查未见坝体变形、开裂、滑动、塌陷等，通过查阅施工时的质量控制检测原始记录，风化料坝体压实度、渗透系数等质量指标均合格，风化料坝体总体不存在影响水库正常运行的问题。

风化料采用坝下游左岸D1c粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉细砂岩，运距为0.3km。施工共填筑117层，干密度检测351组，干密度为1.93～2.15 g/cm3，均值为 2.07 g/cm3；孔隙率为20.9%～29.0%，均值为23.9%，风化料坝壳用料虽然干密度变化较大，但施工中严格控制了孔隙率，大坝碾压较密实，施工碾压总体质量较好。

风化料(钻孔注水试验)渗透系数为6.0×10-3～4.2×10-2cm/s，均值为1.4×10-2cm/s，小值均值为7.0×10-3cm/s，属中等-强透水，满足坝壳填筑料渗透系数>1×10-3cm/s，或大于防渗体的50倍的质量技术指标要求。风化料允许水力坡降为0.30～0.40，在原坝体正常蓄水位条件下，最大实际水力坡降约为0.29，不会产生渗流稳定破坏。经过大坝抗滑稳定计算分析，大坝满足抗滑稳定要求。

6.3 大坝质量评价

从国内膨胀土坝调查情况看，膨胀土坝未出现过整体稳定问题，只要控制好施工质量，利用膨胀土筑坝是可行的。本工程采用了膨胀土与非膨胀土混合填筑防渗土体，从现场巡查未见坝体渗水及变形，原施工质量记录及现场勘探原位试验等成果表明：坝体心墙土体填筑质量较好，土体压实度、渗透系数等质量指标基本合格，坝体心墙总体上不存在影响水库正常运行的问题。风化料坝土碾压质量较好，密实度较高，坝土经过多年运行已经固结稳定，大坝运行20多年未见坝体渗水及塌陷等问题，具备加坝扩建条件，可以在原坝体上进行大坝扩建。

7 加坝方案选择

7.1 坝体、坝基强度

心墙土体承载力fk>210kPa，抗剪强度Φ=23.7°、C=59kPa；坝体风化料抗剪强度Φ=30°～32°、C=30～40kPa。心墙土体及风化料坝体施工质量较好，强度较高，可以在原坝体上进行大坝扩建。

坝基为D1c粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉细砂岩，呈强风化，承载力fk=300～800kPa，抗剪强度Φ=27°～32°、C=50～100kPa。承载力及抗剪强度能满足扩建加高大坝坝基变形稳定及抗滑稳定要求，可以作为扩建加坝的坝基。

7.2 坝体培厚型式选择

根据坝址区地质条件及坝址区周边天然建筑材料情况，坝体加高应充分利用原老坝体，采用培厚加高型式。水库坝前淤积较厚，难以清除；如果进行地基处理，则施工较为困难且施工经费较高，并且从上游面加高需要放空水库，影响水库正常运行，故不适合采用上游坝坡培厚型式。采用后坝坡培厚方案，可以充分利用现大坝防渗心墙土体及风化料坝体，且扩建坝基地质条件较好，施工方便，故选择采取后坝坡培厚型式。

7.3 坝型方案比选

根据现状大坝情况，结合现场地质、地形条件和坝址附近天然建筑材料勘探试验结果，进行2种加高培厚坝型方案比较：方案1为黏土斜墙风化料坝；方案2为面板堆石坝(在原坝体上设置混凝土面板与原坝体心墙结合)，2种加高培厚方案经抗滑稳定计算均满足坝体稳定要求。坝型选择主要涉及地震因素、大坝结构、施工条件、工程投资等方面。

①水库地处Ⅷ度地震区，坝址距离区域小江活动断裂直线距离小于5km，地震时混凝土面板堆石坝的风险要大一些；②现状坝体为黏土心墙风化料坝，培厚加高采用堆石坝体，新加坝体材料在填筑后与现状坝体存在变形不一致的问题；③现状坝体心墙顶黏土作为趾板基础，与趾板混凝土底面接触渗透稳定存在安全隐患，趾板存在不均匀沉降变形的风险；④两岸坝基为强风化软质岩体，不宜直接作为混凝土趾板基础，须进行地基处理。基于以上情况分析，最终坝型选择为黏土斜墙风化料分区坝。

8 斜墙土料选择

坝址区周边5km范围内只有膨胀土防渗土料分布，距离坝址运距约10km，有非膨胀土料分布。SL 274—2001规定：采用膨胀土筑坝时，应根据膨胀土特点，常选择带心墙的坝型，表层加盖重或换成非膨胀土，以及降低填筑密度、填筑含水率控制在最优含水率湿侧等。膨胀土筑坝推荐采用的坝型是防渗心墙坝，未推荐防渗斜墙坝型。

8.1 膨胀土斜墙坝型调查

国内膨胀土筑坝采用斜墙坝型的工程较少，位于湖北竹山的明钦水库，坝型为斜墙坝，最大坝高为29.7m，防渗土料使用中等膨胀土。膨胀土击实试验：最优含水率为25.5%、最大干密度为1.60 g/cm3。渗透系数为8.9×10-9cm/s，压缩系数a0.1～0.2为0.170 MPa-1，崩解速度为0.18%/min、最终崩解量为67.7%。膨胀土的抗剪强度指标见表5，在不同压力下膨胀稳定后的快剪强度指标见表6。

表5显示，土样经过三向膨胀后，C、Φ值显著下降，强度变得很差。表6显示，随着外力的增加，膨胀土强度提高，当压力超过200kPa以后，强度增长的速度变缓。明钦水库坝坡设计：内坡坡比为1∶2.0，外坡坡比为1∶2.0，内坡采用片石护坡，外坡采用植草护坡，1965年建成使用，运行正常。明钦水库成功经验说明：只要工程措施得当，表层(采用片石护坡)加盖重，使用膨胀土填筑防渗斜墙坝的方案是可行的。

表5 明钦水库膨胀土抗剪强度指标

表6 明钦水库膨胀土不同压力下膨胀稳定后(快剪)抗剪强度指标

8.2 膨胀土斜墙的盖层厚度研究

膨胀土填筑的均质坝或斜墙坝，坝坡可视为膨胀土边坡，土体含水量的变化将引起膨胀土吸水膨胀软化，失水收缩，造成土体裂隙发育，多呈碎块状，结构连结大部分丧失，土体抗剪强度随着时间下降，从而导致边坡发生开裂变形、失稳滑动。国内有高速公路路堤采用膨胀土填筑的工程实例，路堤建成后出现了沉陷变形、开裂扩张、滑坡、溜塌等病害。

如果采用膨胀土作为填筑斜墙土料，须对膨胀土斜墙进行盖重或外包非膨胀土处理，尽量减少膨胀土内部的含水率变化。①盖重方式：根据有荷膨胀力、膨胀率的测试情况，在膨胀土上部设置盖重层，使其在荷载作用下，不产生膨胀变形破坏，根据现有经验，盖重厚度一般不小于2m为宜，膨胀土等级愈强，包盖厚度应愈大。②外包非膨胀土方式：根据当地大气影响深度，确定外包厚度，国内有外包2.0～2.5m厚的工程实例。

本工程区地处低纬度亚热带南盘江河谷地区，年降雨量为850～950mm，按GB 50112—2013计算得到[14]：工程区膨胀土的湿度影响系数Ψw为0.56，查表确定大气影响深度>5m，大气影响急剧层深度>2.25m。按DBJ 53/T—83—2017《云南省膨胀土地区建筑技术规程》查表得到[15]：工程区膨胀土大气影响深度5.0m，大气影响急剧层深度2.4m。

勘探心墙坝顶以下0～5m钻孔注水试验所获的渗透系数较大，标准贯入试验土体强度较低的情况也证实了膨胀土大气影响深度在5m以上。心墙坝顶以下0～5m注水试验渗透系数为4.4×10-5～5.6×10-3cm/s，大值均值为1.9×10-3cm/s，说明膨胀土大气影响带内土体透水性中等，不满足防渗要求；心墙坝顶以下0～5m土体标贯试验锤击N为10.5～16.5，小值均值N=11.1，无侧限抗压强度qu=150kPa，承载力fk=130kPa，抗剪强度Φ=18.9°、C=35kPa，说明大气影响带内膨胀土体力学强度较低。因此，膨胀土斜墙的盖重或外包非膨胀土厚度应超过大气影响急剧深度，建议设置为2.5m。

8.3 填筑斜墙土料的确定

利用膨胀土作为斜墙防渗体土料，国内有工程实例，只要工程措施得当，膨胀土就可以加以利用。但使用膨胀土填筑斜墙，须设置厚度2.5m以上的盖重或外包非膨胀土，将增加施工工序及工程投资，且膨胀土存在长期隐藏的地质灾害危险，对工程结构具有潜在的破坏作用。

本工程扩建加坝所需斜墙防渗土料用量约为2.35×104m3，斜墙土料用量较少，经设计、施工、概算等专业综合分析，采用运距10km的非膨胀土与采用坝址区附近运距1.0km膨胀土作为斜墙防渗土料的投资概算区别不是很大。为了避免工程建设、运行中潜在的膨胀土危害，最终确定选用运距约10km的非膨胀土作为扩建加坝斜墙防渗土料。

9 结语

膨胀土具有胀缩性、多裂隙性、强度变动性，在工程界被认为具有隐藏的地质灾害，对工程结构具有严重的破坏作用，往往存在长期潜在的危险。现行工程标准认为膨胀土不宜作为坝的防渗体填筑料，必须采用时，应进行专门论证，根据其特性采取相应的措施。

(1)对可能有膨胀土的地区，加大勘察工作，选定料场不同土层应取土样，除一般土料要求的试验外，还应进行化学成分、矿物成分、自由膨胀率、膨胀力、体缩率、缩限等试验，综合判别土料是否具有膨胀性。

(2)膨胀土作为坝料，除失水会形成坚硬土块，开挖和施工均不方便外，对筑坝的影响主要表现在遇水膨胀，强度降低；失水产生裂隙，增大渗透系数，降低允许水力比降，因此膨胀土不是理想的防渗料，工程中对具有膨胀性的土料尽量不用，采用非膨胀土。

(3)工程区附近没有非膨胀土的料源，采用膨胀土作为土石坝防渗心(斜)墙时，质量技术指标应做专门研究论证。采用膨胀土筑坝，应根据膨胀土特点，采取主要措施：①通过掺碎(砾)石对膨胀土改性，抑制膨胀性；②表层加盖重或换成非膨胀土，抑制膨胀性；③控制施工填筑含水率与最优含水率基本一致，便于压实；④控制心(斜)墙运行期的含水率变化，抑制膨胀性。

本工程原坝体建设时未鉴别心墙防渗土料为膨胀土，扩建加坝勘察发现心墙防渗土体具有膨胀性，为此，对膨胀土坝进行了专门性研究。扩建加坝采用斜墙坝型方案，为避免膨胀土长期潜在的危害性，选用运距较远的非膨胀土作为斜墙防渗土料。