红黏土心墙填筑质量控制探讨

许树春，毛云祥，陈建胜

(1.曲靖市马龙区水务局，云南 曲靖 655199；2.曲靖诚丰岩土工程试验检测有限公司，云南 曲靖 655099)

云南省的红黏土分布范围较广，红黏土是热带、亚热带地区碳酸盐岩类和玄武岩强烈化学风化作用的产物，成因类型上属残坡积黏土，是一种区域性特殊土。红黏土有机质少、偏酸性、颗粒又细又粘，具有明显收缩性，其含水率较大，孔隙比较高。红黏土中游离的氧化铁具有很好的胶结作用，水稳定性比较好，胶结体在水中不易分散，因此具有优良的抗渗性。瓦窑箐水库防渗体采用红黏土，在防渗体填筑过程中严格按规范要求做好质量控制。①建立健全质量管理体系。②填筑过程中严把测量关。保证防渗体的几何尺寸满足设计要求。③严把土料关。保证铺料厚度、坝料性质、级配、含水率符合设计要求。④严把现场压实关。保证碾压机具规格质量，振动碾振动频率，行进速度及碾压遍数满足设计要求。保证防渗体碾压层面无光面、剪切破坏、弹簧土、漏压或欠压。保证每层铺土前压实土体表面进行了凸块振动碾刨毛并洒水湿润，防渗体接触混凝土盖板面上涂抹浓泥浆等。⑤严把检测关。保证防渗体的填筑质量及时可控，防渗体填筑过程中每层取样测定密度和含水率，现场每层均测定渗透系数，采用三点击实法检测压实度。逐层取样检查合格且结合面符合设计要求后方可继续铺填。通现场取样和现场试验数据分析，瓦窑箐水库防渗体的各项参数均满足设计要求。

1 工程概况

瓦窑箐水库位于马龙河中上游左岸一级支流上，属长江流域金沙江水系。水库工程包括枢纽工程和输水管道工程，枢纽工程包括大坝、溢洪道、输水(兼导流)隧洞。水库工程等别为Ⅳ等，工程规模为小(一)型，总库容158万m3。水库年供水量111.60万m3，主要解决192.33hm2农田灌溉供水和灌区内2032人、5034头大小牲畜的饮水。

大坝为黏土心墙风化料坝，坝轴线长155m，最大坝高37.2m，坝顶宽5m。心墙为黏土心墙，顶宽3.0m，心墙最大底宽21.3m，上、下游边坡为1∶0.2，心墙上、下游分别设一层水平宽2m的反滤料。坝壳料采用风化料填筑，上游坝坡1∶2.0，下游坝坡1∶1.9。瓦窑箐水库防渗黏土料为灰岩或泥质灰岩风化残坡积红黏土。探坑取样其含砾量0.4%～3.1%，含砂量1.8%～10.2%，粉粒含量37.7%～50.6%，黏粒含量41.3%～54.8%，天然含水量27.2%～35.8%。击实干容重(平均值1.53g/cm3)大于天然干容重(平均值1.40g/cm3)，塑性指数28.5～38.6，孔隙比0.771～0.964，渗透系数1.16×10-6～9.38×10-7。压缩系数平均值a0.1～0.2=0.25MPa-1，属中等压缩性土，饱和固结快剪φcq=15.5°～18.1°，Ccq=39.5～52.4kPa。综上所述，黏土料场除黏粒含量、塑性指数略偏高外、天然含水量与最优含水量相接近，其天然干容重、渗透系数、内摩擦角、压缩系数等各项物理力学指标符合规范技术要求。

2 黏土心墙料碾压试验

2.1 试验组合

铺土厚度分为30、35、40cm 3种，碾压遍数为6、8、10遍3种。试验组合方法为逐步收敛法，先选定机械参数，后变动铺土厚度、碾压遍数进行试验。

2.2 试验场地

黏土心墙料碾压试验场地宽19m，长23m，场地平坦、地基坚实，且经过碾压，场地布置如图1所示，不含振动碾扭转车及爬坡所需的路长。

图1 黏土心墙料碾压试验场地布置(单位：mm)

2.3 碾压试验

试验土料采用自卸汽车上料，进占法铺料，采用卡特365挖掘机配合人工整平，碾压机械平碾采用中联重科YZ20F振动压路机。碾压遍数以回次计(均为单遍遍数)，碾压遍数6遍均为振动碾压6遍；碾压遍数8遍均为振动碾压8遍；碾压遍数10遍均为振动碾压10遍。碾压时用一档小油门(实测工作速度为2.5km/h)。黏土心墙料碾压试验9场，每一场(每一组合)取样干密度试验10组，击实试验1组，压实度10组，含水率试验20组，渗透试验1组。依据GB/T50123—2019和DL/T5129—2013的规定，黏土心墙料密度试验采用环刀法，压实度采用三点击实试验，含水率试验采用酒精燃烧法，同时做一些烘干法的对比，渗透试验采用试坑双环注水法。

2.4 试验成果

各场土料的铺土厚度在实际铺料后经过测量检查后均存在一定误差，最大误差值为±5cm。试验前对碾压试验的黏土心墙料作了三点击实试验，根据试验确定最优含水率ωop=28.8%，最大干密度ρdmax=1.54g/cm3。对各种铺土厚度、碾压遍数的填筑进行取样试验，按铺土厚度(h)统计成果见表1。绘制不同铺土厚度的干密度(ρd)和碾压遍数(N)、压实度(D)和铺土厚度(h)、沉降量(Δh)和碾压遍数(N)的关系曲线。如图2—4所示。

表1 按铺土厚度(h)统计成果

图2 ρd—N关系曲线

图3 D—h关系曲线

图4 Δh—N关系曲线

根据试验成果统计分析，黏土心墙料的填筑指标规律为：铺土厚度为30cm时，干密度值和压实度值较铺土厚度为35和40cm的值更优，此时干密度值为1.54g/cm3，压实度为97.4%，渗透系数为4.9×10-6cm/s，能够满足设计技术要求的各项指标值，因此确定黏土心墙料碾压试验的最优铺土厚度为30cm。选定铺土厚度为30cm，按其碾压遍数(N)统计分析，成果见表2。

根据表2绘制最优参数情况下的干密度(ρd)、压实度(Rc)、沉降量(Δh)与碾压遍数(N)的关系曲线，如图5—7所示。

表2 铺土厚度30cm统计成果表

图5 铺土厚度30cm ρd—N关系曲线

图6 铺土厚度30cm Rc—N关系曲线

图7 铺土厚度30cm Δh—N关系曲线

黏土心墙料填筑铺土厚度为30cm时碾压8遍的压实度为最高97.6%，碾压8遍时沉降量已趋于稳定。铺土厚度为30cm碾压8遍的干密度和压实度相对其他几种试验组合方案都要好，均能满足工程设计要求。因此，黏土心墙料填筑选定铺土厚度为30cm，碾压8遍为最佳组合。

3 现场质量控制

“百年大计、质量第一”。瓦窑箐水库黏土心墙防渗体填筑依据施工技术要求，严格执行国家标准规范，主要的做法有：①完善质量管理制度，形成覆盖广、内容全、措施实的工程质量管理制度体系。②创新质量管理方式方法，突出管理重点，提高质量管理效能。③积极推行质量分类管理和差别化管理，提高质量管理的针对性和有效性。④充分发挥“四位一体”监督检查机制，把工程质量放在突出位置，严肃查处质量违规违法行为。

3.1 测量控制

首级平面施工控制网的测设精度为Ⅳ等，首级高程控制点的测设精度为Ⅳ等。放线必须用符合精度要求的仪器进行。永久性的标石应设置在不受施工、滑坡或爆破影响的适当地点，并做好保护。对坝体周围所布置的平面和高程控制点必须分别编号，绘制平面图标示。在坝体填筑前必须进行复测，发现控制点有位移迹象时，应及时更正，有损害时，应重新测设。控制点要妥善保护，每月复测1～2次。工程竣工后施工单位必须将上述资料及地面控制网点全部移交运行管理单位。坝体开始填筑时，施工单位应测绘清基地形图和横断面图，按清基完成的地形设起坡桩。为防止填土时掩埋标桩，在清基边界桩和填筑起坡桩以外一定距离加设引桩。在坝体填筑过程中，必须严格按照设计图纸进行坝料填筑分区，定期进行纵横断面进度测量，并将测量结果绘制成图表，算出有效填筑方量。

3.2 排水

由于坝基与老河床高程相差4.5m，不能采用管道自流排出基坑积水，因此采用抽水设备排水。左岸心墙段(BH0+057～BH0+066)建基面岩体渗水，流量约0.148L/s，坝体填筑量时采用围丼反滤处理，临时抽水至填筑区外，待坝体填筑高于出水点2m后方可拆除临时抽水设施，出水点底部向上下游坝壳区设置水平反滤引导处理，从而消除出水点对坝体填筑质量的影响。河床段BH0+097坝轴线上游距心墙6.4m处出露一泉点，流量约2.1L/s，坝体填筑量时采用围丼反滤处理，临时抽水至填筑区外，待坝体填筑高于出水点3m后方可拆除临时抽水设施，出水点底部向上游坝壳区设置水平反滤引导处理，从而消除出水点对坝体填筑质量的影响。

3.3 黏土料开采及运输

3.3.1黏土料复查

施工单位对勘测设计单位所提供的心墙防渗土料场勘察报告进行核查，对其储量和质量辅以适量的坑探取样复核。复查天然含水量及其随季节的变化情况、颗粒组成、剥离厚度和可开采层厚度。复查压实特性，即最大干密度、最优含水量。复查物理力学特性，如天然干密度、渗透性、抗剪强度等。

3.3.2黏土料开采

防渗土料场位于坝址左岸库区内约1km，施工场地宽阔，地形平缓，适宜机械化开采，运距近交通便利。土料为第四系残坡积红黏土，母岩为灰岩。料场周围应布置截水沟防止外水浸入，截水沟开挖可充分利用天然冲沟，但需保持排水通畅。料场内可根据地形、取土面积及施工期间降雨强度布置排水系统，及时渲泄地表径流。料场剥离时清除的表层草皮、腐植土应运至指定地点堆放，用于将来料场植被恢复。严格控制上坝土料的含水量，当料场土料的天然含水量大于或小于施工填筑含水量时，应根据土料开挖方式、装运卸流程以及气象等条件对料场土料含水量进行调整，调整方法以翻晒(参合)或加水为主。一般情况下，料场土料含水量约大于坝面填筑含水量的2%～3%为宜。

3.3.3黏土料的运输

黏土料上坝应采用自卸汽车运输，因施工需要而改用其它方式运输时，承包人应经过论证，并提交措施计划报送监理人批准。黏土料运输应与料场开采、装料和坝面卸料、铺料等工序持续和连贯，以免周转过多而导致含水量的过大变化。不合格的黏土料一律不得上坝。

3.4 黏土心墙填筑指标

依据现行水利水电设计和施工规程规范，通过现场黏土心墙料碾压试验，结合工程施工的实际情况调整黏土心墙料施工填筑指标。

(1)铺土料的含水率范围为最优含水率28.8%的-2%～+3%(即:W=26.8%～31.8%)。

(2)铺土厚度为30cm(摊平厚度)，最高点不得大于35cm。

(3)碾压机械设备为20t振动平碾和20t振动凸块碾，振动平碾6遍，振动凸块碾2遍，行走速度≤2.5km/h。

(4)压实度D≥0.97，干密度ρd≥1.50g/cm3。由于现场土料压实干密度差异较大，施工现场采用压实度作为控制指标，干密度仅为参考，严禁因干密度偏高而降低碾压参数。

(5)渗透系数应满足规范强制条款k≤1.0×10-5cm/s，本工程结合碾压试验成果采用k≤4.90×10-6cm/s。

3.5 黏土心墙填筑基本要求

大坝基础开挖合格，基岩清理干净，混凝土盖板表面的乳皮、油污等刷洗干净，并经验收后方可铺填第一层土料。铺黏土料前，底板砼表面，两岸山坡交接处均应涂刷浓黏土泥浆，黏土泥浆土水比为1∶2.5～1∶3.0(重量比)。涂刷黏土泥浆应边涂边铺土，严禁泥浆干涸后铺土和压实。两岸泥浆涂刷高度宜略高于心墙铺土厚度，并应注意与下部涂层搭接，泥浆涂刷厚度不小于5mm。心墙底部与混凝土底板接触处，按设计先填筑厚0.2m的精选土料，心墙底部铺料第一、二层每层厚20cm，静压8遍(单遍)，第三层可弱振压，第四层即可正常碾压。

土料要严格控制大量夹杂砾石，形成土体架空的现象。若铺料时夹杂砾石过多或块径偏大，应及时用人工或机械进行清除处理，待处理好后才能进行碾压。心墙料铺土宜优先采用进占法，铺料应平行坝轴线，顺次进行。做到算方上料，均匀卸料，以保证铺土平整，严禁超厚，心墙填筑应平起施工。严禁设置纵缝，若需设置横缝，其坡度不得小于1∶3.0。为保证层间结合良好，每层铺土前应有专人适量洒水。黏土心墙压实应平行坝轴线进行，可采用进退错距法，行车速度不宜过快。铺压应设标记，以防漏压和欠压。相邻两段交接带碾迹应彼此搭接，垂直碾压方向搭接带宽度应不小于0.4m，顺碾压方向应不小于1.2m。施工过程中，应重点控制土料开采方式，铺土厚度、碾压遍数及含水量。应尽量避免汽车横穿心墙区运输坝料，不可避免时应按要求设置路口，并在铺填下一层土前认真进行检查，发现层间结合不良和“弹簧”剪力破坏等现象时，必须处理后才可铺填新料。心墙的填筑与压实应连续进行，长时间停工应铺设保护层，降雨来临之前，应将已平整好尚未碾压的松土，用振动平碾快速碾压成光面。若因降雨导致含水量偏高不能使用，应清除重新上料。

参照黏土料碾压试验确定碾压参数，黏土料碾压宜优先采用20t振动平碾碾压6遍，结合面用20t凸块振动碾刨毛2遍，振动频率20～30Hz。坝体各部位的填筑严格按设计断面进行，并保证防渗体的设计厚度。黏土心墙压实检测项目主要包括以下内容：铺土料的含水量控制范围ω=26.8%～31.8%。铺土厚度控制为30cm(摊平厚度)，最高点不得大于35cm。压实度控制在D≥0.97，干密度ρd≥1.50g/cm3。渗透系数k≤4.9×10-6cm/s。

4 结语

云南省的红黏土分布范围较广，是一种区域性特殊土，具有优良的抗渗性，广泛的应用于水利工程的防渗处理中，其经济性价比高，防渗效果较好，但不同地方场地的红黏土其特性有所差别。瓦窑箐水库的红黏土通过现场碾压试验及取样检测，贴合实际确定了科学的控制指标，通过严格的质量控制，取得了较好压实效果，经统计压实度为97.1%～99.9%，干密度1.50～1.63g/cm3，渗透系数1.1×10-6～4.6×10-6cm/s，检测成果完全满足设计及相关规范要求。瓦窑箐水库红黏土的碾压试验成果，设计压实指标，过程中的质量要求及质量控制措施可为类似工程的设计、建设管理及施工提供参考借鉴。