高含水量粘土在九龙潭水库大坝中的应用

邹玉华

(四川南充水利电力建筑勘察设计研究院，四川 南充，637000)

1 工程概况

九龙潭水库枢纽位于西充县晋城镇龙门桥村，大坝距西充县城2.5km。工程开发任务以灌溉和城镇供水为主，并作为南充市应急备用水源，水库坝址以上集雨面积1.73km2，它是升钟水库灌区内的一座中型囤蓄水库。水库设计洪水位371.25m，校核洪水位371.44m，总库容1316.88万m3，正常蓄水位370.92m，正常库容1271.84万m3，死水位354.00m，死库容134.88万m3，有效库容1136.96万m3。

水库枢纽由大坝、两个取水设施、引水设施及抽水泵站等组成。

工程等级为Ⅲ等，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇。水库主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。

大坝为粘土心墙石渣坝，坝顶宽8.0m，坝顶长294.94m，最大坝高48.17m。上游坝坡分为3级，坝坡自上而下分别为1∶2.5、1∶2.75、1∶3.0；下游坝坡分为4级，自上而下分别为1∶2.3、1∶2.5、1∶2.6和1∶2.6，最大坝底宽259.1m。

大坝防渗心墙顶高程372.0m，顶宽4.5m，上下坡度均为1∶0.25，最大底宽27.0m，防渗齿槽底部嵌入弱风化基岩，最低高程323.59m，心墙填筑量为13万m3。

2 心墙粘土料特性

九龙潭库区内张家沟和杜家沟内粘土含量丰富，地表耕植土厚度约1.0m，为无用层，下部粘土厚度3.7m～6.0m，储量37.71万m3，塑性较好。根据试验检测，粘粒含量20.8%～34.9%，塑性指数13.4～26.5，天然含水量23.8%～39.81%，水溶盐含量1.83%～2.15%，有机质含量(按重量计)1.35%～1.80%，pH值7.08～7.30，除含水量高以外，其他质量如颗粒组成、有机质含量、水溶盐含量、pH值等均满足规范要求。粘土心墙料物理力学性质及颗粒组成试验成果统计见表1和表2。

表1 九龙潭水库粘土防渗料基本物理性质试验成果

表2 九龙潭水库粘土防渗料颗粒组成试验成果

沟内粘土料呈可塑～软塑到流塑状粘土，大部分料源在沟底，含水率高，土质特细，液限高达40%左右，裹水能力很强。沟底粘土开挖出来就是粘结在一起、过湿且无法破碎的大块，翻晒后当表面含水量小于低限施工最佳含水量时，表面干硬，里面含水率仍比较高，又不容易破碎。如果直接碾压填筑，则层内土块难以结合在一起，多为颗粒状麻面，达不到相应的压实度，而且下雨后，水由麻面空隙灌入土中，又泡软土层。若要把粘土中结块完全破碎，减小含水量，不但需要翻晒的遍数多，时间长，而且先破碎的细料水分蒸发过快，形成干土，无法压实，又需要洒水湿润。不仅费时费力，而且也容易造成土料含水不均匀，影响填筑质量。

为了降低土块含水量，又不至于使细料过分风干导致含水量偏低，以及确保粘土含水率均匀，结合生活中“醒发面”经验，翻晒后不直接上坝，需要堆放储存，“醒、发”一段时间再填筑。

3 上坝料指标控制

库区粘土料除部分台地料含水量较低外，其余沟底基本处于饱和状态，设计时考虑过采用多种料进行掺配混合、翻晒等方案处理，通过投资和施工难度比较，选择通过开沟排水、翻晒措施降低土料含水量。

按照规范要求，设计上坝粘土料含水量在最优含水-2%～3%范围内，根据料场粘土料室内击实试验，其最优含水率为16.4%～20.2%，平均值18.35%，最大干密度为1.71g/cm3～1.80g/cm3，平均值1.76g/cm3。室内击实试验成果见表3。为便于施工检测控制，设计控制上坝料含水率在16%～20%范围内，压实度不小于0.98。压实后土料干密度不小于1.72g/cm3，渗透系数不大于1x10-6cm/s。

表3 粘土防渗料击实试验成果

4 粘土料翻晒储存方案

4.1 当地气候特点

工程区属中亚热带季风湿润气候，四季分明，一年中春夏多旱，夏季炎热，降雨集中；秋多绵雨，冬无严寒，雨量少，多阴天，日照少。降水量一般集中在5-9月份，约占全年降水量的65%。多年平均气温17.3℃，极端最高气温40.3℃，极端最低气温-3℃，多年平均降水量949.2mm，多年平均蒸发量1078.1mm，多年平均风速1.5m/s，多年平均日照数1355.2h。

4.2 翻晒方案

4.2.1 翻晒顺序及晒场选择

在实际施工时，控制上坝含水量成为该工程施工的关键点和难点。通过现场翻晒碾压试验，并经各方共同研究，确定翻晒方案：开沟排水→开挖运输→翻晒场翻晒→监测含水量→堆集储存。

先在库区料场开挖树枝状通风排水沟，将水引至围堰内，再通过自排结合抽排将水排至大坝下游。排水沟宽度1m～2.0m，深度根据地形和取料深度确定，以能排干积水为准。

根据施工现场情况，选择在大坝基坑与张家沟、杜家沟围堰之间位置，利用弃渣填筑、平整出面积约2万m2的场地作为粘土料的翻晒、堆放场，场地用平面振动压路机碾压密实平整，高出原地面约2m～3m，中间高，周围稍低，周围做排水沟，便于排水。

4.2.2 翻晒储存方案

翻晒进度计划及方案，根据施工总进度计划安排，粘土填筑在2013年2月开始，考虑到翻晒需要一定时间。施工进度计划安排自2012年11月5日开始，先翻晒堆放储备一部分，储备量要满足1～2个月填筑量，以后翻晒、填筑滚动进行。翻晒后堆放储备时间大于1个月的料才能上坝填筑。

采用反铲挖机开挖，载重汽车运输到翻晒场退占法卸车，推土机摊铺成厚度0.5m左右进行晾晒，再配合碎土能力较强的横轴式旋耕机，翻耙破碎土块。晾晒时根据天气情况每天用旋耕机进行翻耙破碎2～3次，一般2d～3d可晒好一批。

翻晒后，控制粒径小于10mm细料含量不小于60%，其含水量在15%～17%范围内；粒径小于100mm大块料含量不大于40%，其含水量可以放宽到20%～23%。

翻晒后进行堆存，堆料顶部预留斜坡，表面拍实保持光滑，四周设排水沟，减少雨水入浸。细、块料堆放“闷、发”大概一个月左右，水分相互吸、排，块料也基本破碎，土料含水量均匀，基本都能满足填筑要求，可上坝填筑。上坝前可将表层含水量高的粘土重新晾晒，符合要求后上坝填筑。内部粘土经过检测基本都符合含水量要求，可直接上坝填筑，局部含水量不符合要求的，经晾晒或洒水，满足设计要求后上坝填筑。

5 粘土心墙填筑及检测成果分析

根据碾压试验，心墙坝填筑采用22t凸块碾碾压，铺土厚度控制为40±5cm，顺坝轴线方向碾压，机械行车速度控制为2km/h，压实作业采用进退错距法，碾压搭接宽度不小于20cm，采用静压法，碾压遍数8遍。施工填筑过程严格按照碾压试验确定的参数进行，经第三方抽检全部合格。抽检统计资料如下：

粘土心墙(高程324.09m～372.0m)共填筑121层，第三方检测单位进行干密度和压实度抽检68层(共261点)全部合格。同时第三方分别对高程330m、335m、340m、345m、350m、355m、360m、365m、370m共9层心墙，进行大样抽检试验，每层抽取6个点，共计54组样，进行含水率、干密度、比重、颗粒组成、抗剪强度、压缩指标、渗透系数等指标检测，其中高程360m和370m层抗剪强度做了压实后土样快剪、饱和固结快剪、饱和慢剪，其余各层均做了不饱和不固结快剪、饱和固结快剪。检测结果统计如表4。

表4 九龙潭水库心墙填筑质量检测成果(干密度和压实度)

表5 九龙潭水库心墙填筑质量检测成果(9层54组样颗粒组成)

表6 九龙潭水库心墙填筑质量检测成(9层54组样抗剪强度及压缩指标)

表7 九龙潭水库心墙填筑质量检测成果(2层12组样抗剪强度及压缩指标)

检测结果表明，碾压后粘土心墙各项指标基本满足设计要求。

6 水库运行情况

大坝已于2016年2月全面完工，2016年6月水库开始试蓄水运行，库水位在正常水位370.92m与354.0m之间运行，2017年、2018年、2019年、2020年最高库水位曾达到正常蓄水位370.92m，且最长维持近6个月时间。

水库试运行5年多，没有出现安全隐患。自2016年5月开始，到目前已进行了106次安全监测，大坝累计最大竖向位移103.80mm，累计最大水平位移40.56mm，均小于警戒值。水库渗漏情况在设计控制范围内，实测浸润线与设计计算结果基本一致，没有出现异常。

7 结语

根据九龙潭水库设计、建设经验，对于当地材料坝，可根据材料分布情况，按照安全、节约、环保、就近、尽量减少占地的原则选择筑坝材料。对于库区高含水量粘土，通过选择合理的翻晒、储存方法，及适宜的指标控制，完全可以满足粘土心墙相关技术要求，实现高含水量粘土在大坝心墙中的应用。