糯扎渡水电站掺砾粘土心墙堆石坝质量控制关键技术

马洪琪

（华能澜沧江水电有限公司，云南 昆明 650214）

0 引言

糯扎渡水电站位于云南省普洱市澜沧江中下游河段，枢纽工程由心墙堆石坝、岸边溢洪道、泄洪隧洞、地下引水发电系统等建筑物组成，开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运等综合利用效益。糯扎渡水库正常蓄水位812.00 m，总库容237.03亿m3，具有多年调节能力。电站总装机容量5 850 MW（9×650 MW），多年平均年发电量239.12亿kW·h，加入联合补偿调节后，可使云南省水电站群的电能质量得到显著改善。

糯扎渡心墙堆石坝坝顶高程821.50 m，最低建基面高程560.00 m，最大坝高261.50 m，为目前国内在建的同类坝型中的最高坝[1]。坝体中央为直立心墙防渗体，心墙上下游坡度均为1∶0.2，采用掺砾粘土料分层碾压填筑形成。坝体总填筑量约3 400万m3，其中，掺砾粘土心墙防渗体填筑量达464万m3。

目前，国内超过200 m的高心墙堆石坝设计和建设经验较少，坝料特别是掺砾心墙防渗土料的性能及适应性、相应的掺砾及填筑施工工艺、压实质量控制标准、质量监控技术等是糯扎渡水电站心墙堆石坝工程建设面临的关键技术问题。

1 土料特性

糯扎渡水电站心墙堆石坝防渗土料料场位于坝址右岸上游的农场土料场，自地表向下第一层为以红褐-黄褐色粘土为主的坡积料，第二层为以T2m1-3构造残积层为主的土状和碎块状全风化料，第三层为以砂岩、泥岩、含砾粗砂岩为主的T2m1-3强风化料[2]。坡积层料主要为含砂高液限粘土，可采厚度0.6～2.5 m，液限大于50%、塑性指数大于27，大于5 mm的砾石含量仅占1%，小于0.075 mm细粒含量占71%。坡积层土料具有中等压缩性，塑性和防渗性能较好，可作坝基接触粘土料使用，但颗粒偏细不宜单独开采用作高心墙坝的防渗土料，宜与下部的全、强风化料立采混匀后使用。

农场土料场混合料是取深度10 m范围内的坡积层料和下部的全、强风化层料立采混合获得的砾质土料。农场土料场全、强风化料和混合料的颗粒组成、抗剪强度、压缩及防渗性能等物理力学参数均相差不大，小于0.075 mm细粒含量超过30%，渗透系数i×10-7，同属中等压缩性的砾质土，主要技术参数满足防渗土料的基本要求，均可作高心墙坝的防渗土料用。混合料中大于5 mm的砾石含量占34%，压缩系数0.16 MPa-1；全、强风化层料主要为粘土质砂、卵石混合土和粘土质砾，可采厚度3.5～21.6 m，大于5 mm的砾石含量占35%～37%。根据勘探成果，全风化层可见原岩的结构、构造，岩块的湿抗压强度一般低于2 MPa；强风化层岩层结构、构造清晰，岩质较软，在重型压实机械碾压后，岩块易破碎。全、强风化层厚度不均匀，且下部开采受地下水的影响，因此混合开采获得的风化料质量难以保证[3]。

在1 470 kJ/m3击实功能下，混合料击实后大于5 mm的砾石含量平均值从34%降至13.9%，掺35%人工级配碎石获得的掺砾土料击实后其大于5 mm的砾石含量平均值为38.5%[3]，这表明混合料中的粗颗粒岩性较软，易于破碎。混合料经重型压实机械压实后，细颗粒含量的增加对提高其防渗性能有利，但同时也削弱了粗颗粒的骨架作用，导致土体沉降变形偏大。

2 土料掺砾

砾质土料填筑形成的土石坝防渗体，当小于0.1 mm细料含量为30%～50%时，裂缝的自愈能力较强[4]；防渗体开裂时，土体中的粗颗粒可改善裂缝的形态，抑制裂缝的开展，减弱沿裂缝的渗流冲蚀，增强其抵抗渗透破坏的能力。另一方面，从高心墙坝的筑坝经验看，心墙防渗体应具备强度高、压缩性低的特点，以缩小与坝壳间的变形差，有效降低坝壳堆石体对心墙的拱效应，改善心墙的应力应变状态，减少心墙裂缝的发生几率。试验和计算分析表明，糯扎渡水电站261.5 m高的心墙堆石坝采用农场土料场天然土料填筑时，竣工后心墙区沉降量达2 957 mm，不能满足 “坝体后期沉降量与坝高，之比小于1%”的规范要求。与其他高心墙堆石坝相比，糯扎渡农场土料场土料颗粒级配明显偏细，即使开采并加入部分强风化料，经重型压实机械碾压后，其砾石含量也不会增加太多[3]，因此开展了在农场土料场混合料中掺加人工级配碎石的掺砾土料研究。

砾质土料中的砾石开始起骨架作用的含砾量P5I约为30%～40%，砾石含量小于P5I时，砾质土全料的干密度随砾石含量成比例增加，细料可以得到充分压实。同时，研究发现，糯扎渡农场土料场混合料掺砾35%后的土料抗变形和抗剪强度指标较混合料均有较大提高，在强度和变形性能以及细粒料的渗透稳定性等方面均较优，渗透系数i×10-6，并未因砾石含量增大而发生本质改变[3]，因此最终选定的掺砾比例为35% （质量比）。

土料掺砾的主要工序是：在土料掺和场将最大粒径≤120 mm的人工级配碎石料摊铺成厚约50 cm的碎石层→将农场土料场立采获得的混合料装运至掺合场并压铺在砾石层上 （铺层厚度约110 cm）→摊铺第二层厚度约50 cm的碎石层→压铺第二层厚度约110 cm的土层，如此循环摊铺3个互层，形成堆高约5 m的土牛，然后采用4 m3正铲立采，掺混相对均匀后装车上坝。试坑和挖槽检测结果表明，上述工艺获得的掺砾土料砾石分布均匀，铺层之间无显见接缝，是一种简单而有效的土料掺配工艺。

3 压实质量控制及检测

3.1 压实质量控制指标选择

对于粘性土料填筑体，工程实践中通常根据击实试验成果，用统计得到的最大干密度平均值乘以设计规定的压实度，得到填土压实干密度的下限值作为控制指标，施工时若按此选择碾压参数，遇到压实性能好的土料，可能出现干密度满足要求而其压实度不满足要求的欠压实现象；遇到压实性能差的土料，则可能出现压实度已满足要求而其干密度不满足要求、无论怎样补碾干密度仍不能满足要求的超压实现象。工程界曾有过 “依赖提高击实功能片面追求过高的压实干密度”的深刻教训[5]。

糯扎渡农场土料场的坡积料颗粒偏细，粘粒含量和天然含水率较高，在各种击实功能下，其干密度相对较低、最优含水率较高。从其他性能指标看，这种干密度较低的填土却有足够的防渗性、低压缩性和必要的抗剪强度。同时，当干密度达到一定值之后，即使压实功能继续增大，干密度增加值相对较小，而且由于在高压实功能下其最优含水率较低导致饱和度相对增大，碾压时发生剪切破坏的机率随之增大。因此，糯扎渡水电站大坝垫层混凝土基础和掺砾粘土心墙之间的高塑性接触粘土层采用农场土料场的坡积料填筑，压实度标准按 “595 kJ/m3击实功能下压实度不低于95%”控制，避免了 “依赖提高击实功片面追求过高的压实干密度”。

DL/T 5395—2007《碾压式土石坝设计规范》规定[6]：粘性土的填筑碾压标准应以压实度和最优含水率为设计控制指标，设计干密度以击实试验的最大干密度乘以压实度求得。通常，粘性土料的最大干密度随其压实性能的不同而浮动，土料的设计干密度也应随其压实性能不同而浮动，压实度作为填筑体压实质量的设计控制指标为确定的值。另外，同一击实功能下，同一种土料击实试验得到的最大干密度与最优含水率存在对应关系，如检测得到的填筑体压实度满足设计控制要求，其填筑含水率自然也能满足设计要求，因此可仅以压实度作为土料压实质量设计控制指标，填筑含水率作为施工过程中的控制指标，设计可不做硬性要求。

3.2 压实质量快速检测

掺砾粘土心墙砾石最大粒径达120 mm，现行规范要求检测全料的压实度，至少需用300 mm直径的大型击实仪，通常采用最大粒径小于60 mm的替代料通过大型击实试验确定其最大干密度，试验工作量大、时间长，加上现场压实质量检测频次多，导致填筑体现场压实质量检测评定与施工进度产生矛盾。糯扎渡水电站心墙堆石坝施工填筑强度较高，急需研究一种可靠而便捷的压实度检测仪器并找到掺砾粘土心墙现场压实质量的快速检测评定方法。

原级配掺砾土料与其替代料的击实特性有所不同。试验研究表明，在2 690 kJ/m3击实功能下，当砾石含量为0～30%时，糯扎渡掺砾土料原级配料的最大干密度略小于替代料的最大干密度；当砾石含量为40%～50%时，原级配料的最大干密度与替代料的最大干密度差异不大；当砾石含量为60%～100%时，原级配料的最大干密度则略大于替代料的最大干密度 （见图1）。因此，砾石含量小于50%时，用300 mm直径的大型击实仪在2 690 kJ/m3击实功能下通过替代料击实试验确定掺砾土料的最大干密度，进而对填筑体进行压实质量控制是合适的[7]（标准略偏严）。

图1 糯扎渡掺砾粘土心墙原级配料和替代料最大干密度对比

土体的防渗及抗渗透变形特性主要取决于细颗粒的含量及性质，砾质土料中的细料填满了粗料孔隙而且得到充分压实后，在渗透水流的作用下不易产生渗透破坏。试验研究表明，糯扎渡水电站掺砾粘土心墙的掺砾量为25%～45%、2 690 kJ/m3击实功能下全料压实度为95%时，现场挖坑填筑体中小于20 mm的细料在595 kJ/m3击实功能下的平均压实度为96.2%～98%。因此，为实现糯扎渡水电站掺砾粘土心墙现场压实质量的快速检测评定，按规程规范规定的频次，现场取填筑体试坑中小于20 mm的细料，用直径为152 mm的电动击实仪通过三点击实试验检测其压实度，要求细料在595 kJ/m3击实功能下压实度≥96%，并且细料压实度≥98%的保证率不低于90%。

糯扎渡水电站心墙堆石坝工程建设过程中，对于掺砾粘土心墙料，除了按规程规范规定的频次现场取填筑体试坑中小于20 mm的细料进行压实度检测外，每周坚持用直径为300 mm的大型击实仪，取小于60 mm的替代料在2 690 kJ/m3击实功能下开展大型击实试验，进行全料压实度≥95%复核检测。同时，研制了直径为600 mm的超大型电动击实仪，每月现场挖坑取填筑体全级配料开展在2 690 kJ/m3击实功能下的超大型击实试验，对全料压实度≥95%进行校核。

随着新型大功率的碾压施工设备不断地投入应用，采用普氏击实功能确定的填筑压实标准，现场检测得到的砾质土填筑体压实度往往大于100%。由于糯扎渡掺砾粘土心墙防渗土料铺层厚度按27 cm控制，采用20 t自行式振动凸块碾进退错距法碾压10遍，激振力大于300 kN，行驶速度不大于3 km/h，砂质土料中的粗颗粒在大功率的现场碾压施工设备作用下发生了破碎挤密现象，填筑体因此获得了较高的密实度，故现场挖试坑检测得到的小于20 mm细料在595 kJ/m3击实功能下的压实度大于100%的结果是正常的，也是可信的。

4 施工质量实时监控

糯扎渡水电站心墙堆石坝坝体8种填筑料分12个区、Ⅸ期填筑，施工程序复杂，质量要求高。针对常规质量控制手段受人为因素干扰大、管理粗放、难以实现对施工过程质量进行精准控制的问题，华能澜沧江水电有限公司会同天津大学、昆明勘测设计研究院等单位产学研相结合，融合水利水电工程、计算机及通信工程等多个交叉学科的先进理论和技术，研发建设了具有实时、在线、自动、高精度等特点的高心墙堆石坝施工质量监控系统。该系统共有10个功能模块，集成了质量、安全、进度、地质、灌浆及渗控工程等动态综合信息，实时动态监控碾压机械的运行轨迹，自动监测记录碾压机械的行车速度、碾压遍数、激振力、压实厚度，通过GPS、GPRS和网络传输技术，将施工信息输入现场分控站和控制中心，当填筑施工过程中铺料厚度超过规定，或有漏碾、超速、激振力不达标时，PDA即报警提示有关管理人员，以便及时纠偏。

糯扎渡施工质量监控系统解决了高心墙堆石坝施工具有数据量大、类型多样、实时性高等特点的工程动态信息集成的难题，为工程决策与管理、大坝安全运行与健康诊断等提供全方位的信息支撑和分析平台[7]。

5 结语

糯扎渡水电站心墙堆石坝防洪标准高、水库库容大，加上枢纽区地震烈度较高，如何保证坝体特别是心墙防渗体的施工质量是维系工程安全的关键性工作。工程建设过程中，采用在天然土料中掺35%的人工级配碎石，并提出简单而有效的掺配工艺；采用压实度为掺砾粘土心墙压实质量的设计控制指标，并研究制定严格的施工工法；针对碾压施工机械的行驶轨迹、碾压遍数、激振力、坝料的铺层厚度等施工参数采用常规控制手段难以实现精准控制的问题，研究建设开发具有实时、在线、自动、高精度等特点的施工过程质量GPS监控系统，最终保证了工程优质并长期安全运行。

原位检测成果表明[8]，心墙掺砾粘土料填筑体碾压后大于20 mm颗粒含量在12.2%～43.6%之间，平均28.1%；大于5 mm颗粒含量在26.2%～52.5%之间，平均37.3%；小于0.074 mm颗粒含量在20.6%～49.1%之间，平均34.5%，是一种级配较优的砾质防渗土料。现场取填筑体试坑中小于20 mm的细料，采用三点击实法进行压实度检测，在595 kJ/m3击实功能下，其压实度在96.4%～103.8%之间，平均99.4%； 填筑体渗透系数在 i×10-6～i×10-7cm/s 之间；平均压缩模量为35.33～64.00 MPa，压实度、渗透系数和抗剪强度等参数均满足设计要求，大坝填筑施工质量控制良好。

［1］ 张宗亮，袁友仁，冯业林.糯扎渡水电站高心墙堆石坝关键技术研究［J］.水力发电， 2006（11）:5-8.

［2］ 宋加升，张四和.糯扎渡水电站心墙防渗土料工程地质特性研究［J］.水力发电， 2005（5）:35-36.

［3］ 冯业林，孙君实，刘强.糯扎渡心墙堆石坝防渗土料研究［J］.水力发电， 2005（5）:43-45.

［4］ 刘杰，缪良娟.风化料在鲁布革土石坝防渗体中的应用［J］.水利水电技术， 1987（11）:2-7.

［5］ 侯峮.云南两座高土石坝防渗料的技术突破回顾与思考［J］.四川水力发电， 2004（3）:62-68.

［6］ DL/T 5395—2007 碾压式土石坝设计规范［S］.

［7］ 马洪琪.糯扎渡高心墙堆石坝坝料特性研究及填筑质量检测方法和实时监控关键技术［J］.中国工程科学，2011（12）:9-14.

［8］ 张宗亮.糯扎渡心墙堆石坝防渗料的设计、研究与实践［C］//高堆石坝筑坝与工程安全技术研讨会论文集，2011.