毛尔盖水电站大坝砾石土心墙防渗土料的特性研究及质量控制

陶益民，刚永才

(1.四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072;2.中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 砾石土概述

砾石土在自然界分布广泛、储量丰富，是一种由粗细土颗粒组成的非均质土。它可自然生成，如坡积、洪积、冰水沉积物等;也可以人工形成，如各种岩石的风化层经开挖而成;特殊情况下还可以人工配置，如细砾土与砂砾混合。我国DL/T5395－2007《碾压式土石坝设计规范》对砾石土定义为:粒径大于5mm颗粒的质量占总质量的20%～60%的宽级配砾类土。在工程施工中，砾石土是一种粗细颗粒混合的天然土石料，颗粒组成以5mm为界分为粗料和细料两部分，大于5mm(P5)颗粒含量一般在20%以上，并含有一定数量的粉粒和黏粒的土料。

2 大坝及土料概况

毛尔盖水电站拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，大坝坝顶高程为2 138.00m，河床部位心墙底高程1 991.00m，坝顶宽12.0m，坝顶长513.77m，最大坝高147.00m，上游坝坡1∶2.0，下游坝坡1∶1.8。坝体采用砾石土心墙防渗，心墙上、下游分别设反滤料、过渡料和堆石料。

防渗土料来自坝址上游11km的团结桥料场。从物理性质判断，料场第③层黄～灰黄色含块砾石土基本能满足筑坝防渗土料的要求。该砾石土料源料(第③层平均)在0.1～0.2MPa压力下，压缩系数为0.037MPa－1，压缩模量为 37.8MPa，属于低 ～ 中压缩性土;抗剪指标凝聚力c值为20kPa，内摩擦角φ 值为 21.8°。渗透系数为 1.09 ×10－7cm/s，满足DL/T5395－2007《碾压式土石坝设计规范》不大于1.0×10－5cm/s的要求。击实试验最大干密度为1.72～2.07 g/cm3，最优含水率为8.6% ～18.3%，天然含水率平均为3.0% ～9.8%，天然含水率低于最优含水率。因该料场砾石土料场料源的质量分布极不均匀，故进行了相关特性研究分析。

3 砾石土的压实性能研究

作为土石坝的心墙防渗料，除了渗透性和抗剪强度外，其压实特性(压实度)也是关注的焦点。坝体填筑的砾石土料的压实性是决定填筑体尺寸的重要因素，因而在工程实际中需要将砾石土压实至一定的密度(以干密度表示)，使砾石土的力学性能满足相关要求。开展砾石土室内击实试验，取得砾石土最优含水量和最大干密度，从而研究砾石土的压实度与其颗粒组成、含水量、压实功能之间的关系和规律，以选定适合工程需要的压实标准。

3.1 击实试验

本工程采用重型击实，击实参数见表1。

通过击实试验，得到砾石土最大干密度、最优含水率与P5含量关系曲线(见图1)。

由图1得出不同P5含量时最优含水率与相应的最大干密度，有利于施工组织管理和质量控制。

表1 重型击实试验参数

图1 砾石土最大干密度、最优含水率与P5含量关系曲线

3.2 压实特性

砾石土由细粒黏土和粒径大于5mm的粗粒砾石组成，级配范围较宽。有很多因素影响砾石土的压实特性，主要因素有土料的含水量、砾石含量等。

(1)含水量影响。击实试验表明，在同一击实功能下，干密度与含水率之间呈抛物线形的变化规律，即当含水低时，压实干密度随含水量的增加而增大，当含水率增值某值时，压实干密度达到最大值，再进一步增大含水量，压实干密度反而随含水量的增大而减小。密度的最大值即是最大干密度，相应的含水率即为最优含水率。

(2)砾石含量影响。从击实试验成果可以看出，当粗粒含量为某一定值时，含水率与干密度关系呈抛物线形，出现最大干密度和最优含水率，并且最大干密度随粗粒含量的增大而增大，最优含水率随粗粒含量的增大而减小。

4 砾石土的渗透性及稳定性研究

随着施工碾压过程，对心墙料砾石土的渗透特性进行了研究。在不同填筑高程取样若干组采用注水法进行现场渗透试验。

为了保护土体，避免在边界面上发生管涌、流土、冲刷等渗透破坏现象，常采用反滤层保护，既能使渗透水自由流出，又不致将土粒带走，从而提高土体的渗透稳定性。

基于毛尔盖水电站大坝心墙料的复杂性，选取上包线、平均线、下包线对应级配、密度作为室内试验控制条件进行相关的渗透试验。防渗料试验控制参数见表2，级配曲线见图2。从图表可以看出，心墙料的级配处于设计包线范围。

表2 检测的防渗料物理性质试验成果

室内力学试验成果见表3(上包线、平均线、下包线的试验编号分别为X1、X2、X3)。

从以上试验图表可知，防渗料上、平、下线，在反滤保护下，渗透系数为 i×10－7～i×10－8cm/s，临界坡降大于50.0，为弱透水性，流土破坏;在反滤保护下，心墙料抗渗坡降较高，反滤层对心墙料保护效果好。

5 砾石土的强度特性研究

图2 防渗料试验控制级配曲线

针对毛尔盖水电站大坝工程的实际情况，对心墙料的抗剪强度采取了三轴压缩试验，成果见表4～7、图3～4。

通过三轴试验和以上统计图表可知，三轴CD剪切试验模量K分别为254～387，Kb为210～212，饱和固结排水剪φ大于29°，砾石土防渗料具有较高的抗剪强度与低压缩性的工程性质。

6 质量控制

表3 防渗料室内力学性试验成果

表4 防渗料高压大三轴试验成果

表5 防渗料高压大三轴试验成果

表6 三轴(固结不排水剪CU)试验成果

表7 三轴(非饱和UU)试验成果

6.1 组织机构及质量管理制度

在工程建设过程中，施工和监理单位分别建立健全了大坝填筑质量控制管理组织机构(见图5、6)，分工负责，各司其职，全面管控料源及大坝填筑施工质量。同时，施工和监理分别制定了《大坝填筑施工质量管理办法》、《大坝填筑施工质量管理实施细则》和《砾石土心墙堆石坝填筑质量监理工作现场管控机制》，经2009年8月14日建设四方专题会议讨论通过。特别明确了各级各部门岗位职责、值班制度、工作程序及运作机制，以及大坝填筑质量问题分类、处罚项目及其方法、标准，对施工过程实行全面、全过程跟踪控制，进行当班评价、奖励与处罚并举，并定期召开大坝填筑施工质量阶段总结会议。

6.2 施工过程质量控制

6.2.1 土料料源质量控制

图3 X1 CD试验应力－应变曲线

料源是坝体填筑质量控制的源头，土料场控制项目主要包括含水量和砾石含量。施工和监理分别安排专人对料场开采、闷水、掺配等进行检测和控制，尤其对开采面、层间高度、料质组织四方现场进行鉴定，以保证上坝土料质量。土料场开采程序见图7。

图4 X1 CD强度包线

图5 施工质量管理机构框图

图6 监理质量管理机构框图

图7 土料场开采程序

6.2.1.1 砾石土料掺配

由于土料场不可避免地会出现因地质条件变化导致砾石分布不均等情况，若直接立采或者混采，上坝防渗土料质量难以保证。经试验论证和建设四方专题研究确定，由专门掺配场进行掺配方案的试验。

为了确定团结桥土料场的砾石土(③－1层)和黏土(③－2层)两种土料的掺配比例，以其天然级配中小于5mm、小于0.075mm和小于0.005mm的控制粒径的含量(最大值、最小值和平均值)为依据，分别按 3∶7、4∶6、5∶5、5.5∶4.5、6∶4和 7∶3共 5 种掺配比例进行了试配计算。根据不同掺配比例的试验计算数据和分析结果，确定砾石土和黏土按5.5∶4.5比例掺配时合格率最高。并在掺配场采取一层黏土一层砾石土按比例逐层大面积摊铺、多层高堆筑的大规模土料掺配方案。

6.2.1.2 含水量调整

主要采取分层摊铺掺配时分层挖沟加水的方法。在试验室测定③－1砾石土和③－2纯黏土的天然含水率及其混合料的最优含水率，由此确定摊铺混合料的加水率，进而计算每层料单位面积的加水量(黏土层的加水量按总量的70%计算)。

6.2.2 心墙坝面质量控制

砾石土心墙坝面质量控制主要包括:填筑厚度及边线、层面平整度、接缝施工、跨心墙施工道路保护措施、工序控制等。

针对土料特性和颗粒级配，按照设计碾压试验技术要求，分别按照35cm、40cm摊铺厚度和18t自行式凸块振动碾碾压8、10、12遍进行碾压试验，经对试验检测数据分析，最终选择了摊铺35cm、碾压12遍的施工参数，取得满足设计要求的压实度和干密度。实施过程中，运用GPS碾压监控系统和监理工程师巡查、人工记录及抽检、第三方检测等相结合的综合质量控制系统，使施工质量始终受控。

除此而外，本工程属高海拔、高寒地区，每年6～9月为雨季，12～2月为严寒冬季，为实现冬雨季连续施工，通过研究土料在特定气温条件下的冻结特性，寻求经济合理的辅助保温措施，尽量减少雨季和冬季低温时段对土料填筑施工的影响。

(1)根据天气预报和局地气候，做好预案和超前准备。下雨前迅速将坝面心墙土料采用自行平碾静压(不激震)成光面;铺设彩条布(或军用帆布)覆盖，防止雨水下渗;雨后排干彩条布上的积水，并将彩条布掀走。

(2)一般将心墙和两侧反滤料、过渡料及部分堆石料适当填高，下雨时继续填筑堆石料，保持坝面稳定上升。

(3)适当缩短流水作业长度，砾石土料及时平整压实。

(4)心墙填筑面应略向上、下游倾斜，以利于排除积水。

(5)下雨或雨后不许踩踏心墙坝面，严禁车辆通行。复工前应清除表面稀泥，或经晾晒、翻晒处理，使土料含水率调节至合理范围内，经监理工程师检查合格后，方可复工。

(6)冬季上午10点至下午6点正温时段，正常填筑土料，并缩短分块、填筑区。

(7)严寒夜晚用军用棉被或军用帆布覆盖，早上气温升高时采用凸块碾快速碾压，以快速解冻。

(8)冬季连续数日不施工时，一般铺设50cm左右厚的低含水量土料对已填筑心墙保温，在恢复施工时予以清除。

7 质量管理成果

按照规范和设计标准要求，对施工过程中采集的大量检测数据采用数理统计方法，对1 824组砾石土的检测项目进行了最大值、最小值、平均值及标准差的统计分析，检测结果见表8。

表8 砾石土检测成果统计

通过以上统计分析只能反映砾石土料的检测指标是否满足相关的技术要求，不能反映压实质量的好坏和施工工艺的保证能力。为此，在数理统计分析基础上，根据美国科学家休哈特(Walter A·Shewhart)提出的产品质量过程能力评价方式(见表9)，对砾石土的压实度和P5含量的施工过程能力进行全面分析(见表10、11)。

表9 过程能力指数Cp值及评价参考

表10 砾石土压实度施工控制过程能力分析

表11 砾石土P5含量施工控制过程能力分析

通过过程能力分析表明，砾石土填筑的压实度质量和P5含量控制较好，工艺保证能力较强，施工质量稳定、持续受控。

8 结束语

毛尔盖水电站大坝砾石土心墙于2009年12月开始填筑，月平均上升7.8m，月最高上升16m，月平均强度10.2万m3，月最大强度17.9万m3。实现了2011年3月较合同工期提前8个月汛前下闸蓄水的节点目标，监测成果反映大坝变形、渗流符合土石坝变形和渗流场基本规律，大坝运行正常。

通过分析和研究表明，颗粒组成是决定砾石土工程特性的主要因素，以5mm粒径为界将砾石土分为粗、细两部分。砾石土的最大干密度随压实功能的增大而增大，渗透系数随压实功能的增大而减小。

工程实践证明，砾石土料经压实后具有较高抗剪强度、较低压缩性及良好的施工性能等优点，作为一种天然的填筑材料被广泛应用于水电水利工程中。据统计，国外高100m以上的高土石坝中，采用砾石土料作为防渗材料的土石坝占总数70%。在我国近年已完工和开工的高土石坝中，大部分采用了砾石土作为心墙防渗料，除本文的毛尔盖水电站大坝外，还有瀑布沟、糯扎渡、水牛家、云鹏、狮子坪、硗碛、长河坝等水电站大坝。因此，砾石土作为大坝心墙防渗料具有较高使用价值和应用前景。

［1］林昭.碾压式土石坝设计［M］.郑州:黄河水利出版社，2003.

［2］郭庆国.粗粒土的工程特性及应用［M］.郑州:黄河水利出版社，1998.

［3］郭庆国，等.土石坝建设实用技术研究及应用［M］.郑州:黄河水利出版社，2004.

［4］安炳淑.质量专业理论与实务［M］.北京:中国人事出版社，2002.