新疆头屯河楼庄子水库粘土心墙质量控制要点浅析

张永伟

【摘要】新疆头屯河楼庄子水库地质条件相对较好，当地有较为丰富的粘土，通过对区域、坝址和工程地质条件、水文条件，经济、技术综合比较，选择粘土心墙作为防渗体。大坝坝高78.75m，采用粘土防渗，其质量控制环节较多，故从料场勘察比选、土料制备、碾压试验、碾压施工、试验检测等环节的质量控制关键点进行研究总结，为类似工程提供参考。

【关键词】粘土心墙;质量控制;要点     【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.36.001

一、引言

楼庄子水库是头屯河上游山区控制性骨干工程，位于头屯河硫磺沟镇以南 25km 处，坝址集水面积为 840km，多年平均径流量 2×108m。 工程主要任务是灌溉、防洪和城市生活及工业供水，是一座综合利用的水库枢纽工程。

楼庄子水库为Ⅲ等中型工程，水库总库容7466万m，大坝设计洪水标准为 100 年一遇，校核洪水标准为 2000 年一遇，最大坝高78.75m，由挡水建筑物粘土心墙大坝、泄水建筑物溢洪洞、导流排砂隧洞、引水建筑物引水隧洞等组成。其中大坝为2级建筑物，泄洪冲沙兼导流洞、溢洪洞、引水洞为3级建筑物。工程设防烈度Ⅷ度。

粘土心墙坝坝顶长 570.31m，坝顶高程 1400.3m，最大坝高 82.6m，坝顶宽度 10m，上游坝坡1：2.5，下游坝坡1：2.0。心墙顶高程1398.2m，宽5m，心墻边坡1： 0.25，上、下游设 3m 宽的反滤层，反滤层之外为砂砾石坝体。心墙底板浇筑厚 50cm 的 C20 混凝土盖板，盖板下为帷幕灌浆及固结灌浆。左岸阶地段深厚砂砾石覆盖层心墙基础的垂直防渗采用混凝土防渗墙。

二、粘土心墙质量控制

1、料场勘察

现场有T1、T2、T3等三个粘土料场 ，距坝址分别在2km、0.5km、 4.5km范围内。根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2000 ）要求进行勘探取样。T1、T2、T3等三个粘土料场分别布置剖面10、6、5条，探坑20、9、10个，勘探点间距分别为不大于100m、200m、50m左右。采用刻槽法共取样10、3、14组。所有探坑中最大勘探深度为12m ，无用层均小于0.8m，有用层平均厚度为9m。料场总储量512万m，埋深适度，无地下水渗出，便于机械开采，储量远大于填筑粘土心墙所需工程量69万m，。其中T2储量260万m，施工过程心墙粘土材料全部来源T2。C2 料场储量丰富，且地形开阔、便于机械开采。

分别按针孔试验、孔隙水阳离子试验、碎块试验、双密度计试验四种方法进行土料分散性试验，综合评价土料为非膨胀性土，无膨胀潜势，对土的分散没有促进作用，不具有分散性。该三个料场土层结构稍密，颗粒分布均匀，上部干燥，下部潮湿，为低液限粘土（CL），除天然含水量较低，其它试验指标均满足防渗土料规范要求。

T2 料场砂砾石有用层厚度稳定，勘探面积 28.0×104m，储量采用平均厚度法计算， 无用层厚度 0.5～1.5m，方量 25.5×104m;有用层厚 20～24m，储量 560.8×104m。由于料场位于一乡村道路旁，远离道路 20 米并 1：1 放坡开采，受此影响可开采量约500×104m。卵砾石磨圆度较好，最大可见粒径 350mm。据颗分试验，该料场平均有效粒径 0.229，不均匀系数 149.3，曲率系数 1.6，级配不良，砂砾石有用层作为坝壳料使用。

2、粘土检测

粘土心墙土料采用T2土料场的土料，制备土料前对料场进行复查，详见土料场上、下包络线及平均线颗粒级配（表二）、土料粒径级配特征参数（表三）。故制备心墙粘土土料，主要是改变含水率。

T2土料场的土料上下包线颗粒级配图见图二。

T2防渗土料（粘土）级配曲线图

3、粘土制备

在填筑开工之前3个月，按50～100m方格网分层取土进行颗分和击实试验，以确定分区使用的压实标准，同时测定土料的含水率，以确定含水量调整方法。并通过击实（重型击实仪）试验确定最大干密度及最优含水率，按设计压实度确定施工质量控制指标。

如遇自然含水量偏低过多，一般在料场开沟或打畦泡水不少于3个月，如土料过湿，则应分层翻晒。本案采用堆土牛方式制备粘土，预先制备土料，将同一料场颗粒组成有差别的土料和不同含水量的土料，分别由挖土机械开挖，运至填筑体附近，利用有利地形堆置土牛，

首先清除地表表面腐植土，清除树木草根杂物，将场地平整后，平铺1m厚粘土，就地按照5mx5m分沟畦，打0.5m高埂子，根据缺水量补水浸泡，雨季应注意防水排水。之后再平铺一层，循环第一层补水工序。如此往复，为保持堆土稳定，便于开挖，每个土牛堆6-8层高，可覆盖塑料布，闷泡水90天以上，直至含水均匀，且含水率略高于最优含水率1%～3%。含水量满足施工要求即可开采上坝。制备土牛过程需要注意尽量均匀补水浸泡，也可以薄层洒水闷泡，开采前多点检测含水率。检查合格，再挖运填筑。

4、铺土填筑

深厚覆盖层段防渗墙伸入心墙部位的混凝土防渗墙周围设高塑性土区，该区采用全料填筑，高塑性土料中粘粒含量为22%～28%。T2料场粘土料的最优含水量为14.52%，填筑含水率高于最优含水率1%～3%，土料压实度P≥0.99。其他部位心墙土料的压实度指标采用P≥0.99，填筑土料含水率比最优含水率增加-2%～3%;其中心墙与基础混凝土盖板接触面处，填筑含水率要高于最优含水率1%～3%。

根据碾压实验确定的碾压参数成果，心墙施工采用20t自卸汽车运输粘土、进占法卸料，沿坝轴线方向及时铺筑，避免车辆在已压实土料上行驶;使用220HP推土机推开平整，插入钢钎来控制铺虚土厚度合平整度，虚土厚度35cm（设备仪器和混凝土防渗墙周边铺土厚度20cm），两台22t自行式凸块振动碾碾压，半磙错距碾压6遍，车速小于每小时3km，中油门、中频率。

土料填筑按照先砂后土的填筑方法，土料、反滤料、坝壳料相衔接，厚度匹配进行填筑施工，即两层粘土一层反滤料，反滤料和坝壳砂砾料结合部位是四层反滤料和三层坝壳砂砾料可以同层碾压。

铺土前首先填筑心墙上下游反滤料，自然卸料堆方，坡比一般为1：0.8～1：1，粘土和砂边界固定一台反铲并配合人工，先规整反滤料边坡后填粘土，推铺并碾压一层粘土合格后，测量施放坝体粘土和反滤料分界线，用白灰标示，人工进行第一次补砂，两层土补两次砂。土料填筑两层和反滤料齐平，待土料、反滤料碾压合格后，再用振动平碾进行骑缝碾压，遍数较正常遍数要多3～5遍，保证土砂结合紧密。

粘土进行下一层铺土前需进行洒水、拉毛工序处理，洒水量根据蒸发量进行补给，拉毛深度控制在3-5cm，以保证上下层间有效结合。摊铺虚土厚度通常为不超过35cm。铺土后需清理树根、草根等杂物，铺土层表面使用摊铺机进行平整，人工配合整理边角，保持厚度均匀。

混凝土防渗墙两侧和上部区使用高塑性粘土，铺土厚度为20cm，施工时在该区水平3m范围内，由内而外，两侧各用一台小型振动碾，同向同距同速同步对称碾压，混凝土2m范围内不开强振。与混凝土接触部位1m范围内，采用小型挖掘机或铲车配和人工，薄层铺填20cm后压实。

5、粘土心墙填筑施工质量控制要点

应选择渗透性小，具有一定的塑性，渗透稳定性好、物理、力学性能和粘粒含量等指标满足设计要求的粘土。

严禁在铺筑面干燥状况下铺填新土;已压实表面形成光面时，铺土前应刨毛并洒水湿润。对层间光面、剪力破坏、“弹簧土”压或欠压土层等需采取不同方法进行处理。重点控制粘土与坝基、岸坡、刚性建筑物等的结合;纵横向接缝的处理与结合;土砂结合部位施工质量。

对汽车经常进入心墙部位填筑面上的道路处，有剪力破坏的必须返工处理。雨天施工时，应检查施工措施落实情况，雨前应检查坝面松土表层是否已适当压实和平整;应检查雨前表面松土是否已平整和压实、压光，清除填筑面上散落的松土、杂物，雨后复工前应检查填筑面上土料是否合格。

粘土心墙在严寒冬季不进行施工，如施工应按照相关规范采取质量保证措施。对特殊部位铺料和碾压质量加强现场控制，不得超厚、漏壓或欠压。特别是与坝基（包括齿墙）、岸坡、混凝土等结合部位的填筑。分段碾压时，相邻两段碾迹应搭接，垂直碾压方向搭接宽度0.3～0.5m，平行碾压方向搭接宽度1.0～1.5m。不同填筑层道路错开布置，不应留纵向接缝，横向接缝不宜陡于1：3，需采用更陡接坡时，应论证后实施。

因故短时间停工时，表面土层应洒水湿润或晾晒，控制含水率。需长时间停工，应铺设保护层，在复工时将其清除干净。

与防渗体接触的岩石面或混凝土面接触部位，清理干净后，应洒水湿润，涂刷过渡结合浆。并边涂刷浓泥浆、边铺土、边夯实，泥浆涂刷高度与铺土厚度一致，且与下部涂层衔接。不得在泥浆干涸后铺土和压实。泥浆浓度通过试验确定。

采用环刀法检测压实度时，应取压实层的下部。压实控制指标采用干密度、含水率或压实度。压实质量以压实参数和指标检测相结合进行控制，压实过程参数应有检测记录，并按要求检测粘土大样，对设计指标进行复核。

6、粘土施工质量检测

粘土心墙共填筑69万m，每一区每层不超过100-200m取样一组，检测指标为压实度100%大于0.99。含水率均控制在最优含水率附近。粘土压实后压缩量7cm左右，在合理范围内。

粘土心墙每压实升高2-3米，取粘土大样一组，进行室内检测，剪切、压缩、渗透试验，验证土料和压实质量，各项指标均符合设计要求。

7、安全监测分析

大坝监测重点为变形检测、渗流检测和应力监测。主要是在坝体表面设置水平位移和垂直位移监测设施;在粘土心墙设置垂直位移和水平位移设施;在两岸设置绕坝渗流、坝体和坝基渗流监测设施。在最大坝高断面坝0+415.000m和右岸河床断面坝0+503.000m的心墙轴线处，布置分层沉降仪和测斜仪，监测心墙内部垂直位移及水平位移。监测粘土心墙的土压力，右岸岸坡段粘土心墙与基础盖板面之间的接触土压力及界面变形;监测心墙基础混凝土防渗墙应力、应变。对粘土心墙土应力和变形与初始值进行比较，施工期内监测结果没有异常变化，说明心墙粘土填筑质量较好。

三、结语

与混凝土面板堆石坝和沥青心墙坝型相比较，粘土心墙坝的抗震性能较好，基础处理简单，可减少大量削坡工程量。当地粘土、坝壳堆石料及混凝土骨料储量丰富、质量满足技术要求，结合安全、经济和施工难度进行综合比较， 楼庄子水库粘土心墙坝优于混凝土面板堆石坝和沥青心墙坝。

粘土作为心墙防渗材料，从料场勘察复查、粘土制备和现场施工，均需及时足频次开展粘土的物理、化学检测工作，避免使用质量不合格粘土上坝。避免冬季施工，如粘土心墙接合面出现冰层、或有降雪，应该进行清除，或采取保护措施后停工。尤其注意避免上冻的粘土筑坝，如出现冻土上坝填筑心墙，则无论如何必须坚决清除。冬季停工后应该对心墙采取覆盖物保温，复工时需清理表层覆土，检测合格后方可施工。

心墙填筑粘土要与反滤料和相应坝壳料同步上升，保证不同材料结合紧密无空隙，各结构的填筑材料压实足够，避免不同筑坝材料混惨，避免不均匀沉降导致粘土心墙出现拉应力区，从而产生土拱效应。

严格控制反滤料原材料和施工质量，在渗水压力环境中，发挥反滤料排水顺畅、防止粘土流失和保护粘土心墙结构的作用。

施工过程中应严格按批准的碾压参数施工，注意层间结合工序处理，不漏压、不过压，对发生剪切破坏和弹簧土现象的粘土体要清除，并分析产生原因，及时进行改进。

由于粘土心墙作为大坝防渗体，其质量优劣关系工程安全甚至成败，所以参建各方需要紧密配合，建立健全工程质量管理体系，履行好设计服务、监理控制、施工单位保证的质量职责。严格按照有关规范要求进行施工，牢牢把我每一个工序和环节质量关。

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