紅崖山水庫加高擴建工程大壩防滲土料設計研究

王明鋒

(甘肅省水利水電勘測設計研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程介紹

紅崖山水庫是我國著名的沙漠水庫，也是亞洲第一沙漠水庫，位于甘肅省河西走廊東北部的民勤縣，石羊河的中下游。該水庫的任務是以保護和改善民勤生態為主，兼顧灌溉、旅游、水產養殖等綜合效益，擔負著紅崖山灌區13個鄉鎮，2個國營農林場農田及生態經濟林草灌溉任務，同時承擔著向青土湖輸送生態水量的任務。

該水庫始建于1958年，現狀總庫容9930萬m3，有效庫容6251萬m3，防洪庫容5703萬m3，水域面積25km2。通過加高擴建后，水庫興利庫容為9030萬m3，總庫容1.48億m3，主要建筑物有大壩、溢洪道、泄洪閘及輸水洞等。大壩最大壩高為17.1m，大壩總長7286m，其中東壩長5988m，西壩長1298m。

由于水庫歷經了多次加高擴建，現狀大壩體型與壩體斷面填筑材料及其分層結構繁雜多變，壩體均一性差，密實度與透水性差異大；壩體心墻與斜墻等主要防滲體系均為一期修建，歷次加高擴建壩體均未增設防滲體系；壩基防滲主要依靠壩前庫區多年落淤所形成的淤泥鋪蓋層。紅崖山水庫加高擴建工程需對現狀心(斜)墻進行延伸加高，保證大壩完整的防滲體系。

2 大壩防滲土料選擇

水庫位于沙漠地帶，工程區周邊無防滲土料場，防滲土料經過調查、篩選，最終選定在民勤縣城東側的蘇武山。該料場地形略有起伏，灘地與渾圓狀山包的高差10～15m，交通便利，至水庫約50km。料場地表為0.5～1.0m的沙土覆蓋，其下為新近系紅色粘土巖，層理清晰，近于水平狀產出。各項指標均滿足防滲土料的質量要求，但干縮后呈塊狀，堅硬，施工制備難度大，成本較高。

為使所選防滲土料更符合工程實際，降低工程投資，設計對水庫清淤土料和清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為大壩防滲體填筑土料的可行性進行了詳細試驗研究。

2.1 水庫清淤土料作為防滲土料的試驗研究

庫內淤積物主要是上游河流挾帶的泥沙，其次為水庫周邊的風沙入庫淤積。根據取樣試驗結果，水庫淤積物主要由砂土及粉質壤土組成。砂土中0.075～2mm粒徑的顆粒含量為55.5%～83.6%，0.005～0.075mm顆粒含量為16.2%～42.1%，不均勻系數3.1～5.1，有效粒徑在0.0169～0.0527mm。粉質壤土比重為2.66～2.67，0.075～2mm粒徑的顆粒含量為29.5%～39.3%，0.005～0.075mm顆粒含量為25.7%～45.8%，小于0.005mm的顆粒含量13.5%～23.5%。

按照SL251- 2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》對庫區清淤土料的質量進行評價。根據試驗評價結果，清淤土料中粘粒含量、塑性指數、擊實后的滲透系數不滿足規程要求。清淤土料試驗指標評價結果見表1。

表1 清淤土料試驗指標評價結果表

2.2 清淤土料摻配紅粘土作為防滲土料的試驗研究

由于清淤土料不滿足防滲土料質量要求的相關指標，采用摻配蘇武山紅粘土的方法改良土料的質量，使其各項指標滿足防滲土料質量要求。按照摻配蘇武山紅粘土質量百分比為8%、10%、15%、20%，分別進行試驗，試驗結果見表2。

表2 清淤土料摻配蘇武山紅粘土試驗指標評價結果表

試驗結果表明，采用不同的摻配比例時對塑性指數的提高不顯著，當摻配比例為20%時，除塑性指數9.8勉強達到規程要求的10～20的下限，其余各項指標均滿足防滲土料質量要求。

3 大壩防滲土料設計

根據水庫清淤土料和清淤土料摻配蘇武山紅粘土試驗結果，最終選定水庫清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為大壩防滲體填筑土料。依據SL274- 2001《碾壓土石壩設計規范》和《水工設計手冊第2版》(土石壩)等規程規范資料，以及參考相關工程實例確定防滲土料各項參數指標。摻配料中摻配紅粘土料不低于20%，滲透系數不大于1×10-5cm/s，塑性指數為8.5～20，粒徑大于5mm的顆粒含量不超過50%，最大粒徑不大于150mm或鋪土厚度的2/3，0.075mm以下的顆粒含量不應小于15%，易溶鹽含量(按質量計)不大于3%，有機質含量(按質量計)不大于2%。由于庫區清淤土料的不均一性，摻配時磨細清淤土料、紅粘土料，充分攪拌均勻，嚴禁有團塊狀、塊狀的壤土、粘土、砂塊進入防滲體。按照最大干密度1.90g/cm3、最優含水量13.4%控制施工質量。

4 大壩防滲土料制備

大壩最終采用水庫清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為壩體防滲體的填筑料。蘇武山紅粘土開挖后，拉運至加工區指定的堆料場攤鋪堆放，翻曬使其失水干縮后由破碎機破碎，利用推土機集料，裝載機上料，用精細機械篩分級篩分，剔除無用晶體及難以破碎的堅硬巖體后做為成品料集中堆放。對于摻配用的水庫清淤料，需進行棄渣翻曬，利用裝載機上料，精細機械篩分級剔除腐殖雜質及大粒徑不合格料后集中堆放。堆放料采取必要的防護措施，使其免受風吹雨淋。制備合格后的粘土料與清淤土料在拌合站按2∶8(粘土料：清淤土料，質量比)比例進行攪拌，攪拌中加水，使其滿足填筑料設計含水率。加水量通過各壩體填筑區距離試驗確定，攪拌均勻后利用1m3挖掘機挖裝，10t自卸汽車運輸至壩體填筑區。

因大壩壩體較長，填筑施工標段較多，各標段自行制備防滲土料難度大、費用高，且施工中無法保證防滲土料質量。為此，將各標段所用防滲土料采用統一制備，按設計要求的各項指標制備成品料，根據運距及施工方法等調整合適的含水率，各標段直接拉運成品防滲土料上壩填筑。根據實際施工情況，此方案能較好的控制防滲土料質量，方便施工，保證壩體填筑質量，節約工程投資。

5 大壩防滲土料現場碾壓試驗

為保證大壩防滲體填筑質量，在防滲體上壩填筑前，對制備的摻配土料進行了現場碾壓試驗。碾壓試驗應選擇能達到壓實標準且經濟合理的壓實設備，碾壓試驗參數主要為鋪土厚度、碾壓遍數、行車速度、含水率控制標準以及土料的加水量等。根據DL/T5129- 2013《碾壓土石壩施工規范》要求和工程實際情況，結合已有施工經驗，現場碾壓試驗所選用的碾壓設備為22t自行式凸塊碾，振動碾激振力(強振)為35t，振幅1.45mm，振動頻率35Hz，行駛速度2km/h。鋪土厚度以35cm、40cm和45cm分別進行碾壓試驗；碾壓遍數初步擬定三種，即6遍(靜2動4)、8遍(靜2動6)和10遍(靜2動8)；土料含水率以設計要求進行控制?，F場碾壓試驗在防滲土料含水率基本不變的條件下，實測碾壓后干密度，根據干密度變化情況，最終確定防滲體填筑鋪土厚度及碾壓遍數。碾壓試驗結果見表3。

表3 防滲土料現場碾壓試驗結果表

根據碾壓試驗結果，紅崖山水庫大壩防滲體填筑施工鋪土厚度確定為40cm，碾壓設備選用22t自行式凸塊碾，碾壓遍數為8遍，先靜壓2遍，再動壓6遍。根據后期施工抽檢試驗，各抽檢樣組指標參數變化較小，防滲體填筑質量較好，滿足規范及設計要求。

6 結語

紅崖山水庫位于沙漠區，水庫東、西大壩總長7300m，大壩防滲體填筑直接影響工程安全、投資和效益，合理選擇大壩防滲體填筑材料至關重要。

紅崖山水庫利用清淤土料摻配蘇武山紅粘土作為壩體防滲體填料，將粘土巖晾曬粉碎后得到粘土料，通過對清淤土料按一定比例摻配粘土料改良防滲土料的方法，使摻配土料滿足防滲土料的各項指標要求，解決工程區缺少防滲土料的困難。此設計方案能有效利用水庫清淤棄渣，減少清淤棄渣占地，既能滿足工程建設需要，保證工程運行安全可靠，又節約工程投資，使得工程發揮更好的經濟效益。

[1] SL 251- 2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》[S].

[2] SL 274- 2001《碾壓土石壩設計規范》[S].

[3] DL/T 5129- 2013《碾壓土石壩施工規范》[S].

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