游龍溪水庫風化泥巖筑壩防滲料性能研究

劉明菊,錢 斌

(1.遵義市水利水電勘測設計研究院有限責任公司，貴州 遵義 563002；2.四川大學水電學院，四川 成都 610207)

1 工程概況

游龍溪水庫位于赤水河右岸二級支流、小司河左岸一級支流游龍溪上游河段，屬于長江流域赤水河水系，地處習水縣杉王街道羊九村。水庫工程任務為村鎮供水，主要解決民化集鎮、隆興集鎮綜合生活用水問題和輸水管沿線的農村人畜用水問題，水庫總庫容115萬m3，最大壩高43.0m，為小(1)型水庫，工程等別為Ⅳ等。大壩為泥巖心墻土石壩，其中泥巖心墻防滲體約4.9萬m3，壩殼土石填筑量約29.6萬m3。心墻防滲體作為將滲流控制在允許范圍內的核心結構，防滲料性能的試驗分析是大壩結構體型優化設計的關鍵內容[1-2]。結合游龍溪水庫壩址區附近筑壩材料特性，通過室內土工試驗和現場碾壓試驗，對風化泥巖心墻的碾壓填筑施工技術指標進行試驗研究，確保防滲心墻具有良好的抗滲性能和力學性能[3-4]。

2 壩型適宜性分析

游龍溪水庫壩址區左岸基巖以巖屑石英砂巖(T3xj)為主，偶夾砂質泥巖，為較硬巖；河床基巖為泥質粉砂巖與砂質泥巖互層(J1-2zl1)，為較軟巖與軟巖互層；右岸基巖以泥巖(J1-2zl2)為主，夾鈣、砂質泥巖，為軟巖。壩址左岸至右岸依次為較硬巖、較軟巖、軟巖，其抗壓強度和變形模量都有顯著的差異，抗滑抗變形能力較差。壩基承載力、抗滑穩定及變形穩定等均很難滿足重力壩、拱壩等剛性壩指標要求，不宜建剛性壩，宜建柔性壩[5-6]。

水庫工程中柔性壩主要包括：粘土心墻土石壩、均質土壩、瀝青混凝土心墻土石壩、泥巖均質壩、混凝土面板堆石壩及泥巖心墻土石壩等。游龍溪水庫項目區范圍內天然建筑材料受地域地層分布影響較大，工程區出露基巖多為泥巖，僅局部夾有灰巖；樞紐區附近土料貧乏，不宜選擇粘土料防滲，即不適宜修建粘土心墻土石壩和均質土壩；瀝青混凝土壩施工需要專用機械和專業隊伍，且配合比、溫度、加荷速率等對瀝青混凝土的性能影響較大，故瀝青混凝土心墻土石壩也不能作為比選壩型；泥巖均質壩相比泥巖心墻土石壩，具有筑壩材料單一、施工干擾少、施工工序簡單、便于機械化施工等優點，但整個壩體的滲透系數需要達到10-4cm/s以上，相應壩體的填筑、碾壓、養護、檢測等防滲技術指標要求高、填筑質量控制難度大，且滿足防滲要求的泥巖量需求量也較多；泥巖心墻土石壩壩型，壩基開挖產生的土石渣可作為上下游壩體填筑材料[7]，雖防滲心墻防滲指標較高，其滲透系數不得大于10-5cm/s，但通過試驗和類似工程建設經驗，當地泥巖風化料經嚴格控制灑水、晾曬及填筑質量控制后，其滲透系數能滿足大壩填筑施工要求，且泥巖心墻土石壩所需的泥巖料遠小于泥巖均質壩，施工填筑質量更易于控制。另外，相比面板堆石壩，泥巖心墻土石壩存在以下優勢：①壩址區的覆蓋層較厚、強風化深。為滿足建基面要求，混凝土面板堆石壩的開挖量要比泥巖心墻土石壩大。②混凝土面板堆石壩的面板不均勻沉降較為敏感，面板澆筑前堆石壩體需要經過較長沉降期，待堆石體結構基本穩定后方能進行面板施工，同時面板澆筑完成后至蓄水前還須經過較長養護期，工期較長且面板易產生裂縫；泥巖心墻土石壩直接碾壓施工，施工工期相對較短[8]。③在壩區附近就有滿足泥巖心墻土石壩要求的土石料場，而能滿足混凝土面板堆石壩筑壩要求的石料場距壩址較遠，運輸距離較長，成本較高。④泥巖心墻土石壩蓄水后的適應性較好，且對滲漏易處理；而混凝土面板堆石壩面板則易出現裂縫且維修養護難度較大。

從6種柔性壩壩型技術特性分析可知，泥巖心墻土石壩在地質適宜性、壩體填筑工程量、當地風化泥巖及開挖土石渣合理利用、防滲性能、施工條件等方面較其它5種柔性壩優。因此，優選技術性能更可行、經濟更優且安全可靠的泥巖心墻土石壩壩型。

3 心墻防滲料性能試驗

3.1 大壩填筑分區

游龍溪水庫大壩壩型為泥巖心墻土石壩，壩軸線長194.0m，壩頂寬6.0m，最大壩高43.0m，最大壩底厚175.1m。上游壩坡坡比1∶2.3，采用10cm厚C20混凝土預制塊護坡；下游壩坡1∶2.3，坡面采用C20混凝土網格植草護坡，下游壩坡設有2.0m寬的馬道，壩腳設干砌塊石排水棱體。壩體從上游至下游分別為上游壩殼土石料區、上游反濾過渡料區，泥巖心墻區、下游反濾過渡料區、下游壩殼土石料區、下游水平排水區及排水棱體區，分區示意如圖1所示。

圖1 壩體分區示意

3.2 土料來源

對泥巖心墻土石壩而言，料源質量是水庫能否成功蓄水的關鍵。游龍溪水庫大壩填筑所需天然建筑材料主要有泥巖心墻防滲料、壩殼土石料及塊石、碎石、砂石等石料。對工程區進行現場勘察、鉆探及巖礦鑒定后，選擇Ⅰ號料場的泥巖料、Ⅴ號料場的土料作為泥巖心墻的填筑料，同時Ⅰ號料場兼作大壩壩殼料的料場。Ⅰ號料場位于游龍溪溝右岸青杠林附近，距大壩近，平均運距約0.9km，總儲量為228.7萬m3，其儲量、質量均能滿足心墻防滲料及大壩壩殼料的要求。料場地表多被第四系殘坡積含碎石粘土覆蓋，厚0.5～2.5m，出露地層巖性為侏羅系中下統自流井群第4層(J1-2zl4)瘤狀鐵染粉砂質粘土巖，第3層(J1-2zl3)灰巖、第2層(J1-2zl2)泥巖，自然岸坡穩定性較好。另外，根據巖礦鑒定報告知自流井群第4層(J1-2zl4)為瘤狀鐵染粉砂質粘土巖，其中粘土礦物占70%，陸源碎屑占28%，鐵質礦物占2%。Ⅴ號土料場位于壩址區青杠林附近近河床緩坡地帶，場區地形較平緩，為第四系殘坡積粘土、含少量碎石及砂卵礫石，土體滲透系數1×10-4～1×10-5cm/s，總儲量約3.97萬m3，有用層儲量2.7萬m3，開采率65%～70%。

3.3 室內試驗

為確定防滲心墻風化防滲料具有較好的抗滲性能和力學性能，從料場采集新鮮砂質泥巖進行室內試驗，并與天然建筑材料技術要求進行對比，見表1。

從表1現場取樣作室內試驗成果可知，料場泥巖料除含水率指標不滿足最優含水率要求外，其余指標均能滿足天然建筑材料防滲質量技術指標要求，而泥巖料的含水率可通過灑水翻曬后達到最優含水率，故料場質量能夠滿足大壩填筑施工技術指標要求。

表1 料場粉砂質泥巖試驗成果

根據室內試驗成果及SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》[9]要求，游龍溪水庫大壩壩殼料及泥巖心墻的設計控制技術指標，見表2。

表2 壩殼土石料及泥巖心墻防滲體填筑技術指標

3.4 現場碾壓試驗

3.4.1碾壓試驗成果

壩殼土石料和泥巖心墻防滲體的設計壓實度分別為96.0%、97%。在控制好上壩料級配后，分別采用26t振動碾、22t凸塊碾進行碾壓，碾速2.0km/h。先后進行了2次現場碾壓試驗，第1次壩殼土石料鋪料厚度為850mm(泥巖心墻料為450mm)，第2次鋪料厚度為950mm(泥巖心墻料為550mm)，碾壓遍數分別為6、8和10次。經碾壓試驗得壩殼土石料和泥巖心墻料碾壓試驗成果，見表3—4。

表3 壩殼土石料碾壓試驗成果

3.4.2碾壓參數確定

根據表2防滲體填筑技術標準，結合表3和表4試驗成果，確定游龍溪水庫大壩的壩殼土石料區及泥巖心墻料區的碾壓參數，見表5。

表4 泥巖心墻料碾壓試驗成果表

表5 碾壓參數指標

4 結論

游龍溪水庫受地形地質條件、天然建筑材料和氣候等限制，優先考慮采用當地風化泥巖料作為壩殼土石料和泥巖心墻料。為確保風化泥巖料防滲體具有良好抗滲性能和力學性能，經過室內試驗和現場碾壓試驗主要得到以下結論：

(1)由室內試驗可知，Ⅰ號料場的泥巖料，除含水率(強風化1.15、弱風化1.28)不滿足外，其余指標均滿足天然料質量技術指標，具有良好的壓實性能。通過灑水翻曬后達到最優含水率，風化泥巖能滿足大壩填筑施工需求。

(2)壩殼料現場碾壓試驗最大干密度2.09g/cm3，最優含水率12.2%，滲透系數為2.2×10-3cm/s；泥巖心墻料的室內擊實試驗最大干密度2.07g/cm3，最優含水率8.9%，滲透系數為6.49×10-6cm/s，滿足規范對壩殼料和心墻料防滲性能要求。

(3)研究成果表明游龍溪水庫采用當地風化泥巖作為防滲料是合理可行的，技術經濟效益好，可為類似工程的設計優化和施工組織提供一定借鑒參考。