红崖山水库加高扩建工程大坝防渗土料设计研究

王明锋

(甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程介绍

红崖山水库是我国著名的沙漠水库，也是亚洲第一沙漠水库，位于甘肃省河西走廊东北部的民勤县，石羊河的中下游。该水库的任务是以保护和改善民勤生态为主，兼顾灌溉、旅游、水产养殖等综合效益，担负着红崖山灌区13个乡镇，2个国营农林场农田及生态经济林草灌溉任务，同时承担着向青土湖输送生态水量的任务。

该水库始建于1958年，现状总库容9930万m3，有效库容6251万m3，防洪库容5703万m3，水域面积25km2。通过加高扩建后，水库兴利库容为9030万m3，总库容1.48亿m3，主要建筑物有大坝、溢洪道、泄洪闸及输水洞等。大坝最大坝高为17.1m，大坝总长7286m，其中东坝长5988m，西坝长1298m。

由于水库历经了多次加高扩建，现状大坝体型与坝体断面填筑材料及其分层结构繁杂多变，坝体均一性差，密实度与透水性差异大；坝体心墙与斜墙等主要防渗体系均为一期修建，历次加高扩建坝体均未增设防渗体系；坝基防渗主要依靠坝前库区多年落淤所形成的淤泥铺盖层。红崖山水库加高扩建工程需对现状心(斜)墙进行延伸加高，保证大坝完整的防渗体系。

2 大坝防渗土料选择

水库位于沙漠地带，工程区周边无防渗土料场，防渗土料经过调查、筛选，最终选定在民勤县城东侧的苏武山。该料场地形略有起伏，滩地与浑圆状山包的高差10～15m，交通便利，至水库约50km。料场地表为0.5～1.0m的沙土覆盖，其下为新近系红色粘土岩，层理清晰，近于水平状产出。各项指标均满足防渗土料的质量要求，但干缩后呈块状，坚硬，施工制备难度大，成本较高。

为使所选防渗土料更符合工程实际，降低工程投资，设计对水库清淤土料和清淤土料掺配苏武山红粘土作为大坝防渗体填筑土料的可行性进行了详细试验研究。

2.1 水库清淤土料作为防渗土料的试验研究

库内淤积物主要是上游河流挟带的泥沙，其次为水库周边的风沙入库淤积。根据取样试验结果，水库淤积物主要由砂土及粉质壤土组成。砂土中0.075～2mm粒径的颗粒含量为55.5%～83.6%，0.005～0.075mm颗粒含量为16.2%～42.1%，不均匀系数3.1～5.1，有效粒径在0.0169～0.0527mm。粉质壤土比重为2.66～2.67，0.075～2mm粒径的颗粒含量为29.5%～39.3%，0.005～0.075mm颗粒含量为25.7%～45.8%，小于0.005mm的颗粒含量13.5%～23.5%。

按照SL251- 2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》对库区清淤土料的质量进行评价。根据试验评价结果，清淤土料中粘粒含量、塑性指数、击实后的渗透系数不满足规程要求。清淤土料试验指标评价结果见表1。

表1 清淤土料试验指标评价结果表

2.2 清淤土料掺配红粘土作为防渗土料的试验研究

由于清淤土料不满足防渗土料质量要求的相关指标，采用掺配苏武山红粘土的方法改良土料的质量，使其各项指标满足防渗土料质量要求。按照掺配苏武山红粘土质量百分比为8%、10%、15%、20%，分别进行试验，试验结果见表2。

表2 清淤土料掺配苏武山红粘土试验指标评价结果表

试验结果表明，采用不同的掺配比例时对塑性指数的提高不显著，当掺配比例为20%时，除塑性指数9.8勉强达到规程要求的10～20的下限，其余各项指标均满足防渗土料质量要求。

3 大坝防渗土料设计

根据水库清淤土料和清淤土料掺配苏武山红粘土试验结果，最终选定水库清淤土料掺配苏武山红粘土作为大坝防渗体填筑土料。依据SL274- 2001《碾压土石坝设计规范》和《水工设计手册第2版》(土石坝)等规程规范资料，以及参考相关工程实例确定防渗土料各项参数指标。掺配料中掺配红粘土料不低于20%，渗透系数不大于1×10-5cm/s，塑性指数为8.5～20，粒径大于5mm的颗粒含量不超过50%，最大粒径不大于150mm或铺土厚度的2/3，0.075mm以下的颗粒含量不应小于15%，易溶盐含量(按质量计)不大于3%，有机质含量(按质量计)不大于2%。由于库区清淤土料的不均一性，掺配时磨细清淤土料、红粘土料，充分搅拌均匀，严禁有团块状、块状的壤土、粘土、砂块进入防渗体。按照最大干密度1.90g/cm3、最优含水量13.4%控制施工质量。

4 大坝防渗土料制备

大坝最终采用水库清淤土料掺配苏武山红粘土作为坝体防渗体的填筑料。苏武山红粘土开挖后，拉运至加工区指定的堆料场摊铺堆放，翻晒使其失水干缩后由破碎机破碎，利用推土机集料，装载机上料，用精细机械筛分级筛分，剔除无用晶体及难以破碎的坚硬岩体后做为成品料集中堆放。对于掺配用的水库清淤料，需进行弃渣翻晒，利用装载机上料，精细机械筛分级剔除腐殖杂质及大粒径不合格料后集中堆放。堆放料采取必要的防护措施，使其免受风吹雨淋。制备合格后的粘土料与清淤土料在拌合站按2∶8(粘土料：清淤土料，质量比)比例进行搅拌，搅拌中加水，使其满足填筑料设计含水率。加水量通过各坝体填筑区距离试验确定，搅拌均匀后利用1m3挖掘机挖装，10t自卸汽车运输至坝体填筑区。

因大坝坝体较长，填筑施工标段较多，各标段自行制备防渗土料难度大、费用高，且施工中无法保证防渗土料质量。为此，将各标段所用防渗土料采用统一制备，按设计要求的各项指标制备成品料，根据运距及施工方法等调整合适的含水率，各标段直接拉运成品防渗土料上坝填筑。根据实际施工情况，此方案能较好的控制防渗土料质量，方便施工，保证坝体填筑质量，节约工程投资。

5 大坝防渗土料现场碾压试验

为保证大坝防渗体填筑质量，在防渗体上坝填筑前，对制备的掺配土料进行了现场碾压试验。碾压试验应选择能达到压实标准且经济合理的压实设备，碾压试验参数主要为铺土厚度、碾压遍数、行车速度、含水率控制标准以及土料的加水量等。根据DL/T5129- 2013《碾压土石坝施工规范》要求和工程实际情况，结合已有施工经验，现场碾压试验所选用的碾压设备为22t自行式凸块碾，振动碾激振力(强振)为35t，振幅1.45mm，振动频率35Hz，行驶速度2km/h。铺土厚度以35cm、40cm和45cm分别进行碾压试验；碾压遍数初步拟定三种，即6遍(静2动4)、8遍(静2动6)和10遍(静2动8)；土料含水率以设计要求进行控制。现场碾压试验在防渗土料含水率基本不变的条件下，实测碾压后干密度，根据干密度变化情况，最终确定防渗体填筑铺土厚度及碾压遍数。碾压试验结果见表3。

表3 防渗土料现场碾压试验结果表

根据碾压试验结果，红崖山水库大坝防渗体填筑施工铺土厚度确定为40cm，碾压设备选用22t自行式凸块碾，碾压遍数为8遍，先静压2遍，再动压6遍。根据后期施工抽检试验，各抽检样组指标参数变化较小，防渗体填筑质量较好，满足规范及设计要求。

6 结语

红崖山水库位于沙漠区，水库东、西大坝总长7300m，大坝防渗体填筑直接影响工程安全、投资和效益，合理选择大坝防渗体填筑材料至关重要。

红崖山水库利用清淤土料掺配苏武山红粘土作为坝体防渗体填料，将粘土岩晾晒粉碎后得到粘土料，通过对清淤土料按一定比例掺配粘土料改良防渗土料的方法，使掺配土料满足防渗土料的各项指标要求，解决工程区缺少防渗土料的困难。此设计方案能有效利用水库清淤弃渣，减少清淤弃渣占地，既能满足工程建设需要，保证工程运行安全可靠，又节约工程投资，使得工程发挥更好的经济效益。

[1] SL 251- 2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》[S].

[2] SL 274- 2001《碾压土石坝设计规范》[S].

[3] DL/T 5129- 2013《碾压土石坝施工规范》[S].

[4] 关志诚, 林昭, 曹克明, 等. 水工设计手册第2版(土石坝)[Z]. 中国水利电力出版社, 2014.

[5] 林昭, 碾压土石坝设计[M]. 郑州: 黄河水利出版社, 2003.

[6] 张启岳, 土石坝加固技术[Z]. 中国水利电力出版社, 1999.

[7] 阿不力米提, 曲苓. 恰甫其海粘土心墙坝的材料选择及结构设计[J]. 水利技术监督, 2008(04): 56- 58.

[8] 王学萍, 桑守莲, 李慧芳, 等. 乌拉泊土石坝材料动力特性试验研究[J]. 水利规划与设计, 2009(01): 56- 57.

[9] 黄长宽. 掺配全强风化防渗土料在土石坝中的应用研究[J]. 人民长江, 2016(S2): 79 - 82.

[10] 李小泉, 鲁涛, 杨玉娟. 川西地区心墙堆石坝防渗土料的工程应用与思考[J]. 水利水电技术, 2016(12): 28- 30.