清河水库除险加固大坝粘土斜墙修复

狄旭东，刘淑华

（1.辽宁省清河水库管理局，辽宁 铁岭112003；2.松辽委水土保持监测中心站，吉林 长春 130021）

1 概述

清河水库是辽河流域重要的水利枢纽工程之一，位于辽河支流清河下游；是一座以防洪、灌溉为主，兼顾工业供水、养鱼、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程。清河水库总库容9.68×108m3，根据SL252-2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》规定，清河水库为大（2）型水利枢纽工程，工程等别为II等，主要水工建筑物级别为2级，包括大坝、溢洪道及左右岸泄洪洞。

主要枢纽建筑物防洪标准按500年一遇洪水设计，10000年一遇洪水校核。本次除险加固复核后水库正常高水位131.00 m，防洪限制水位127.00 m，死水位109.70 m。设计洪水位135.10 m，相应库容8.19×108m3，校核洪水位138.06 m，相应库容 9.68×108m3。

大坝为粘土斜墙砂砾坝。坝顶高程138.10 m，防浪墙顶高程139.10 m，坝顶宽度6.5 m，坝长1622.0 m，最大坝高39.60 m。坝顶采用浆砌石防浪墙，墙宽0.5 m。

经计算，大坝坝顶高程139.25 m，防浪墙顶高程140.45 m，大坝现状不能满足设计要求（见表1）。

本次除险加固需对大坝进行加高，防浪墙由浆砌石改为钢筋混凝土防浪墙。大坝加高采用带帽加高方案，防浪墙改造方案是将原浆砌石防浪墙拆除，重新填筑拆除防浪墙时拆除的粘土斜墙，建设钢筋混凝土防浪墙。

表1 坝顶高程计算成果表 m

2 粘土斜墙施工工艺

2.1 基层处理

基层处理是指防浪墙拆除时留下的粘土斜墙拆除后的痕迹面。防浪墙和大坝顶部拆除后，将拆除后的痕迹面彻底清理，冲洗干净；寻找原斜墙的上下游边界线，去掉突出点后得出特定高程的平均边界线；然后，对粘土斜墙基层进行刨毛处理；刨毛深度不小于10 cm，并洒水润湿，以利新旧斜墙的良好结合。

拆除下来的旧斜墙的粘土不可继续使用，一定要挖采新的粘土料：旧的粘土料是经过碾压后的土料，技术处理非常困难；旧的粘土料在拆除过程中有可能融入杂质或杂物，对粘土斜墙来说是绝对不允许的。

2.2 粘土土料选取与挖采

粘土土料的选取是比较重要的一个环节，首先要对料场的土样采取“三步法”进行检测。

1）提前对土料场的粘土料进行快速检查含水率，其目的是控制允许上坝的土料质量，以确保土料易于压实合格。

快速检测土料含水率时，应在料场根据土料的不同深度取多组代表性试样，采用酒精燃烧法，快速检测土料含水率，合格的土料方可允许上坝施工。

一般来说，土的含水率在适合含水率范围内（w±2%），采用常规规定的碾压参数（本工程规定土料摊铺厚度30 cm，振动凸块碾先静压1遍，振动压实8遍，再静压1遍，共10遍），即可达到合格（设计干密度1.68 g/cm3）。反之，含水量偏大或偏小，超出适宜范围的土料，只进行常规的碾压大都不能合格。含水量偏大，无法压实，需进行翻晒处理，直接影响正常施工程序，耗时费力，增加成本；含水量偏小，必须增加碾压遍数到12～14遍。

2）经第一步的初步检查后，进行常规的环刀法取样，在取样过程中进行目测、手感，以判断压实效果：对于压实合格以上的土料，用镐刨或锹挖，都很困难，一镐只能挖深3～5 cm，被切割土层的断面密实而且连续，出现细腻光滑的表面，用手掰土块，明显感觉具有一定的抗折力，土料之间胶结状态较好，这样的压实土料其压实度，多数可达到设计指标，可以初步认为压实合格。反之，如果镐刨很容易，一镐刨深5 cm以上，甚至用锹即可插入，土层切割断面粗糙不连续，有峰窝孔，容易用手掰碎，容易将土块捏成扁圆或土条，或者用脚跺踩压实表面能留下明显脚印，这样的土料可断定达不到设计压实指标，因此也没有必要做环刀法取样检查，而应该立即通知施工单位进行补压处理，直至目测判断合格才能做环刀法取样试验。

3）快速计算出环刀法试样的湿密度，并采用第一步所测试的土料含水率来进一步判断土料是否压实合格，即：在试验室内快速称量环刀内土料的重量，计算出土料的湿密度（土料的湿密度=湿土质量/环刀容积，环刀的容积和重量都是预先称量并有记录），利用第一步所测的土料含水率，推算出该土料的干密度（干密度=湿密度/（1+含水率），看干密度是否合格便可作出决定，而不必等待试验的最终精确结果，可以节约大部分的检测时间。

4）要选择有足够储量的料场。一个粘土斜墙最好不要采用2个或2个以上的料场；由于料场的位置不同，可能会出现料场土料的含水率、渗透系数以及力学指标的不同；同一个料场由于埋深的不同也会出现含水率、渗透系数和力学指标的不同；但采取适当的挖采方式可以避免；要选取含水率最低，物理力学指标合理的料场；针对料场整体地势高低，地下水埋深，各埋深位置粘土特性差异大小，运距等来判定料场的好坏，选择一个好的料场，对于粘土斜墙的铺筑与质量有着至关重要的决定因素。

清河水库原粘土料取自清河区肖台子村，肖台子村的粘土料色泽与粘性指数以及含水率都是附近粘土料场最好的，其储量也相当大，经过试验检测，肖台子粘土料场的土料适合粘土斜墙要求。

5）粘土土料挖采方法。用推土机在粘土层方向竖切1∶4的斜坡上顺坡平采，这样做既能很快排除降水，又能改变土料的不均匀性，即推土机将不同层次的粘土进行相互掺混成均匀的土料，避免不同埋深的粘土含水率和结构级配的不同。斜坡采料面在雨后短时间内即能疏干，从而保证了使用土料的来源。斜坡采料还可以保证土料的天然含水量少受损失；并能够保证新填粘土斜墙的力学指标和渗透系数等均匀一致，免受粘土料天然结构的影响。

2.3 铺筑与碾压

粘土斜墙作为大坝防渗体，上下游都有反滤保护层，从大坝设计断面看，与粘土斜墙紧密相连，上游是中粗砂垫层，下游是坝身砂砾料。为了确保粘土斜墙填筑质量和合理安排各种上坝料的填筑，本着“反滤层不得侵占防渗体有效断面”的原则，对施工顺序做出合理安排。首先填筑下游砂砾料，整平坡度；然后填筑粘土斜墙；最后填筑上游中粗砂。随着粘土斜墙的填筑，削坡成型，平起填筑。所谓“平起填筑”是指每填筑两层粘土，填筑一层上下游砂砾料；粘土斜墙与砂砾料平起填筑时，使砂砾料填筑面低于粘土填筑面3～5 cm，因砂砾料的碾压加水量较大，可避免砂砾料表面多余的水流入粘土区。为保证粘土斜墙的断面尺寸；在填筑斜墙粘土料时，上游边线部位一定要超填5～10 cm；但不能超填过多，避免砂砾料反滤层“犬牙交错”宽度过大。

2.4 层间结合

为使上、下层填料结合良好，粘土斜墙填筑层之间要进行刨毛处理，刨毛深度控制在1～2 cm之内。不能在碾压后的光面上继续填筑粘土料。刨毛采用拖拉机带动改良型旋耕机。

2.5 最优含水量控制

粘土料的压实过程就是使土体发生大量的压缩形变和排气的过程。在此过程中，土体的含水量起着至关重要的作用，含水量过小，土粒间摩擦阻力和粘结力较大，难以压实；含水量过大，土粒间出现自由水，稍加碾压就会出现水饱和而产生空隙水压力，导致土体所受的有效压力减少而使压实效果变差，甚至会受封闭气泡的弹性影响而使土体变成“橡皮土”。因此，为保证粘土的压实效果，一定要控制好粘土的最优含水量，粘土处在此时，其塑性好，易压实。粘土斜墙的压实与否关系到粘土斜墙在土坝运行过程中能否不漏水，充分起到阻水作用，是土坝施工质量的关键。而含水量又是粘土压实的关键。

肖台子料场土料的天然含水量在设计含水量之内，但不是最优含水量；加上开采、运输的影响，铺筑时的风干，需要补充少量的水，以确保粘土料达到最优含水量。压实后，为了能够满足层间结合的要求，必须在刨毛后进行洒水湿润；土料补水和刨毛后洒水均可以采用水库水，用水泵抽取水库水，在出水口处用分散器将水散开喷洒，均匀喷洒在土料或者刨毛面上，喷洒在土料上的水量要严格控制，喷洒在刨毛面的水量以表面不出现明水为准，洒水后2 h左右开始填筑下一层，视水量多少现场确定具体时间。

2.6 削坡

按照土料填筑顺序，首先填筑下游坝身砂砾料，再填筑斜墙，而后填筑上游的砂砾料垫层；所以，削坡只有上游面的削坡，削坡预留量一般为20～50 cm，每填筑2层削坡1次，削坡注意余土的保护，不要与砂砾料混淆，削坡的余土可继续在下一填筑层使用。需要注意的是在削坡前由于时间较长，粘土中失水较多，需进行洒水湿润；洒水量不宜过多，也不能太少，要充分湿润土料，但不能形成明流。

3 施工质量控制

施工质量控制采用环刀取样做干密度控制的办法。这是通常的质量控制办法，既简单易行，又便于操作。每层在相同位置上下各取一个，上部距面5 cm左右，下部为相邻层结合部位。通过统计比较，上下部位样品的干密度相差不大。

在施工过程中，由于施工作业面大，阳光照射时间长，并且关照度强烈，造成粘土短时间内失水量过大，很容易表面出现龟裂，这种现象并不影响施工质量，只要在其表面进行洒水处理，龟裂就会消失；因此，在施工到顶层时，一定要对粘土斜墙进行必要的保护，保护措施是及时覆盖砂砾料。粘土斜墙填筑封顶最好与防浪墙基础开挖与浇筑有一定的连续性。

4 结语

1）根据粘土料层厚，在距填筑面前沿4～6 m距离设置移动式标杆，控制填料层厚度与平整度，避免超厚或过薄。

2）粘土斜墙采用进占法卸料，汽车不得在已压实好的土料面上行驶，汽车穿越填筑层路口段应经常变化位置，对超压土体应予清除。重车不过斜墙，空车过斜墙时铺钢板。

3）粘土斜墙铺筑应连续作业，随时做好防雨放水准备工作。填筑时天气比较干燥，应在已铺好的土层上适当喷雾洒水湿润，保证含水量在控制范围之内，同时对储备在现场的粘土料，做好雨季防雨措施（盖防雨布和周边保证排水通畅）。

4）降雨前，所有心墙填筑区施工机械设备撤出填筑面，采用平碾将填筑面碾压封闭，形成略倾向上游的光面，并覆盖防雨布。恢复施工前，排除积水，含水量调整至合格范围后方可恢复施工。

5）由于清河水库大坝比较长，粘土斜墙料需要分段碾压，相邻两段交接带碾压迹应彼此搭接，搭接带宽度应不小于0.5 m左右。