伊朗塔里干粘土心墙土石坝

伊朗塔里干粘土心墙土石坝 防渗土料的性质及工程措施

郭庆国 付恩怀 张 云

(西北勘测设计研究院)

[摘 要] 本文依据粘土料场勘探、试验资料，叙述了防渗粘土的基本性质与特点，因含有分散性土，从偏于安全考虑，设计中采用相应的工程措施。

[关键词] 粘土心墙土石坝 防渗体 普通粘土 分散性粘土 工程措施

1．工程概况

伊朗塔里干水利枢纽工程(Taleghan Dam & Hpp project)位于ALBORZ山南麓，距德黑兰135km是执行FIDIC合同条款的EPC/Turnkey project工程。主要建筑物包括拦河大坝，泄水底孔洞、溢洪道、输水洞及地下厂房，以满足控制和调节塔里干河地表水，灌溉和城市供水、发电等效益。拦河坝的坝型为粘土心墙土石坝，最大坝高103m，填筑工程量1500多万m，其中粘土心墙为196万m。

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2．粘土料源勘察及工程性质试验

粘土心墙为大坝的防渗体，担负拦水防渗作用，是大坝的重要组成部分。需要对其填筑材料进行勘察和工程性质试验，以了解其储量、质量、满足设计、施工及安全运行的目的。 2.1 粘土料的勘察

招标文件提供的勘探与试验报告表明，经136个探井，670m进尺的勘探资料，推荐了A2、A6、A7、A8、A10、A11及右坝肩共7个料场，储量为285万m。承包商自2002年3月进点后，在分析上述资料的基础上，对A7、A8、A10、A11四个料场进行复核性勘探，经76个探井498m进尺的复核工作，仅这四个料场，有效储量为439万m。 2.2 粘土料工程性质试验

根据测试项目要求，结合探井开挖采取土样在现场和试验室测定土样的天然密度、天然含水量、颗粒比重、颗粒组成、标准普氏击实、界限含水量、压缩、渗透、抗剪强度及PH值，有机质含量、水溶盐含量、化学成份、矿物成份、土的分散性等测试工作。为了反映土料性质，此处仅列举有关资料汇总结果，如颗粒组成、界限含水量、化学试验、天然密度和含水量、击实、渗透、抗剪强度资料见表1、化学成份见表2、矿物成份见表3。

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3．粘土料的特点

(1)料场位置与运输条件。A8、A7、A10、A11、A6、A2等6个料场，皆位于坝址上游、塔里干河流的高阶地后缘一带，高程1750～1800m左右，属于高阶地冲积粘土，运输距离0.5～6km。料场运距小，没有耕地、不占农田，开采条件好，运输方便。

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表1 粘性土颗分界限含水量、密度含水量、抗剪强度、渗透系数等统计表 料场物理、力学性质 A8 A7 A10 A11 A6 A2 4.45mm 94.0-100 68-100 78-100 97.3-100 75-100 98-100 98.8 97.3 98.4 99.5 95 98 小于某 55.6-98.4 20-100 65-100 53-99.2 49-99 50-90 粒径 0.075mm 75.9 87.9 91.5 88 67 69 含量 12.1-57 10-73 17.6-77.7 14.5-40 16-61 18-53 (%) 0.005mm 29.9 47.1 51.1 30.8 34 33 0.002mm 6.4-38 6-49 7.4-53 5.1-30 8-42 10-38 15.7 28.1 30.9 16.2 20 21 LL 22-48.1 24-52 17.4-57 25-43 27-50 20-49 界限含 33.3 42.6 43 36 37 38.9 水量 PL 16.7-28.4 14.7-39.3 16-31.2 16.2-26.2 19-25 17-22 (%) 22 23.2 21.8 23.6 22.2 19.8 PI 7-19 5-28 5.3-37 8.1-16.6 4-25 5-29 11.9 19.4 21.1 12.3 14.3 19.1 pH 2.45-9.7 8.2-10 8.6-10.1 7.9-9.2 8.7-9.4 9.2-10.1 8.99 9.0 9.2 8.8 9.0 9.5 化学 0.11-0.57 0.11-0.79 0.09-1.58 0.09-1.58 0.17-0.98 0.63-1.58 分析 有机质(%) 0.29 0.41 0.17 0.44 0.31 1.22 水溶盐(%) 0.1-0.99 0.13-1.45 0.46-1.36 0.03-1.7 0.09-1.0 0.34-0.89 0.44 0.57 1.01 0.45 0.47 0.73 (1)ω(%) 8.8-28 8.8-25.9 12.4-24.8 11.1-31.3 11.3-23.5 11.9-22 天然 17.8 18.9 20.9 22.7 15.8 17.9 状态 (2)ρ31.3-1.7 1.17-1.6 1.12-1.61 1.25-1.65 1.25-1.65 1.31-1.68 d(g/cm) 1.4 1.48 1.43 1.48 1.44 1.42 (3)ρdmax 1.66-1.86 1.58-1.83 1.6-1.85 1.58-1.85 1.67-1.86 1.63-1.77 击实 (g/cm3) 1.76 1.68 1.68 1.70 1.78 1.71 试验 (4)ω14.8-21.5 16.5-22.5 15.0-22.0 13.4-22.2 15.2-21.5 16-22.5 cm(%) 17.1 19.6 19.2 17.4 16.9 19.2 (1)-(4) +0.7 -0.7 +1.7 +5.3 -1.1 -1.30 差值 平均差 (3)-(2) 平均差 0.36 0.20 0.26 0.22 0.34 0.29 C(kPa) 68-180 70-100 75-250 65-100 100-250 75-165 123 139 101 108 168 130 6-7 2-11 4.1-12 2-5 1.5-11.5 4-7.5 抗 φ(°) 6.5 5.7 7 3.5 5.1 6.2 剪 C(kPa) 35-67 0.4-100 90-120 10-60 50-180 50.7 77 107 39.1 123 50 强 φ(°) 8.0-23 10-20 16-25 19-25 13-17.5 16.4 15.5 20 21.1 14.6 22.5 度 C(kPa) 20-40 0.2-60 60-150 14-35 26.7 38.4 107 27.3 φ(°) 21-27 20-25 20-30 23.28 24.3 23 24.3 25.4 渗透系数10-7cm/s 9.1-0.1 1.75 0.1-2 3.9-3.5 0.3-0.6 1-4 41

塔里干粘土心墙土石坝防渗土料的性质及工程措施

(2)粘土的储量。不计右坝肩与表层不合格层，有效储量A8料场100.1万m，A7料场67.2万m，A2料场12万m，A6料场34万m，A10料场145.3万m，A11料场126.5万m，6个料场共计486.1万m，满足塔里干土石坝防渗土料的数量要求。

(3)从表1几个料场的平均值看，土料的粘粒(d＜0.005mm)含量在30.8%～53%之间，塑限含水量PL=19.8%～23.6%，塑性指数PI=11.9～21.1，土的分类中以CL土为主，约占45.5%～94.7%(见表4)。是较好的防渗土料。

(4)由表1的化学试验结果，PH值在7.45～10之间，有机质含量在0.09%～1.58%之间，水溶盐含量在0.03%～1.7%之间，完全满足防渗土料要求。

(5)由表1中的平均值看，天然密度比标准普氏击实试验获得最大干密度低0.2～0.36t/m。天然含水量比最优含水量A8、A10料场高0.1%～1.7%，A7、A6、A2低0.7%～1.31%，显示出天然含水量与最优含量接近，具有易于压实的特性。A11料场土料天然含水量，比最优含水量平均值高5.3%，为高塑性区的填筑料提供了有利条件。

(6)由表1资料知，土料的渗透系数在5×10～5×10cm/s之间。抗剪强度，φ=10°～26°平均17.3°；C=25～1.8kPa，平均90kPa；φ′=23°～30°，平均28.2°；C′=0～150kPa，平均55kPa。压缩试验，在σ=0.2～2MPa条件下，压缩模量平均值E=14Mpa，固结系数Cc=2×10m/s。土料具有抗剪强度较高，中等压缩性，透水性小的力学性质，满足防渗土料要求。

表2 粘土化学成份成果统计表 料场 土样 数 7 值称 最大 A8 粘土化学成份(%) SO2 AI2O3 Fe2O3 CaO 59 13.7 2.1 9.7 9.1 9.3 MgO Na2O 4.0 3.5 4.8 0.8 0.6 0.7 0.6 0.6 0.6 1.0 0.7 0.8 K2O 2.9 2.7 2.8 2.6 2.5 2.6 2.8 TiO2 MnO 0.8 0.8 0.8 0.9 0.8 0.9 0.9 0.2 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1 P2O3 pH 有机质 水溶盐 含量% 含量% 0.20 0.11 0.17 0.31 0.11 0.17 0.12 0.09 0.11 -32

-7

-8

3

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3

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2.0 8.55 0.24 2.0 7.45 0.10 2.0 8.87 0.19 2.0 8.65 1.23 2.0 8.11 0.18 2.0 8.38 0.46 2.0 8.38 0.13 2.0 7.85 0.03 2.0 8.10 0.09 最小 53.5 13.1 6.9 平均 55.5 13.6 7.0 最大 54.7 12.9 7.0 12.3 3.4 A7 4 最小 51.7 12.3 6.4 12.0 3.4 平均 52.7 12.7 6.9 12.2 3.4 最大 61.4 12.0 6.8 A11 5 最小 51.3 10.7 6.5 平均 55.2 11.3 6.7 9.9 8.1 9.3 4.3 2.9 3.7 2.7 0.78 0.1 2.7 0.84 0.1 (7)从表2中A8、A7、A11三个料场共16个土样的测试结果看，化学成份中主要为SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3及微量MgO、Na2O等。有机质含量，水溶盐含量和表1中资料是一致的。皆说明有机质含量、水溶盐含量很小，满足防渗土料要求；

(8)土料的分散性问题

自廿世纪60年代以来，人们认识到自然界的粘土有分散性粘土和普通(非分散性)粘土之分，两者的差别主要表现在；普通粘土在水的作用下，当水流具有较大的流速后，才能破坏粘土颗粒间的结合力，粘土颗粒才会遭冲蚀破坏；而分散性粘土，是一种高冲蚀粘土，因该土孔隙中含水溶性钠离子，各个胶体粘粒在静水中几乎全部变成悬浮质，不仅抗剪强度消失，而且成为流动状态，发生冲蚀破坏。目前鉴别分散性土有双比重计法、孔隙水离子测定法、针孔试验法、碎块试验四种方法。

塔里干的粘土是否为分散性土，一直为工程人员所重视。招标文件中对A7、A8、A6、A2、

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A10、A11 6个料场79个土样，用双比重计法进行的测定结果中，只有A7料场有2个土样为分散性粘土，其余77个土样皆为非分散性粘土；采用孔隙水溶液离子测定法测定资料并用PS%～TDS关系图鉴定结果，由此结果得各类土在各料场所占百分数的统计值如表4所示，其中A6料场非分散性土占82%，分散性土占18%；A7料场非分散性土占50%，分散性土与过渡性土之和占50%；A8料场非分散性土占59%，分散性土与过渡性土之和占41%；A2料场非分散性土为0%，分散性土和过渡性土之和占100%；A10料场非分散性土占34%，分散性土与过渡性土之和占66%；A11料场非分散性土占89%，过渡性土占11%。从此结果看，6个料场不同程度的存在分散性土，相比之下，A11料场最好，A2料场最差。但两种方法测定结果，差异较大。

承包商进点后，对此问题亦很重视，在分析上述资料基础上，委托伊朗Mandro Consulting公司对A8、A7、A11左坝肩4个料场20个土样进行针孔试验；并对A8、A7、A11三个料场16个土样进行化学成份和矿物成份鉴定。其中从20个土样针孔试验结果看：只有A8料场8个土样中，有3个土样为分散性土，其余几个料场的17个土样皆为非分散性土。随后，又将A11料场2个土样和A8料场2个土样，运回NIDRI工程科研院，用四个方法进行分散性试验，其结果为A8料场2个土样，双比重计法、孔隙水法、碎块法、针孔法皆为非分散性土；A11料场2个土样，孔隙水法1个为分散性土1个为过渡性土；碎块法1个土样为过渡性土，1个土样为非分散性土；双比重计法、针孔法2个土样皆为非分散性土。

(9)土样的矿物成份。从表3中3个料场16个土样的矿物成份看，钠蒙脱土A8料场含量为32.6%～39%，平均35.7%，A7料场的含量为33.1～37.8%，平均35.6%，占首位；石英含量居第二位，其次为方解石、氧化铁、钠长石、高岭石等。而表3中A11料场粘性土的矿物成份以石英占首位，其值为32.5%～35.5%，平均34%，钙蒙脱土含量22.1%～27.4%，平均26.8%，居第二位，其次为方解石、斜长石、氧化铁、钠长石等。A11与A8、A7料场不同之点，是后者以钠蒙脱土为首位，前者钙蒙脱土居第二位，呈现出蒙脱土在量上不同，质上也不同。据许多学者研究及水利水电科学研究院黑龙江水科所对嫩江工程等研究成果认为，蒙脱土为膨胀土，钠蒙脱土既是膨胀土又是分散性土，也就是说分散性土矿物成份主要是纳蒙脱土，据此，A11料场土样要比A7、A8料场土样更具非分散性土特性。

表3 粘土矿物成份成果统计表 料 名称 A8 土样 数 7 值称 最大 最小 平均 最大 A7 4 最小 平均 最大 A11 5 最小 平均 粘土矿物成份(%) 钠蒙脱 石英 钙蒙脱 方解石 斜长石 钠长石 高岭石 透卡石 氧化铁 白云母 39.0 31.7 35.7 38.3 33.1 35.6 0 0 0 34.6 24.5 27.4 32.0 28.7 31.0 35.5 32.5 34.0 0 0 0 0 0 0 27.4 22.1 26.8 16.2 14.3 15.3 20.4 14.6 16.0 20.7 8.3 17.7 0 0 0 0 0 0 9.5 0.0 7.5 5.7 4.6 5.1 5.0 4.1 4.7 0.0 0 0.0 5.8 3.5 4.7 4.1 2.5 3.5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 12.7 0 2.5 6.5 6.0 6.3 6.3 6.0 6.2 7.9 0 5.9 2.0 0 1.4 2.0 0 1.0 3.5 0 0.7 上述试验结果，试验单位不同、采用方法不同，即使为同一方法，采用土样的位置不同，结果也不完全一致，很难取得一致意见。但多次试验结果表明，非分散性土为多数，少数为

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分散性土，此亦意味着分散性土是存在的，但仍不能从料场区域上将两者严格划分出来。

4．防渗土料的选择

按各粘土料场的勘探和试验资料及防渗土料基本要求，择优选择如下：

(1)勘探结果提供A2、A6、A7、A8、A10、A11六个粘土料场，从土料颗粒组成、界限含水量等物理性质，抗剪强度、渗透系数、压实指标等力学性质，pH值、有机质含量、水溶盐含量等化学性质等方面看，皆满足防渗土料要求，可用作防渗土料。

(2)这几个料场距坝轴线0.5～6km，运距较近，没有耕地，位于上游塔里干河谷高阶地，高程1750～1780m，坝顶高程1789m，坝基高程1686m，料场不受汛期河水影响施工，不占农田，有现成公路，开采运输条件好。

(3)由表4可知，A2料场土料非分散性土为零，分散性土和过渡性土之和占100%；A11

料场非分散性土占89%。相比之下，在同一种测定方法中从含有分散性土方面看，A11料场最好，其他料场居中，A2料场最差。

(4)由表4知，按塑性图法分类，A11料场的土料，CL类土占94.7%，百分比量大，A6料场的土料，CL土占42.5%，CH土占9%，SC、SM、ML等类土占45.5%，比其他料场砂性土含量高，这类土抗冲刷、抗液化能力低，土性杂，性质变化大。一般经验认为CL类土作为防渗体土料最佳，压实性能好，反映出A11料场土料最好，其他料场居中，A6料场土料最差。

(5)由表3矿物成份知，A8、A7料场的土料均以钠蒙脱土为主，其次为石英，A11料场的土料以石英为主，其次为钙蒙脱土。据实践经验，分散性土为钠蒙脱土，钙蒙脱土为非分散性土，说明A11料场的土料比A8、A7较为优越。

(6)从有效储量方面看，A2料场为13万m、A6料场为34万m。相对储量小。

表4 各类土在料场中所占百分比 料场名称 A8 A7 A10 A11 A6 A2 塑性图分类结果统计 CL% 87.5 75 64 94.7 45.5 82 +

A

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分散性(孔隙水法)鉴定结果 非分散性土% 59 50 34 89 82 0 +

CH% 0 12.5 20 0 9 0 H

SC、SM、MLMH% 12.5 12.5 16 5.3 45.5 18 ++

过渡性土% 33 22 22 11 0 40 分散性土% 18 28 44 0 8 60 注：分散性土是按TDS(N+K++Mg+Ca)～SP(Na/(TPS)关系图法鉴定结果统计

综上所述，六个料场相比之下，A2料非分散性最少，A6料场砂性土多，土性复杂，A10、A11、A8、A7较好，作为填筑料土心墙主要料场，有效储量439万m，满足用量之需。A6、A2作为备用料场或可以不用，右坝肩料场作为上下游围堰的防渗土料。A11料场土料因非分散性土、CL土居多数，性能最优，天然含水量大于最优含量，塑性较好，可用为混凝土防渗墙墙项，和墙体插入粘土心墙段的两侧及粘土心墙与混凝板接触面高塑性粘土(或塑性高的粘土)的填筑材料。

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5．粘土心墙采用的工程措施

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粘心墙土石坝，属当地材料类，它的设计原则是“就地、就近取材，因材设计”。仅就防渗土料而言，经过料场勘察、试验及资料分析，择优选用了A10、A11、A8、A7四个土料场，作为填筑粘土心墙的主要料源。设计中除了根据工程等级、稳定、渗流及有限元分析，确定了粘土心墙的填筑标准压实度为≥0.99及轮廊尺寸(粘心墙项宽4m，最大底宽55m，上下游坡比为1:0.25)外，针对该土料为含有分散性土，从偏于安全考虑，按分散性土设计，采用如下工程措施：

(1)按分散性土设计反滤层，防止冲蚀。对分散性粘土，依据莱夫勒滤层准则，要求反滤料的D15≤0.2mm及水利水电科学研究院滤层准则要求反滤料D20≤0.5mm设计了保护粘土心墙的第一层反滤层，Dmax=4.75mm，≤0.5mm的颗粒含量为35%～56%，≤0.2mm的颗粒含量为15%～35%，≤0.075mm的颗粒含量为0%～5%，Cu=3.75～16.5。此反滤料既满足D15≤0.2mm。又满足D20≤0.5mm的要求。

(2)用此反滤料填筑在粘土心墙上、下游和心墙与河床履盖建基面。将粘土心墙包围一起来发挥第一层反滤保护作用。另外，从上、下游反滤层而言，下游比较重要，要求严格一些，必须满足D15≤0.2mm，上游相对宽一些，但采用上下游反滤料相同，减少反滤料种类，加工方便一些。上游采用细的反滤料，除了水位降落时起保护心墙外，又对心墙万一产生裂缝时，起愈合作用。对粘土心墙土石坝来说是偏于安全的。

(3)在粘土心墙两岸岩石建基面，浇注厚度≦50cm混凝土板，为粘土心墙的基础。其作用一是提供一个平整建基面，使粘土心墙与基础连接好，二是起隔层作用，隔断岩基与粘土心墙直接接触，防止基岩裂隙水冲刷防渗体粘土。

(4)在两岸岩基处，心墙粘土基础面比反滤料的基础面高。即心墙粘土填筑在混凝土板上，混凝土板建在岩基上，反滤料填筑岩基上，使反滤层对粘土与混凝土接触缝(两种介质的接触面)，起保护作用。

(5)选择非分散性机理较好的A11料场的土料，作为粘土心墙与基础面的接触粘土，层厚≦1m，并在该层粘土中掺≦1%的石灰，增加钙离子，使其改性为非分散性粘土，以保证心墙的安全。

6．结语

通过该工程防渗土料勘探、试验资料分析，土料的物理、化学、力学性质满足防渗土料的要求。用此土料填筑粘心墙，因含有分散性的土，从偏于安全考虑，采用满足分散性土要求的反滤料，并在该接触粘土中掺≦1%石灰，增加钙离子及混凝板等保护措施，其设计是合理、可行的，正如著名土石坝专家谢拉德(Sherard)所述：“15～20年前发现有两种性质不同的粘土，有一定抗冲刷能力的普通粘土和易冲刷的分散性粘土„„做大的坝也要知道是否是分散性土，如果没有别的土料，也只好采用，只要反滤设计得好，就可防止冲蚀”。“另一个可能是基岩裂隙渗水将土料冲蚀掉，解决的办法是在心墙底部用部分非分散性土，如巴西的Sobradina坝，或在分散性中加石灰、以增加钙离子，使它变为非分散性土，如阿根廷的Ullon坝加入1%～1.5%石灰”。由此可以看出，塔里干工程采用的工程措施与上述精神和成功经验是一致的。

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