红粘土心墙填筑质量检测

红粘土心墙填筑的质量检测

云南润邦工程咨询有限公司总工办

2014年3月于昆明

红粘土心墙填筑的质量检测

目录

前言..................................................1

一、红粘土心墙的质量要求..............................2

二、红粘土心墙填筑的质量检测..........................4

（-）坝面取样及检查次数..............................5

（二）压实土层的质量检测..............................6

1、取样方法............................................6

2、含水率检测.........................................6

3、干密度检测.........................................7

4、压实度检测.........................................7

5、渗透系数检测.......................................8

6、压实土层厚度检测....................................9

7、剪力破坏检查.......................................9

8、弹簧士检查.......................................10

9、雨后浸水分层检查.................................10

10、冰冻破坏土层检查................................11

（三）上下土层间结合面质量检查......................11

1＞松土层检查.......................................11

2、干土层检查.......................................12

3、光面结合检查.....................................12

4、剪力破坏检查.....................................13

5、土块富集检查.....................................13

（四）分段接缝和山坝接缝质量检测...................14

1、分段接缝质量检测.................................14

2、山坝接缝质量检测.................................14

2

红粘土心墙填筑的质量检测

陶银昌

云南润邦工程咨询有限公司昆明650200

［摘要］水利工程中碾压式土石坝的粘土心墙，主要起防渗作

用。施工质量要求整体心墙填土应达到致密状态。本文结合

长期施工经验，详细阐述了红粘土心墙填筑应从逐层填土质

量、层间结合质量和分段碾压接缝及两岸山坝接缝质量三方

面进行检测。是对土石坝施工规范的深刻诠释，值得广大水

利工作者学习。

［关键词］红粘土心墙填筑质量检测

1刖1—§1­

我国云南、贵州、四川和广西等省区内，分布有丰富的

红色粘土。红粘土是由碳酸盐类岩石在湿热的自然环境中，

经长期风化、淋洗而形成的土料，这些省区的碾压式土石坝

的粘土心墙，大多数是红粘土心墙。

红粘土的特点是自然土含水率高，粒径小于0.005mm的

粘粒含量高和胀缩性高，但压实干密度低，是典型的“三高一

低”土料。并且土中含水率对压实功能非常敏感，往往同一

种土料在相同的压实功能下，含水率仅相差2%,偏高含水

率土料就出现剪力破坏，所以工程界用红粘土比较“娇气”

来形容其敏感性。但是，红粘土具有稳固的团粒结构，压实

后st干密度值偏低、但仍能满足设计承载力的要求，并且有

较小的渗透系数。因此，红粘土仍可作为以防渗为主要求的

土石坝防渗体填筑料。

红粘土有含砂砾和不含砂砾两种土。含砂砾的红粘土是

砾石土的一种，因其含砂砾而比重稍大，若砂砾含量少于

50%,是一种优良的防渗体土料。不含砂砾的是纯粘土，比

重小，具有上述“三高一低，，等性质。为改善纯粘土比较，，娇

气”的敏感性，工程上采用纯粘土中掺砾石的措施，使纯粘

土变成砾石土，既增加了比重，还提高了压实土的抗剪强度,

使掺砾红粘土在压实时即使含水率偏高一点，也不易产生剪

力破坏，同时掺砾红粘土的胀缩性也降低了，更提高了承载

能力。因此，掺砾石红粘土常用在100m以上高土石坝的心

墙防渗体中，但增加了工程投资。所以，中低土石坝的防渗

体土料，以使用自然纯红粘土的占绝大多数。

粘土心墙担负着土石坝体渗透稳定的重要责任，因此，

粘土心墙填筑质量必须得到高度重视。特别是红粘土心墙，

因为红粘土属于“娇气”的特种土料，填筑质量更应引起重

视。

一、粘土心墙的质量要求

要使粘土心墙具有较好的防渗能力，就一定要使整体心

墙填土达到非常致密的状态，工程上用填土的干密度值来考

量，要求干密度值达到该粘土室内标准击实试验最大干密度

2

值的96%〜100%,这个百分数称为压实度，对1、2级坝及

高坝为98%〜100%,3级以下的中低坝为96%〜98%。

由粘土料的物理性知晓，对应击实试验最大干密度值的

粘土含水率称为最优含水率。反过来说，当粘土料含水率为

最优含水率时，用标准击实仪击实该粘土料，才可能达到最

大干密度值。但粘土料施工时，不可能将料场开采的粘土都

调整到最优含水率的，只能调整到粘土料最优含水率附近。

根据施工经验，料场开采土料的含水率应调整到比最优含水

率低2%和高3%范围内。

《碾压式土石坝施工规范》DL/T5129-2001,在总结了我

国土石坝施工经验的基础上结合技术发展的要求，提出粘土

防渗体填筑压实采用含水率，干密度或压实度三个量化指标

控制。采用含水率、干密度或含水率、压实度指标控制，称

为单控；采用含水率、干密度、压实度三个指标控制，称为

双控。对大中型工程，应采用双控，只有小型工程才采用单

控。无论是单控还是双控，干密度和压实度相对于设计指标

的合格率都不应小于90%,不合格样品的数值应不低于设计

指标的98%,并且应分散分布。

碾压式土石坝的粘土心墙填筑，采用的是薄层铺土碾压

的方式，这就必然带来上下层填土层间结合的质量问题。如

果各填筑层本身质量优良，但各层间结合存在松土层、干土

层、土块富集、剪力破坏和光面结合等质量问题，库水就能

3

顺利透过有问题的层间结合面过多的渗向下游，很可能形成

集中渗流，导致坝体出现渗透破坏。因此，粘土心墙填筑必

须重视上下填筑层的层间结合质量的检查。

再有，粘土心墙填筑时是在坝长方向分段铺土碾压的，

分段长度50m〜70nl不等，各分段间就存在接缝，并且粘土

心墙必定要与两岸山坡相接触，这就使粘土心墙填筑中不可

避免存在分段接缝和两岸山坝接缝的填土质量问题。如果分

段接缝和山坝接缝在填筑中发生漏压、欠压而存在贯通上下

游的松土层，其后果必然出现集中渗流，最终导致坝体发生

渗透破坏。所以，粘土心墙填筑还必须重视分段接缝和山坝

接缝的质量检测°

粘土心墙的防渗能力，《碾压式土石坝施工规范》DL/T

5129-2001中要求渗透系数值kVlXlcTcm/s.由大量试验

知，含水率、干密度和压实度合格的压实红粘土，渗透系数

都能满足规范要求。特别是红粘土，坝面试坑双环注水试验

得出的渗透系数,可达k=l*10"cm/s—lX10"m/s,比设计

规范要求的渗透系数值还小10倍以上

二、红粘土心墙填筑质量检测

红粘土心墙填筑质量检测，包括质量检查和取样测试两

部分内容。对刷浆、刨毛、洒水、超欠漏压、接缝及边线、

上下土层结合面等有形无数值表达的质量，采用观察、触摸、

挖坑、锤击等方法检查，按设计及规范要求比对衡量，并结

4

合以往筑坝经验进行分析、判断和评价。对长度、宽度、厚

度等线形尺寸，采用钢尺丈量，高程用水准仪观测。对土料

的物理、力学性指标和填筑质量指标，采用现场取样送试验

室试验、计算的方法测试。

（一）坝面取样及检查次数

心墙粘土填筑压实质量中含水率、干密度指标取样检测

次数，根据DL/T5129-2001《碾压式土石坝施工规范》规定:

碾压面每lOOrrP〜200m3检测1次，辿角夯实部位每层2~3

次，并且在所有压实可疑处及坝体所有结合处进行抽查取

样，测定含水率和干密度。

心墙粘土填筑土层其他压实质量、上下土层结合面质量

及分段接缝和山坝接缝质量，上述规范雎没有具体规定检查

次数，考虑到这是一项十分重要的检查，参考以往土石坝心

墙粘土填筑土层、上下土层结合面及分段和山坝接缝检查次

数：碾压面每碾压段检查2~3次，边角夯实部位及接缝每

层2〜3次。

在粘土心墙施工过程中，若发现粘土色泽、含砾等情况

有明显变化时，应及时取样进行室内击实试验，提出新的最

优含水率和最大干密度值，以指导料场采土和坝面填土作

业，调整保证粘土压实质量的施工措施。

由于压实度是由坝面填土取样检测干密度与同一土料击

实试验最大干密度相比计算得出的，因此，压实度的检测次

5

数应与干密度检测次数相同。

（二）压实土层的质量检测

1,取样方法

心墙填筑压实土层的质量检测，应采用比较规则的每碾

压段“对角线取样法”，即把碾压段上卜游对角线等分成三

段，在每段的中点附近取样。每碾压段取干密度试样1~2

个，检查压实层和结合面质量2〜3个点，其中1个点与干

密度试样点重合。

取样点与检查点采用挖坑法检测，先把样点表面松土刨

去，露出50mx50m压实土面，若是取干密度试样，再把面

层压实土挖去约5cm〜9cm深，然后在中下土层内打入环刀

取样，若是检查压实层和结合面，则不挖除面层压实土。不

论取样点还是检查点，都使用十字镐将样点40cmX40cm面

积的压实土层整块挖出翻转，取出环刀土样装入塑料袋内送

工地试验室，然后对试坑和挖出的压实土层进行检查。

2、含水率检测

心墙压实土含水率检测，宜用烘箱烘干法或红外线烤干

法，但铺土时含水率检测可用酒精燃烧法。

含水率试样土料在干密度试样中取得，每样平行做2次,

取算术平均值作为检测结果，2次含水率数值差应小于1.0%

否则应重做。

含水率用下式计算:

6

3=gs/gsX100%

式中：3——土料含水率(％)

gs——土样水重(g),数值等于土样湿土重减去

干土重；

gs——土样干土重(g),土样烘干后用天平称

得的重量。

3、干密度检测

使用直径100mm、高度63.7mm、体积500cm3的钢环刀

取样，取样部位为压实土层的中下部。

干密度用下式计算

g湿

P干=—(g/cm3)、P湿=---(g/cm3)

式中：P干一一压实土的干密度(g/cm3)；

P湿---压实土的湿密度(g/cm3)；

v——环刀体积(cm3)；

g湿---环刀内湿土重量(g)；

3——环刀内土的含水率(%)o

因为环刀内土的含水率是应用烘箱烘干八小时以上得出

的，若需要很快知晓试样干密度是否合格，可以用酒精燃烧

法测得的铺土含水率来试算干密度，判定试样合格与否，及

时通知坝面继续刨毛、洒水、铺土作业。

4、压实度检测

7

对纯粘土可使用内径102mm的轻型标准击实仪做土料

击实试验，对含砂砾的粘土，应该使用内径152mm的重型

标准击实仪做土料击实试验，并且对于粒径大于20mm的砾

石用锤击碎后重新掺入土中，用“四分法”选取击实试验用

±o因为土工试验规程要求，用轻型击实仪的土料应过5mm

筛，用重型击实仪的土料应过20mm筛。含砂砾的粘土过

5mm筛后用轻型击实仪得出的最大干密度一定小于含砂砾

粘土全料用重型击实仪得出最大干密度。含砂砾粘土填筑心

墙时，是不需要将土料过5mm筛或20mm筛的，大环刀取

样检测干密度，也不需要筛除5mm以上砾石的，测得干密

度是含砂砾粘土全料的干密度。

检测压实度时，若用坝面含砂砾压实土全料干密度除以

筛除5mm以上砾石的细料最大干密度，使压实度值偏大，

甚至压实度值大于1.10,这是十分虚假的。所以，压实度应

采用下式计算：

D=P干/PmaxX100%

式中：D——压实度(%)；

P干一坝面压实土全料样品干密度(g/cm3)；

Pmax——与坝面压实土同一土料全料击实试验最

大干密度(g/cm3)o

5、渗透系数检测

心墙填筑粘土的渗透系数检测，采用试坑双环注水法。

8

参见SL237-1999《土工试验规程》中原住渗透试验和

SL345-2007《水利水电工程注水试验规程》中试坑双环注水

试验条款。检测次数按设计要求，按以往心墙坝设计要求，

心墙填土渗透系数，心墙每填高5m〜8m检测1次。

6、压实土层厚度检测

在坝面取样点和检查点，用十字镐将40cmX40cm压实

土层整块挖出翻转，用钢尺测量土层厚度。通过粘土料碾压

试验，已经知晓铺土厚度与压实土层厚度的关系。例如：铺

土厚度25cm时压实土层厚度应是17cm〜19cm。若压实土层

厚度大于20cm,反应铺土偏厚，填土层可能得不到有效压

实，干密度值偏小甚至不合格，结合面可能存在松土，土层

透水性增强，填土整体质量下降。所以，必须严格控制铺土

厚度，宁薄勿厚。

7、剪力破坏检查

仔细观察取样点和检查点挖出的土块，若存在明显的水

平向层状破裂，这就是填土层剪力破坏。

产生填土层剪力破坏的原因，一是土料含水率超过碾压

试验确定的施工参数上限，二是超压。

产生填土层剪力破坏后，降低了填土的抗剪强度，特别

是若心墙发生“拱效应”的情况时，会增加不利后果。

若填土剪力破坏较轻微，可以不处理。若大范围甚至是

全碾压段都是严重的剪力破坏，则必须挖除已破坏的全部土

9

层处理。

8、弹簧土检查

心墙填土遭到反复多次碾压时，土层先产生剪力破坏，

接着土粒间的自由水大量游离出来，在土层加剧剪力破以的

同时，土层发生在碾轮处卜陷，碾轮过后土层回弹的情况，

形成了弹簧土。

弹簧土常发生在运坝壳料汽车过心墙的路下，为防止该

处心墙填土遭汽车反复碾压成弹簧土，应在汽车过心墙的路

上铺砾石土保护。该处心墙需要填筑时，用挖掘机挖除砾石

土后，就可以恢复心墙继续施工作业。

弹簧土唯一的处理方法是全部挖除。

9、雨后浸水分层检查

红粘土有胀缩性较大的特点，所谓胀缩性就是压实后的

红粘土，受到外水浸入后土层就会膨胀而产生鼓突，但压实

土遭晾晒失去水分时土体产生收缩而出现龟裂，缝宽可达

10mm〜20mm。所以心墙已压实的红粘土，遭遇一天以上降

雨过程后，土层上部因吸水而产生水平向层状胀裂，如千层

饼状，这就是浸水分层。遭遇降水时间越长，分层越严重，

破坏深度也越深。

压实的粘土产生浸水分层后，一方面含水率较大地超过

了填筑标准，另一方面破坏了填土的密实结构，存在水平向

分层裂缝，增加了透水性。因此，5cm以上深度的浸水分层

10

必须挖除，5cm以下的浸水分层，可用反复刨毛的措施耙松

分层土晾晒，待含水率降到施工参数范围内时，铺上薄层新

土再碾压的方法处理。所谓薄层新土，就是新铺土与浸水分

层耙松土的总厚度比正常施工铺土厚度少2cm〜3cm。

10、冰冻破坏土层检查

冬季施工时，若遭遇一天以上寒潮来袭，已压实土层表

部土粒间的自由水结冰膨胀，气温回升使土中的冰晶融化

后，受冻土层出现酥松现象，这就是被冻坏的土层。

如果被冻坏的土层不深，在5cm以内时，采用加深刨毛

反复耙松，再铺上薄层新土碾压的方法处理。若被冻土层厚

度超过5cm,可以把超厚部分土层用推土机推去后，再刨毛

耙松铺薄层新土后碾压的方法处理。

（三）上下土层间结合面质量检查

1、松土层检查

结合面上松土层检查，就是观察上下土层结合面是否存

在未被压实的连片松土。所谓松土层，是土料含水率在施工

参数范围内，但土粒之间未相互紧密粘结而明显地存在空

隙，极易看清楚的。

松土层的危害是使该层填土透水率大幅增加，影响心墙

防渗效果。

造成结合面产生松土层的原因是铺土偏厚、土料含水率

偏低和碾压遍数偏少。

11

若压实土层不厚，在正常数值范围内，松土也不严重，

可以采取补压2〜4遍措施，使松土得到压实。若压实土层

偏厚较多，经验表明采取补压措施毫无效果，因为土层中上

部已被压实而形成了硬壳，补压的力已不能有效地传到结合

面，松土仍得不到压实，反而造成上部土层因超压产生剪力

破坏。这种情况的处理方法，必须用推土机把上部超厚部分

土层推去再补压。

2、干土层检查

所谓干土层，是土料含水率低于施工参数下限。

结合面出现干土层的原因，一是铺土前未洒结合水，使

刨毛出的土干硬，二是后退法铺土的卸土堆未及时平土而被

烈日晒干表面土粒，平土时干土被压在结合面上，即使铺土

厚度正常并用偏多的遍数碾压，也不可能把结合面上的干土

压实。

结合面存在干土层的危害，是使该层填土透水率大幅增

加，影响心墙防渗效果。

干土层的处理方法，因为无法改变干土层的含水率，补

压不会有效果。所以，只有将该层填土全部挖除的办法处理。

3、光面结合检查

产生层间光面的原因是下层土面未刨毛或刨毛太马虎，

并且未洒结合水或结合水已被阳光晒干，使上下层填土不能

很好贴紧而存在界面，增加结合面透水率。

12

若光面不严直，上层土也不厚，采用补压方法处理。若

光面范围大又未洒结合水，则采用全部挖除上层填土处理。

4、剪力破坏检查

结合水洒得太多，造成结合面高含水土层产生剪力破坏。

结合面上土的剪力破坏都很薄，仅有1cm〜2cm,不扰动上层

填土层时，结合面虽隹已产生剪力破坏，但上下土层是紧贴的,

不会增加结合面透水率。所以，若结合面上剪力破坏不严重,

可以不处理；若结合面连同上层填土都产生严重的、大范围

的剪力破坏，则必须挖除已遭破坏的全部填土处理。

5、土块富集检查

造成结合面上土块富集的原因，一是刨毛遍数少，刨出

的土块未得到破碎，二是土料开采投入机械少，天然土中的

土块未得到粉碎，使运到坝面的土中夹有较多大小土块，平

土时卸土堆表面的土块会先滚到结合面上富集，上层铺土碾

压时，碾压力不能使结合面上的土块被有效压实，不难观察

到土块间存在空隙。正是这些空隙形成透水通道，降低了心

墙防渗效果。

若土块含水率在施工参数范围内，上层填土也不厚，可

以采用补压的措施处理，但要注意补压力不应使上层填土产

生剪力破坏。

若土块是干硬性的，则补压不起作用，只有将该层填土

全部挖除处理。

13

（四）分段接缝和山坝