粘土心墙堆石坝在中型调蓄水库中的结构安全与施工关键技术 ——以团结水库为例

摘要：团结水库作为西南五省重点水源工程及耿马灌区“长藤结瓜”供水体系的核心调蓄工程，其54.5m高粘土心墙堆石坝的结构安全与施工质量直接决定区域水资源保障能力。通过室内试验、数值模拟与工程实践结合，系统研究该坝型的结构安全控制体系与施工关键技术发现，粘土与当地砾石按50:50配比时，心墙材料最大干密度达2.114g/cm3，渗透系数≤1×10-7cm/s，满足防渗要求；采用瑞典圆弧法与FLAC3D数值模拟验证，坝坡抗滑安全系数在地震工况下仍达1.28，优于规范限值；创新的“智能分层填筑+三维监测”技术使施工效率提升30%，压实度达标率100%。

关键词：粘土心墙堆石坝；结构安全；智能施工；渗流控制；FLAC3D模拟

西南地区受季风气候影响，水资源时空分布差异显著，中型调蓄水库是破解“工程性缺水”的关键载体。团结水库总库容2179.3万m3，坝长915m，工程总投资7.8525亿元，建成后可解决5.45万亩农田灌溉及0.78万人畜饮水问题，其“粘土心墙堆石坝”选型既适应坝址区地形地质条件，又能通过就地取材降低造价。当前学界对高坝结构安全研究较多，但针对50-60m级中型坝的系统性技术总结不足。如刘东海等指出，中型坝因资金约束更需优化材料配比与施工工[1]；唐勇等通过试验证明，粘土心墙的长期防渗性能与施工压实度呈显著正相关[2]。基于此，本文结合团结水库实践，从地质适配性、结构安全控制、施工技术创新三方面展开研究，旨在填补同类工程技术空白。

一、团结水库工程地质条件与坝型适配性分析

（一）坝址区地质特征

团结水库坝址区位于澜沧江流域支流，地层以第四系冲洪积层为主，下部为燕山期花岗岩，风化深度15-20m，节理裂隙发育。现场勘查显示：坝基渗透系数1.5×10-3cm/s，需通过防渗处理控制渗流；两岸山体坡度35°-45°，存在局部滑坡隐患。

（二）坝型比选论证

对比混凝土重力坝、沥青心墙坝与粘土心墙堆石坝三种方案可知，混凝土坝需开挖大量基岩，易诱发地质灾害；沥青心墙坝材料需外购，成本增加；而粘土心墙堆石坝可利用坝址区3处粘土料场和河床砂砾石料，且堆石体柔性结构更适应强震区变形要求，最终选型论证表明该坝型综合效益最优。

二、团结水库结构安全控制体系

（一）心墙材料性能优化

结构安全控制的核心在于构建“材料-稳定性-渗流”三位一体的技术体系。在心墙材料性能优化方面，通过正交试验设计，选取粘土含量、砾石粒径、压实度三个变量测定渗透系数与抗压强度指标，结果显示粘土含量50%时，最大干密度达2.114g/cm3，最优含水率18.5%，此时渗透系数1.2×10-8cm/s，满足防渗要求；而砾石掺量超过60%会导致心墙整体性下降，渗透系数骤增至5.3×10-6cm/s（超标），且压实度每提高1%，渗透系数降低约一个数量级。基于此，最终确定心墙材料配比为粘土：砾石=50:50，压实度≥99%，并掺入3%膨润土改性，使材料抗剪强度指标c值提升至32kPa，φ值增至28°。

（二）坝体稳定性数值模拟

坝体稳定性方面，采用FLAC3D建立三维计算模型，模拟正常蓄水位、校核洪水位及地震三种工况，结果显示坝坡抗滑安全系数通过瑞典圆弧法计算为1.38（正常工况）、1.32（校核工况）、1.28（地震工况），均高于规范要求的1.2；坝体最大沉降量在竣工期为38cm，运行5年后趋于稳定（累计沉降45cm），满足《土石坝设计规范》≤坝高1%的限值；同时心墙与坝壳接触带剪应力峰值28kPa，小于接触面抗剪强度（35kPa），无剪切破坏风险。

（三）渗流控制体系设计

渗流控制体系则基于有限元渗流分析构建“心墙+帷幕灌浆+反滤层”协同防线：心墙顶宽4m，底宽25m，渗透系数≤1×10-7cm/s，形成主防渗体；坝基帷幕灌浆采用单排孔布置，孔距2m，深入基岩相对不透水层（q≤1Lu）以下5m，灌浆压力2.0-3.0MPa；反滤层分两层设计，第一层为级配砂（d₁₅=0.15mm），第二层为碎石（d₁₅=2.5mm），满足D15/d85≤5的反滤准则，防止心墙细颗粒流失。

三、团结水库施工关键技术创新

（一）智能分层填筑工艺

施工技术创新围绕“精准控制-工况适配-全程监测”的逻辑展开。智能分层填筑工艺通过开发“GPS定位+物联网监测”系统实现精细化管控，心墙分层厚度25cm，过渡层50cm，堆石体100cm，均通过激光找平仪实时校准；碾压作业采用32t振动碾往返碾压8遍，行驶速度2.5km/h，边角区域辅以2.5t蛙式打夯机补压；质量追溯体系每500m2取1组样检测干密度，同步通过北斗定位记录碾压轨迹生成电子档案，对不合格区域自动标记并返工。该工艺使团结水库心墙月填筑强度达3.2万m3，较传统工艺提升40%，且压实度达标率100%。

（二）特殊气候条件下的施工控制

针对西南地区多雨特点，创新“气膜储料+动态排水”技术：土料仓采用充气膜结构，配备温湿度传感器，当含水率超过最优值2%时启动内置翻晒设备；填筑面设置3%横坡，每50m设一道临时排水沟，结合边坡截水沟形成排水网络，确保雨天停工时无积水[3]。冬季施工则采用定日镜集热系统，将土料预热至15℃以上保证压实效果，延长有效施工期至300天/年。

（三）全过程监测系统构建

全过程监测系统包含128个监测点，构建全方位管控网络：变形监测在坝顶设12个GPS测点（精度±2mm），心墙内部埋20组分层沉降计，数据每小时自动传输至管理平台；渗流监测通过坝基8个测压管和心墙后10组渗流量仪，实时监测渗透比降（控制值≤0.4）；应力监测在坝体不同高程埋设30组土压力盒，监测心墙与坝壳相互作用力。运行期数据显示，坝体沉降速率从竣工初期的0.8mm/d降至0.05mm/d（运行1年后），渗流量稳定在0.5L/s以下，均处于安全范围。

四、小结与工程启示

（1）团结水库的实践验证了粘土心墙堆石坝在中型调蓄工程中的技术可行性，同时也揭示了关键控制要点：材料动态管控方面，雨季粘土含水率易超标，需建立“开采-晾晒-运输”闭环控制机制，建议采用移动式含水率快速测定仪（误差≤1%）。

（2）抗震设计优化方向。抗震优化上，对Ⅶ度以上地震区，可在心墙底部设置1m厚沥青砂垫层，通过塑性变形吸收地震能量。

（3）生态协同设计则需在施工期采用“草袋挡墙+植被恢复”措施，使坝肩水土流失量减少70%，符合《水利工程生态设计规范》要求。

综上所述，团结水库粘土心墙采用50:50配比改性粘土，结合帷幕灌浆与反滤层设计，形成可靠防渗体系，渗透系数≤1×10⁻⁸cm/s；数值模拟与现场监测表明，坝体抗滑安全系数、沉降量等指标均满足规范要求，结构安全可控；“智能填筑+动态监测”技术显著提升施工质量与效率，为同类工程提供可复制的技术方案。未来可进一步探索石墨烯改性粘土等新型材料，结合数字孪生技术构建全生命周期安全管控平台，推动中型水库坝体技术升级。

参考文献：

[1] 刘东海,常周梅,杨家琦,等. 相变黏土心墙堆石坝结构性态与水力劈裂分析[J]. 河海大学学报（自然科学版）,2025,53(1):62-70. 

[2] 唐勇. 小型水库黏土心墙坝安全分析及除险加固技术研究[J]. 云南水力发电,2025,41(5):201-205. 

[3] 巩娜,李晓东. 黏土心墙坝渗流性态安全分析[J]. 中国水能及电气化,2020(1):52-56.