淺析粘性均質(zhì)土壩土料質(zhì)量控制措施

張浩，黃經(jīng)合

淺析粘性均質(zhì)土壩土料質(zhì)量控制措施

張浩1，黃經(jīng)合2

（1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司第三工程公司，陜西咸陽(yáng)712000；2.陜西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，陜西西安710000）

以南溝門水庫(kù)樞紐大壩工程為例，通過(guò)分析料場(chǎng)初步勘察結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大壩填筑土料存在含水率低、土質(zhì)不均勻的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)技術(shù)分析研究，提出科學(xué)配水、混合開(kāi)采、堆存制備（堆土牛）等綜合控制措施。結(jié)果表明：滿足上壩填筑的壓實(shí)度不小于0.98的設(shè)計(jì)要求，符合質(zhì)量控制要求，竣工驗(yàn)收大壩主體工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，說(shuō)明土料質(zhì)量控制措施可行有效。

均質(zhì)土壩；土料含水率控制；措施

1 工程概況

南溝門水庫(kù)位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，壩址位于葫蘆河河口上游3 km處的南溝門附近，總庫(kù)容2.006億m3，為Ⅱ等、大（2）型工程，樞紐主要建筑物由攔河壩、導(dǎo)流泄洪洞、溢洪道、引水發(fā)電洞、壩后電站等五部分組成。樞紐大壩為碾壓均質(zhì)土壩，壩頂高程852.0 m，最大壩高63.0 m，壩頂寬10 m，壩頂總長(zhǎng)504.43 m。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，壩體填筑總量為357萬(wàn)m3（壓實(shí)方），設(shè)計(jì)要求壩體填筑壓實(shí)度不小于0.98。

工程區(qū)屬中溫帶大陸性氣候，根據(jù)多年氣象資料，年平均氣溫9.4℃，冬季最低氣溫-21.4℃，每年12月～次年3月平均氣溫為2℃～-11℃，根據(jù)《碾壓式土石壩施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，寒冬低溫期不進(jìn)行大壩填筑施工。

2 料場(chǎng)土料現(xiàn)狀及分析

由南溝門水庫(kù)《大壩填筑土料場(chǎng)地質(zhì)勘查報(bào)告》可知：工程指定選取的土料場(chǎng)位于壩軸線上游左岸二、三級(jí)階地及黃土塬邊斜坡地帶，料場(chǎng)土質(zhì)主要為黃土和黃土狀壤土，黃土土層一般較厚，黃土狀壤土厚度較薄且分布不連續(xù)，在30 m深度范圍內(nèi)夾有2～3層厚度2 m左右的黃土狀壤土，在30 m～40 m范圍內(nèi)還分布有2.0 m～4.0 m左右?jiàn)A雜有鈣質(zhì)結(jié)核的土料。

土層基本按照坡勢(shì)走向分布，且土料場(chǎng)呈水平臺(tái)階狀，臺(tái)階寬度差別較大，同一水平面上不同部位土質(zhì)不同，垂直方向上不同深度土質(zhì)也不同。經(jīng)對(duì)料場(chǎng)初步勘察，不同部位和不同深度取樣試驗(yàn)：天然干密度1.21～1.61 g/cm3，天然含水率為9.1%～11.6%，最小值僅7.0%，普遍小于壩體填筑施工控制最優(yōu)含水率。天然土料的土質(zhì)均勻性和含水率均不滿足大壩填筑質(zhì)量控制要求，需對(duì)料場(chǎng)土料進(jìn)行加工制備。

3 土料加工制備措施

根據(jù)土料現(xiàn)狀，結(jié)合均質(zhì)土壩填筑碾壓施工規(guī)范和質(zhì)量控制設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，經(jīng)項(xiàng)目部技術(shù)分析研究，提出了科學(xué)配水、混合開(kāi)采和堆存制備的加工制備綜合措施。

3.1 科學(xué)配水

科學(xué)配水就是對(duì)土料場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)修筑畦塊、測(cè)定天然含水率、計(jì)算配水量、畦塊配水等措施，使土料含水率集中在最優(yōu)含水率附近。

3.1.1 分區(qū)修筑畦塊

根據(jù)土料場(chǎng)的地形、地勢(shì)特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)規(guī)劃，分成不同臺(tái)地。用挖掘機(jī)在不同臺(tái)地大致沿等高線將料場(chǎng)筑成方格，形成畦塊。畦塊大小主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形確定，面積大致控制在200 m2～500 m2左右，畦塊底部力求平整，高差應(yīng)控制在10 cm范圍內(nèi)，畦梁高度一般控制在1 m左右。典型畦塊主要參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1.2 土料配水

（1）最優(yōu)含水率確定。在各區(qū)域取相同數(shù)量的土樣進(jìn)行拌合形成混合土樣，對(duì)混合土樣采用干法制備成試驗(yàn)土樣。對(duì)試驗(yàn)土樣采用輕型擊實(shí)法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)確定最優(yōu)含水率。經(jīng)試驗(yàn)，土料最優(yōu)含水率在16.5%左右。

（2）天然含水率測(cè)定。在畦塊內(nèi)采用人工洛陽(yáng)鏟打探孔取土樣進(jìn)行天然土料天然含水率的測(cè)定，人工洛陽(yáng)鏟每50 cm深度取土樣一組。各畦塊土料天然含水率見(jiàn)表2。

表1 畦塊主要參數(shù)表

表2 土料天然含水率表

表3 土料配水量計(jì)算表

（3）配水量計(jì)算。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）中擊實(shí)試驗(yàn)加水量的計(jì)算公式計(jì)算單位體積土料應(yīng)加水量。

式中，mw為土料所需加水質(zhì)量，t；w0為土料天然含水率，%；m為風(fēng)干含水率時(shí)的土料質(zhì)量，t，土料天然干密度平均值為1.35g/cm3；w為土料所要求的含水率，根據(jù)最優(yōu)含水率結(jié)合氣象條件綜合確定，﹪。

再根據(jù)畦塊面積、配水深度（開(kāi)采深度），計(jì)算畦塊配水量，詳見(jiàn)表3。

（4）畦塊配水。采用潛水泵抽取河道水進(jìn)行畦塊土料配水，輸水管道上安裝水表，以控制畦塊內(nèi)的注水量。注水應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，中間不得間斷，注水量應(yīng)嚴(yán)格按照計(jì)算配水量進(jìn)行，不得超加或少加。

3.2 混合開(kāi)采

混合開(kāi)采就是對(duì)同一開(kāi)采面上下層土料進(jìn)行摻混開(kāi)采、不同開(kāi)采面土料同時(shí)搭配開(kāi)采，使同一開(kāi)采面上下層不同含水率、不同土質(zhì)的土料進(jìn)行初步混合，同時(shí)為堆存制備時(shí)不同部位土料二次充分混合提供條件。由土料配水試驗(yàn)知，土料待滲期為26天，期滿后進(jìn)行土料含水率測(cè)定，含水率大部分集中在15%～19%，即可進(jìn)行土料開(kāi)采。

3.2.1 開(kāi)采原則

依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和條款，土料開(kāi)采遵循原則：高料高用、低料低用；先配水先開(kāi)采；含水率偏高土料與偏低土料搭配開(kāi)采。3.2.2混合開(kāi)采

因料場(chǎng)水平方向上不同部位、垂直方向上不同深度的土質(zhì)不均，致使土料在配水時(shí)水的下滲速度和單位面積下滲量均不相同，形成配水后土料含水極為不均，加之土層含有黃土狀壤土和鈣質(zhì)結(jié)核土料夾層，故應(yīng)對(duì)同一開(kāi)采面上下層土料進(jìn)行摻混開(kāi)采，在裝車時(shí)翻倒均勻、初步混合。不同開(kāi)采面的土料土質(zhì)也不盡相同，土料含水率有的偏高、有的偏低，單一開(kāi)采面土料大部分不能滿足填筑質(zhì)量控制要求，故應(yīng)對(duì)不同開(kāi)采面同時(shí)搭配開(kāi)采。

采用立面開(kāi)采方式，開(kāi)采深度根據(jù)各畦塊土料配水深度及土料配水后含水率的檢測(cè)值進(jìn)行確定。應(yīng)至少保證3個(gè)不同工作面同時(shí)進(jìn)行開(kāi)采，同一工作面的上下層土料在裝車過(guò)程也應(yīng)注意翻倒均勻，確保土料均勻搭配。開(kāi)采過(guò)程中要不定時(shí)對(duì)各開(kāi)采面的土料含水率進(jìn)行測(cè)定（詳見(jiàn)表4），若發(fā)現(xiàn)土料整體含水率偏高或偏低，應(yīng)及時(shí)對(duì)開(kāi)采面進(jìn)行調(diào)整，以確保開(kāi)采面的混合土料含水率始終保持在最優(yōu)含水率附近。

3.3 堆存制備

混合開(kāi)采的土料在裝車時(shí)只是同一開(kāi)采工作面的土料進(jìn)行了初步翻倒混合，含水率和土質(zhì)不均勻問(wèn)題依然存在，達(dá)不到上壩填筑要求。堆存制備就是將至少3個(gè)不同工作面混合開(kāi)采的土料通過(guò)高臺(tái)插花卸料、二次混合堆放、窩存等制備措施，解決土料配水后含水率不均勻、土質(zhì)不均勻問(wèn)題，使土料質(zhì)量達(dá)到上壩填筑的技術(shù)要求。

3.3.1 混合堆放

用20 t自卸汽車將開(kāi)采的土料運(yùn)至土料制備場(chǎng)，并將取自不同取土部位和不同含水率的土料從高臺(tái)向下插花卸料，用推土機(jī)向下推料，使土料在下卸過(guò)程中利用高差進(jìn)行二次混合，達(dá)到土料含水率和土質(zhì)趨于相對(duì)均勻。

每天不定時(shí)對(duì)堆存“土牛”坡面含水率進(jìn)行測(cè)定（詳見(jiàn)表5），若發(fā)現(xiàn)局部含水率偏高或偏低，應(yīng)及時(shí)對(duì)各工作面運(yùn)輸車輛的卸土位置進(jìn)行調(diào)整，以確保堆存“土?！钡耐亮虾时３衷谧顑?yōu)含水率附近。

3.3.2 窩存熟化

土料窩存熟化就是在土料經(jīng)高臺(tái)卸料、二次混合和堆放后，進(jìn)一步“熟化”，以達(dá)到土質(zhì)和含水率均勻。

每個(gè)堆放制備“土?！倍汛嫱旰螅话阕钌傩枰C存7天，土料的土質(zhì)、含水率才能達(dá)到均勻，7天后對(duì)“土?！蓖亮线M(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，確定最大干密度和最優(yōu)含水率，作為該“土?！蓖亮蠅误w填筑的質(zhì)量控制指標(biāo)。

3.4 高溫、雨季含水率調(diào)整

根據(jù)《碾壓式土石壩施工技術(shù)規(guī)范》要求，壩體碾壓時(shí)必須對(duì)土料含水率進(jìn)行嚴(yán)格控制，土料含水率應(yīng)控制在最優(yōu)含水率±3%范圍內(nèi)，故不同時(shí)期應(yīng)對(duì)制備土料含水率進(jìn)行適時(shí)調(diào)整：根據(jù)南溝門水庫(kù)氣象和土料條件，高溫季節(jié)考慮水分損失，配水時(shí)適當(dāng)提高土料含水率2%左右；雨季適當(dāng)降低土料含水率2%左右。實(shí)踐證明，不同季節(jié)對(duì)土料含水率進(jìn)行調(diào)整是可行的。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

土料窩存期滿后，即可開(kāi)始拉運(yùn)土料進(jìn)行壩體填筑。在堆存的“土?！表敳坎捎肏P160推土機(jī)斜推供料，斜推供料的過(guò)程也是對(duì)土料進(jìn)一步混合均勻的過(guò)程，ZL50裝載機(jī)在下部裝20 t自卸汽車?yán)\(yùn)至大壩填筑工作面進(jìn)行壩體填筑，碾壓結(jié)束后，人工環(huán)刀檢測(cè)壓實(shí)度，按1次/200～500m3次數(shù)進(jìn)行取樣（檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6）。

南溝門水庫(kù)樞紐大壩工程平均每天的填筑量為1.2萬(wàn)m3，最大日填筑強(qiáng)度為2.1萬(wàn)m3，最大月填筑量為45萬(wàn)m3。通過(guò)對(duì)料場(chǎng)土料進(jìn)行科學(xué)配水、混合開(kāi)采、堆存制備等綜合措施控制，壩體填筑施工既滿足了工期要求，又符合質(zhì)量控制要求，竣工驗(yàn)收大壩主體工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，說(shuō)明土料質(zhì)量控制措施可行有效。故黃土地區(qū)均質(zhì)土壩填筑施工土料控制可借鑒以上控制措施。

4.2 建議

（1）土料制備前應(yīng)對(duì)土料現(xiàn)狀進(jìn)行測(cè)定分析，以科學(xué)準(zhǔn)確確定配水量；

（2）土料制備過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)含水率的測(cè)定，以隨時(shí)調(diào)整開(kāi)采面和堆放位置。

Elementary Analysis of Material Quality Control Measures of Sticky Homogeneous Soil Dam

Takingthe damproject ofNangoumen reservoir as an example,through the analysis ofthe material field preliminary investigation,there are some problemsuch as the damembankment material lowin water content,uneven soil. Through technology analysis and research,the article puts forward the scientific water distribution,mixed mining,storage preparation and other comprehensive control measures.The results showthat the design requirement ofthe compaction degree ofthe damfillingis not less than 0.98,which meets the requirements ofquality control.The completion acceptance ofthe main damproject quality is good and indicates that soil quality control measures are feasible and effective.

Homogeneous earth dam；soil moisture control and measures

表4 開(kāi)采工作面土料含水率檢測(cè)表

表5 制備土料過(guò)程“土?！焙蕶z測(cè)統(tǒng)計(jì)表

表6 壩體壓實(shí)度檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

TV641.2

B

1673-9000（2017）02-0112-03

2017-01-11

張浩（1974-），男，陜西岐山人，工程師，主要從事水利水電工程施工工作。

Zhang Hao,Huang Jinghe

（1.No.3 Engineering Company,No 15 Engineering Bureau of China hydropower construction group Xianyang 712000, Shaanxi；2.Shaanxi provincial water resources group Ltd.Xi'an 710000,Shaanxi）