水利工程土壩土料制備工藝及措施

趙杰

（寧夏六盤(pán)山水務(wù)有限公司，寧夏 固原 756000）

1 引言

土壩作為一種擋水建筑物，可以適應(yīng)眾多氣候條件和地質(zhì)條件，在水利工程中得到了廣泛的應(yīng)用。水利工程土壩在建設(shè)中可以就地取材，土料、石料、砂礫等均可用于施工，因此，為保證水利工程大壩建設(shè)質(zhì)量，對(duì)水利工程土壩土料制備工藝以及質(zhì)量控制措施進(jìn)行研究，有著非常重要的指導(dǎo)意義。

2 水利工程土壩土料的特點(diǎn)

1）就地取材。水利工程土壩土料可以就地獲取原料，減少工地外線運(yùn)輸量以及水泥、鋼材、木材損耗量。特別是在土壩設(shè)計(jì)與施工技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，對(duì)筑壩材料的要求進(jìn)一步放寬，幾乎任何當(dāng)?shù)赝亮暇芍蝃1]。

2）適應(yīng)性強(qiáng)。水利工程土壩土料可以適應(yīng)多種差異化地質(zhì)、地形、氣候條件，并可適應(yīng)高烈度地震區(qū)、氣候惡劣區(qū)、工程地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)。

3）類(lèi)型多樣。水利工程土壩土料類(lèi)型多樣，包括土質(zhì)土、巖石兩大類(lèi)別，僅土質(zhì)土就包括砂土、種植土、輕亞黏土、含根種植土、淤泥土、黏土、干淤泥、干燥黃土、堅(jiān)硬黏土、含卵石黏土、礫質(zhì)黏土等。

4）造價(jià)低。水利工程土壩土料可以利用大功率、高效率、多功能施工機(jī)械一次性取料制備，作業(yè)效率較高，建造價(jià)格較低。而結(jié)合試驗(yàn)手段、巖土力學(xué)理論、計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，可以在保證大壩土料安全可靠性的同時(shí)，進(jìn)一步降低大壩土料建造價(jià)格[2]。

3 水利工程土壩土料制備工藝

3.1 注水

在水利工程土壩土料含鹽量滿(mǎn)足施工要求但含水量低于土壩要求3%以?xún)?nèi)，且上部2.5 m 范圍內(nèi)土料天然含水量偏差較大時(shí)，需要借助溝槽注水手段進(jìn)行土料天然含水量調(diào)整，直到水分在土料內(nèi)基本浸潤(rùn)均勻，方可經(jīng)反鏟立式開(kāi)采結(jié)合翻倒混合手段進(jìn)行運(yùn)輸挖裝。同時(shí)對(duì)含水量進(jìn)行檢測(cè)，若含水量仍然低于土壩施工要求，則開(kāi)展一次霧噴補(bǔ)充水分[3]。

根據(jù)水利工程土壩施工季節(jié)的變化，所需土料含水量也有一些差別。在溫度較高的夏季，可以選擇稍高于或接近最優(yōu)含水量的土料，并在土壩面層結(jié)合面補(bǔ)充水分，減少土料挖裝拉運(yùn)期間的含水量損失；而在溫度較低的冬季，則需要選擇稍低于最優(yōu)含水量的土料。一般水利工程土壩體填筑土料壓實(shí)度要求達(dá)到0.98 及以上，對(duì)應(yīng)的土料最優(yōu)含水率達(dá)到17%及以上，在土料天然含水率無(wú)法達(dá)到規(guī)范要求的情況下，需要人工注水。在人工注水前，根據(jù)天然含水率，結(jié)合土料堆場(chǎng)儲(chǔ)量，進(jìn)行注水量的推算，邊開(kāi)挖邊注水制備土料，并隨時(shí)開(kāi)展土料含水率（上層、下層接合面含水率）試驗(yàn)，為土料含水率控制提供依據(jù)。若含水率低于規(guī)范值，則繼續(xù)注水；若含水率達(dá)到規(guī)范值，則停止注水；若含水率超過(guò)規(guī)范值，則翻開(kāi)晾曬，避免過(guò)多水沿夾層滲漏造成的安全事故。

3.2 摻配

摻配是一種適用于高含水量土料制備的工藝，要求將高位區(qū)域低含水量土料與土壩局部基礎(chǔ)開(kāi)挖的高含水量土料均勻摻和，減少棄土與土料處理費(fèi)用。在摻配過(guò)程中，需要隨時(shí)測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)土料含水率，確定恰當(dāng)?shù)谋壤捎猛诰驒C(jī)現(xiàn)場(chǎng)翻倒高含水量與低含水量土料，滿(mǎn)足大面積、近距離流水作業(yè)要求。摻配工藝的應(yīng)用可以保證摻和后土料含水率相對(duì)均勻，提高開(kāi)挖廢棄土料利用率，充分實(shí)現(xiàn)就地取材，但是對(duì)高含水率土料與低含水率土料的摻和比例要求較為嚴(yán)格，整體施工效率不高，時(shí)間空間有限，且不適用于土質(zhì)差別較大的土料，也不利于土壩主體填筑質(zhì)量管控。

一般摻配工藝適用于土壩土料開(kāi)采深度內(nèi)平均含水量、土料最優(yōu)含水率偏差大于3%且土料性質(zhì)分層分布較為均勻的情況。具體摻配操作時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)先進(jìn)入料場(chǎng)開(kāi)挖區(qū)域，然后，朝著同一個(gè)方向反鏟約4.5 m，反鏟期間人工不間斷松土，使土料散開(kāi)。在松土及土料散開(kāi)的過(guò)程中，含水率損失約為16%±1%。然后采用挖掘機(jī)斗，輪換從高處甩出干濕度明顯不同的土料，促使甩運(yùn)土料相對(duì)均勻。在甩運(yùn)的基礎(chǔ)上，堆積成“土牛”，確保土料相對(duì)均勻。“土牛”制備主要是選擇距離填筑土壩地段較近且整體與用地規(guī)劃相符合的場(chǎng)地，先行剝除料場(chǎng)堆土底部覆蓋層，再在可開(kāi)采深度內(nèi)，經(jīng)推土機(jī)進(jìn)行進(jìn)占法卸除土料，土料卸除期間根據(jù)含水量檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行“土牛”坡面霧狀噴水，或者經(jīng)洛陽(yáng)鏟鉆孔注水，確保最終土料含水量與規(guī)范要求相符。

3.3 翻曬

在土料含水率超出土壩土料最優(yōu)含水率6%且施工區(qū)域晴天多、氣溫高時(shí)，可以利用翻曬法處理，簡(jiǎn)單高效，滿(mǎn)足流水作業(yè)要求。常用的方法為壩面鏵犁翻曬法。應(yīng)用壩面鏵犁翻曬法時(shí)，技術(shù)人員可以根據(jù)土壩施工內(nèi)容，人工劃分進(jìn)占填筑區(qū)、翻曬區(qū)、碾壓區(qū)、檢測(cè)區(qū)，結(jié)合氣候特征，先在進(jìn)占填筑區(qū)利用20 t 振動(dòng)碾碾壓高含水率鋪料，促使土料固結(jié)，再在溫度高于20 ℃時(shí)堆放到相對(duì)平坦開(kāi)闊區(qū)域鏵犁翻曬，根據(jù)土料固結(jié)情況，調(diào)整翻曬遍數(shù)，確保土料含水率達(dá)到土壩施工規(guī)范要求。

3.4 堆存

堆存是水利工程土壩土料的主要制備措施，土料處理人員應(yīng)落實(shí)先堆料先用、后堆料后用的原則，由土料制備場(chǎng)外側(cè)出發(fā)向內(nèi)側(cè)推進(jìn)，借助20 t 自卸汽車(chē)，從高8 m 及以上位置卸除土料，卸料平臺(tái)為長(zhǎng)方形，與土料制備區(qū)域長(zhǎng)邊成90°。根據(jù)土料取土位置差異、含水率差異，在土料制備區(qū)域穿插卸除土料，利用土料下卸過(guò)程中的高度差，促使土料含水率趨于相對(duì)均勻，滿(mǎn)足上部土壩土料設(shè)計(jì)要求。在卸料堆存期間，應(yīng)注意控制機(jī)械操作速度，限定下坡時(shí)車(chē)輛速度小于20 km/h，平路行駛時(shí)車(chē)輛速度不超過(guò)30 km/h，確保堆存過(guò)程安全進(jìn)行。

4 水利工程土壩土料處理措施

以寧夏固原何家溝水庫(kù)大壩工程為例。

4.1 土料勘察

土料勘察是水利工程土壩土料處理的前提。在均質(zhì)碾壓式土壩土料由傳統(tǒng)細(xì)粒土擴(kuò)大到類(lèi)黃土、黃土、風(fēng)化殘積土、沙壤土的背景下，土料處理人員應(yīng)根據(jù)SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》的要求進(jìn)行土料勘察。在勘察期間，土料處理人員應(yīng)以保證土壩施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為前提，盡可能縮減耕地、林地占用面積以及對(duì)既有建筑的影響，由近處向遠(yuǎn)處推進(jìn)，逐步明確料場(chǎng)土層結(jié)構(gòu)、空間分布、無(wú)用層厚度、夾層性質(zhì)、剝離層厚度、無(wú)用層方量、運(yùn)輸條件、有用層儲(chǔ)量、開(kāi)采條件、有用層質(zhì)量等。一般根據(jù)實(shí)際地形地貌特征，可以沿著土料性質(zhì)變化較為突出的方向，遵循先疏松后緊密的原則進(jìn)行勘察線布設(shè)，每條勘察線上涵蓋2 個(gè)及以上鉆孔。對(duì)于面積大、有用層厚、地形平緩、有用層儲(chǔ)量變化較小且土層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的I 類(lèi)料場(chǎng)，相鄰勘察點(diǎn)之間的距離在100～200 m；對(duì)于面積較小、有用層厚度變化突出且地形高低起伏明顯、土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜的Ⅱ類(lèi)料場(chǎng)，相鄰勘察點(diǎn)之間的距離應(yīng)在50～100 m。

根據(jù)勘察線，土料處理人員可以利用洛陽(yáng)鏟（或手搖鉆、坑槽鏟）挖設(shè)探坑或探槽，配合少量鉆孔，分層取樣，相鄰樣之間垂直高度在1～3 m，清晰描述每一個(gè)勘察點(diǎn)土樣的顏色、名稱(chēng)、結(jié)構(gòu)、厚度、成分、塑性狀態(tài)、潮濕狀態(tài)、含砂礫情況、腐殖質(zhì)成分以及對(duì)應(yīng)的高程、取樣位置、編號(hào)。根據(jù)勘察結(jié)果，進(jìn)行1∶1 000 料場(chǎng)分布圖的編制，確定勘察儲(chǔ)量大于或等于設(shè)計(jì)量的2 倍，且勘察儲(chǔ)量與實(shí)際量誤差小于或等于15%。

4.2 劃分區(qū)域

在區(qū)域劃分前，清除土壩土料周邊全部樹(shù)根、樹(shù)木、雜草、廢渣、卵石、垃圾等。根據(jù)水利工程土壩施工規(guī)范關(guān)于壩體填筑料含有的有機(jī)腐蝕物小于5%的目標(biāo)，清除料場(chǎng)多余有機(jī)雜物，避免有機(jī)雜物堆疊導(dǎo)致土壩不均勻沉降等失穩(wěn)問(wèn)題。

在確定料場(chǎng)無(wú)影響土壩穩(wěn)定性的雜質(zhì)后，利用推土機(jī)初步推平土壩土料制備區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)推平后，結(jié)合場(chǎng)地情況劃分若干方形區(qū)域，區(qū)域邊長(zhǎng)為20 m，區(qū)域與區(qū)域之間預(yù)先留設(shè)施工便道，便道寬度為4 m，對(duì)每一個(gè)小區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，為后期注水操作中人員走動(dòng)、機(jī)械流動(dòng)提供依據(jù)。

土料制備區(qū)原為料場(chǎng)斜坡位置，需分級(jí)修建為環(huán)形狀，第一個(gè)土料制備小區(qū)頂部寬度超過(guò)15 m，相互毗鄰的兩個(gè)土料制備區(qū)之間的階梯高度差為4 m。在土料制備區(qū)周邊，借助反鏟挖掘機(jī)，進(jìn)行注水溝挖設(shè)，注水溝尺寸為長(zhǎng)1.4 m×寬1.2 m，周邊封閉，封閉帶寬度為3 m。開(kāi)挖到坡地高程后，為每一級(jí)平臺(tái)內(nèi)側(cè)設(shè)置馬道，馬道寬度大于或等于4 m。需要注意的是，馬道應(yīng)避開(kāi)平臺(tái)外側(cè)，且水溝縱坡度小于或等于1%，這主要是由于飽和后土料易在大坡度下快速流動(dòng)進(jìn)而跑水形成底部孔洞，導(dǎo)致機(jī)械行走期間塌陷事故。

4.3 場(chǎng)地硬化

借助推土機(jī)將土料制備小區(qū)處理為里側(cè)高、外部低的形式，坡度在2%左右。處理排水斜坡后，借助22 t 振動(dòng)碾進(jìn)行區(qū)域路面密實(shí)碾壓。碾壓后，鋪設(shè)石渣硬化，鋪設(shè)石渣厚度在40 cm 左右。鋪設(shè)石渣硬化后，借助推土機(jī)再次整平路面，并借助22 t 振動(dòng)碾反復(fù)碾壓密實(shí)，避免雨后泥濘路面影響運(yùn)土機(jī)械設(shè)備通行。

4.4 注水處理

土料制備區(qū)周邊水溝挖設(shè)后，利用2 根軟管接到頂部、斜坡溝槽，軟管直徑是DN80，材質(zhì)為聚丙乙烯塑料。斜坡溝槽尺寸為10 m×10 m×2.5 m，溝槽壁結(jié)構(gòu)為混凝土，采用埋管布置，另外配置2 臺(tái)30 m 揚(yáng)程潛水泵。根據(jù)前期計(jì)算的土壩土料量以及天然含水率，確定土壩土料總補(bǔ)水量以及對(duì)應(yīng)的注水管徑流量（單位時(shí)間內(nèi)注入水方量）、注水時(shí)間。同時(shí)，由專(zhuān)門(mén)人員觀察水槽，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潰水問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行注水渠道加固。

頂部或斜坡溝槽注入的水源為河水，先經(jīng)圍堰上游河道高壓泵抽水到頂部，再采用二級(jí)接力手段，在頂部設(shè)置2 臺(tái)100DL70-20 m×6 m 立式多級(jí)泵，經(jīng)高壓泵抽水配合水管輸水到斜坡溝槽，并利用潛水泵將溝槽內(nèi)水引入各個(gè)土料處理區(qū)域，連接各個(gè)區(qū)域的支管管道均接入水表，為注水量控制提供依據(jù)。

4.5 堆存處理

完成注水且水滲入土料后，借助推土機(jī)配合挖掘機(jī)均勻攪拌土料，再次檢測(cè)確定土料達(dá)到最優(yōu)含水率指標(biāo)。確認(rèn)無(wú)誤后，堆成土堆發(fā)酵15～45 d，借助水的毛細(xì)現(xiàn)象（毛細(xì)管插入水內(nèi)，管內(nèi)液面上升且高于管外）使水分在土料中分散均勻，避免發(fā)酵時(shí)間過(guò)短造成含水率不均導(dǎo)致翻漿，或者發(fā)酵時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成水分流失導(dǎo)致返工。同時(shí)上部覆蓋雙面塑料帆布與竹膠板，減少水分損失。

發(fā)酵結(jié)束后，由專(zhuān)門(mén)人員對(duì)土料含水率進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)無(wú)誤后，對(duì)每一個(gè)土料制備區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，有序拉運(yùn)制備土料。土料拉運(yùn)期間，落實(shí)高土高運(yùn)、低土低運(yùn)的方針，拉完上一個(gè)區(qū)域的土料后，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)編號(hào)區(qū)域的土料拉運(yùn)，依次循環(huán)，最終將全部制備土料拉運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)。

4.6 試驗(yàn)檢測(cè)

在水利工程中，試驗(yàn)檢測(cè)是加強(qiáng)對(duì)土壩土料應(yīng)用全過(guò)程質(zhì)量控制的手段。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，復(fù)核勘察土壩物理力學(xué)參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在試驗(yàn)檢測(cè)中，根據(jù)土壩土料大小顆粒差異以及顆粒間黏結(jié)力懸殊特點(diǎn)，利用全槽法（或全孔法、全坑法），從槽壁自上而下均勻深度中剝出土粒，選取代表性試樣。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)要求，將試樣最大粒徑控制在約60 mm。進(jìn)而對(duì)試樣的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，確定土壩（均質(zhì)壩）土料黏粒含量在10%～30%，塑性指數(shù)在7～17，碾壓后滲透系數(shù)小于1×10-4cm/s，有機(jī)質(zhì)含量（按質(zhì)量計(jì)算）小于5%，水溶鹽含量小于3%，pH 大于7，SiO2與R2O3的質(zhì)量比大于2。在這個(gè)基礎(chǔ)上，進(jìn)行土壩土料擊實(shí)試驗(yàn)，選擇2.5 kg 擊錘，擊錘底部直徑為5.0cm，下落高度為30 cm，擊實(shí)筒直徑為10 cm，高度為12.7 cm，體積為1 000 cm3，裝入3 層土料，每層擊打27 擊，單位體積功能為607 kJ/m3，單位面積沖量為3 kPa，以干密度為縱坐標(biāo)，以含水率為橫坐標(biāo)，確定最大干密度與最佳含水率，得出天然含水率與最優(yōu)含水率接近（-2%～+3%），密度大于天然密度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，土壩是以當(dāng)?shù)赝亮蠟樵希?jīng)過(guò)注水、碾壓等手段堆筑而成的擋水壩，具有可就地取材、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。常用的水利工程土壩土料制備工藝為注水、翻曬、摻配、堆存等。技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土料含水率檢測(cè)結(jié)果以及土料土層分布均勻度，選擇適宜的處理手段，并全程檢測(cè)含水率，科學(xué)控制土料質(zhì)量，為土壩施工效果提供保障。