丹江口大坝加高工程右岸土石坝施工质量控制

□王铁山 □王小丽 □周媛媛(中国水利水电第十一工程局有限公司)

1.工程概况

南水北调中线水源工程丹江口大坝加高中的右岸改线新建粘土心墙坝，与右5、右6混凝土坝段下游面横缝处正交联接，经140 m直线段后再沿圆弧向上游偏转，沿老虎沟上游侧山顶至张蔡岭。最大坝高60.0 m，坝顶宽10.0 m，全长877 m。上下游坝面在高程135～165 m间，每隔10m设一马道，马道宽2 m。坝体填筑物料沿中部粘土心墙对称分布，由上游向下游依次为：护坡现浇混凝土区、坝壳砂卵石区、反滤层区、粘土心墙区、反滤层区、坝壳砂卵石区、干砌块石排水棱体区和草皮混凝土格栅护坡区。坝基采用帷幕灌浆防渗。

2.原材料的质量控制

土石坝的填筑，原材料的质量影响很重要，如粘土料的含水率、上下游反滤料及坝壳料的含砂率、级配等均直接影响土石坝填筑施工的质量。

2.1 粘土料料源质量控制

根据规划要求，五峰岭料场为粘土料，开采时严格控制上坝土料的含水率。当料场土料的天然含水率大于或小于施工填筑含水率时，根据土料开挖方式、装、运、卸工艺流程以及气象等条件对料场土料含水率进行调整。一般情况下，料场土料含水率约大于坝面填筑含水率的2%～3%为宜，对于不满足要求的土料做以下处理：

2.1.1 低含水率的洒水处理

当土料的含水率比施工填筑最优含水率低，在取土时用雾状给土料加水，然后将土料堆置在另一处形成土牛，搁置一般时间，使含水率均匀，再用于填筑。当土料含水率低于施工含水率1%～3%时，可在坝面加水调节，当土料含水率过低时，在料场开挖网状深沟，灌水浸泡土料，当土料湿润至施工控制含水率范围时，进行开采。

2.1.2 高含水率的翻晒处理

选择适当的场地，用齿耙将土耙碎，坚硬粘土用铁铣切成厚10～20 cm后使其相互架空晾晒，待表层稍干后即打碎成<2～3 cm的土块，继续翻晒。表层稍干后用推土机翻动，如此反复，直至含水率降低到施工控制含水率范围为止。

料源取样时，一般在开工之前先取样1次，以后根据料源开采的具体情况，如天气变化及每次新开挖1个掌子面时，均对料源进行取样，检测其含水率。本工程粘土料料源含水率基本在最优含水率左右，检测结果均满足上坝含水率的要求。具体见表1。

表1 五峰岭料场粘土料源含水率检测成果统计表

2.2 砂砾石料料源质量控制

大坝工程所用的反滤料及坝壳料均为砂砾石料，从羊皮滩料场开采。砂砾石坝壳料的含砂率及颗粒级配应满足设计要求，砂砾料中不允许夹杂粘土、草、木等杂物。

2.2.1 坝壳砂砾石料料源质量控制

由于本工程所采用的砂砾料是当地开采的，含砂率波动很大，有时含砂率只有10%左右，有时可以达到20%以上，个别时段达到30%～40%以上。按设计要求坝壳料含砂率至少在15%以上，在靠近反滤料部位要求达到20%以上。因此，为控制填筑料的含砂率，采用将高含砂率的坝壳料与低含砂率的坝壳料按照一定比例进行掺和，掺和时采用平铺法进行，即在掺和场地将坝壳料按照每层0.5m进行摊铺，铺筑3层（1.5m高）或6层（3m高），顺序为含砂率高的、含砂率低的、含砂率高的，采用推土机进行摊铺。

毛料自皮带机卸料后形成的砂砾料集中，先采用反铲或推土机将砂砾料分离的粗细毛料均匀掺和，再进行一次装车，均匀装料，保证装料质量，严禁将砂砾料集中的毛料同装一部车；

在掺和料场，根据料源含砂率的检测情况确定掺和比例，要保证每一层毛料含砂率基本稳定，不能在同一层中既出现含砂率偏少的毛料，又出现含砂率偏多的毛料，指挥人员控制好每一层掺和料的质量。如果第一层含砂率较少，第二层必须是含砂率较高的毛料，依次类推，没有合适的毛料掺和时，停止掺和。

二次装车时，要控制好每一个掌子面的装料高度在2 m范围内，确保砂砾料掺和均匀。每次在新的掌子面进行装料时通知试验室对掺和料的含砂率进行检测，根据检测情况确定该料的填筑区域，并按设计要求分区填筑，检测结果不满足要求的严禁上坝。

原A区毛料及掺和后的坝壳料颗粒级配检测情况见表2。

表2 掺和后坝壳料颗粒级配检测成果统计表

2.2.2 反滤料料源质量控制

根据料源的实际情况，设计前后对反滤料的指标做了3次变动，第一次规划反滤料开采区为羊皮滩料场羊一区40 mm以下天然砂石。第二次设计修改为上游采用单层布置，有效厚度100 cm的A、B掺和反滤料（A为羊一区20 mm以下料，B为羊一区5 mm以下砂料），下游采用双层布置，第一层采用有效厚度50 cm的中州细砂（外购），第二层采用有效厚度80 cm的A、B掺和反滤料。第三次为采用有效厚度200 cm的单层宽级配混合砂砾石料做为反滤料，仍然采用羊一区40 mm以下的毛料，控制下游含砂率≥35%，上游含砂率≥25%。

根据设计要求调整后，各种反滤料料源检测成果见表3。

通过对料源取样检测的颗粒级配分析，40 mm以下天然混合料含砂率在26.3%～33.7%之间，平均含砂率为29.6%，能够满足上游反滤料的填筑要求。而下游反滤料需掺5 mm以下砂料10%左右方可满足设计要求。

针对两种需要掺和的反滤料在工程实际情况，施工中采取了以下措施：

从筛分料场入手，先检测40 mm以下天然混合料含砂率，>25%时直接上坝，用作上游反滤料的填筑。再将一部分 40 mm以下天然混合料运至拌和站旁的掺和料场，和5 mm以下砂料经装载机进行堆掺，掺和均匀后取样检测其含砂率，合格后运输上坝。

表3 反滤料料源质量检测成果统计表

第二次反滤料修改方案需要对A、B料进行掺和，采用HZS75拌和系统按体积比4:6的比例进行掺和，掺和均匀后取样检测其颗粒级配。

3.施工过程的质量控制

坝体填筑质量主要在于过程控制，施工过程中，必须加强备料开采和运输过程中的管理，加强填筑施工工序的质量控制。

3.1 粘土填筑

粘土料填筑采用“先砂后土”的施工方法，当反滤料填筑符合设计要求，上下游面的反滤料完成摊铺后方可进行粘土料的回填，自卸汽车进占法卸料，推土机铺平，铺料厚度35cm，与两侧反滤料持平，然后用18 t凸块振动碾压实。主要从以下几方面进行质量控制：

3.1.1 铺料前的基面处理

基础验收通过后，粘土与混凝土、基岩等接触部位，在填筑前先涂刷3～5 mm的浓粘土浆，以利结合，并做到随刷浆、随铺土，防止泥浆干硬。

3.1.2 层厚的控制

每层土料的铺筑厚度，是影响防渗土料压实质量的重要因素之一。采用定点测量控制高程的方法进行控制。

3.1.3 特殊部位的处理

粘土与建筑物距离5 m范围内用静碾压实，2 m范围内用振动平板夯薄层夯实。坝面上的运输路线要经常变动，上料过程中还注意经常变换进料路口，并在路口处铺设钢板保护反滤层不受损害。不可在一处反复行走，以免产生剪刀破坏和光面，发现光面或水平、垂直裂缝，予以挖除。在继续铺筑上层新土之前，对压实层表面残留的、被碾子凸块翻松的半压实土层进行刨毛和洒水处理，以免形成土层间结合不良的现象。填筑面进料运输线路上散落的松土、杂物在铺土前彻底清除，砂砾石和反滤料运输经过防渗体时，须防止颗粒散落在防渗体上，如有散落必须人工及时清除。

3.1.4 接缝处理

分段填筑时必然在心墙区形成横向接缝。考虑到对接缝的削坡及碾压要求，各段土层之间设立标志，如钉木桩、插小旗等，以防漏压、欠压和过压。上下层分段位置错开，相邻两区交界带碾迹重迭，重迭宽度为50～100 cm，保证搭接部位碾压密实。粘土心墙内不允许留纵向接缝。由于施工需要进行分区填筑或预留缺口时，其横向接缝坡度不陡于1∶3，高差不超过15 m。结合坡面处理时，配合填筑的上升速度，将表面松土铲除至已压实合格的土层为止。坡面须经刨毛处理，并使含水率控制在规定的范围内，然后继续铺填新土进行压实。

3.1.5 特殊气候期的施工

当风力或日照较强时，在坝面上采用彩条布遮盖或喷雾润湿，保持粘土面湿润，利于上下层面结合。在雨季和冬季施工时，采取以下质量控制措施：

3.1.5.1 雨季填筑

心墙填筑面可中央凸起向上下游倾斜，以利排泄雨水。心墙雨季填筑要适当缩短流水作业段长度，土料要及时平整、及时压实。日降雨量>5 mm时必须停止施工。因雨停工之前，必须将已压实的和尚未碾压的填筑面，均用振动平碾快速碾压成光面，以防雨水下渗；雨前所有机械设备，必须撤离心墙填筑面。对于施工面积较小的心墙填筑面及预留的搭接部位，采用满铺彩条布等遮盖物进行覆盖，铺彩条布从心墙上下游开始，平行坝轴线方向铺设，两幅之间的搭接宽度≥50 cm。彩条布覆盖尽量不透风，防止在风雨交夹的情况下，遮盖物被揭开使坝面受雨水冲刷。下雨至复工前，在适当位置设警示标牌，并安排值班人员，严禁施工机械穿越和人员践踏心墙和反滤料。雨后复工时，必须仔细清理层面。首先人工排除心墙表层局部积水，视填筑面表土含水率情况，未压实面采用晾晒或全部清除；已压实面可采用晾晒或用推土机将表面土剥除，经验收合格后方可填筑下一层，并作好记录备查。

3.1.5.2 冬季施工

为保证填筑质量，一般在负温情况下不安排施工，短时负温天气下施工时，采取一些保温措施，保证压实时土料温度在0℃以上，在料场取正温材料，且不得夹带冻土和冰雪，装土、铺土、碾压、取样等工序要快速流畅，一旦发现施工过程中出现土料冻封现象立即停工，并及时进行处理。

3.2 反滤料填筑

对在反滤料填筑过程中的控制，反滤料的水平宽度不能欠填，根据填筑高度的上升，每层进行修坡，保证填筑宽度，测量人员跟踪测量放线，质检人员加强监测。反滤料与相邻料边界线要分明，各种料不能相混。边界处采用人工进行清理、平整，以避免因颗粒分离造成粗料集中的现象。对散落在反滤料层面上的粘土料人工及时清除。为保证振动碾工作面宽度，与反滤料相接部位1.5 m左右的坝壳料铺筑厚度为30 cm。

反滤层分段铺筑时，接缝处人工进行处理，横向接缝坡比缓于1∶3。反滤层填筑时同防渗体平起施工，铺料时应先砂后土，在反滤料与粘土料结合部位使碾压机械骑缝碾压。必须保证反滤层的有效厚度符合设计要求，且“犬牙交错”带宽度≤其每层厚度的1.5～2.0倍。

3.3 坝壳料填筑

对坝壳料填筑过程中的控制,坝体填筑每层施工开始以前，采用全站仪测放点线，标示出每层坝体的设计边线，并考虑水平超宽（上游100 cm，下游50 cm）。在填筑施工中严格遵照标示的填筑控制边线进行施工，每层坝体填筑完成，再测放点线，确定该层坝体底面和顶面的设计边线并做出明显的标记。

填筑料在装卸时，应特别注意避免分离，不允许在高坡向下卸料。在靠近岸坡地带应该严防架空现象。运至填筑区的掺和料要按照梅花状进行布置，采用高堆低推的方法进行卸料，即卸料堆不能过于分散，应层层相叠，以避免料堆之间的砂砾料集中。

坝壳料填筑施工过程中，要求作业队派专人进行负责现场指挥，在摊铺过程中发现砂砾料分离现象要及时进行处理，小面积砂砾料集中的地方人工将其分散开来，大面积砂砾料集中的直接挖除，自卸汽车运输至掺和场重新掺和，合格后上坝填筑。若碾压后仍有砂砾料集中现象，应全部挖出，进行专门的现场掺和处理，重新摊铺、碾压至合格。

在坝壳料填筑过程中，尽可能减少接缝。当分区段填筑时，填筑段之间接坡处做成1∶3的斜坡，以保证其密实。对区段间接坡部位采取台阶式的接坡方式，并将接坡处未压实的虚坡砂砾料采用削坡切角挖除处理，使新填料与压实料相接，保证碾压密实。

靠近岸坡、仪器周边及其它建筑物地带采用较细砂砾料铺筑，避免架空现象，大型碾压机具碾压不到的部位采用平板振动夯夯击密实。

砂砾石料铺料和碾压过程中应充分洒水，碾压开始之前均匀洒水一次，然后边洒水边压实，保证砂砾石料碾压后相对密实度≥0.75。

4.质量检查与检验

坝体填筑各部位的质量检查与取样试验要求，以设计要求、有关规范及经碾压试验后由监理人批准的参数作为标准。

4.1 粘土料各项检测试验

通过对五峰岭粘土料场Ⅰ区、Ⅱ区土料进行取样做室内击实试验，平均最优含水率为21.7%，平均最大干密度1.64 g/m3。经研究最终确定填筑控制标准为：压实度≥98%，干密度≥1.61 g/m3，施工含水率控制21.7%±2%。填筑压实后取样检测项目主要是含水率及干密度，并计算压实度。

4.1.1 含水率的测定

测定土料含水率和压实干密度是坝体土料填筑层间严格控制的指标，其中，含水率是一个重要指标，常规测定用标准烘干法，但标准法用时较长（8 h），影响施工进度，实际施工中通常采用快速烘干法。本工程经两种方法多次比较后，选用微波炉烘干法测定土料含水率。微波烘干法的准确性与土料性质、烘烤温度、烘干时间等因素有关，在施工前，需对微波烘干法测定含水率进行对比试验，确定烘干时间和温度，并用统计方法确定与标准法之间的误差。

标准烘干法和微波炉烘干法两种试验方法测定的土质含水率进行比较，其相关性见图1。

图1 标准烘干法与微波炉烘干法测定的土质含水率相关图

根据试验结果及图表分析得知，标准烘干法与对应的微波烘干法测定的含水率呈一元线性回归关系。经相关分析计算得相关系数R2＝0.9951，相关关系较密切，另外两个系数A=0.006，B=0.9849，属正相关。线性方程为W标＝B×W微+A，即W标＝0.9849W微+0.006。

选用微波炉测定粘土料的含水率，大大缩减了试验时间，提高了工作效率。

4.1.2 压实干密度的测定

压实干密度采用环刀法进行测定，一般粘性土采用200～500 cm3的环刀，本工程采用500 cm3的环刀。填筑取样检测成果见表4。

表4 粘土料填筑取样检测成果统计表

从以上表格中的数据分析，在实际施工中由于碾压机具击实功与室内击实试验用的击实仪击实功存在一定差异。粘性土的击实试验采用轻型击实试验，其单位体积击实功能为592.2 KJ/m3；现场碾压机具采用18 t的振动凸块碾，其单位体积击实功为607.54 KJ/m3，因此现场检测干密度后，计算出的压实度有时候达到100%以上是可以理解的。由表5可见，防渗心墙粘土料的含水率、干密度和压实度均控制在标准值范围内，总体上满足设计要求。

4.2 砂砾石料各项检测试验

砂砾石料检测项目主要是颗粒级配和相对密度的检测。根据设计要求，砂砾石料填筑碾压后取样频次为：干密度、相对密度、砾石含量1次/（400～1000 m3），颗粒级配、含泥量1次/（800～2000 m3），不足400 m3（干密度、相对密度、砾石含量）或8003（颗粒级配、含泥量）时必须取1组试样。

4.2.1 颗粒级配的检测

本工程反滤料及坝壳砂砾料设计有含砂率的要求，因此对于刚开采上来的砂砾石首先要检测含砂率是否满足设计要求，料源含砂率测定采用干炒法进行。每层填筑完成后，根据设计要求的频次对填筑碾压后的颗粒级配进行检测，采用筛分法进行。

4.2.2 压实干密度的检测及相对密度的计算

砂砾石料填筑要求相对密度≥0.75，因此在填筑施工前，首先要对料源取样，进行室内相对密度试验，确定不同P5含量（<5 mm颗粒含量）相对密度控制标准。

压实后需要进行含水率、干密度及颗粒级配的检测，检测方法采用挖试坑灌砂法（所灌砂子采用标准砂，并定期对标准砂的密度进行标定）进行。

从现场取样检测情况来看，反滤料及坝壳料填筑压实效果能够满足设计要求，相对密度均能达到0.75以上,见表5、表6。

表5 反滤料填筑取样检测成果统计表

表6 坝壳砂砾料填筑取样检测成果统计表

5.结语

采用粘土作为心墙、混合砂砾料作为反滤层、砂砾石坝壳料填筑土石坝，如何控制料源质量及填筑施工工序的质量，是一个值得探讨的问题。通过对丹江口大坝加高工程右岸土石坝的施工总结，积累了以下几点经验：

首先，料源的质量控制及施工工序的质量控制是土石坝填筑质量的控制重点。针对各类填筑料的特性及技术要求制定控制措施，将施工工艺细化至每道工序，层层落实技术交底，并监督实施。

其次，碾压土石坝的施工，关键工序是对坝体土石料的分层填筑压实，压实效果用测得的干密度反映出来。因此在填筑开始之前首先应确定控制干密度，对于粘土，要做室内击实试验，确定最大干密度和最优含水率；对于砂砾石料，要做室内相对密度试验，确定不同<5 mm颗粒含量相对密度控制标准。填筑碾压时严格按照碾压试验确定的施工参数进行控制。

最后，对于粘土含水率的测定，根据标准烘干法测定需要8 h，而采用微波炉烘干法仅用十几分钟就能出结果，简单快速，大大提高了工作效率。需要特别注意的是，在微波炉经过维修或更换后，必须重新进行含水率的修正，即通过与标准烘干法进行对比试验，重新确定标准烘干法测定的含水率与对应微波炉烘干法测定的含水率一元线性回归关系的相关系数，确保检测数据的真实可靠性。