苏丹上阿特巴拉水利枢纽博达纳大坝粘土心墙料的生产制备

王 元 印

(中国水利水电第五工程局有限公司 海外事业部，四川 成都 610066)

1 工程概述

苏丹上阿特巴拉水利枢纽项目由鲁米拉和博达纳两座大坝及其附属工程组成，其中博达纳大坝主要由左右岸土堤、左岸土石坝、河床心墙坝及溢洪道组成，枢纽总长6 615 m。主要工程量包括土石方填筑681万m3，其中粘土料349万m3,占整个土石方填筑量的51.3%，因此，粘土心墙料的制备能力将直接影响到整个土石坝的填筑施工进度。

该工程采用的是目前广泛运用的薄层铺筑并分层压实的碾压式土石坝。由于防渗土料含水量的高低成为大坝能否快速填筑施工的关键，因此，完善而慎重地进行土料特性和生产制备分析就显得尤为重要，以确保工程填筑施工进度不受粘土料生产制备的影响。

2 土料特性

2.1 BU3-QF土料场土料分层及各层料物特性

第一层为高液限、高塑性粘土层，遇水体积会膨胀，主要为棉土，层厚1～1.8 m(从地表计算为0～1.8 m段位置) ，呈浅黑色。

第二层为低液限、低塑性土层，主要为砂质粉土，层厚1.62～3.5 m(从地表计算为1.8～4.5 m段位置)，呈淡黄色，较松散干燥。

第三层为高液限、高塑性土层，主要为粉质粘土，层厚6.3～7.7 m(从地表计算为4.5～10.6 m段位置)，呈亮褐色，局部层段含有少量的砾石和钙质结核，细粒含量较高。

2.2 技术规范要求

第一层棉土与第二层砂质粉土的颗粒级配曲线基本能满足技术规范要求；第三层粉质粘土的颗粒级配曲线整体上细料含量较高，超出技术规范要求，现场通过立面混合开采来满足级配要求。

第一层棉土的液限和塑性指数符合技术规范要求；第二层砂质粉土与第三层粉质粘土的液限和塑性指数均超出技术规范要求；但整个土料场其液限和塑性指数均值完全满足技术规范要求。现场通过立面混合开采能满足技术规范中液限和塑性指数要求。

根据技术规范要求，只有第一层棉土满足技术规范要求，第二层砂质粉土与第三层粉质粘土不能单独开采使用，必须通过对料物进行掺配才能满足技术规范要求。

2.3 料场储量与填筑量对比

BU3-QF土料场位于距离坝址约1 km的SETIT河右岸上游，距河岸约1.5～2.2 km。地形平坦，原始地面高程为520～522 m，最大高差2 m,根据野外踏勘作业，结合业主移交的范围，初步估算该土料场可开采范围约为107万m2，土料储量1 091万m3，储量丰富，根据工程量清单得知粘土料填筑总量为349万m3，结合前期围堰施工经验，开采系数按1.38考虑，共需开采482.31万m3，开采深度约为4.5 m左右。单层料物储量不能满足填筑需求，只有通过多层土料立体混合开采，料物性能和储量才能满足要求。

3 理论掺配方案(“干拌法”)

对土料特性进行分析可知，可通过对各层土料进行掺配来实现各项指标符合技术规范要求的目的。

主要措施是将料场第一层棉土料与第二层砂质粉土料掺配，第二层砂质粉土与第三层粉质粘土掺配，通过前期掺配试验，掺配比例按0.4∶0.6和0.5∶0.5两种进行，即能实现掺拌料满足技术规范要求。

注：①在第二步骤开挖掺配工序中，需使用反铲对各分块开挖区域按已确定的开采深度进行料物掺配； ②第四步骤筑畦灌水深度约为40 cm，灌水20～30 d(由灌水试验确定)；③第五步骤含水率检测中，混合后的土料含水率大于最优含水率(击实试验确定)3%左右即可；④第六步骤立面混合开采方式每次反铲开采立面厚度为30～40 cm。

4 “干拌法”存在的问题

在对BU3-QF土料场已完成的35块(100 m×100 m)区域粘土料制备和开采的观察和数据统计发现：为保证上坝粘土料完全符合技术规范要求，在土料制备前期需投入反铲将不同土料层的土料进行翻拌掺配均匀，两台反铲的月翻拌掺配能力为3块，约13.5万m3，已完成135万m3。

反铲翻拌掺配过程中并不能将各层土料完全翻拌掺配均匀，土料存在结块现象，在灌水过程中无法保证水的渗透率一致，灌水区域排水后发现局部含水量过高或偏低，在开采时无法正常完全开采利用，出现了料物浪费的情况。

使用该方法制备粘土料导致生产周期加长，设备利用率低，生产制备能力无法完全保证施工高峰期粘土料上坝填筑需求，在施工总进度滞后和成本高投入、低产出的情况下，必须寻求一种缩短粘土料生产制备周期、降低生产成本、加快生产进度、以确保施工总进度的生产方式。

5 土料掺拌的优化(“湿拌法”)

为了提高粘土心墙料的制备和开采效率，确保其不影响大坝填筑施工进度，提高设备利用率，缩短粘土料生产制备周期，确保有足够的高塑限、高液限土料供应河床大坝段防渗墙以下垫层和岩石基础表面以上1.5 m的填筑，确保有足够的低塑限、低液限土料供应坝顶1.5 m范围内的填筑。

针对“干拌法”粘土心墙料生产中出现的问题，重新对BU3-QF土料场各料层土料的特性进行分析，发现雨季过后BU3-QF土料场第一层0.3～1.8 m的棉土平均天然含水率(30.7%)接近最优含水率WO=27.3%，液塑限满足技术要求，细粒含量稍多，可直接用于坝体填筑；第二层1.8～4.5 m的砂质粉土和第三层的粉质粘土天然含水率均值为13.4%，低于最优含水率WO=24.1%，需灌水进行调节。

根据BU3-QF土料场各料层的特性分析并结合前期勘探结果可知，料场具备分层灌水、分层开采条件，特对土料掺拌进行了优化，简称“湿拌法”，采用了以下几个步骤：

(1)覆盖层清除后灌水调节第一层棉土。当含水率大于最优含水率3%左右时，开采表层0～1.5 m的棉土料，直接上坝填筑。

(2)进行1.5～4.5 m第二层砂质粉土和第三层粉质粘土的灌水以调节含水率、立面混合开采(开采深度根据现场渗水试验确定)。

通过对BU3-QF土料场的粘土心墙料制备和开采方式“干拌法”(先翻拌掺配，后灌水)及“湿拌法”(先灌水，后翻拌掺配)进行对比可知：

(1)“湿拌法”比“干拌法”减少了一道反铲翻拌掺配和推土机料物平整工序，其中两台反铲(Volvo EC460LC液压反铲，斗容2.1 m3)的月翻拌掺配量为3块区域(100 m×100 m)，约13.5万m3；除去已完成的区域(10块135万m3)，直接减少后期反铲翻拌掺配量约347万m3；

(2)“湿拌法”料物利用率高。由于其水分依靠土壤本身孔隙均匀下渗，没有出现灌水结束后土料含水不均匀的情况，开采时可以全部开采使用；

(3)采用“湿拌法”进行粘土心墙料的生产制备，缩短了粘土料的生产制备周期，提高了BU3-QF土料场的生产能力，将原月产量13.5万m3提升至现在的50万m3，保证了坝体填筑的料物供应，实现了月平均填筑量从以前的5.6万m3提升至现在的27.1万m3，高峰期月填筑量达到55万m3。

6 结 语

在对两种方法进行对比、分析以及生产性试验后发现，“湿拌法”在设备投入、生产效率、生产制备能力、料物利用等方面都优于“干拌法”，通过“湿拌法”生产制备粘土心墙料，既节约了成本，又提高了效率，还缩短了工期。在苏丹上阿特巴拉水利枢纽博达纳大坝工程中，目前采用“湿拌法”进行粘土心墙料的生产制备。