土石坝施工中掺配全强风化防渗土料应用分析

徐英姿

(上饶市水利科学研究所，江西 上饶 334000)

文章以江西省上饶市上饶县某水库施工为例，重点研究掺配全强风化防渗土料在土石坝中的应用。通过大量的掺配试验及碾压试验，分析试验数据，标定各自掺配比例、碾压次数、每层铺设混合料厚度等参数，力求心墙填筑质量满足设计要求，同时为掺配全强风化防渗土料在土石坝施工中的应用提供经验。

1 项目情况

文章选取江西省某水库为研究对象，施工现场距上饶县城40km左右，该水库重点保障当地居民用水及农业生产，同时也为其周边工厂提供水源。水库设计总库容1081.65万m3，可保障2万亩农田用水。水库重点建筑包括拦河大坝、溢洪道、导流输水隧洞、泄洪道等。

拦河大坝作为水库的重点工程，设计为心墙风化料坝。其坝顶高程2578m，坝顶宽度5.8m，坝顶长度590.8m，坝高最大值46.8m。上下游坝坡均采用3级设计，其坡比依次：1∶2.2，1∶2.4，1∶2.6；1∶2.2，1∶2.4，1∶1.6。心墙顶宽度2.5m，上下游坡比相同，为1∶0.3，心墙上游铺设一层混合反滤层(2.5m)，下游铺设两层反滤层(每层均1.25m)。利用C13混凝土预制块护坡构成大坝上游坝面，利用C13混凝土格栅草皮护坡构成下游坝面。大坝心墙防渗土料填筑量较大，高达274985m3。

因该水库周围有大量残坡积土层，并含有大量砂泥岩全风化碎石角砾粉土层，具有良好的防渗作用。设计时选择2个土料场，概况分别如下：

1号土料场在下坝左岸东部，与上坝址距离600～2500m。本土料场涉及到的土料种类众多，主要有紫红色泥质粉砂岩、泥岩、粉砂岩、灰白石英砂岩夹钙质粉砂岩、粉砂质泥岩、含有砾粉质黏土、夹碎石角砾土，可用作防渗土的厚度约2.5m。可用层下部是全强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩层，该层在掺配比例条件下也可作为防渗土料。该土料场可用层储量达到66.12万m3，以现有技术剥采百分比仅9.5%左右。综合考虑后将1号土料场作为主选料场。为了满足施工用料，必要时选择掺配一定数量的全强风化砂泥岩作为防渗心墙原料。

2号土料场在上坝左岸以北，带状东西分布，距水坝达1400m。料场可以利用的主要是残坡积土层与全风化土层的上部，其储量达到54.12万m3，以现有技术剥采百分比可达10.8%左右。但该料场开采运输条件较差，并且场区内涉及到当地居民的祠堂，征收开掘成本巨大。综合考虑后将2号土料场充当备用，仅在主选料场无法满足施工需求时，才少量开采2号土料场边缘区，尽量降低影响。

2 防渗土料配制

2.1 取样介绍

对1号土料场进行地质勘测。探坑间距控制在150m左右，选择20个探坑，各个探坑深度不一，其范围在1.2～7.5m之间。探坑内获得原状样12组，扰动样12组。并获得防渗纯土料大样1组，同时获取砂泥岩全强风化料大样1组，完成不同配比的试验。

2.2 配比设计

(1)纯土料试验

在主料场(1号)探坑内采取12组表层土料完成试验，首先对其物理力学性质进行试验，性能概况见表1。

表1 纯土料物理性质概况

参考相关规程对其完成评价，评价结果见表2。

表2 纯土料各性能指标概况

通过该试验可以得到：主料场表层土料主要是黏性土，黏粒所占比例超过45%的共5组，所占比例42.5%，较高；塑性指数平均数值为12.8，共有9组样本在9.5～20.5范围内，达标率达到75%，天然水分比例、渗透系数均符合相关规范规定。在开挖现场实地试验后，可知上层土天然水分比例与最佳值基本一致，黏粒所占比例不均匀。为了保证防渗土料的防渗效果，在采掘时全强风化砂岩、泥岩必须按照一定比例，并进行掺配提升防渗土料的塑性指数与黏粒。综合来看，该土料基本符合防渗料技术规范中规定值，完全可作为大坝心墙填充料使用。

(2)掺配试验

设定防渗纯土料大样1组(编号FS1)，砂、泥岩全强风化料大样1组(编号FS2)。

表3 击实试验参数及实测数据

表4 三轴试验实测数据

表5 各土样碾压实测值

参考相关规程[4]对其完成评价，评价结果如表6。

分析表6内数据不难看出，经过15%粉质黏土料与30%全强风化砂岩、泥岩的掺入，P5所占比例达到14.8%～22.2%，黏粒所占比例与塑性指数两者均有所提升，渗透系数为5.4～6.6×10-7cm/s，掺配土料符合相关规程中关于防渗土料的技术规范规定数值范围。

表6 水坝防渗土料掺配风化料各性能指标概况

(3)掺配试验分析

通过勘探试验数据可以得到，1号土料场的土料经过外掺15%～30%的全强风化泥质粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩配制成碎砾石土防渗材料，各项指标均达到相关规范中相应规定。在外掺百分比是30%时，渗透系数仅是5.4×10-7cm/s，表明其外掺比例仍有提升的空间。该研究具有实现意义：可以大幅度提升1号土料场可用料的可用率，并且可以降低土料场占地面积，减少施工成本。

3 工程控制管理

3.1 外掺土料控制

1号土料场面积大，坡度较小，表面植被多。为了不影响邻近公路交通，在其北面垭口附近开掘，并能快速运达坝趾处。1号土料场土料质量各性能指标见表7。

表7 1号土料场土料各性能指标概况

3.2 施工控制策略

结合1号土料场土料特性，为了满足大坝心墙防渗料的需求量，重点从以下5个方面进行施工控制。

(1)分区采掘

因1号主料场土层分布不一，为了提升采掘质量，按照其厚度将其人为分区，选择分区采掘方式。可采掘区为1区，不可采掘区为2区。1区按照残坡积土层厚度的35%全部是全强风化砂岩、泥岩作为采掘界限，并严格控制全强风化料的外掺比例，保证防渗料质量。依据土料天然水分所占比例采取不同开掘原则，首先开掘天然水分比例为12%～18.5%的土料，可直接用作心墙填充材料；天然水分比例低于12%的土料开掘时通过加水方式达到最佳含水率后方可用于工程；对于天然水分比例高于18.5%的土料开掘后经晾晒降低最佳含水率范围后才可以用于工程。

(2)立面混合采掘

为了保证土料合理利用、无浪费现象及实现掺配比例，首先借助推土机将无用层剥离，有用层采用里面混合采掘，并按照掺和比搅匀后可运送到施工现场。

(3)试验及施工控制

施工前进行碾压试验主要获取碾压施工相关参数，降低施工成本，提升碾压效果。选择1号土料场中1区混合土料，设定300mm、350mm、400mm 3种厚度的碾压试验，每种厚度的碾压试验均含有12组样。结果表明，干密度、压缩量与碾压系数成正相关，当铺土为300mm时，干密度最高。当碾压次数达到8时，各指标趋于稳定。综合考虑各因素，确定心墙防渗土料每层铺料为300mm，25t振动碾碾压8次。碾压后经检测，获得如下指标：压实度均超过97.5%，最佳含水比例为12.5%～13.8%，干密度1.875～1.915g/cm3，渗透系数为2.55×10-7cm/s，与相关规范中标准值相比均达标。

心墙填筑施工应注意如下3个方面：混合土料装卸后需要检测其混合是否均匀，保证渗透系数一致；把控铺土层厚度，文章标定300mm为上界，保证压实度；在心墙层与层之间结合时，应保证面层压实含水比例与内部一致，可采取刨松面层洒水的方式。

(4)监管控制

因各施工环节均影响着大坝防渗土料的质量，需要对各个施工环节实施监管，尤其是土料采掘、混合料搅拌、大坝心墙填筑等关键工序，坚决避免不达标防渗土料上坝填筑。

(5)质量实时监测

质检是大坝防渗心墙施工质量控制的最后一环，定期定时对填筑碾压施工质量进行检测。对获取的工程样本测定其干密度、水分占比、渗透系数、压实度等，各项指标均达标后才能进行下一道施工工序或者下一层心墙填筑工作。

4 结论

通过设计掺配试验及碾压试验和分析试验数据，总结得出3个结论：①表层土料掺配15%与30%的全强风化砂岩、泥岩，黏粒所占比例与塑性指数两者有所提升。在外掺百分比例为30%时，渗透系数仅是5.3×10-7cm/s，表明其外掺比例仍有提升的空间。②心墙防渗土料铺筑时每层铺料为300mm，25t振动碾碾压8次。③混合料在采掘及填筑施工中必须严格控制质量，结合实际工程采取相应措施，各个环节质量监测及监管工作落实到位。

该水利工程2014年4月竣工，施工成本比预算节约300万元。2014年6月投入使用后的监测数据表明大坝心墙渗漏情况符合国家相关规定要求，水库运营良好。

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