南村水库工程大坝土料设计

2019-02-14赵秀改

山西水利科技 2019年3期

关键词：液限黏粒料场

赵秀改

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原030024）

筑坝土料是土坝的“粮仓”。料场的选择和规划，不仅影响土坝本身的设计和施工，而且关系到施工质量、工期和造价。

1 工程概况

南村水库是辛安泉改扩建工程的调蓄水库，其主要任务是调蓄辛安泉供水改扩建工程向黎城县提供的农业灌溉用水，同时可用于特大干旱年的生活应急用水。

水库枢纽主要建筑物包括大坝、泄洪洞、供水管线、进水口以及“三联坝水库”泄洪洞。大坝为均质土坝，坝顶宽8.0 m，坝顶长235.00 m，最大坝高26.4 m。

大坝坝体土方填筑土方回填总方量219.8 万m3。大坝设计上坝土料选定在大坝左坝肩的庄上土料场，设计上坝土料指标：压实度为97 %，最优含水率为16.1%。

2 土料场概况

土料场位于库区内坝轴线上游约60 m 处，地形为马鞍形山包。料场地面高程的相对高差30～34 m。由于自然地形条件下水库库容不满足设计要求，且料场位于库区，料场开挖以后既满足了上坝填筑土料，又可扩大一部分库容。

料场出露的地层表层为上更新统洪冲积（Q3pal）：浅黄、土黄色低液限粉土、低液限黏土，厚度0～3 m。其下为第四系中更新统冲积（Q2pl）浅红-红褐色低液限黏土夹钙质结核层及卵石混合土透镜体，厚度大于80m。其中第四系中更新统洪积低液限黏土层为有用层，有用层厚度约30 m。无用层为表层第四系上更新统洪冲积浅黄、土黄色低液限粉土、低液限黏土以及钙质结核层及卵石混合土透镜体。料场勘探深度范围内，未发现地下水。

本次土工试验，共取19 组原状土样组。根据实验结果可知：（Q2pl）低液限黏土其天然含水率为8.3%～17.5%，平均值为11.3%；天然密度为1.32～1.72 g/cm3，平均值为1.52 g/cm3；干密度为1.2～1.56 g/cm3，平均值为1.37 g/cm3；孔隙比为0.739～1.262；天然压缩系数（av1-2）0.03～82 MPa-1，平均值为0.21 MPa-1，多具低-中等压缩性；垂直渗透系数（kv）为1.59×10-4～4.02×10-4cm/s，具中等透水性。黏粒含量18.2%～26.8%，平均值23.5%。塑性指数11.2～15.4，平均值13.8。

按《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）及设计要求，压实度取96%进行配样。击实后其最大干密度1.71～1.72 g/cm3，最优含水率17.0%～18.2%，平均值17.6%。

土料场第四系中更新统洪积低液限黏土作为均质土坝筑坝土料其质量满足要求。该土料场有用层长380 m，宽170m，厚20 m，采用平行断面法计算储量，经计算，总储量131.2×104m3，无用层10.0×104m3，有用层121.2×104m3。该土料场土料质量满足筑坝要求，设计需要土料约23×104m3，储量满足工程及规范要求且开采后能增加水库库容。

3 土料场选择与规划

3.1 料场选择应遵循的基本原则

1）就地取材，筑坝土料应就近或就地取材。

2）充分利用建筑物的开挖料，减少弃渣对环境的影响。

3）料场的质量和数量应满足设计要求。

4）选择运距较短、储量较大和便于开采的料场。

5）土料场天然含水率宜接近最优含水量。

3.2 土料的比较

3.2.1 黏粒含量

用土料的黏粒含量不能直接说明土料是否适于用来填筑土坝，但实践表明，黏粒含量过高时土料不易分散，含水量不均匀，压实性能较差，黏粒含量不宜大于40%；黏粒过低时会影响土料的可塑性和抗渗性。综合考虑这两方面因素，一般认为黏粒含量在15%～30%较好。

3.2.2 可塑性

土料的可塑性主要用塑性指数来衡量。塑性大的土料开挖、碾压均不方便，承载力低，重型机械在坝面运行有时发生困难。塑性低的土料适应变形的能力较差。一般而言塑性指数在10～20 为宜。

4 土料场的开采

开采过程中，根据含水量的大小，分区分层翻晒、取土，以满足不同时段的施工强度，做到连续均衡生产。开采过程中应根据填筑强度安排每年的开采量。

4.1 覆盖层清理

土料开采前，先用人工配合推土机清除树根、乱石及防碍施工的一切障碍物并将表层的腐殖土清除。料场无用层采用88 kW 推土机剥离后运至就近弃渣位置按规定存放。

4.2 开采措施

土料采用2 m3反铲挖掘机立面开采，自上而下每3～4 m 为一层开挖，开挖土料用15 t 以上自卸汽车运输上坝。土料开采过程中，保证土料场中央凸起，沿宽度方向略向两侧倾斜，倾斜坡度2%～4%，以利排泄雨水。

5 筑坝土料的加工

对于土料，只有在最优含水率范围内，才能获得最大干容重，且压实也较经济。当土料含水率小于最优含水率，采用一般的常用压实机械，即使增加压实功能，也难达到要求的压实标准，因此土料天然含水率过高或过低，都应采取一定的措施，以调整含水量至最优含水率范围。

本工程的土料加工主要是调整土料含水率。根据土料场土料室内击实试验成果，土料最优含水率为16.1%，由土料场勘察结果得出土料天然含水率偏低，需先对土料含水率进行调整。经过一定的处理才能使含水量调整至最优含水率，使其在上坝前达到设计要求。

5.1 土料加水要求

对土料加水应符合以下两个要求：

1）使土料含水率达到施工要求的最优含水率控制范围。

2）使加水后的土料含水率保持均匀。

5.2 土料加水措施

提高土料含水率的措施，应根据含水率偏小原因与土料种类，采用的方式主要有：坝面洒水、在开挖掌子面处加水、土料场加水。

5.2.1 坝面洒水

因为坝面场地小，干扰大，在坝面加水不易使土料含水率均匀，因此，当上坝土料的天然含水率与最优含水率相差不大，仅需增加1%～2%左右时，可采用坝面洒水。

5.2.2 在开挖掌子面处加水

当土料的含水量低于最优含水率，可于挖掘机开挖时采用直接用水管加水，并用挖掘机掺和，然后将土料堆置另外一个地方，停置一段时间，使含水率均匀，即可用于填筑。但是这种加水方式难以精确控制，只能凭加水人员的经验进行。

5.2.3 土料场加水

土料场加水，适宜大面积的土场，当土料的天然含水率与最优含水率相差较大时，可采用土料场加水的措施。这不仅减少坝面施工工序，减少施工干扰，加快施工进度，对土料含水率的要求易于控制。

土料场加水，采用筑畦灌水法，根据土料场地形及灌水深度筑畦，将料场用土堤围成20m×20m或30m×10 m 的若干灌水畦块，畦埂高约20 cm～40 cm，加水前先估算加水量，分期进行灌水。灌水过程采用洛阳铲打孔测定不同灌水次数、灌水量、土料含水率变化情况，直至土料达到设计要求含水量。灌水前不宜清除表层覆土，以免堵塞土层的渗透孔道，破坏料场表面的渗透性。加水量、灌水深度、灌水浸润时间等均应通过现场灌水试验确定。