浅谈托卡依水库除险加固工程基础换填水泥土施工技术

王夏昕

（中国水电基础局有限公司，天津 301700）

1 工程概况

托卡依水库坝址位于新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州阿图什市正东方向 18km 处，地理坐标东经 76°15′，北纬 39°45′。行政上隶属阿图什市水利局管辖。托卡依水库是一座平原水库，它以灌溉为主，同时兼顾防洪度汛等综合利用的中型水库，总库容2459万 m3。

该工程地基土属盐渍土，具有遇水易崩解、抗冲刷能力较差、地下水位较高、地基承载力较低，须换填水泥土。应用主要包括放水涵洞、底孔泄洪洞、引水闸、冲砂闸和溢流堰基础换填施工。

2 施工准备

（1）技术方面：根据设计要求，水泥土的重量配合比宜采用1:9（质量比），土料宜用库区附近的粉质黏土，不应该使用块状黏土和砂质粉土，并且土料中不允许含有松软杂质。由于地下水和坝体土质具有腐蚀性，水泥采用42.5R 抗硫酸盐水泥。水泥土在施工碾压时压实度不小于0.98。土料含水率宜控制在最优含水量-2%~2%之间。碾压时宜采用光面振动碾进行碾压。水泥土的分层铺填厚度可取150～200mm。

（2）水泥土施工机械选择：采用当地农民农耕时的旋耕机进行实验，效果比较好，主要是利用旋耕机的碎土与翻拌原理，一方面将土料中的大块粒径打碎，另一方面将洒上水泥的土料不停翻拌，直至拌合均匀为止，旋耕机运行遍数不少于6 遍。旋耕机的刀头高度为25cm，因此铺土厚度采用20cm，施工后的水泥土层与层之间结合较好，可以确保施工质量。因此为确保黏土与水泥充分搅拌均匀，水泥土的每层铺土厚度控制在20cm 以内，如表1 所示。

表1 基础换填水泥施工机械设备

3 水泥土碾压试验

3.1 试验目的

①通过试验确定振动碾压实际效果，核实回填水泥土设计填筑标准的合理性；②通过试验为水泥土填筑选择满足设计要求的、合理的碾压技术参数（铺土厚度、碾压遍数）；③验证选用压实机械合理性，以及取土、卸料、平整、碾压等施工方法，以指导水泥土填筑施工。

3.2 试验用料及碾压机具

①试验水泥土中所用土料采用工程现有料场，该料场土料击实试验结果为最大干密度1.78g/cm3，最优含水率为16.4%。水泥土混合料配比为1:9，采用袋装P·HSR42.5 克州青松水泥有限责任公司的水泥，水泥土击实试验结果为最大干密度为1.79g/cm3，最优含水率为18.1%；②土料开挖装运采用挖掘机，土料摊铺采用挖掘机，土料水泥拌合采用旋耕机，碾压采用22t 自行式振动碾。

3.3 场地布置

试验场地选择在料场附近，首先机械整平出30m×50m 的场地。基础经挖掘机整平，采用振动碾压12 遍至充分压实，然后再用对应的试验用料在压实的基础上摊铺一层作为试验场地垫层，并用振动碾压12 遍，用水准仪测量其高程不再沉降为止。以此作为基层，在其上进行碾压试验。

3.4 碾压试验

（1）碾压试验的工艺流程：挖掘机在制备场装→汽车运输、卸料→挖掘机平料→测虚铺土料厚度→摊铺水泥→旋耕机拌和→振压4、6、8 遍→测振压后沉降量→环刀法取样检测压实度。

（2）试验方法：①在压实、找平的基础上，按碾压试验场地平面布置图的要求，用白灰线画出试验场地及取样点位置。测量人员测量铺土前每个取样检测点的高程，并将不同碾压遍数的取样断面引出试验场地以外进行标识；②本次试验按填筑的相关试验依次进行。机械虚铺厚度选择15cm、20cm、25cm 三个不同铺土厚度；③人工配合挖掘机按三个不同的铺土厚度（15cm、20cm、25cm）平土。铺料厚度控制，检测人员采用钢筋测钎测虚铺厚度，测量人员测量铺土后每个取样点的高程，计算虚铺厚度；④旋耕机运行遍数不少于6 遍，旋耕机行驶速度为2km/h，水泥土比例采用1:9，混合料最大干密度1.79g/m3，每方混合料1790kg，计算得出每方混合料中土料1611kg，水泥用量179kg，水泥用袋装水泥，每袋50kg，计算两袋的摊铺面积。每平方米土料填铺15cm，旋耕机运行遍数不少于6 遍，水泥掺量20.14kg 计算公式（[1×1×（0.15×0.75））×1790×0.1]，土料掺量181.24kg 计算公式 [1×1×（0.15×0.75）×1790-水泥用量]，两袋摊铺面积（50×2）/20.14=4.97m2。每平方米土料填铺20cm，旋耕机运行遍数不少于6 遍，水泥掺量26.85kg 计算公式（[1×1×（0.20×0.75））×1790×0.1]，土料掺量 241.65kg 计算公式[1×1×（0.20×0.75）×1790-水泥用量]，两袋摊铺面积（50×2）/26.85=3.72m2。每平方米土料填铺 25cm，旋耕机运行遍数不少于6 遍，水泥掺量33.56kg 计算公式 （[1×1×（0.25×0.75））×1790×0.1]，土料掺量 302.06kg 计算公式 [1×1×（0.25×0.75）×1790-水泥用量]，两袋摊铺面积（50×2）/33.56=2.98m2；⑤振动碾以不大于3km/h 的速度行进，碾压时振动碾前进、后退一次计2 个碾压遍数，在划定的区域内先静碾2 遍，然后分别振动碾压4 遍、6 遍、8 遍后，退出试验场地；⑥碾压完成后，测量人员测量压实后每个取样检测点的高程；⑦试验人员用环刀法在每个取样检测点上取样检测干密度。

3.5 试验成果

（1）机械虚铺厚度15cm 旋耕机运行遍数不少于6 遍，静碾2遍，振碾4 遍，平均干密度1.758g/cm3，平均压实度98.2%，合格率100%；静碾2 遍，振碾6 遍后，平均干密度1.770g/cm3，平均压实度98.9%，合格率100%；静碾2 遍，振碾8 遍后，平均干密度1.782g/cm3，平均压实度99.6%，合格率100%。

（2）机械虚铺厚度20cm 旋耕机运行遍数不少于6 遍，静碾2遍，振碾4 遍，平均干密度为1.754g/cm3，平均压实度为98.0%，合格率80%；静碾2 遍，振碾6 遍后，平均干密度为1.765g/cm3，平均压实度为98.6%，合格率100%；静碾2 遍，振碾8 遍后，平均干密度为1.776g/cm3，平均压实度为99.2%，合格率100%。

（3）机械虚铺厚度25cm 旋耕机运行遍数不少于6 遍，静碾2遍，振碾4 遍，平均干密度1.749g/cm3，平均压实度97.7%，合格率为70%；静碾2 遍，振碾6 遍后，平均干密度1.758g/cm3，平均压实度98.2%，合格率80%；静碾2 遍，振碾8 遍后，平均干密度1.768g/cm3，平均压实度98.8%，合格率100%。

3.6 试验结果分析

通过回填水泥土碾压试验成果综合分析：考虑到铺土厚度为25cm 时，振碾4 遍增加至振碾6 遍的过程中干密度和压实度的变化没有铺土厚度为20cm 时更为稳定，且填筑25cm 拌合出现明显夹层，所以不建议采用铺土厚度为25cm 进行施工。另一方面，虽然铺土厚度为15cm 时，振碾4 遍增加至振碾8 遍和铺土厚度为20cm 时振碾8 遍的干密度与压实度变化都较为稳定，但出于施工经济成本和施工进度考虑，都不建议采用进行施工。经比选回填水泥土机械虚铺厚度为20cm，水泥两袋摊铺面积为3.72m2，用施工线在土顶面宽度范围内打出1.93m×1.93m 的方格，旋耕机拌合遍数不少于6 遍，旋耕机行驶速度控制为2km/h，22t 振动碾静碾 2 遍，振压 6 遍。

4 施工技术

根据有关规范，图纸设计要求，确定基础换填水泥土施工程序如下：

土料制备→土料开挖卸至工地现场→施工场地平整→推土机整平及洒水→旋耕机碎土并整平→再洒水→检测至达到最优含水率+2%→铺洒水泥→旋耕机碎土并拌合水泥→振动碾碾压→水泥土碾压后干密度检测→洒水→进行下一层土料填筑

（1）土料制备：选择的土料不得含有草根、树皮、黏土泥团、砾石及其他杂质，开挖时用推土机推去表层0.5m 厚的无用层，然后运抵工地现场。

（2）施工场地平整：由于水泥土铺设厚度不大于20cm，要求施工场地要平整，正负误差不大于2cm，从而确保施工质量。

（3）推土机整平及洒水：技术人员根据设计宽度、基础换填水泥土的厚度及最大干密度，计算该段需要的干燥土。根据库区土料的含水量，尽量使用相同吨位的自卸车运料，并计算自卸车卸料时的堆放面积。同时在料场安排专人装土、在施工区安排专人卸料，以保证每车料的摊铺面积基本相同。卸料前使用施工线在工作面上画出方格网后再卸料，以保证涂料摊铺均匀。对运到场地的土料采用推土机进行整平，整平过程中，由于气候原因，土料中的水分有部分散失，应对土料进行洒水，使土料保持一定的含水率。

（4）旋耕机碎土并整平：为便于土料与水泥拌合均匀，要采用旋耕机对摊铺好的土料旋耕，将土料中较大的土团等破碎。

（5）再洒水：旋耕机在工作过程中，要不停地监测土料含水情况，使含水较最优含水率大2%，如果含水偏低，就要不停地均匀洒水，使含水始终保持在最优含水率大2%范围内，以弥补摊铺水泥时含水量的损失。含水量过大应进行翻晒。

（6）铺洒水泥：在土顶面标示出基础换填水泥土的宽度，根据摊铺土料重量，铺撒相应重量的水泥。水泥土比例采用1:9，混合料最大干密度1.79g/m3，每方混合料1790kg，计算得出每方混合料中土料1611kg，水泥用量179kg，每平方米土料填铺20cm，水泥掺量 26.85kg 计算公式[1×1×（0.20×0.75））×1790×0.1]，土料掺量 241.65kg 计算公式[1×1×（0.20×0.75）×1790-水泥用量]。水泥用袋装水泥，每袋50kg，计算两袋的摊铺面积50×2/26.85=3.72m2，用工程线在土顶面宽度范围内打出1.93m×1.93m 的方格，每格放两袋水泥，打开袋装水泥，将水泥倒在用工程线画好的方格内，并且将水泥摊铺均匀。水泥摊铺完成后，应保证每个方格内没有起伏现象，且都摊铺到位，以保证其均匀性。

（7）旋耕机碎土并拌合水泥：在水泥摊铺均匀后，用旋耕机进行拌和，旋耕机行驶速度控制在2km/h 左右，旋耕机的刀头应插入下一层1cm 左右，从而保证层与层之间的黏结。旋耕机运行遍数不少于6 遍，遍数也不宜过多。为了保证水泥土的拌合深均匀和旋耕机的拌合深度，不仅要在拌合时派施工人员跟随旋耕机，随机取样进行深度检查，深度不够时能及时进行调整。而且要在拌和结束后，检查水泥土拌和的均匀性，以保证水泥土拌合物的色泽统一，无灰团、花面等现象出现，若发现水泥土拌合物不符合设计要求则需要添加水泥重新拌和。

（8）碾压压实：混合料拌和均匀后，应立即开始碾压。碾压时，碾压时振动碾前进、后退一次计2 个碾压遍数，先静碾2 遍，然后用振碾6 遍，碾压过程中振动功能不宜开的过大。压路机碾压时搭接长度应保证在碾子的1/3 左右，并保证以不大于3km/h 的速度匀速行驶。碾压过程中，如出现起皮、松散、弹簧等现象，须及时添加水泥并用旋耕机重新拌和，使其符合质量要求。

（9）水泥土碾压后压实度检测：水泥土压实后进行压实度检测，如果达不到设计要求，可根据含水情况，洒水继续碾压，直至达到设计要求。

（10）耕机刨毛→洒水→进行下一层土料填筑：达到设计要求后，采用旋耕机进行刨毛，便于下一层水泥土结合，并洒水养护。

5 控制要点

（1）做好各项工序的衔接并调配足够的整平、压实机械，保证完成拌和碾压工序。

（2）所用土应均匀一致，并清除其中的树皮和草根。

（3）拌和时应保证深度，严禁出现素土夹层。

（4）施工时每侧宽度应超宽碾压30cm。

（5）用洒水车加水时，为了防止水泥土局部含水量过大，不得在该施工段停留或掉头。

（6）施工中加强劳动保护，防止施工人员带来不必要的伤害。

（7）含水量的控制：通过现场含水量检测我们发现，在铺洒水泥、拌和、整平施工过程中，含水量约下降2%，水泥土最佳含水量为18.1%，通过反推，认为土料含水量应控制在20.1%左右。

在铺洒水泥之前，应检测素土的含水量，如含水量过小，应根据以式（1）加水，以保证碾压前含水量，较最佳含量大2%。

式中：Qw—混合料中应加的水量；

Qn—根据计算混合料中干混合料的质量；

Qc—素土的质量，检测其含水量为WC；

W—要求达到的混合料的含水量。

严禁在铺水泥后加水。含水率过高易形成橡皮土或弹簧土，这将影响工程质量和施工进度，遇到此情况时，就将该处挖除，重新换填土料，反之则多撒些水泥即可。

（8）两工作段的衔接处应搭接拌和，前一段拌和后，留5~8m不进行碾压，后一段施工时，将前一段未压部分一起进行拌和，并与后一段进行碾压。

（9）施工中还应注意涵洞基础两侧边坡坝体原状土与1:9 水泥土的结合面，碾压前必须洒水，使原状土与水泥土的含水率相近，碾压后的压实度不会相差太大，若不处理好结合面的问题，蓄水后易造成渗漏通道以及不均匀沉降，影响坝体及涵洞的稳定性。

（10）水泥土夯压密实后应进行防雨措施，保证3d 内不被水浸泡。每层验收合格后应及时进行下一道工序施工，防止不及时施工造成夯压密实的水泥土干燥，从而产生松散起尘现象。同时禁止车辆在验收合格的水泥土上通行。

6 质量保证措施

①保证进度计划安排合理有序，各级人员分工明确，机械设备完好，严格按照施工作业指导书中的工艺要求施工；②严格控制水泥质量，不合格水泥禁止使用；③试验检测工作要及时到位，保证数据切实可靠；④库区料场派专人控制土料的质量，施工区派专人控制卸料间距、摊铺宽度、碾压等；⑤所有工序需监理认可合格。

7 安全保证措施

（1）建立健全安全组织机构，制定切实可行的安全措施，成立安全领导小组，设1 名专职安全员。

（2）制定以下安全保证措施：①进入施工现场作业要佩戴安全帽，通行道路老路肩插彩旗，提醒车辆减速慢行，请勿靠近。施工人员、设备在无施工作业时不得在加宽范围内停留。施工作业期间要有专人负责安全保通；②施工前，检测所有施工机械，确认完好方可使用；③压路机行驶过程中不得进行人工铲滚，犁铧在工作期间不得采用人员进行压犁、压耙。机上、机下人员必须密切配合，协同作业，当必须在机械作业范围内同时进行辅助施工时，应停止机械运转后，辅助人员方可进入；④多机在同一作业面作业时，前后两机相距不应小于8m，左右相距应大于1.5m；⑤施工现场的场容场貌管理，实施划区域、分块包干、责任区域挂牌示意，生活区管理规定挂牌昭示全体；⑥布置安全生产标语和警示牌，做到无违章，生活区、办公区、施工区挂标识牌，危险区设置安全警示标志，在主要施工道路路口设置交通指示牌；⑦电器及各种用电设备严禁非电工人员操作，电工经常检查电路；⑧工地照明尽可能采用固定照明灯具。

8 环境保护

①清洗机械、施工设备的废水，机械在运转中产生油污或维修机械时油水严禁直接排入水库、河流；②设备选型时选择低污染设备进行施工；③运输土时如有漏失，及时清扫干净，保持道路整洁，应在施工道路和现场配备专用洒水车，经常进行洒水湿润，以降低扬尘污染；④生活区和施工区的生活垃圾应做到集中堆放，废弃物须经当地相关部门同意后，运至指定地点。施工区设置厕所，派专人清扫，并定期消毒；⑤对于施工中废弃的包装箱、边角袋、零碎配件等，及时清理并保证现场卫生整洁，报废材料立即运出施工现场，在指定地点进行掩埋处理，以保护自然环境不受破坏；⑥弃土和施工垃圾不得随意堆放，须运至指定取土场。

9 结论

通过基础换填水泥土从改变地基土特性、提高地基承载力，达到设计要求。本文以托卡依水库除险加固工程为例，主要阐述该工程基础换填水泥土施工材料、机械的选择、碾压试验、施工程序、控制要点，并从环境、安全及质量等各项保证措施方面，为类似工程的实施提供参考。