淺談分層特性不合格土料含水量調(diào)整及開采施工工藝

鄭紹楓 張沖

摘要：本文介紹了蘇丹上阿特巴拉水利樞紐C1B項目在土石壩填筑施工中，對于分層特性不合格土料開采，通過對勘探資料分析，現(xiàn)場土料含水量調(diào)整及開采試驗，提出了簡單有效的施工工藝，解決土石壩填筑防滲物料質(zhì)量問題及控制目標，可在其他工程實踐中借鑒。

關鍵詞：蘇丹上阿特巴拉水利樞紐C1B項目；含水量調(diào)整；立面混合開采

Abstract: This article describes the Atbara Sudan on water control the C1B projects in the construction of earth dam filling, unqualified for the hierarchical nature of earth material extraction, through the analysis of exploration data, on-site soil material moisture content adjustment and mining test proposeda simple and effective construction technology, earth dam embankment impermeable material quality issues and control objectives, and can learn from other engineering practice.

Keywords: Sudan, Atbara Water hub C1B projects; moisture content adjustment; the combined exploitation of the facade

中圖分類號：P414.9+4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2012）

1概述

1.1工程簡介

上阿特巴拉項目位于蘇丹東南部與埃塞俄比亞和厄立特里亞三國交界地；距首都喀土穆460 km，距蘇丹港659km；位于上阿特巴拉河的支流Rumela和Burdana交匯處，建成后將形成一個庫容約30億m3的水庫。該項目在兩條支流上各布置有一個樞紐建筑物。

Burdana樞紐位于Setit河上，包括：左右岸土堤、左岸土石壩、河床心墻壩、溢洪道及灌溉取水口，總長6,620.18 m；其中左右岸土堤：最大堤高為28.8 m，左岸土堤長950 m，右岸土堤長4,670.18 m；左右岸大壩：最大壩高約44.8 m，左岸壩長195.88 m，右岸壩長350.0m；河床心墻壩：最高壩高約51.3 m，壩長333.12 m。

合同文件中業(yè)主提供的唯一土料場BU3-QF，主要作為項目左右岸土堤、左岸土石壩和河床心墻壩粘土防滲料的來源。該料場位于Setit河右岸上游,料場面積共1,079,236㎡，地表高程約在EL508.0～EL521.0，東北及西北側(cè)地勢較平坦，西南方向地勢復雜，多沖溝，地表多為雜草覆蓋，料場主要包括fat clay、fat clay with sand 、sandy silt、lean clay、lean clay with sand、silt with sand等幾種土料。

1.2粘土料填筑工程量及特性要求

1.2.1合同BOQ及圖紙設計粘土料填筑工程量如下：

BOQ中工程量為：3,007,300m3；工程師提供的圖紙設計工程量為：3,167,362 m3

1.2.2 粘土填筑特性要求

（1）顆粒級配曲線參數(shù)應滿足下表表1要求：

表1顆粒級配曲線參數(shù)表

（2）阿太堡限度測試值要求在以下范圍內(nèi):

液限指數(shù): LL = 30% 到 70%,

塑性指數(shù): PI = 12%到 40% ( PI﹥15%)，

（3）有機物含量不超過 1%。

（4）壓實后的滲透系數(shù)不超過 10-7m/s。

1.3 土料場勘探試驗結(jié)果

BU3-QF料場土料主要以高液限高塑性粘土Fat clay(CH)為主（大致表層0～1.5m和底層3.5～8.0m多為Fat clay，其表層1.5m土料約1,500,000m3），此類土料在勘探深度內(nèi)共7368206m3。

土料液限及塑性指數(shù)整體偏高，其中有56.7%樣品的液限及塑性指數(shù)不符合標準（LL=30-70% ，PI=12-40%），但其均值(PI=33.08，LL=57.26)在標準以內(nèi)，如將粘土料上下層混合，混合后粘土料可滿足料液限及塑性指數(shù)標準。

料場內(nèi)所有土料的有機物含量均大于1%，平均有機物含量在3.5%，超出有機物含量小于1%的標準。

在分散特性上，料場內(nèi)土料多為緩慢侵蝕的輕度和中度分散性粘土，整體不具有分散性，唯有一組樣品具有分散性。根據(jù)勘探數(shù)據(jù)，此探坑范圍內(nèi)的土料與整個料場區(qū)域的土料相比可能存在一定的特殊性；料場開采可不考慮土料分散特性。

與合同技術條款相比較，料場區(qū)域57.5%的顆粒級配曲線在包絡線以外，整體細粒含量較高，主要是小于0.425mm以下的細粒超出標準要求，0.425mm以上顆粒級配曲線基本滿足要求，但其樣品每級顆粒粒徑均值均在包絡線以內(nèi)，同樣如將粘土料混合即可解決細粒含量較高的問題。

勘探深度范圍內(nèi)(EL522.0m～EL506.0m)未發(fā)現(xiàn)存在地下水，料場開采可不考慮地下水影響。

1.4 需解決的問題

1.4.1 解決項目粘土料填筑量

為解決項目所需3,167,362m3合格的粘土料，開采系數(shù)按照2.0考慮，需開采6,334,724 m3，開采深度約5.87m，按現(xiàn)有料場面積及存量，將整段第一層（0～1.5m）的Fat clay(CH)、Fat clay with sand(CH)第二層（1.5～4.5m）的sandy silt(ML)、Lean clay with sand(CL)、lean clay(CL)、silt with sand(SM)及部分第三層（4.5～5.9）的Fat clay(CH)土料進行開采利用即可解決項目粘土料填筑量需求。

1.4.2 解決料場土料分層特性不合格問題

土料的有機物含量超標的問題，經(jīng)與業(yè)主、工程師溝通后，上壩填筑物料不需解決此問題。

土料的液限及塑性指數(shù)、細粒含量較高的問題，經(jīng)現(xiàn)場試驗把第一層的Fat Clay（CH）（0~1.5m）和第二層的Sandy Silt（ML） and Lean Clay（CL）(1.5~4.5m)進行混合摻拌，對所得到的摻拌土料進行了以下實驗，實驗結(jié)果表明，新的土料的顆粒級配曲線在包絡線以內(nèi)；阿太堡界限為LL=43,PL=17,PI=26；滲透系數(shù)=3.45×10-10m/s；有機物含量為3.1%；除了有機物含量超出不大于1%的要求，其他的都能滿足技術規(guī)范的要求。

1.4.3 解決料場土料含水量調(diào)整問題

現(xiàn)場通過三個試驗區(qū)對土料含水量調(diào)整進行試驗，分別為：

第一試驗區(qū)（50m*25m）采用清表后修筑土埂灌水；試驗過程加水量及水位滲透深度見下圖：

第二實驗區(qū)（50m*25m）采用清表后進行鉆孔（孔徑90mm、孔深4.5m、孔距2.5m*2.5m），修筑土埂灌水；試驗過程加水量及水位滲透深度見下圖：

第三實驗區(qū)（20m*10m）采用反鏟翻松土料約4.5m后修筑土埂灌水。通過現(xiàn)場取樣連續(xù)觀測水位滲透情況；試驗過程加水量及水位滲透深度見下圖：

根據(jù)三個灌水試驗區(qū)結(jié)果，在土料場原狀土層或增加鉆孔進行含水量調(diào)整不可行；要達到理想的效果，最短時間內(nèi)解決土料場含水量問題需進行土料翻松。

2 土料開采施工工藝

2.1 開采原則

綜合分析勘探試驗及灌水試驗結(jié)果，與蘇丹麥洛維項目土料使用系統(tǒng)加工進行經(jīng)濟比較；項目土料場開采擬使用反鏟立面混合開采一定深度，將土料場規(guī)劃為100m×100m單塊含水量調(diào)整及翻松區(qū)；單塊充分翻松摻拌，解決土石方填筑要求的320萬方合格土料。

2.2 開采工藝

為更好的確保料場的各層土料摻拌均勻，整個料場采用兩次立面混合開采；合格土料在運輸、卸車及攤鋪過程中進一步摻拌均勻，保證碾壓后的土料的合格率。

2.2.1 反鏟第一次立面混合翻松

反鏟立面混合開采（見圖2所示），清表和剝離合格后，開采深度按照“第一層(Fat Clay（CH）)與第二層(Sandy Silt（ML）、Lean Clay（CL）)立體混合開采至4.5m(去除0.3m剝離層，有效開采深度4.2m-4.3m)”。

2.2.2 含水量調(diào)整

翻松完成后，土料按照灌水試驗“第三實驗區(qū)（20m*10m）”中的灌水參數(shù)進行畦灌，土料的含水量控制在比最優(yōu)含水量高2%。

2.2.3 灌水區(qū)土料的試驗結(jié)果

試驗結(jié)果為：天然含水率為13.1%，最優(yōu)含水率為23.1%，最大干密度為1.61g/cm3，液限及塑性指數(shù)均值LL=43%LI=17%、PI=27%符合標準要求。

2.2.4反鏟第二次立面混合開采裝車

單塊土料含水量調(diào)整區(qū)域（100m*100m）含水量熟化時間完成后，利用反鏟（斗容2.1m3）進行立面混合開采，開挖基坑邊坡坡比按1：0.5控制，反鏟立體混合開采裝料，SCANIA自卸汽車（27t）運輸至施工現(xiàn)場直接上壩填筑。反鏟第二次立面混合開采方法見下圖2。

圖2 反鏟立面混合翻松及開采示意圖

3、結(jié)語

對于國外項目， 德國LAHMEYER INTERNATIONAL咨詢公司對工程質(zhì)量控制要求非常嚴格，完全履行合同技術條款中要求；試驗研究此方案的粘土開采施工工藝，確保土石方填筑施工防滲粘土料的技術指標合格；相比其他方法更經(jīng)濟、更有效，確保工程土石方填筑進展順利，滿足項目320萬方合格防滲物料要求。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。