土石壩施工中摻配全強(qiáng)風(fēng)化防滲土料應(yīng)用分析

徐英姿

(上饒市水利科學(xué)研究所，江西 上饒 334000)

文章以江西省上饒市上饒縣某水庫施工為例，重點(diǎn)研究摻配全強(qiáng)風(fēng)化防滲土料在土石壩中的應(yīng)用。通過大量的摻配試驗及碾壓試驗，分析試驗數(shù)據(jù)，標(biāo)定各自摻配比例、碾壓次數(shù)、每層鋪設(shè)混合料厚度等參數(shù)，力求心墻填筑質(zhì)量滿足設(shè)計要求，同時為摻配全強(qiáng)風(fēng)化防滲土料在土石壩施工中的應(yīng)用提供經(jīng)驗。

1 項目情況

文章選取江西省某水庫為研究對象，施工現(xiàn)場距上饒縣城40km左右，該水庫重點(diǎn)保障當(dāng)?shù)鼐用裼盟稗r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，同時也為其周邊工廠提供水源。水庫設(shè)計總庫容1081.65萬m3，可保障2萬畝農(nóng)田用水。水庫重點(diǎn)建筑包括攔河大壩、溢洪道、導(dǎo)流輸水隧洞、泄洪道等。

攔河大壩作為水庫的重點(diǎn)工程，設(shè)計為心墻風(fēng)化料壩。其壩頂高程2578m，壩頂寬度5.8m，壩頂長度590.8m，壩高最大值46.8m。上下游壩坡均采用3級設(shè)計，其坡比依次：1∶2.2，1∶2.4，1∶2.6；1∶2.2，1∶2.4，1∶1.6。心墻頂寬度2.5m，上下游坡比相同，為1∶0.3，心墻上游鋪設(shè)一層混合反濾層(2.5m)，下游鋪設(shè)兩層反濾層(每層均1.25m)。利用C13混凝土預(yù)制塊護(hù)坡構(gòu)成大壩上游壩面，利用C13混凝土格柵草皮護(hù)坡構(gòu)成下游壩面。大壩心墻防滲土料填筑量較大，高達(dá)274985m3。

因該水庫周圍有大量殘坡積土層，并含有大量砂泥巖全風(fēng)化碎石角礫粉土層，具有良好的防滲作用。設(shè)計時選擇2個土料場，概況分別如下：

1號土料場在下壩左岸東部，與上壩址距離600～2500m。本土料場涉及到的土料種類眾多，主要有紫紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂巖、灰白石英砂巖夾鈣質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、含有礫粉質(zhì)黏土、夾碎石角礫土，可用作防滲土的厚度約2.5m?？捎脤酉虏渴侨珡?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖層，該層在摻配比例條件下也可作為防滲土料。該土料場可用層儲量達(dá)到66.12萬m3，以現(xiàn)有技術(shù)剝采百分比僅9.5%左右。綜合考慮后將1號土料場作為主選料場。為了滿足施工用料，必要時選擇摻配一定數(shù)量的全強(qiáng)風(fēng)化砂泥巖作為防滲心墻原料。

2號土料場在上壩左岸以北，帶狀東西分布，距水壩達(dá)1400m。料場可以利用的主要是殘坡積土層與全風(fēng)化土層的上部，其儲量達(dá)到54.12萬m3，以現(xiàn)有技術(shù)剝采百分比可達(dá)10.8%左右。但該料場開采運(yùn)輸條件較差，并且場區(qū)內(nèi)涉及到當(dāng)?shù)鼐用竦撵籼?，征收開掘成本巨大。綜合考慮后將2號土料場充當(dāng)備用，僅在主選料場無法滿足施工需求時，才少量開采2號土料場邊緣區(qū)，盡量降低影響。

2 防滲土料配制

2.1 取樣介紹

對1號土料場進(jìn)行地質(zhì)勘測。探坑間距控制在150m左右，選擇20個探坑，各個探坑深度不一，其范圍在1.2～7.5m之間。探坑內(nèi)獲得原狀樣12組，擾動樣12組。并獲得防滲純土料大樣1組，同時獲取砂泥巖全強(qiáng)風(fēng)化料大樣1組，完成不同配比的試驗。

2.2 配比設(shè)計

(1)純土料試驗

在主料場(1號)探坑內(nèi)采取12組表層土料完成試驗，首先對其物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行試驗，性能概況見表1。

表1 純土料物理性質(zhì)概況

參考相關(guān)規(guī)程對其完成評價，評價結(jié)果見表2。

表2 純土料各性能指標(biāo)概況

通過該試驗可以得到：主料場表層土料主要是黏性土，黏粒所占比例超過45%的共5組，所占比例42.5%，較高；塑性指數(shù)平均數(shù)值為12.8，共有9組樣本在9.5～20.5范圍內(nèi)，達(dá)標(biāo)率達(dá)到75%，天然水分比例、滲透系數(shù)均符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定。在開挖現(xiàn)場實地試驗后，可知上層土天然水分比例與最佳值基本一致，黏粒所占比例不均勻。為了保證防滲土料的防滲效果，在采掘時全強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖必須按照一定比例，并進(jìn)行摻配提升防滲土料的塑性指數(shù)與黏粒。綜合來看，該土料基本符合防滲料技術(shù)規(guī)范中規(guī)定值，完全可作為大壩心墻填充料使用。

(2)摻配試驗

設(shè)定防滲純土料大樣1組(編號FS1)，砂、泥巖全強(qiáng)風(fēng)化料大樣1組(編號FS2)。

表3 擊實試驗參數(shù)及實測數(shù)據(jù)

表4 三軸試驗實測數(shù)據(jù)

表5 各土樣碾壓實測值

參考相關(guān)規(guī)程[4]對其完成評價，評價結(jié)果如表6。

分析表6內(nèi)數(shù)據(jù)不難看出，經(jīng)過15%粉質(zhì)黏土料與30%全強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖的摻入，P5所占比例達(dá)到14.8%～22.2%，黏粒所占比例與塑性指數(shù)兩者均有所提升，滲透系數(shù)為5.4～6.6×10-7cm/s，摻配土料符合相關(guān)規(guī)程中關(guān)于防滲土料的技術(shù)規(guī)范規(guī)定數(shù)值范圍。

表6 水壩防滲土料摻配風(fēng)化料各性能指標(biāo)概況

(3)摻配試驗分析

通過勘探試驗數(shù)據(jù)可以得到，1號土料場的土料經(jīng)過外摻15%～30%的全強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖配制成碎礫石土防滲材料，各項指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)規(guī)范中相應(yīng)規(guī)定。在外摻百分比是30%時，滲透系數(shù)僅是5.4×10-7cm/s，表明其外摻比例仍有提升的空間。該研究具有實現(xiàn)意義：可以大幅度提升1號土料場可用料的可用率，并且可以降低土料場占地面積，減少施工成本。

3 工程控制管理

3.1 外摻土料控制

1號土料場面積大，坡度較小，表面植被多。為了不影響鄰近公路交通，在其北面埡口附近開掘，并能快速運(yùn)達(dá)壩趾處。1號土料場土料質(zhì)量各性能指標(biāo)見表7。

表7 1號土料場土料各性能指標(biāo)概況

3.2 施工控制策略

結(jié)合1號土料場土料特性，為了滿足大壩心墻防滲料的需求量，重點(diǎn)從以下5個方面進(jìn)行施工控制。

(1)分區(qū)采掘

因1號主料場土層分布不一，為了提升采掘質(zhì)量，按照其厚度將其人為分區(qū)，選擇分區(qū)采掘方式?？刹删騾^(qū)為1區(qū)，不可采掘區(qū)為2區(qū)。1區(qū)按照殘坡積土層厚度的35%全部是全強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖作為采掘界限，并嚴(yán)格控制全強(qiáng)風(fēng)化料的外摻比例，保證防滲料質(zhì)量。依據(jù)土料天然水分所占比例采取不同開掘原則，首先開掘天然水分比例為12%～18.5%的土料，可直接用作心墻填充材料；天然水分比例低于12%的土料開掘時通過加水方式達(dá)到最佳含水率后方可用于工程；對于天然水分比例高于18.5%的土料開掘后經(jīng)晾曬降低最佳含水率范圍后才可以用于工程。

(2)立面混合采掘

為了保證土料合理利用、無浪費(fèi)現(xiàn)象及實現(xiàn)摻配比例，首先借助推土機(jī)將無用層剝離，有用層采用里面混合采掘，并按照摻和比攪勻后可運(yùn)送到施工現(xiàn)場。

(3)試驗及施工控制

施工前進(jìn)行碾壓試驗主要獲取碾壓施工相關(guān)參數(shù)，降低施工成本，提升碾壓效果。選擇1號土料場中1區(qū)混合土料，設(shè)定300mm、350mm、400mm 3種厚度的碾壓試驗，每種厚度的碾壓試驗均含有12組樣。結(jié)果表明，干密度、壓縮量與碾壓系數(shù)成正相關(guān)，當(dāng)鋪土為300mm時，干密度最高。當(dāng)碾壓次數(shù)達(dá)到8時，各指標(biāo)趨于穩(wěn)定。綜合考慮各因素，確定心墻防滲土料每層鋪料為300mm，25t振動碾碾壓8次。碾壓后經(jīng)檢測，獲得如下指標(biāo)：壓實度均超過97.5%，最佳含水比例為12.5%～13.8%，干密度1.875～1.915g/cm3，滲透系數(shù)為2.55×10-7cm/s，與相關(guān)規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)值相比均達(dá)標(biāo)。

心墻填筑施工應(yīng)注意如下3個方面：混合土料裝卸后需要檢測其混合是否均勻，保證滲透系數(shù)一致；把控鋪土層厚度，文章標(biāo)定300mm為上界，保證壓實度；在心墻層與層之間結(jié)合時，應(yīng)保證面層壓實含水比例與內(nèi)部一致，可采取刨松面層灑水的方式。

(4)監(jiān)管控制

因各施工環(huán)節(jié)均影響著大壩防滲土料的質(zhì)量，需要對各個施工環(huán)節(jié)實施監(jiān)管，尤其是土料采掘、混合料攪拌、大壩心墻填筑等關(guān)鍵工序，堅決避免不達(dá)標(biāo)防滲土料上壩填筑。

(5)質(zhì)量實時監(jiān)測

質(zhì)檢是大壩防滲心墻施工質(zhì)量控制的最后一環(huán)，定期定時對填筑碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。對獲取的工程樣本測定其干密度、水分占比、滲透系數(shù)、壓實度等，各項指標(biāo)均達(dá)標(biāo)后才能進(jìn)行下一道施工工序或者下一層心墻填筑工作。

4 結(jié)論

通過設(shè)計摻配試驗及碾壓試驗和分析試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)得出3個結(jié)論：①表層土料摻配15%與30%的全強(qiáng)風(fēng)化砂巖、泥巖，黏粒所占比例與塑性指數(shù)兩者有所提升。在外摻百分比例為30%時，滲透系數(shù)僅是5.3×10-7cm/s，表明其外摻比例仍有提升的空間。②心墻防滲土料鋪筑時每層鋪料為300mm，25t振動碾碾壓8次。③混合料在采掘及填筑施工中必須嚴(yán)格控制質(zhì)量，結(jié)合實際工程采取相應(yīng)措施，各個環(huán)節(jié)質(zhì)量監(jiān)測及監(jiān)管工作落實到位。

該水利工程2014年4月竣工，施工成本比預(yù)算節(jié)約300萬元。2014年6月投入使用后的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明大壩心墻滲漏情況符合國家相關(guān)規(guī)定要求，水庫運(yùn)營良好。

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