苗尾水電站心墻礫質(zhì)土料開采補(bǔ)水技術(shù)

(中國人民武裝警察部隊(duì) 水電第一支隊(duì)， 河北 唐山 063000 )

1 工程概況

苗尾水電站為心墻堆石壩工程，為中央直立礫質(zhì)土心墻，設(shè)計(jì)壩高131.8 m，壩頂軸線576 m,壩頂寬12 m，壩體總填筑方量1 027.6萬m3，其中心墻礫質(zhì)土填筑量118.8萬m3。壩體填筑礫質(zhì)土料場位于壩址左壩頭，分為A、B兩區(qū)。A區(qū)為斜坡地形，地面高程1 405～1 600 m，面積 0.12 km2，料場為林地。B區(qū)地面高程1 365～1 570 m,面積 0.07 km2，料場為林地及旱地。根據(jù)地勘報(bào)告顯示，黏土礦物主要有高嶺石、綠泥石、水云母、蒙皂石、綠蒙混層，膨脹試驗(yàn)的自由膨脹率為11.5%和11.0%，均小于40%。其主采區(qū)總的剝離量約 3.803萬m3，有用料儲(chǔ)量約為 31.62萬m3。

根據(jù)苗尾水電站《大壩心墻防滲土料碾壓試驗(yàn)報(bào)告》及《土料場開始施工技術(shù)要求》[1]，壩址左岸礫質(zhì)土料最優(yōu)含水率為14.0%，現(xiàn)場天然含水率為10.1%，天然含水率偏干3.9%。在心墻填筑施工過程中，為了保證礫質(zhì)土料經(jīng)碾壓以后達(dá)到全料95%以上的壓實(shí)度，需對(duì)礫質(zhì)土料在上壩之前在土料場進(jìn)行補(bǔ)水。

2 土料場補(bǔ)水技術(shù)

2.1 補(bǔ)水量

根據(jù)《土料場開始施工技術(shù)要求》，壩址左岸土料場礫質(zhì)土料開采深度1～10 m，開采方量31.62萬m3(密度1.63 g/cm3)，天然含水率偏干3.9%。按照設(shè)計(jì)要求，土料在偏濕1%～3%的情況下，壓實(shí)度都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此，補(bǔ)水率在考慮偏干3.9%的情況下，另需考慮偏濕1%～3%。依此進(jìn)行補(bǔ)水工程量計(jì)算，共計(jì)需補(bǔ)水約25 254～35 563 t，即水量約25 254～35 563 m3。

2.2 土料場補(bǔ)水方法

根據(jù)其他水電站工程施工經(jīng)驗(yàn)，在開采運(yùn)輸過程中礫質(zhì)土料含水率基本沒有變化，在該工程施工過程中，考慮1%的損失。采取在土料開采之前一次補(bǔ)水到位的補(bǔ)水措施。在料場相應(yīng)高程逐級(jí)按照高差7 m開挖如圖1所示水平水溝(水溝兩側(cè)坡比1∶0.75)，水溝內(nèi)存水，通過土體內(nèi)滲流進(jìn)行土料補(bǔ)水。

圖1 補(bǔ)水方案水溝尺寸示意(單位:m)

2.3 土料場補(bǔ)水時(shí)機(jī)及參數(shù)設(shè)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，1 m3土料在自然狀態(tài)下的補(bǔ)水量為79.9～112.5 kg。壩址左岸土料場土料在自然狀態(tài)下的平均滲透系數(shù)約為6×10-5cm/s，表層1 m3土料需要補(bǔ)水 3.7～5.2 h(其單位面積滲透系數(shù)為 21.6 kg/h)[2]。

垂直方向最大深度10 m，該位置1 m3礫質(zhì)土料補(bǔ)水需要196.8 d，考慮25%的滲流坡降，補(bǔ)水時(shí)間約為 245.9 d。按照大壩填筑施工轉(zhuǎn)序總體進(jìn)度安排，時(shí)間上不允許10 m的補(bǔ)水深度。同時(shí)，根據(jù)《土料場開采施工技術(shù)要求》[1]，壩址左岸土料場礫質(zhì)土料深度為5 m以下，礫質(zhì)土料天然含水率高于最優(yōu)含水率約2%，故5 m以下不考慮補(bǔ)水。在后期開采過程中，上下層混采摻拌，局部調(diào)節(jié)含水率。

垂直方向最大深度5 m，該位置1 m3土料補(bǔ)水完成需要37.85 d，考慮11%的滲流坡降，補(bǔ)水時(shí)間約為 41.64 d。

根據(jù)前期勘察資料可知，壩址左岸土料場土料在垂直方向其密實(shí)度按照約 6.7%遞增，其滲透系數(shù)相應(yīng)減低。順坡方向表層土密實(shí)度相對(duì)較低，滲透系數(shù)相對(duì)較高，根據(jù)相關(guān)理論分析，在保證垂直方向5 m補(bǔ)水深度的情況下，能夠滿足順坡方向7 m高程的補(bǔ)水要求。

根據(jù)以上計(jì)算，確定垂直方向的補(bǔ)水深度為5 m，順坡方向水溝高差為7 m，則其補(bǔ)水范圍如圖2所示。

圖2 補(bǔ)水范圍示意(單位:m)

根據(jù)補(bǔ)水方案，水溝單位長度儲(chǔ)水量為 2.28 m3，即2.28 t，單位下滲面積為 4.52 m2。礫質(zhì)土料滲透系數(shù)為6×10-5cm/s[2]，在水溝隨時(shí)保證2/5儲(chǔ)水量的情況下，能夠滿足140.3 h的下滲量要求，即 5.6 d?？紤]蒸發(fā)損失3%，能夠滿足約5 d的下滲量要求。因此在補(bǔ)水過程中，要求水溝兩次加水時(shí)間不得超過5 d。

2.4 深度大于5 m土料場補(bǔ)水技術(shù)

根據(jù)《土料場開采施工技術(shù)要求》，埋深大于5 m的土料，礫質(zhì)土料天然含水率高于最優(yōu)含水率約2%[3]，故5 m以下不考慮補(bǔ)水。在后期開采過程中，采取以下兩種措施進(jìn)行補(bǔ)水調(diào)節(jié)。

(1)采取混采摻拌的措施，即深度5 m范圍之內(nèi)的土料與5 m范圍之外的土料同時(shí)進(jìn)行開采，不分層，利用上層土料的自落實(shí)現(xiàn)與下層土料的混合，裝車之前進(jìn)行摻拌，混合裝車。在其他水電站工程施工過程中，已成功應(yīng)用以上措施。

(2)在開采之前，表土剝離完成以后，進(jìn)行含水率檢測，根據(jù)含水率檢測結(jié)果確定是否補(bǔ)水，以及補(bǔ)水百分比。對(duì)于要補(bǔ)水的部位，提前5 d采用灑水車送水，沿著已剝離的范圍進(jìn)行人工補(bǔ)水。

在后期開采過程中，依據(jù)含水率檢測情況綜合使用以上兩種措施。

3 土料場補(bǔ)水施工及檢測

3.1 滲溝開挖

滲溝開挖按照高程從低到高的順序，高差7 m進(jìn)行測量放線，保證水溝水平。采用 2.5 m3挖掘機(jī)沿著放線方向一側(cè)進(jìn)行儲(chǔ)水水溝開挖，開挖料甩至水溝低高程方向，挖機(jī)斗子進(jìn)行局部水溝邊墻夯實(shí)，不得夯實(shí)水溝底部，保證水溝底部礫質(zhì)土處于松散狀態(tài)。在儲(chǔ)水水溝兩端，采用水溝開挖料進(jìn)行堆填夯實(shí)，防止儲(chǔ)水通過水溝兩端溢流，避免造成浪費(fèi)。

水溝修建過程中，難免與場內(nèi)施工道路形成交叉，在交叉位置斷開排水溝，在斷開段位置的低高程或高程處適當(dāng)位置，在保證高差7 m、儲(chǔ)水水溝兩端分別超出斷開段長度各2 m的情況下，開挖補(bǔ)水水溝。

3.2 加水下滲

水溝開挖完成以后，采用20 t加水車在上游圍堰左堰肩加水，沿著左岸中線公路、左岸高線公路及壩址左岸土料場場內(nèi)臨時(shí)施工道路運(yùn)輸至加水水溝一側(cè)(運(yùn)距約3.5 km)，從高到低向水溝加水，要求每個(gè)水溝必須按所需補(bǔ)水量將水加至相應(yīng)的儲(chǔ)水深度。

儲(chǔ)水初期，安排專人巡視水溝周邊，對(duì)于溢流的部位及時(shí)采用鐵鍬挖土補(bǔ)填，以防溢流。同時(shí)，補(bǔ)水過程中，不定期安排專人巡視水溝內(nèi)儲(chǔ)水情況，根據(jù)水溝內(nèi)儲(chǔ)水深度及時(shí)加水。

3.3 含水率檢測

在水溝儲(chǔ)水初期，根據(jù)礫質(zhì)土料含水率檢測相關(guān)規(guī)范，在壩址左岸土料場場內(nèi)適當(dāng)位置，取料進(jìn)行含水率檢測，確定補(bǔ)水之前的含水率[4]。水溝儲(chǔ)水開始下滲后，再在上次取樣相應(yīng)位置取樣，測定其含水率。通過比較含水率的變化，檢驗(yàn)補(bǔ)水效果，校核補(bǔ)水時(shí)間。

4 結(jié) 語

在研究壩體填筑礫質(zhì)土料特性及天然含水率的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程建設(shè)實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)，通過計(jì)算補(bǔ)水量，根據(jù)土料自然狀態(tài)下的平均滲透系數(shù)，開挖滲水方溝，加水自然滲透，土料裝車之前進(jìn)行混合摻拌裝車。合理的壩體填筑礫質(zhì)土料補(bǔ)水，較好地解決了天然土料含水率不穩(wěn)定的問題，并及時(shí)進(jìn)行含水率檢測評(píng)估，確保了礫質(zhì)土料上壩填筑質(zhì)量要求，為今后類似心墻堆石壩礫質(zhì)土料防滲體填筑施工積累了經(jīng)驗(yàn)。