南村水庫工程大壩土料設(shè)計

趙秀改

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司山西太原030024）

筑壩土料是土壩的“糧倉”。料場的選擇和規(guī)劃，不僅影響土壩本身的設(shè)計和施工，而且關(guān)系到施工質(zhì)量、工期和造價。

1 工程概況

南村水庫是辛安泉改擴(kuò)建工程的調(diào)蓄水庫，其主要任務(wù)是調(diào)蓄辛安泉供水改擴(kuò)建工程向黎城縣提供的農(nóng)業(yè)灌溉用水，同時可用于特大干旱年的生活應(yīng)急用水。

水庫樞紐主要建筑物包括大壩、泄洪洞、供水管線、進(jìn)水口以及“三聯(lián)壩水庫”泄洪洞。大壩為均質(zhì)土壩，壩頂寬8.0 m，壩頂長235.00 m，最大壩高26.4 m。

大壩壩體土方填筑土方回填總方量219.8 萬m3。大壩設(shè)計上壩土料選定在大壩左壩肩的莊上土料場，設(shè)計上壩土料指標(biāo)：壓實度為97 %，最優(yōu)含水率為16.1%。

2 土料場概況

土料場位于庫區(qū)內(nèi)壩軸線上游約60 m 處，地形為馬鞍形山包。料場地面高程的相對高差30～34 m。由于自然地形條件下水庫庫容不滿足設(shè)計要求，且料場位于庫區(qū)，料場開挖以后既滿足了上壩填筑土料，又可擴(kuò)大一部分庫容。

料場出露的地層表層為上更新統(tǒng)洪沖積（Q3pal）：淺黃、土黃色低液限粉土、低液限黏土，厚度0～3 m。其下為第四系中更新統(tǒng)沖積（Q2pl）淺紅-紅褐色低液限黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核層及卵石混合土透鏡體，厚度大于80m。其中第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土層為有用層，有用層厚度約30 m。無用層為表層第四系上更新統(tǒng)洪沖積淺黃、土黃色低液限粉土、低液限黏土以及鈣質(zhì)結(jié)核層及卵石混合土透鏡體。料場勘探深度范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)地下水。

本次土工試驗，共取19 組原狀土樣組。根據(jù)實驗結(jié)果可知：（Q2pl）低液限黏土其天然含水率為8.3%～17.5%，平均值為11.3%；天然密度為1.32～1.72 g/cm3，平均值為1.52 g/cm3；干密度為1.2～1.56 g/cm3，平均值為1.37 g/cm3；孔隙比為0.739～1.262；天然壓縮系數(shù)（av1-2）0.03～82 MPa-1，平均值為0.21 MPa-1，多具低-中等壓縮性；垂直滲透系數(shù)（kv）為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%。塑性指數(shù)11.2～15.4，平均值13.8。

按《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL274-2001）及設(shè)計要求，壓實度取96%進(jìn)行配樣。擊實后其最大干密度1.71～1.72 g/cm3，最優(yōu)含水率17.0%～18.2%，平均值17.6%。

土料場第四系中更新統(tǒng)洪積低液限黏土作為均質(zhì)土壩筑壩土料其質(zhì)量滿足要求。該土料場有用層長380 m，寬170m，厚20 m，采用平行斷面法計算儲量，經(jīng)計算，總儲量131.2×104m3，無用層10.0×104m3，有用層121.2×104m3。該土料場土料質(zhì)量滿足筑壩要求，設(shè)計需要土料約23×104m3，儲量滿足工程及規(guī)范要求且開采后能增加水庫庫容。

3 土料場選擇與規(guī)劃

3.1 料場選擇應(yīng)遵循的基本原則

1）就地取材，筑壩土料應(yīng)就近或就地取材。

2）充分利用建筑物的開挖料，減少棄渣對環(huán)境的影響。

3）料場的質(zhì)量和數(shù)量應(yīng)滿足設(shè)計要求。

4）選擇運距較短、儲量較大和便于開采的料場。

5）土料場天然含水率宜接近最優(yōu)含水量。

3.2 土料的比較

3.2.1 黏粒含量

用土料的黏粒含量不能直接說明土料是否適于用來填筑土壩，但實踐表明，黏粒含量過高時土料不易分散，含水量不均勻，壓實性能較差，黏粒含量不宜大于40%；黏粒過低時會影響土料的可塑性和抗?jié)B性。綜合考慮這兩方面因素，一般認(rèn)為黏粒含量在15%～30%較好。

3.2.2 可塑性

土料的可塑性主要用塑性指數(shù)來衡量。塑性大的土料開挖、碾壓均不方便，承載力低，重型機(jī)械在壩面運行有時發(fā)生困難。塑性低的土料適應(yīng)變形的能力較差。一般而言塑性指數(shù)在10～20 為宜。

4 土料場的開采

開采過程中，根據(jù)含水量的大小，分區(qū)分層翻曬、取土，以滿足不同時段的施工強度，做到連續(xù)均衡生產(chǎn)。開采過程中應(yīng)根據(jù)填筑強度安排每年的開采量。

4.1 覆蓋層清理

土料開采前，先用人工配合推土機(jī)清除樹根、亂石及防礙施工的一切障礙物并將表層的腐殖土清除。料場無用層采用88 kW 推土機(jī)剝離后運至就近棄渣位置按規(guī)定存放。

4.2 開采措施

土料采用2 m3反鏟挖掘機(jī)立面開采，自上而下每3～4 m 為一層開挖，開挖土料用15 t 以上自卸汽車運輸上壩。土料開采過程中，保證土料場中央凸起，沿寬度方向略向兩側(cè)傾斜，傾斜坡度2%～4%，以利排泄雨水。

5 筑壩土料的加工

對于土料，只有在最優(yōu)含水率范圍內(nèi)，才能獲得最大干容重，且壓實也較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)土料含水率小于最優(yōu)含水率，采用一般的常用壓實機(jī)械，即使增加壓實功能，也難達(dá)到要求的壓實標(biāo)準(zhǔn)，因此土料天然含水率過高或過低，都應(yīng)采取一定的措施，以調(diào)整含水量至最優(yōu)含水率范圍。

本工程的土料加工主要是調(diào)整土料含水率。根據(jù)土料場土料室內(nèi)擊實試驗成果，土料最優(yōu)含水率為16.1%，由土料場勘察結(jié)果得出土料天然含水率偏低，需先對土料含水率進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過一定的處理才能使含水量調(diào)整至最優(yōu)含水率，使其在上壩前達(dá)到設(shè)計要求。

5.1 土料加水要求

對土料加水應(yīng)符合以下兩個要求：

1）使土料含水率達(dá)到施工要求的最優(yōu)含水率控制范圍。

2）使加水后的土料含水率保持均勻。

5.2 土料加水措施

提高土料含水率的措施，應(yīng)根據(jù)含水率偏小原因與土料種類，采用的方式主要有：壩面灑水、在開挖掌子面處加水、土料場加水。

5.2.1 壩面灑水

因為壩面場地小，干擾大，在壩面加水不易使土料含水率均勻，因此，當(dāng)上壩土料的天然含水率與最優(yōu)含水率相差不大，僅需增加1%～2%左右時，可采用壩面灑水。

5.2.2 在開挖掌子面處加水

當(dāng)土料的含水量低于最優(yōu)含水率，可于挖掘機(jī)開挖時采用直接用水管加水，并用挖掘機(jī)摻和，然后將土料堆置另外一個地方，停置一段時間，使含水率均勻，即可用于填筑。但是這種加水方式難以精確控制，只能憑加水人員的經(jīng)驗進(jìn)行。

5.2.3 土料場加水

土料場加水，適宜大面積的土場，當(dāng)土料的天然含水率與最優(yōu)含水率相差較大時，可采用土料場加水的措施。這不僅減少壩面施工工序，減少施工干擾，加快施工進(jìn)度，對土料含水率的要求易于控制。

土料場加水，采用筑畦灌水法，根據(jù)土料場地形及灌水深度筑畦，將料場用土堤圍成20m×20m或30m×10 m 的若干灌水畦塊，畦埂高約20 cm～40 cm，加水前先估算加水量，分期進(jìn)行灌水。灌水過程采用洛陽鏟打孔測定不同灌水次數(shù)、灌水量、土料含水率變化情況，直至土料達(dá)到設(shè)計要求含水量。灌水前不宜清除表層覆土，以免堵塞土層的滲透孔道，破壞料場表面的滲透性。加水量、灌水深度、灌水浸潤時間等均應(yīng)通過現(xiàn)場灌水試驗確定。

6 結(jié)語

在山西省經(jīng)常出現(xiàn)土料場土料的天然含水率偏低的情況，因此要利用這些土料填筑碾壓式土壩，就必須對土料進(jìn)行加水。本文在土料場的選擇及提出的土料加水措施，可以較好地解決本工程的土料偏低問題，也可為山西省的同類型的工程提供參考和比較。