高土石壩心墻礫石土料摻配施工技術(shù)

趙生財(cái)

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州)

概況

兩河口水電站擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295 m，壩頂寬度16 m, 上游壩坡坡比1:2.0，下游壩坡坡比1:1.9,大壩壩體共分為防滲體、反濾層、過渡層和壩殼四大區(qū)。大壩心墻礫石土設(shè)計(jì)填筑量440 萬m3，圍堰礫石土料0.5 萬m3。礫石土料分別由上游亞中料場、蘋果園料場、瓜里料場、普巴絨料場及下游西地料場供應(yīng)，礫石土料除極少部分直接開采上壩外，其他土料全部按要求比例摻礫后上壩。礫石土料按6:4 摻配料、7:3 摻配，摻配后的礫石土顆粒級配應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1） 填筑土料最大粒徑不大于150 mm。

（2） 粒徑大于5 mm 的顆粒含量不超過50%，不低于30%。

（3） 小于0.075 mm 的顆粒含量應(yīng)不小于15%；小于0.005 mm 的顆粒含量應(yīng)大于8%。

1 總體摻配規(guī)劃

將加工合格的礫石和土料按照質(zhì)量比互層鋪料，采用正鏟“平鋪立采”的工藝摻配。鋪料過程中采用定制標(biāo)桿、手持GPS、測量網(wǎng)格等多種方法進(jìn)行層厚控制。分別將土料或礫石放在頂層的方式來應(yīng)對雨季降雨和冬季低溫。通過鋪料厚度、摻配遍數(shù)相關(guān)試驗(yàn)，確定后續(xù)鋪料厚度及摻配遍數(shù)的工藝參數(shù)；根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)工況的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行鋪料厚度波動范圍的統(tǒng)計(jì)分析，為后續(xù)的質(zhì)量控制提供了判斷依據(jù)。

2 主要施工程序及工藝方法

2.1 場地規(guī)劃布置

礫石土料摻拌場布置在一道班摻和場，場地高程為2 883 m，平臺按1%自然放坡排水，備料前用級配良好的礫石料對基礎(chǔ)面進(jìn)行鋪填20 cm 整平并用26 t平碾碾壓12 遍，碾壓完成后測量人員對場地高程進(jìn)行測量作為基礎(chǔ)面測量資料。

在摻拌場四周開挖斷面尺寸為0.6 m×0.4 m×0.4 m(頂寬×底寬×高）的排水溝進(jìn)行場地積水排水。在摻和場外設(shè)置質(zhì)量控制室，由質(zhì)量管理、實(shí)驗(yàn)人員全過程進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2 礫石料、土料分層鋪筑

（1） 鋪料厚度計(jì)算

根據(jù)料源（土料、礫石料）檢測情況將土料與礫石料按照質(zhì)量比為6:4 摻配后P5 含量平均為41.13%，粉粒含量平均為45.60%，滿足礫石土料填筑技術(shù)要求P5 含量為30%～50%及粉粒含量大于15%的要求。

為精確控制摻配質(zhì)量，對礫石料、土料進(jìn)行了顆粒級配、含水率及干密度檢測，通過檢測成果得出土料摻配質(zhì)量。根據(jù)礫石料、土料料源檢測情況理論計(jì)算摻配后礫石土料顆粒級配情況見表1 及圖1[1]。

摻配采用固定礫石料鋪料厚度，土料鋪料厚度根據(jù)礫石料、土料質(zhì)量比為4:6 進(jìn)行計(jì)算求得。摻配過程中礫石料、土料鋪筑完后干密度分別為ρ礫、ρ土。鋪料厚度計(jì)算公式如下：

式中：H礫為摻配料礫石料鋪料厚度；

H土為摻配料土料鋪料厚度，按照上述公式進(jìn)行計(jì)算；

ρ礫為摻配料礫石料干密度加權(quán)平均值；

ρ土為摻配料土料干密度加權(quán)平均值。

本次試驗(yàn)為固定礫石料鋪料厚度0.5 m，具體計(jì)算見表2。

表2 土料鋪料厚度計(jì)算

當(dāng)?shù)[石料鋪料厚度為50.0 cm 時，根據(jù)試驗(yàn)已取得的土料的平均干密度計(jì)算求得土料鋪料厚度為83.0 cm。當(dāng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定質(zhì)量可控時，土料、礫石料厚度固定有利于施工管理。摻配過程中根據(jù)分層土石檢測數(shù)據(jù)評價土石指標(biāo)穩(wěn)定性，當(dāng)指標(biāo)有波動超過允許范圍時，仍需要調(diào)整土料厚度。

（2） 摻配料高度確定

根據(jù)計(jì)算確定的礫石料、土料鋪料厚度，結(jié)合正鏟的最優(yōu)作業(yè)高度，摻配料互層鋪筑按6 層進(jìn)行，土料、礫石料各3 層，備料高度為(0.5+0.83)*3=3.99 m。

（3） 摻配料分層鋪筑

摻配的礫石料、土料采用20 t 自卸車分別從礫石料加工系統(tǒng)、土料場運(yùn)輸至摻拌場。摻配料鋪筑采用先粗、后細(xì)的原則進(jìn)行，即先進(jìn)行礫石料鋪筑、后進(jìn)行土料鋪筑。礫石料鋪筑采用進(jìn)占法進(jìn)行，土料填筑采用后退法進(jìn)行（避免高含水土料出現(xiàn)陷車、土料過壓結(jié)團(tuán)后不宜摻勻）。摻配料用SD-320 推土機(jī)平倉。由于鋪料料堆較高，運(yùn)輸設(shè)備及平料設(shè)備作業(yè)難度大，現(xiàn)場分層鋪筑過程中同步進(jìn)行機(jī)械便道的鋪筑，機(jī)械便道鋪筑料與摻配用料一致。鋪筑過程中坡比按1:1.3 進(jìn)行控制（分層向內(nèi)側(cè)收坡），局部位置采用設(shè)備進(jìn)行配合收坡[2]。

摻配后的礫石土料主要呈土料包裹礫石料，為提高礫石土料摻配質(zhì)量，礫石料裝車運(yùn)輸前（分層鋪筑前）需對礫石料進(jìn)行表面補(bǔ)水濕潤。礫石料補(bǔ)水可選擇在成品料堆或儲備場進(jìn)行。礫石料表面濕潤情況根據(jù)土料含水率進(jìn)行確定。

（4） 含水調(diào)整

含水調(diào)整根據(jù)土料料源檢測結(jié)果結(jié)合大壩填筑指標(biāo)要求確定，考慮施工損失，調(diào)水量范圍按照摻和后礫石土料最優(yōu)含水率Wop-2.0%≤W≤Wop+3.5%進(jìn)行。

一般情況下若含水率高于施工含水率，需要在料場進(jìn)行翻曬合格后再開采，翻曬時采用推土機(jī)薄層翻曬，2～4 h 檢測含水率，達(dá)到要求后推運(yùn)至積料堆備料。當(dāng)?shù)陀?%以內(nèi)時通過礫石飽和補(bǔ)水；當(dāng)?shù)陀?%～5%可在鋪土后加水；當(dāng)?shù)陀?%以上需要在料場加水合格后再開采，需要在現(xiàn)場加水時，要根據(jù)現(xiàn)場條件試驗(yàn)后制定專項(xiàng)方案。加水處理后土料需要悶水5-7天再進(jìn)行摻配。

（5） 厚度控制

摻配料鋪筑過程中測量人員先采用5.0 m×5.0 m的方格網(wǎng)進(jìn)行鋪料厚度控制，并出具測量成果。為確保摻配的準(zhǔn)確性，摻合料鋪筑過程中結(jié)合鋪料面積、鋪料厚度、車數(shù)及方量進(jìn)行總量控制，采用人工拉鋼卷尺、用定制標(biāo)桿配合拉線、手持GPS 等多種方式結(jié)合進(jìn)行現(xiàn)場厚度控制。鋪料完成后，測量按照2.0 m×2.0 m 方格網(wǎng)結(jié)合數(shù)字化監(jiān)測進(jìn)行厚度控制，厚度如大于±10%需處理，合格后方可鋪填下一層，以確保摻合料質(zhì)量。

（6） 成品料堆保護(hù)

摻配料鋪筑完成后，為確保摻和料因降雨使合格料含水增大或晴天暴曬使其含水蒸發(fā)，堆存料斜坡面采用反鏟夯實(shí)，頂部表面采用平碾壓光（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用覆蓋保護(hù)時效果不理想）雨后及時進(jìn)行檢查，如有積水及時排除。

2.3 礫石土料摻配

摻配料堆鋪料完成后，采用日立870H-3 正鏟挖掘機(jī)進(jìn)行立采摻配，反鏟作為特殊情況下的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備，如作為輔助設(shè)備對結(jié)團(tuán)土進(jìn)行拍散等。摻配方式根據(jù)現(xiàn)場場地大小選擇原地或倒運(yùn)摻配的方式進(jìn)行。正鏟挖掘機(jī)從料堆底面展開工作線，自下而上挖料，每次挖料要切透所有鋪料層，將料舉高后開斗自然拋落，同一斗料拋落1 次即摻配1 遍[3]。正鏟立采摻配示意見圖2。

圖2 正鏟立采摻配示意

通過現(xiàn)場摻配情況，分別對1、2、3、4 遍摻配后的礫石土料進(jìn)行了取樣檢測，確定不同摻配遍數(shù)情況下礫石土料摻配的均勻性。通過現(xiàn)場摻配情況，可得出如下結(jié)論：

（1） 料源理論摻配、分層取樣理論摻配后顆粒級配曲線基本一致，說明開采、鋪料環(huán)節(jié)控制良好，摻配試驗(yàn)具有代表性。

（2） 摻配遍數(shù)與土料的均勻性呈規(guī)律變化，摻配遍數(shù)越大、摻配料越均勻；摻配三、四遍較一、兩遍更接近理論摻配顆粒級配曲線，進(jìn)一步說明摻配遍數(shù)與摻配后礫石土料均勻性的關(guān)系。摻配遍數(shù)為一、兩遍時，P5 含量不滿足設(shè)計(jì)要求，摻配三遍后各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。摻配三遍后各項(xiàng)指標(biāo)波動范圍越小且與平均指標(biāo)較為接近，摻配料越均勻。摻配三遍后P5 含量范圍為40.1%～46.8%，平均值為44.0%，粉粒含量范圍為32.8%～38.3%，平均值為35.1%。根據(jù)試驗(yàn)確定摻配遍數(shù)按三遍進(jìn)行，考慮后期裝車、上壩等環(huán)節(jié)，其均勻性將進(jìn)一步提高。

（3） 料含水率較高、黏粒含量較高，土料鋪筑過程中經(jīng)過鋪料設(shè)備及上部摻配料預(yù)壓后，部分土料有結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。摻配過程中對結(jié)團(tuán)土料難以摻配均勻。摻配過程中需采用鏟斗將結(jié)團(tuán)土料拍散，極大程度的降低了土料摻配效率。

3 摻配工藝波動性分析

3.1 影響摻礫土料質(zhì)量的因素

根據(jù)類似工程摻配工藝情況分析可知，影響土料摻配質(zhì)量的因素主要分為：料源、鋪料密度、鋪料厚度三大因素。

（1） 料源因素

由于礫石料（大于5 mm）均為人工骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)，其質(zhì)量穩(wěn)定。對此，土料與礫石料摻配過程中影響其摻配質(zhì)量的為土料料源。

（2） 鋪料密度因素

“平鋪立采”摻配工藝過程中，摻配料互層鋪筑時運(yùn)輸設(shè)備、平料設(shè)備在鋪筑料表面進(jìn)行“碾壓”。由于現(xiàn)場“碾壓”的不一致，導(dǎo)致局部位置鋪料密度過高或偏低現(xiàn)場出現(xiàn)。對此，根據(jù)質(zhì)量比及現(xiàn)場試驗(yàn)確定的鋪料厚度進(jìn)行現(xiàn)場鋪料時，極易出現(xiàn)摻配后土料P5含量偏高或偏低現(xiàn)象。

（3） 鋪料厚度因素

“平鋪立采”摻配工藝過程中，由于卸料、平料水平的差異，導(dǎo)致現(xiàn)在實(shí)際鋪料厚度與理論鋪料厚度有一定差異，致使摻配后土料質(zhì)量有一定波動。

3.2 摻配工藝過程指標(biāo)波動

“平鋪立采”摻配工藝波動性分析結(jié)合試驗(yàn)所取得的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行。

（1） 鋪料密度

現(xiàn)場摻配試驗(yàn)過程中各取樣試坑密度統(tǒng)計(jì)，礫石料鋪料密度最大偏差3.72%，最小偏差7.98%。土料鋪料密度最大偏差10.65%，最小偏差11.24%。土料鋪料密度均大于礫石料鋪料密度，符合兩種土料的料物特性。

（2） 鋪料厚度

相關(guān)規(guī)范明確摻礫料的鋪料厚度誤差應(yīng)控制在±10%。根據(jù)現(xiàn)場摻配試驗(yàn)確定的不同摻礫料的鋪筑厚度與不同厚度誤差確定的土料與礫石料鋪筑厚度分析，影響摻配質(zhì)量的主要因素為鋪料密度及鋪料厚度。然而鋪料密度與運(yùn)輸設(shè)備、平料設(shè)備的“碾壓”遍數(shù)密切相關(guān)，現(xiàn)場鋪筑施工過程中不可控。則現(xiàn)場實(shí)際可控的影響因素僅為現(xiàn)場鋪筑厚度。

（3） 不同影響因素組合下的波動分析

針對土料、礫石料的鋪料厚度、密度偏差，進(jìn)行了不同影響因素組合下的波動分析，當(dāng)?shù)[石料、土料鋪料厚度控制在±10%以內(nèi)時，鋪料密度變化，其摻配后P5 含量均滿足設(shè)計(jì)30%～50%要求。

3.3 波動分析結(jié)論

通過針對“平鋪立采”摻拌工藝波動性分析，得出如下結(jié)論：

料源：礫石料為摻礫料系統(tǒng)生產(chǎn)，礫石土料摻配生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)料源控制。土料為料場開挖獲取，由于其地質(zhì)成因不同，其土料質(zhì)量有一定波動。礫石土料摻配生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)料源檢測，為施工生產(chǎn)提供依據(jù)。

鋪料厚度：礫石料、土料鋪料過程中其鋪料厚度誤差應(yīng)控制在±10%以內(nèi)，摻配生產(chǎn)過程中應(yīng)對鋪料厚度進(jìn)行動態(tài)精確控制。

鋪料密度：鋪料密度與運(yùn)輸設(shè)備、平料設(shè)備的“碾壓”遍數(shù)密切相關(guān)，現(xiàn)場鋪筑施工過程中不可控。摻配生產(chǎn)過程中，各生產(chǎn)場次應(yīng)盡量選擇同一種上料、平料設(shè)備進(jìn)行，以減小鋪料密度誤差。

結(jié)束語

礫石土摻配技術(shù)有效避免常規(guī)施工方法所導(dǎo)致礫石土料摻配后質(zhì)量波動大的現(xiàn)象，保證了工程的施工質(zhì)量，避免了填筑料不合格所增加返工處理工序及費(fèi)用。解決了常規(guī)施工手段存在的返工處理、施工成本增加、施工設(shè)備增加、施工時間延長等諸多問題，提高了高土石壩礫石土料填筑施工質(zhì)量，節(jié)約了工程施工成本，確保了壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)行安全，為工程建設(shè)的有序推進(jìn)及完建創(chuàng)造了良好的條件，同時，可為類似工程提供借鑒依據(jù)。