粘土心墙堆石坝土料施工技术探讨

粘土心墙堆石坝土料施工技术探讨

刘忠宝

中国水电建设集团十五工程局有限公司 陕西 西安 710065

摘要：针对心墙在土石坝中占据的重要地位，以及土料作为形成心墙关键原材料，在心墙与大坝防渗上起到的决定性作用，结合实例，从心墙土料的设计指标入手，为保证大坝土料填筑质量，从土料泡土、掺配、窝存、填筑、碾压施工进行深入分析，严格把控每道工序。

关键词：土料；含水率；黏粒含量；质量；

中图分类号：TU318

1 工程概况

黄石沟沉沙调蓄水库位于陕西省榆林市神木市境内，坝址位于位于神木市窟野河左岸支流黄石沟上，主要任务是对引黄水量进行沉沙、调蓄，水库总库容9870万m³；水库枢纽由大坝、溢洪道和放空洞组成，大坝为粘土心墙堆石坝，顶宽15.0m，坝顶长度596.70m，最大坝高97.5m；根据设计文件，坝体黏土料填筑量为94万m³（压实方），设计要求压实度不小于0.98。

2 土料场情况

黄石沟水库土料场位于坝下游右岸最近距离约300m，分布于右岸梁顶，取土范围内地势相对平缓，东侧冲沟发育，支沟切割，区内植被发育，人工种植有松树等树木。设计勘探资料显示：土料场地层为第四系上更新统黄土层，岩性主要为粉质粘土、粉土，局部夹粉砂。表层 1m～2m 范围以内植物根系相对较多。粉土、粉砂局部含少量钙质结核，粒径一般小于 2cm，局部可见灰黑色有机质及白色钙膜；粉质粘土岩心呈柱状，黄褐色～红褐色，粉质粘土多呈红褐色，局部黄褐色，钙质结核含量相对较多，粒径大者可达 5～7cm，呈可塑～硬塑状。

土层基本按照坡势走向分布，且土料场呈水平台阶状，台阶宽度差别较大，同一水平面上不同部位土质不同，垂直方向上不同深度土质也不同。经对料场初步勘察，不同部位和不同深度取样试验：黏粒含量14.70%～32.72%，平均值20.59%，天然干密度1.46～1.76 g/cm³，天然含水率为3.3%～16.8%，普遍低于坝体填筑施工控制最优含水率。天然土料的土质均匀性和含水率均不满足大坝填筑质量控制要求，需对料场土料进行加工制备。

3 土料加工制备施工

根据设计要求，对坡积层土和黏粒含量<15%土料剥离清除，土料开采前需剥离表层杂质土厚约2m，土料开采计划分为1个筑畦法灌水泡土待渗区，1个土料开采区、1个开采土料堆土牛窝存区，根据土料场复勘情况，土料黏粒含量14.70%～32.72%，平均值20.59%，黏粒含量在15%～16%之间的土料需进行掺配，黏粒含量在16%～22%土料可直接开采堆存使用，黏粒含量大于22%土料与黏粒含量在15%～16%的土料进行掺配，也可直接开采堆存使用。

3.1 土料泡土

在土料场采用“筑畦灌水法”进行加水。按基本平行等高线堆筑成畦，畦高1m。每畦面积根据地形每50×20m范围筑成网格状畦子，根据现场实测土料天然含水率计算每块畦子所需总水量，在料场蓄水池出水口安装流量计，采用6英寸离心水泵抽水，用Φ150钢管安装成引水管道，将水引到每个网格状畦子内进行浇灌浸泡。泡水时，现场设立简易的观测水位标志，并指派专人看管，保证畦子内灌水深度保持在0.5m左右，直至将总水量灌完为止。泡水量按土料需要补充的含水量计算，公式为：每网格泡土水量(m³)=每网格泡土方量(m³)×天然干密度×(最优含水量%－天然含水量%)＋损耗量(m³)。整个过程跟踪检测含水量，以使含水量接近最优含水量。

3.2 土料掺配

混合开采就是对同一开采面上下层土料进行掺混开采、不同开采面土料同时搭配开采，使同一开采面上下层不同黏粒含量、不同土质的土料进行初步混合，同时为堆存制备时不同部位土料二次充分混合提供条件。

3.2.1 开采原则

依据相关技术规范和条款，土料开采遵循原则：高料高用、低料低用；先配水先开采；含水率偏高土料与偏低土料搭配开采。

3.2.2 混合开采

因料场水平方向上不同部位、垂直方向上不同深度的土质不均，致使土料黏粒含量极为不均，加之土层含有黄土状壤土和钙质结核土料夹层，故应对同一开采面上下层土料进行掺混开采，在装车时翻倒均匀、初步混合。不同开采面的土料土质也不尽相同，土料黏粒含量有的偏高、有的偏低，单一开采面土料大部分不能满足填筑质量控制要求，故应对不同开采面同时搭配开采。采用立面开采方式，开采深度根据复勘报告中各开采面的黏粒含量进行确定。应至少保证 3 个不同工作面同时进行开采，同一工作面的上下层土料在装车过程也应注意翻倒均匀，确保土料均匀搭配。开采过程中要不定时对各开采面的土料含水率进行测，若发现土料整体含水率偏高或偏低，应及时对开采面进行调整，以确保开采面的混合土料含水率始终保持在最优含水率附近。

3.3 土料窝存

根据土料场筑畦泡土试验报告，泡土待渗期为6天，在第6天时土料含水率能达到最优含水率上限wop=17.2%，此时开始开采，开采深度为4m，在第22天时土料含水率达到最优含水率下限wop=13.6%，此时开采期结束。在土料场待渗期结束后，采用1.6m³反铲挖装，20t自卸汽车运至土牛窝存区堆土。堆土过程中进行雾化喷水，堆成5m的高台后，自卸汽车由高台卸料，推土机平料，台高可逐渐升至15m左右。在土料卸料过程中，进行雾化喷水。

在挖装时，随时检测含水率，偏低时再一次雾喷补水。阴天和夜晚，使用略低于最优含水量的土料；炎热的夏季，选用略高于最优含水量的土料，同时，视情况在坝面结合铺土补水，以补充拉运过程中含水率的损失。

土料含水率在施工过程中采取动态控制，采取措施因时因地制宜，不断调整补充水量的频次和强度，满足质量和进度要求。

4 土料填筑碾压施工

4.1 土料填筑

4.1.1 基础结合面处理

为了保证黏土与混凝土基础面结合紧密，必须在填土前对混凝土表面进行认真清理，用人工凿除基础混凝土面的浆皮，清除杂物并用高压风、高压水冲洗干净，待验收后进行下一道工序。

用水土比为1:2.5～1:3.0（重量比）的浓泥浆涂刷清理好的混凝土面，涂刷厚度3～5mm，随刷泥浆随铺土，严禁泥浆干涸后铺土和压实，确保黏土与混凝土面结合紧密，注意不能涂刷面积过大，两岸泥浆涂刷高度宜略高于心墙铺土厚度，并应注意与下部涂层搭接，泥浆不能过薄、过厚、过湿、过稠、干涸起壳。

4.1.2 接缝处理

采用插板法进行材料接缝处理，每层土料施工前经过精确的施工放样，土料填筑边坡为1:0.25，铺料厚度为30cm,即侵占反滤料最大尺寸为7.5cm，满足“铺填边线应有一定的宽裕度，压实削坡后坝体铺填边线满足0～10cm（人工施工），0～30cm（机械施工）要求”，即可达到“以直代斜”的效果（见图3-1）。同时插板拔出留下的楔子缝隙，经过碾压可完全忽略。

为了保证插板强度及多次周转使用，插板采用厚度为5mm的一体成型Q345钢板，为了方便插板运输、安装、拔出，在每个插板上方用Ø22圆钢焊接制作两个吊环，为了保证作业过程中插板平衡，吊环居中布置。除吊环外，插板不另外拼接或焊接。

根据现行施工规范，每层土料铺土厚度通常在25～35cm之间。在插板安装前，在心墙边线两侧嵌入钢楔子，保证土料填筑过程中插板不发生倾覆，同时为做好成品保护工作，插板运输、安装过程中，人员尽量站在反滤料一侧，避免心墙土料污染，安装后检查插板安装线型是否顺直，插板安装要预留7m开口，供坝料运输机械进出。

4.1.3 卸料填筑

坝体土料铺筑应平行坝轴线方向采用进占法卸料。

自卸车平行坝轴线方向卸料完成后，推土机平料，人工用钢钎检查铺料厚度，虚铺厚度按照碾压试验确定的厚度，发现超厚部位立即进行处理。

坝体填筑土料时沿坝轴线方向分段施工，上下层填筑须错缝施工，防止形成通缝，各填筑段内沿坝轴线方向划分成铺土、碾压、质检三个工作面进行流水作业，心墙黏土同上下游反滤料及坝壳料平起填筑，骑缝碾压，宜采用先填土料后填反滤料的平起填筑法施工。

层间结合面处理，对已碾压密实的土层表面有干裂现象时，在铺土之前必须进行洒水处理，对停滞一段时间后又填筑的层面，施工前清除表面松土、砂砾及其他杂物，在上土之前将干缩的土层钩松，洒水润湿，使土料含水调至正常施工含水量，无积水，无空白，创毛深度、密度符合规范要求，然后重新碾压；对表面干裂严重的硬土块则挖除弃至坝外，经取样检查合格后方可继续铺土回填。当风力或日照较强时，在碾压过程中水分损失很厉害，在铺料与压实表面均需用机械或人工洒水润湿，以保持合适的含水量，并用机械使其掺合均匀。

在心墙土料回填中，由于施工场地和坝面安排布置的需要，需分段填筑时，在横向各段接茬处错开一定的距离（一般10m左右）保证压实质量。各段回填高差不能过大，一般控制在1m左右，其横向接缝坡度不陡于1∶3。横向接缝按以下工艺进行施工：填筑时，接坡坡面形成“台阶”式；接坡前，对接坡坡面的松散“老土”的含水量进行取样检测，并将坡面分层清理至合格压实层，对含水量不合格土料清理出坝外，含水量合格土料可再次利用；接坡时，对坡面“老土”，分层摊铺时，对已清理出的接合部位坡面挖坑取样，合格后并经监理人同意，再洒水、铺土，碾压后，对接坡部位取样检测，合格后，经监理人同意，再进行下道工序施工。

4.2 土料碾压

土料摊铺完成后，经检查满足设计要求及碾压试验摊铺厚度要求后，采用凸块振动碾进行压实，碾压时，振动碾行驶方向平行于坝轴线，靠两侧岸边可顺岸坡方向；先进行骑缝碾压，随后从外侧向内侧依次进行碾压，碾压遍数以碾压试验结果为准。

振动碾行进速度宜按照不大于2.5km/h控制。经常检测振动碾的工作参数，保持其处于正常工作状态。土料分段碾压时，相邻两段交接带碾迹彼此搭接，垂直碾压方向搭接宽度为0.3-0.5m，平行碾压方向搭接带宽度为1.0m-1.5m，碾压宜采用错距法。

基础及岸坡特殊接触部位填土含水率控制应大于最优含水率1.0%～3.0%，并采用轻型碾压机械碾压，适当降低干密度，待厚度在0.8m以上时方可用大型压实机具和碾压参数正常压实；轻型碾压机械可采用振动夯、蛙夯及小型振动碾等；填土与混凝土表面、岸坡岩面脱开时，对填土进行清除。

5 土料填筑质量控制

5.1 开展碾压试验

根据设计提供的粘土压实的技术参数及技术指标,在工程施工前,项目开展碾压试验。项目共完成8场粘土心墙碾压工艺试验：22t凸块振动碾碾压试验两场，26t机械式凸块振动碾针对两种不同含水率土料碾压试验两场，26t液压式凸块振动碾针对三种不同黏粒含量土料碾压试验三场。每场粘土心墙初定25、30、35cm三种铺料厚度，6、8、10三个遍数进行对比试验。最终得出：在同一铺料厚度条件下，干密度随碾压遍数的增加而增加。在同一碾压遍数下，干密度随铺料厚度的增加而减小。在同一铺料厚度条件下，随着碾压遍数的增加，干密度与碾压遍数关系曲线趋向于平缓 ，碾压遍数对干密度的影响逐渐减小，说明现有碾压机具在层厚达到一定限度后，碾压遍数的增加对干密度的影响越来越小。试验得出：粘土铺料厚度选用 30cm，静压 2遍后振动碾压 8遍 ，速度控制在 2.0～2.5km/h。

5.2 利用大坝GPS智能碾压控制碾压质量

为控制大坝碾压质量，结合工程特性，项目与上海联适导航技术股份有限公司共同开发大坝GPS智能碾压系统，通过数字化无线全自动灌浆记录仪云端服务器采集灌浆数据，实现了远距离利用电脑或者手机实时监控施工情况。

现场通过大坝智能碾压监控系统对大坝填筑质量进行监控，系统利用北斗卫星导航实时监控、采集碾压轨迹、碾压速度、碾压频率及遍数等，驾驶员可以实时准确的得知碾压面的具体碾压情况。

5.3 过心墙道路控制

为防止过往车辆、机械重复碾压破坏心墙土料，在过心墙道路按心墙左右侧交换布置，并和上下游道路衔接顺畅，同时有利坝体填筑作业区的规划布置。穿心墙区时，采用铺钢板进行临时道路的布设，铺钢板法采用20mm厚及以上的若干块钢板拼接2条宽3.0m的临时通道，2条临时通道间隔距离控制在20～30m，供过心墙车辆双向通行，随着工作面的变化，随时调整临时道路位置。

5.4 雨季施工质量控制

坝体填筑经历三个雨季，为确保坝体在雨季正常施工，特制定如下施工措施：

（1）在坝体两岸高边坡的合适位置设截水沟，并结合施工道路排水沟排除雨季边坡来水至填筑面以外。

（2）对于心墙土料填筑，当降雨来临之前，及时将未压实土料用平碾快速静压封面，对还没有铺土的合格工作面及时采用含水量偏小的土料铺盖（铺土厚度不小于30cm）。雨后复工，对未压实土料视含水率情况分别采用耙松、晾晒措施后继续施工，对含水率过高的土层如无法短时间翻晒到合格土料而影响施工时及时予以清除。

（3）雨季坝体填筑施工，为防止雨水明流对坝面及坝坡的冲刷，及时对运输上坝料摊铺、整平、碾压；在每一层坝面碾压后，使坝面形成向上、下游倾斜的坡面（坡度不陡于1%），以利水流顺畅排泄。

（4）雨季坝体填筑施工，对运输道路加强养护，及时清除路面障碍物及路基排水沟，排水通畅。对运输车辆，加强维修保养，确保机械的制动系统安全。

（5）汛期来临前，备足防汛物资（块石、砂袋、铅丝笼等）。

（6）加强天气预报，做好防雨准备，掌握好雨前停工、雨后复工的时机。

6 结语

土石坝心墙填筑施工质量直接关系整座水库的施工质量，因此，大坝心墙填筑前需进行大量试验，所选取的土样要具有代表性，不同区域、不同性质的土样均要进行试验后确定相应的施工参数，施工过程中严格按照所确定的参数及规范要求施工，同时全面强化质量控制，土料整体质量处在良好的可控状态，具备满足心墙施工要求的条件。通过料源及施工过程中的把控，本水库工程采用的土料施工质量控制方法。

参考文献

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作者简介：刘忠宝（1988—）男，汉族，黑龙江省富锦人，大学本科，中国水电建设集团十五工程局有限公司，工程师，研究方向为项目工程管理