丹江口大壩加高工程右岸土石壩施工質量控制

□王鐵山 □王小麗 □周媛媛(中國水利水電第十一工程局有限公司)

1.工程概況

南水北調中線水源工程丹江口大壩加高中的右岸改線新建粘土心墻壩，與右5、右6混凝土壩段下游面橫縫處正交聯接，經140 m直線段后再沿圓弧向上游偏轉，沿老虎溝上游側山頂至張蔡嶺。最大壩高60.0 m，壩頂寬10.0 m，全長877 m。上下游壩面在高程135～165 m間，每隔10m設一馬道，馬道寬2 m。壩體填筑物料沿中部粘土心墻對稱分布，由上游向下游依次為：護坡現澆混凝土區、壩殼砂卵石區、反濾層區、粘土心墻區、反濾層區、壩殼砂卵石區、干砌塊石排水棱體區和草皮混凝土格柵護坡區。壩基采用帷幕灌漿防滲。

2.原材料的質量控制

土石壩的填筑，原材料的質量影響很重要，如粘土料的含水率、上下游反濾料及壩殼料的含砂率、級配等均直接影響土石壩填筑施工的質量。

2.1 粘土料料源質量控制

根據規劃要求，五峰嶺料場為粘土料，開采時嚴格控制上壩土料的含水率。當料場土料的天然含水率大于或小于施工填筑含水率時，根據土料開挖方式、裝、運、卸工藝流程以及氣象等條件對料場土料含水率進行調整。一般情況下，料場土料含水率約大于壩面填筑含水率的2%～3%為宜，對于不滿足要求的土料做以下處理：

2.1.1 低含水率的灑水處理

當土料的含水率比施工填筑最優含水率低，在取土時用霧狀給土料加水，然后將土料堆置在另一處形成土牛，擱置一般時間，使含水率均勻，再用于填筑。當土料含水率低于施工含水率1%～3%時，可在壩面加水調節，當土料含水率過低時，在料場開挖網狀深溝，灌水浸泡土料，當土料濕潤至施工控制含水率范圍時，進行開采。

2.1.2 高含水率的翻曬處理

選擇適當的場地，用齒耙將土耙碎，堅硬粘土用鐵銑切成厚10～20 cm后使其相互架空晾曬，待表層稍干后即打碎成<2～3 cm的土塊，繼續翻曬。表層稍干后用推土機翻動，如此反復，直至含水率降低到施工控制含水率范圍為止。

料源取樣時，一般在開工之前先取樣1次，以后根據料源開采的具體情況，如天氣變化及每次新開挖1個掌子面時，均對料源進行取樣，檢測其含水率。本工程粘土料料源含水率基本在最優含水率左右，檢測結果均滿足上壩含水率的要求。具體見表1。

表1 五峰嶺料場粘土料源含水率檢測成果統計表

2.2 砂礫石料料源質量控制

大壩工程所用的反濾料及壩殼料均為砂礫石料，從羊皮灘料場開采。砂礫石壩殼料的含砂率及顆粒級配應滿足設計要求，砂礫料中不允許夾雜粘土、草、木等雜物。

2.2.1 壩殼砂礫石料料源質量控制

由于本工程所采用的砂礫料是當地開采的，含砂率波動很大，有時含砂率只有10%左右，有時可以達到20%以上，個別時段達到30%～40%以上。按設計要求壩殼料含砂率至少在15%以上，在靠近反濾料部位要求達到20%以上。因此，為控制填筑料的含砂率，采用將高含砂率的壩殼料與低含砂率的壩殼料按照一定比例進行摻和，摻和時采用平鋪法進行，即在摻和場地將壩殼料按照每層0.5m進行攤鋪，鋪筑3層（1.5m高）或6層（3m高），順序為含砂率高的、含砂率低的、含砂率高的，采用推土機進行攤鋪。

毛料自皮帶機卸料后形成的砂礫料集中，先采用反鏟或推土機將砂礫料分離的粗細毛料均勻摻和，再進行一次裝車，均勻裝料，保證裝料質量，嚴禁將砂礫料集中的毛料同裝一部車；

在摻和料場，根據料源含砂率的檢測情況確定摻和比例，要保證每一層毛料含砂率基本穩定，不能在同一層中既出現含砂率偏少的毛料，又出現含砂率偏多的毛料，指揮人員控制好每一層摻和料的質量。如果第一層含砂率較少，第二層必須是含砂率較高的毛料，依次類推，沒有合適的毛料摻和時，停止摻和。

二次裝車時，要控制好每一個掌子面的裝料高度在2 m范圍內，確保砂礫料摻和均勻。每次在新的掌子面進行裝料時通知試驗室對摻和料的含砂率進行檢測，根據檢測情況確定該料的填筑區域，并按設計要求分區填筑，檢測結果不滿足要求的嚴禁上壩。

原A區毛料及摻和后的壩殼料顆粒級配檢測情況見表2。

表2 摻和后壩殼料顆粒級配檢測成果統計表

2.2.2 反濾料料源質量控制

根據料源的實際情況，設計前后對反濾料的指標做了3次變動，第一次規劃反濾料開采區為羊皮灘料場羊一區40 mm以下天然砂石。第二次設計修改為上游采用單層布置，有效厚度100 cm的A、B摻和反濾料（A為羊一區20 mm以下料，B為羊一區5 mm以下砂料），下游采用雙層布置，第一層采用有效厚度50 cm的中州細砂（外購），第二層采用有效厚度80 cm的A、B摻和反濾料。第三次為采用有效厚度200 cm的單層寬級配混合砂礫石料做為反濾料，仍然采用羊一區40 mm以下的毛料，控制下游含砂率≥35%，上游含砂率≥25%。

根據設計要求調整后，各種反濾料料源檢測成果見表3。

通過對料源取樣檢測的顆粒級配分析，40 mm以下天然混合料含砂率在26.3%～33.7%之間，平均含砂率為29.6%，能夠滿足上游反濾料的填筑要求。而下游反濾料需摻5 mm以下砂料10%左右方可滿足設計要求。

針對兩種需要摻和的反濾料在工程實際情況，施工中采取了以下措施：

從篩分料場入手，先檢測40 mm以下天然混合料含砂率，>25%時直接上壩，用作上游反濾料的填筑。再將一部分 40 mm以下天然混合料運至拌和站旁的摻和料場，和5 mm以下砂料經裝載機進行堆摻，摻和均勻后取樣檢測其含砂率，合格后運輸上壩。

表3 反濾料料源質量檢測成果統計表

第二次反濾料修改方案需要對A、B料進行摻和，采用HZS75拌和系統按體積比4:6的比例進行摻和，摻和均勻后取樣檢測其顆粒級配。

3.施工過程的質量控制

壩體填筑質量主要在于過程控制，施工過程中，必須加強備料開采和運輸過程中的管理，加強填筑施工工序的質量控制。

3.1 粘土填筑

粘土料填筑采用“先砂后土”的施工方法，當反濾料填筑符合設計要求，上下游面的反濾料完成攤鋪后方可進行粘土料的回填，自卸汽車進占法卸料，推土機鋪平，鋪料厚度35cm，與兩側反濾料持平，然后用18 t凸塊振動碾壓實。主要從以下幾方面進行質量控制：

3.1.1 鋪料前的基面處理

基礎驗收通過后，粘土與混凝土、基巖等接觸部位，在填筑前先涂刷3～5 mm的濃粘土漿，以利結合，并做到隨刷漿、隨鋪土，防止泥漿干硬。

3.1.2 層厚的控制

每層土料的鋪筑厚度，是影響防滲土料壓實質量的重要因素之一。采用定點測量控制高程的方法進行控制。

3.1.3 特殊部位的處理

粘土與建筑物距離5 m范圍內用靜碾壓實，2 m范圍內用振動平板夯薄層夯實。壩面上的運輸路線要經常變動，上料過程中還注意經常變換進料路口，并在路口處鋪設鋼板保護反濾層不受損害。不可在一處反復行走，以免產生剪刀破壞和光面，發現光面或水平、垂直裂縫，予以挖除。在繼續鋪筑上層新土之前，對壓實層表面殘留的、被碾子凸塊翻松的半壓實土層進行刨毛和灑水處理，以免形成土層間結合不良的現象。填筑面進料運輸線路上散落的松土、雜物在鋪土前徹底清除，砂礫石和反濾料運輸經過防滲體時，須防止顆粒散落在防滲體上，如有散落必須人工及時清除。

3.1.4 接縫處理

分段填筑時必然在心墻區形成橫向接縫。考慮到對接縫的削坡及碾壓要求，各段土層之間設立標志，如釘木樁、插小旗等，以防漏壓、欠壓和過壓。上下層分段位置錯開，相鄰兩區交界帶碾跡重迭，重迭寬度為50～100 cm，保證搭接部位碾壓密實。粘土心墻內不允許留縱向接縫。由于施工需要進行分區填筑或預留缺口時，其橫向接縫坡度不陡于1∶3，高差不超過15 m。結合坡面處理時，配合填筑的上升速度，將表面松土鏟除至已壓實合格的土層為止。坡面須經刨毛處理，并使含水率控制在規定的范圍內，然后繼續鋪填新土進行壓實。

3.1.5 特殊氣候期的施工

當風力或日照較強時，在壩面上采用彩條布遮蓋或噴霧潤濕，保持粘土面濕潤，利于上下層面結合。在雨季和冬季施工時，采取以下質量控制措施：

3.1.5.1 雨季填筑

心墻填筑面可中央凸起向上下游傾斜，以利排泄雨水。心墻雨季填筑要適當縮短流水作業段長度，土料要及時平整、及時壓實。日降雨量>5 mm時必須停止施工。因雨停工之前，必須將已壓實的和尚未碾壓的填筑面，均用振動平碾快速碾壓成光面，以防雨水下滲；雨前所有機械設備，必須撤離心墻填筑面。對于施工面積較小的心墻填筑面及預留的搭接部位，采用滿鋪彩條布等遮蓋物進行覆蓋，鋪彩條布從心墻上下游開始，平行壩軸線方向鋪設，兩幅之間的搭接寬度≥50 cm。彩條布覆蓋盡量不透風，防止在風雨交夾的情況下，遮蓋物被揭開使壩面受雨水沖刷。下雨至復工前，在適當位置設警示標牌，并安排值班人員，嚴禁施工機械穿越和人員踐踏心墻和反濾料。雨后復工時，必須仔細清理層面。首先人工排除心墻表層局部積水，視填筑面表土含水率情況，未壓實面采用晾曬或全部清除；已壓實面可采用晾曬或用推土機將表面土剝除，經驗收合格后方可填筑下一層，并作好記錄備查。

3.1.5.2 冬季施工

為保證填筑質量，一般在負溫情況下不安排施工，短時負溫天氣下施工時，采取一些保溫措施，保證壓實時土料溫度在0℃以上，在料場取正溫材料，且不得夾帶凍土和冰雪，裝土、鋪土、碾壓、取樣等工序要快速流暢，一旦發現施工過程中出現土料凍封現象立即停工，并及時進行處理。

3.2 反濾料填筑

對在反濾料填筑過程中的控制，反濾料的水平寬度不能欠填，根據填筑高度的上升，每層進行修坡，保證填筑寬度，測量人員跟蹤測量放線，質檢人員加強監測。反濾料與相鄰料邊界線要分明，各種料不能相混。邊界處采用人工進行清理、平整，以避免因顆粒分離造成粗料集中的現象。對散落在反濾料層面上的粘土料人工及時清除。為保證振動碾工作面寬度，與反濾料相接部位1.5 m左右的壩殼料鋪筑厚度為30 cm。

反濾層分段鋪筑時，接縫處人工進行處理，橫向接縫坡比緩于1∶3。反濾層填筑時同防滲體平起施工，鋪料時應先砂后土，在反濾料與粘土料結合部位使碾壓機械騎縫碾壓。必須保證反濾層的有效厚度符合設計要求，且“犬牙交錯”帶寬度≤其每層厚度的1.5～2.0倍。

3.3 壩殼料填筑

對壩殼料填筑過程中的控制,壩體填筑每層施工開始以前，采用全站儀測放點線，標示出每層壩體的設計邊線，并考慮水平超寬（上游100 cm，下游50 cm）。在填筑施工中嚴格遵照標示的填筑控制邊線進行施工，每層壩體填筑完成，再測放點線，確定該層壩體底面和頂面的設計邊線并做出明顯的標記。

填筑料在裝卸時，應特別注意避免分離，不允許在高坡向下卸料。在靠近岸坡地帶應該嚴防架空現象。運至填筑區的摻和料要按照梅花狀進行布置，采用高堆低推的方法進行卸料，即卸料堆不能過于分散，應層層相疊，以避免料堆之間的砂礫料集中。

壩殼料填筑施工過程中，要求作業隊派專人進行負責現場指揮，在攤鋪過程中發現砂礫料分離現象要及時進行處理，小面積砂礫料集中的地方人工將其分散開來，大面積砂礫料集中的直接挖除，自卸汽車運輸至摻和場重新摻和，合格后上壩填筑。若碾壓后仍有砂礫料集中現象，應全部挖出，進行專門的現場摻和處理，重新攤鋪、碾壓至合格。

在壩殼料填筑過程中，盡可能減少接縫。當分區段填筑時，填筑段之間接坡處做成1∶3的斜坡，以保證其密實。對區段間接坡部位采取臺階式的接坡方式，并將接坡處未壓實的虛坡砂礫料采用削坡切角挖除處理，使新填料與壓實料相接，保證碾壓密實。

靠近岸坡、儀器周邊及其它建筑物地帶采用較細砂礫料鋪筑，避免架空現象，大型碾壓機具碾壓不到的部位采用平板振動夯夯擊密實。

砂礫石料鋪料和碾壓過程中應充分灑水，碾壓開始之前均勻灑水一次，然后邊灑水邊壓實，保證砂礫石料碾壓后相對密實度≥0.75。

4.質量檢查與檢驗

壩體填筑各部位的質量檢查與取樣試驗要求，以設計要求、有關規范及經碾壓試驗后由監理人批準的參數作為標準。

4.1 粘土料各項檢測試驗

通過對五峰嶺粘土料場Ⅰ區、Ⅱ區土料進行取樣做室內擊實試驗，平均最優含水率為21.7%，平均最大干密度1.64 g/m3。經研究最終確定填筑控制標準為：壓實度≥98%，干密度≥1.61 g/m3，施工含水率控制21.7%±2%。填筑壓實后取樣檢測項目主要是含水率及干密度，并計算壓實度。

4.1.1 含水率的測定

測定土料含水率和壓實干密度是壩體土料填筑層間嚴格控制的指標，其中，含水率是一個重要指標，常規測定用標準烘干法，但標準法用時較長（8 h），影響施工進度，實際施工中通常采用快速烘干法。本工程經兩種方法多次比較后，選用微波爐烘干法測定土料含水率。微波烘干法的準確性與土料性質、烘烤溫度、烘干時間等因素有關，在施工前，需對微波烘干法測定含水率進行對比試驗，確定烘干時間和溫度，并用統計方法確定與標準法之間的誤差。

標準烘干法和微波爐烘干法兩種試驗方法測定的土質含水率進行比較，其相關性見圖1。

圖1 標準烘干法與微波爐烘干法測定的土質含水率相關圖

根據試驗結果及圖表分析得知，標準烘干法與對應的微波烘干法測定的含水率呈一元線性回歸關系。經相關分析計算得相關系數R2＝0.9951，相關關系較密切，另外兩個系數A=0.006，B=0.9849，屬正相關。線性方程為W標＝B×W微+A，即W標＝0.9849W微+0.006。

選用微波爐測定粘土料的含水率，大大縮減了試驗時間，提高了工作效率。

4.1.2 壓實干密度的測定

壓實干密度采用環刀法進行測定，一般粘性土采用200～500 cm3的環刀，本工程采用500 cm3的環刀。填筑取樣檢測成果見表4。

表4 粘土料填筑取樣檢測成果統計表

從以上表格中的數據分析，在實際施工中由于碾壓機具擊實功與室內擊實試驗用的擊實儀擊實功存在一定差異。粘性土的擊實試驗采用輕型擊實試驗，其單位體積擊實功能為592.2 KJ/m3；現場碾壓機具采用18 t的振動凸塊碾，其單位體積擊實功為607.54 KJ/m3，因此現場檢測干密度后，計算出的壓實度有時候達到100%以上是可以理解的。由表5可見，防滲心墻粘土料的含水率、干密度和壓實度均控制在標準值范圍內，總體上滿足設計要求。

4.2 砂礫石料各項檢測試驗

砂礫石料檢測項目主要是顆粒級配和相對密度的檢測。根據設計要求，砂礫石料填筑碾壓后取樣頻次為：干密度、相對密度、礫石含量1次/（400～1000 m3），顆粒級配、含泥量1次/（800～2000 m3），不足400 m3（干密度、相對密度、礫石含量）或8003（顆粒級配、含泥量）時必須取1組試樣。

4.2.1 顆粒級配的檢測

本工程反濾料及壩殼砂礫料設計有含砂率的要求，因此對于剛開采上來的砂礫石首先要檢測含砂率是否滿足設計要求，料源含砂率測定采用干炒法進行。每層填筑完成后，根據設計要求的頻次對填筑碾壓后的顆粒級配進行檢測，采用篩分法進行。

4.2.2 壓實干密度的檢測及相對密度的計算

砂礫石料填筑要求相對密度≥0.75，因此在填筑施工前，首先要對料源取樣，進行室內相對密度試驗，確定不同P5含量（<5 mm顆粒含量）相對密度控制標準。

壓實后需要進行含水率、干密度及顆粒級配的檢測，檢測方法采用挖試坑灌砂法（所灌砂子采用標準砂，并定期對標準砂的密度進行標定）進行。

從現場取樣檢測情況來看，反濾料及壩殼料填筑壓實效果能夠滿足設計要求，相對密度均能達到0.75以上,見表5、表6。

表5 反濾料填筑取樣檢測成果統計表

表6 壩殼砂礫料填筑取樣檢測成果統計表

5.結語

采用粘土作為心墻、混合砂礫料作為反濾層、砂礫石壩殼料填筑土石壩，如何控制料源質量及填筑施工工序的質量，是一個值得探討的問題。通過對丹江口大壩加高工程右岸土石壩的施工總結，積累了以下幾點經驗：

首先，料源的質量控制及施工工序的質量控制是土石壩填筑質量的控制重點。針對各類填筑料的特性及技術要求制定控制措施，將施工工藝細化至每道工序，層層落實技術交底，并監督實施。

其次，碾壓土石壩的施工，關鍵工序是對壩體土石料的分層填筑壓實，壓實效果用測得的干密度反映出來。因此在填筑開始之前首先應確定控制干密度，對于粘土，要做室內擊實試驗，確定最大干密度和最優含水率；對于砂礫石料，要做室內相對密度試驗，確定不同<5 mm顆粒含量相對密度控制標準。填筑碾壓時嚴格按照碾壓試驗確定的施工參數進行控制。

最后，對于粘土含水率的測定，根據標準烘干法測定需要8 h，而采用微波爐烘干法僅用十幾分鐘就能出結果，簡單快速，大大提高了工作效率。需要特別注意的是，在微波爐經過維修或更換后，必須重新進行含水率的修正，即通過與標準烘干法進行對比試驗，重新確定標準烘干法測定的含水率與對應微波爐烘干法測定的含水率一元線性回歸關系的相關系數，確保檢測數據的真實可靠性。