苗尾水電站大壩心墻防滲土料開采施工工藝研究

摘要 苗尾水電站攔河大壩為礫質土心墻堆石壩，屬大（1）型一等工程，最大壩高131.3 m。勘探及室內試驗結果表明，料場土料分類屬于寬級配礫質土，大壩防滲土料具有料源多，料場分散，距壩址運距遠，可用層開采深度不一，土層結構復雜，土性不均一，含水率變化大，開采工序復雜等特點，料場料源控制上有較大的難度。針對上述問題，制定了相應的土料開采施工工藝及方法，確保了工程料源質量控制。

關鍵詞 苗尾水電站；防滲土料；土料開采；規劃

中圖分類號S274文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）30-10772-05

作者簡介安可君（1981- ），男，河南唐河人，碩士，從事水資源系統管理等研究。

1工程概況

苗尾水電站為一等工程，電站樞紐工程主要由礫質土心墻堆石壩、左岸溢洪道、沖沙兼放空洞、引水系統、發電廠房和灌溉取水口等建筑物組成。開發任務以發電為主，電站正常蓄水位1 408.00 m，相應庫容6.60億m3，電站裝機容量1 400 MW（4×350 MW）。其中攔河大壩為礫質土堆石壩，壩頂高程1 414.80 m，壩頂長576.68 m，最大壩高131.30 m，壩頂寬12 m。心墻采用礫質土料填筑，頂寬4.0 m，壩底高程1 283.5 m，頂高程1 412.80 m，上、下游坡度均為1∶0.25。心墻上、下游均設置兩層反濾，反濾層與堆石料間設置過渡層。心墻礫質土料填筑方量約176萬m3。

2料場基本狀況

可行性研究階段壩址區土料選自苗尾寨、丹梯村及左岸等3個料場，其中苗尾寨為主料場，其他為次要料場或備用料場，土料均為殘坡積碎石土。根據苗尾寨土料場和壩址左岸土料場土料礦物成分分析，粘土礦物主要有高嶺石、綠泥石、水云母、蒙皂石、綠蒙混層。膨脹試驗的自由膨脹率為11.5%和11.0%，均小于40%，作為心墻土料不存在膨脹危害。除壩址左岸、丹梯村土料場天然含水量偏低外，各料場其他指標均基本符合質量要求，土料的物理力學指標基本符合防滲土料的質量要求，均可作為礫質土心墻防滲土料料源。苗尾寨土料場復查區域位于壩址右岸上游苗尾寨村附近，距壩址約1.0 km，面積029 km2；壩址左岸土料場復查區域為原料場A區部分區域，距壩址約0.5 km，復查面積0076 km2；丹梯村土料場復查區域為原料場B區部分區域，距壩址約4 km，復查面積約0.15 km2。

2.1土料質量根據防滲體土料的質量要求，對壩址左岸、苗尾寨、丹梯村3個料場的土料進行了質量評價（表1）。

由表1可知，（1）左岸和丹梯村礫質土料屬寬級配礫質土，P20和P5含量變化范圍大，總體上看，礫石含量稍偏多，但未發現有礫石集中架空現象；（2）除壩址左岸、丹梯村土料場天然含水量偏低外，各料場其他指標均基本符合質量要求，土料的物理力學指標基本符合防滲土料的質量要求，均可作為礫質土心墻防滲土料料源；（3）苗尾寨土料天然含水率比擊實試驗的最優含水率高3.9%，土料偏濕。壩址左岸土料及丹梯村礫質土料天然含水率比擊實試驗的最優含水率低4.9%、3.9%，土料偏干，兩個料場土料上壩前需補水。丹梯村接觸粘土天然含水率平均值為14.4%，低于最優含水率約3.6%，因此上壩前需對接觸粘土進行補水。

2.2開采量及開采范圍

2.2.1開采量。大壩填筑共需礫質防滲土料270.92萬m3（自然方），其中包含接觸粘土料9.81萬m3（自然方）。接觸粘土料由丹梯村土料場提供。

目前，各土料場復查工作已完成，苗尾寨土料場主采區總剝離量約14.533萬m3，有用料儲量約為207.08萬m3；壩址左岸土料場主采區總剝離量約3.803萬m3，有用料儲量約為31.62萬m3；丹梯村土料場主采區總剝離量約7.339萬m3，有用料儲量約為64.12萬m3。

2.2.2開采范圍。

（1）苗尾寨土料場以中部N70°E向沖溝為界分為A、B兩區。地貌上為山前斜坡，A區地形坡度20～30°，B區地形地形坡度25～35°。整體地勢西高東低，高程1 470.00～1 630.00 m，開采面積0.29 km2。

（2）壩址左岸土料場A區位于回槽子溝（溢洪道進水渠）上游側，為斜坡地形，地形坡度20～35°。整體地勢上陡下緩，地面高程1 430～1 610 m，開采面積0.076 km2。

（3）丹梯村土料場開采區域為原料場B區部分區域，位于丹塢塹溝左側岸坡，為斜坡地形，地形坡度20～30°。整體地勢西高東低，地面高程1 580～1 820 m，開采面積約0.15 km2。

3土料場開采規劃

3.1施工規劃

（1）大壩土料分礫質土料和接觸性粘土，苗尾寨土料場、壩址左岸土料場、丹梯村土料場B2區均作為礫質土料場。丹梯村土料場B1區靠近砂石系統部位，規劃為接觸粘土開采區域，開采厚度2～4 m，剩余料作為礫質土料。

（2）苗尾寨土料場為礫質土料主料場，天然含水比最優含水偏高，盡量安排在旱季上壩。壩址左岸土料場天然含水比最優含水偏低，盡量安排在主汛期停工前上壩。大壩心墻區填筑時苗尾寨土料場與壩址左岸土料場同時開采上壩。

（3）土料開采自上而下分層進行，采用平采與立采相結合，開采時分層厚度初定為5 m。開采后的臨時邊坡按照開挖坡度不陡于1∶1控制，高度大于10 m的邊坡每10 m設置一級馬道，馬道寬度不小于2 m。

（4）土料場剝離時分層進行，剝離面積滿足土料開采需要為宜，剝離完成的工作面不易暴露過久，剝離料就近存放于堆存場。

（5）有用料采用1.6～2.4 m3反鏟挖裝，配以20 t自卸汽車運輸。當降雨量大于5 mm時，暫停土料開采施工，天晴后，對表層土進行翻曬調整含水量后再行開采。

3.2施工分區土料場開采分礫質土料采區和高塑性粘土采區。依據苗尾大壩分期、分區填筑施工規劃，3個土料場（礫質土料）開采上壩順序依次為：苗尾寨土料場A區—壩址左岸土料場A區—苗尾寨土料場B區—丹梯村土料場B1區—丹梯村土料場B2區。各料場儲量見表2。

3.3開采規劃根據各料場復勘資料、有用料本身巖性及各料場儲量分析，苗尾寨土料場主采區土料厚度1.9～25 m，左岸及丹梯村土料場主采區土料厚度2～10 m，接觸粘土料區厚度為2～4 m，土料開采自上而下分層進行，分層厚度初定為5 m，采用平采與立采相結合。單個工作面開采寬度為20 m。

（1）各料場地形坡比較陡，普遍開采深度為5～10 m左右，料場開采以1.6～2.4 m3反鏟后退法平采方式為主，平采與立采相結合，配20 t自卸汽車運輸上壩。

（2）根據工作面道路布置情況，土料一次開采到底，避免有用料浪費。

（3）開采區工作面輔以一臺推土機集料及修路平整，各開采面噴霧灑水、路面灑水車灑水保濕以降塵，確保作業面及施工便道平整、清潔，樹工區良好文明施工形象。

3.4開采程序土料場開采程序見圖1。

3.5截排水布置土料場開采前先修建臨時施工道路，在沖溝上設置攔砂壩；在沿采區下坡腳設置臨時擋土墻等措施。在確定的開采區外周邊及每一開采區頂部修建截水溝，開采時始終保持有排水溝一側的底面略低，將來水排入開挖區外天然沖溝里；對采區內開挖的凹坑及時進行回填，防止雨水滲入土料深層。截水溝采用反鏟開挖形成，梯形斷面，底寬50 cm，深70 cm。

3.6工作面布置土料場開采最大強度11.3萬m3/月（壓實方）。礫質土料各土料場布置3個開采工作面同時開采，每個開采工作面各配置1臺1.6～2.4 m3挖掘機和10～15臺20 t自卸汽車運輸，上一層工作面超前于下一層工作面30～40 m，避免上下工作面施工干擾。接觸性粘土布置1個開采工作面，配置1臺2.4 m3挖掘機和15臺20 t自卸汽車運輸。

4料場開采

4.1料場復勘土料場在開采上壩之前，應首先對料場進行復勘。復勘的目的是根據本工程所需的各種防滲土料的使用要求，為確定開采方法、程序提供依據，對是否需要啟用備用料場或新增料場提出意見。料場復查完成后，按要求提交復查報告報監理部審批，內容包括料場地形、探坑或鉆孔平面圖、地質剖面圖、土料含水率及其隨季節的變化情況、地下水位變化情況、試驗分析成果（包括顆粒組成）、開采面積及開采范圍、實際可開采數量（儲量）及深度等。

4.2取樣檢測土料開采前，根據前期勘探及室內試驗進行檢測的含水率，確定優先開采區域。土料開采過程中應定期進行含水量檢測，并根據含水量變化情況對開采區域進行局部調整；土料場含水率按20 m×20 m范圍進行實時檢測，檢測立采混合后土料的含水率。土料挖運過程中應加強對土料含水率測試、級配及物理力學性質等實時檢測結果和混合土料的顆分測試，并結合碾壓試驗結果及時調整開采區域和優化開采方式，以利于確定壩體填筑最優的含水率。原則上對檢測時含水率不合格的料作廢料處理。

4.3覆蓋層剝離

（1）施工準備。先施工開挖區外截水溝和開挖區內排水溝，用人工配合反鏟或推土機分段清理表層植被，再形成主干道至各層開采的施工便道，準備工作完成后開始土料的開采。

（2）料場剝離。料場腐植土剝離，采取剝離一層，開采一層，由人工配合反鏟及推土機順等高線方向對表層的腐植土進行剝離，腐植土剝離自上而下分區分段進行，清挖厚度約40～60 cm，以開挖出的土料沒有植被的根須和土壤沒有發黑變質為準。最低層的腐植土剝離料直接用1.6～2.4 m3反鏟裝20t自卸車運輸到指定位置堆存，并稍微整平，為復耕作準備。苗尾寨土料場下游側設置有表土堆存場，堆存表層剝離的耕植土。

4.4有用土料開采土料開采施工流程見框圖2。

4.5土料含水量調整土料上壩對含水量要求嚴格，控制土料填筑時的含水量在規定范圍內尤為重要。土料開采前，應根據設計要求并結合前期勘探及室內試驗先行測定其最優含水率，礫質土料開采時的含水率一般比上壩wop-1%～wop+3%控制為最優（接觸性粘土1%～3%），后通過裝車、運輸、卸車、攤鋪等多道工序，含水量有一定損失（尤其是在旱季施工）。

土料含水量過高或較低時，直接影響大壩填筑壓實度指標。土料含水率調整工藝與天氣狀況、氣象條件（濕度、溫度、風向、風力等）、開采運輸工藝、土料性質等有密切關系，其影響因素也較多。在施工前可依據前期復勘和現場碾壓試驗成果，確定土料在不同天氣情況、不同開采運輸等條件下上壩時的含水率損失情況，根據土料在大壩壩面攤鋪碾壓時的含水量損失狀況，選擇合適的含水量并調整工藝以助于降低工程成本。當含水量過低時，在土料場內采用挖溝補水或上壩時灑水車灑水的方法。土料在挖、裝、運過程中應加強取樣檢測和顆分測試，以便及時調整開采區域和優化開采方式。

4.5.1土料補水。如天然含水量過低，可采取土料場內采用挖溝補水的方法。沿著料場地形7 m一級開挖1.5 m寬、1.2 m深的排水溝，充分利用汛期降雨蓄水下滲進行礫質土料補水，汛后開采上壩；若料場補水后含水量還低于最優含水量，則采取分段加水，分段開采的方法，確保土料的含水量在最優含水率附近，滿足設計上壩技術要求，分段加水可在土料開采前48～72 h進行。

若含水量低于最優含水量不大，可通過料場內噴霧均勻灑水或碾壓前灑水車灑水的方法，充分使土料濕潤均勻，灑水調整后實時檢測，確保土料的含水量滿足設計上壩技術要求。

（1） 土料場挖槽補水。按照高程從低到高的順序，高差7 m進行測量放線，保證水溝水平。水溝儲水開始下滲以后，在相應位置取樣，測定其含水率。通過含水率的變化，檢驗補水效果，校核補水時間。

①深度小于5 m補水。補水在礫石土料開采之前一次補水到位。在料場相應高程逐級按照高差7 m開挖如圖3所示，水平水溝（水溝兩側坡比1∶0.75），水溝內存水，通過土體內滲流進行補水。

根據前期勘察資料可知，壩址左岸土料場礫質土料在垂直方向其密實度按照約6.7%遞增，其滲透系數相應減低，順坡方向，表層礫質土密實度相對較低，具備相對較高的滲透系數。根據相關理論分析，在保證垂直方向5 m補水深度的情況下，能夠滿足順坡方向7 m高程的補水要求。根據計算，確定垂直方向的補水深度為5 m，順坡方向水溝高差為7 m。

（2）轉存場悶灌補水。現場擬定按50～100 cm一層進行攤鋪，人工在土料轉存場移動水管對礫質土逐層進行補水，行進速度根據需補水量及灑水能力計算確定。對于補水完成的工作面及時采用塑料薄膜進行覆蓋，加強其含水率檢測。

（3）接觸性粘土補水。若在篩分裝車后進行補水可能導致補水不均勻，不利于土料達到最優含水率。因此，考慮在篩分過程中進行補水。通過對篩分后和轉存場的接觸粘土現場取樣結果計算補水量、再確定現場布置的水箱大小和轉存過程中含水率的損失。

為防止接觸粘土轉存后失水，在土料轉存后及時進行覆蓋，同時在轉存場增加灑水設施進行表面灑水，防止接觸粘土轉存過程表面失水。土料碾壓試驗確定的接觸粘土最優含水率平均值為20.5%，接觸粘土篩分、補水、轉存后應將補水量控制在最優含水率3%以上為宜（即22%～24%范圍內）。

根據大壩接觸粘土填筑施工進度，適時進行接觸粘土的回采篩分。回采前及篩分后做好接觸粘土料含水率等指標的檢測，在保證滿足上壩要求的情況下進行回采、篩分、補水及臨時堆存。

4.5.2土料翻曬。降低土料的含水量主要采用翻曬法，其施工工藝應根據土工試驗進行檢測，在翻曬過程中，土料含水量損失值與天氣狀況、氣象條件（如氣溫、濕度、日照、風力）、土質特性、翻曬工藝（翻料遍數、鋪料厚度、晾曬時間）等影響因素有關，需在翻曬施工前通過現場試驗確定。若料場地下水位過高，將導致土料含水量超標，除了翻曬措施外，可在料場四周開挖1.5 m寬、50 cm深的排水溝利于排水，同時在采區坡頂開挖深截水溝，截斷地下水的補給，并進行分段開采。由于該工程大壩進行分期、分區填筑，料場開采經歷2～3個雨季，因此選擇經濟合理的翻曬工藝將有助于降低工程成本。

經土料場復查及試驗分析，苗尾寨土料天然含水率比實際試驗的最優含水率高3.9%，土料偏濕。參照糯扎渡工程經驗[1]，土料翻曬時鋪土厚度一般為20～30 cm，在攤鋪后翻松2～3遍的情況下，含水量每小時降低0.25%～0.8%，按土料不同特性，翻曬周期1～3 d。

根據該工程土料情況，初選土料翻曬時采用機械翻土，推土機集土，裝載機裝車，汽車運輸的方法；如礫質土料攤鋪厚度一般為30 cm，翻2次，翻曬周期為1～3 d。可根據實際施工時的試驗情況進行調整。

土料開采后，自卸車運輸到翻曬場，推土機攤鋪，然后由推土機牽引松土器翻松土料，土料翻曬到合適的含水量后，由推土機集土，3 m3裝載機裝車，20 t自卸車運輸。如集好的土料暫時不能轉運上壩，對土堆進行集中并將表面壓實抹光，并用塑料薄膜進行覆蓋綁牢，雨天防雨、晴天防曬，避免下雨后土料含水量又有較大變化。

4.6保證措施

（1）礫質土心墻壩填筑施工受氣候條件影響較大，對心墻防滲料和接觸性粘土開采施工也提出了更高要求。根據有關施工技術規范要求，結合各類填筑料受降水量的影響情況，土料開采雨季施工天氣情況要求如下：①接觸性粘土料，日降雨量小于0.5 mm時，正常施工；日降雨量為0.5～5 mm時，雨日停工；日降雨量為5～10 mm時，雨日停工，雨后0.5日復工；日降雨量為10～30 mm時，雨日停工，雨后1日復工；日降雨量大于30 mm時，雨日，雨后2日復工；②礫質土防滲料，日降雨量小于5 mm時，正常施工；日降雨量為5～10 mm時，雨日停工；日降雨量為10～30 mm時，雨日停工，雨后0.5日復工；日降雨量大于30 mm時，雨日停工，雨后1日復工。

（2）料場開采依據復查情況，做好相應的施工技術交底，嚴格按照監理工程師批準的方案進行施工。

（3）料場開采前做好截排水措施，特別是雨季，經常派人對截排水及時疏通維護，防止水土流失，增加開采難度。

（4）土料運輸中，根據土料含水率情況設置防雨防曬棚覆蓋，防止壩料在運輸過程中含水量損失過快。

（5）采用自上而下的開采順序，避免土料浪費和無序施工。

（6）土料運輸車輛相對固定，防止土料污染。

（7）在下雨前，及時做好開采面的防雨覆蓋和開挖工作面的排水設施，便于天晴后能盡快恢復開采施工。

（8）對于可能出現的地下水和泉水，就近開挖排水溝槽，將水排至適當地點。

（9）礫質土料開采前選擇在含水率滿足要求的區域進行，對于不能確定含水量是否滿足要求的情況下，四方現場確定后進行含水率檢測，超過設計技術要求含水量的土料不得使用。對于接觸粘土，在土料場篩分后，及時用防雨布覆蓋。

5結論與建議

（1）由于苗尾水電站料源多，各土料場分散，土性不均一，含水率變化大，開采工序復雜等特點，在一定程度上增加了大壩填筑質量控制的難度，應嚴格按擬定的開采順序和規劃布置安排施工，采用分期分區、自上而下一次開采到底的開采順序，避免土料浪費和無序施工。

（2）土料含水量的大小直接影響防滲土料填筑壓實度最優狀態，含水量過大、過小都直接影響大壩填筑質量，可依據不同含水量區域和碾壓試驗成果以調整至最優含水率附近。雨季，當降雨量大于5 mm時停止料場開采，并采取有效排水、防水措施，并對臨時道路的維護，晴天對土料進行翻曬以降低土料含水量，控制開采料質量；當土料含水量過低時，對土料場土料采用挖溝補水、轉存悶罐補水或壩面灑水的方法確定適合的含水量。

（3）壩體填筑分期分區進行，土料開采受季節變化影響較大。為避免土料空間分布不均勻帶來的料源質量不穩定的情況，根據含水率取樣檢測結果，布置多個工作面輪換開采上壩，優先開采含水率最優的區域，以保證壩體填筑具有合適的含水率。苗尾寨土料場為礫質土料主料場，天然含水比最優含水偏高，盡量安排在旱季上壩。壩址左岸土料場天然含水比最優含水偏低，盡量安排在主汛期停工前上壩。大壩心墻區填筑時苗尾寨土料場與壩址左岸土料場同時開采上壩。

（4）土料挖運過程中應加強對土料含水率測試、級配及物理力學性質等實時檢測結果和混合土料的顆分測試，并結合碾壓試驗結果及時調整開采區域和優化開采方式，以利于確定壩體填筑最優的含水率。由于土料的含水量對土料的壓實度影響較大，施工前還應通過進一步的碾壓試驗確定上壩含水量控制標準。

（5）從源頭上控制土料質量，有用的料與不能用的棄土要嚴格區分，對需要轉存的有用料要分層攤鋪，分層灑水保濕，派專人剔除土料中的超徑塊石，確保用料質量。

參考文獻

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