筑畦灌水法調節含水率在羅賽雷斯大壩加高工程中的應用

夏 海 龍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

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筑畦灌水法調節含水率在羅賽雷斯大壩加高工程中的應用

夏 海 龍

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

蘇丹羅賽雷斯大壩加高工程包括河床混凝土壩段加高和左、右岸土石壩加高。土石壩加高工程涉及大量粘土料開采，闡述了在天然含水率偏低的土料場運用筑畦灌水法調節粘土料含水率的方法，介紹了筑畦灌水法的確定過程、工序、施工參數、特點及其在羅賽大壩加高工程中的應用等。

土料場； 粘土料； 天然含水率； 最優含水率； 筑畦灌水法；羅賽雷斯大壩

1 工程概述

原羅賽雷斯大壩樞紐工程位于蘇丹共和國青尼羅河省首府羅賽雷斯鎮，建于1960～1967年，主要由河床段混凝土壩和兩岸土石壩組成，總長度約為13.5km。羅賽雷斯大壩加高工程在現有壩基礎上加高10m，加高后壩體總長度約為25.1km，壩長堪稱世界之最。加高后庫容增加40億m3，庫水用來灌溉喀土穆與羅賽雷斯之間的農田。該工程于2008年5月1日開工，于2013年1月1日完工。

土石壩加高工程涉及填筑工程量約1 700萬m3，其中粘土料和任意料(粘土臟砂混合)合計約1 000萬m3。

羅賽雷斯大壩所處區域季節性明顯，夏季多雨，冬季干燥。年降雨主要集中在6月至9月初。夏季氣溫一般超過40 ℃，濕度較高；冬季氣溫約30 ℃，濕度較低。平均年降雨量為782.7mm，平均日蒸發量為10.2mm。

業主提供的羅賽雷斯大壩加工工程主要土料場共有7個，分布較分散，左岸5個，右岸2個。土料場總體地勢相對平坦，地下水豐富，埋深一般在12m范圍內。

土料場主要包括粘土、臟砂和凈砂三種料物。粘土和臟砂一般分布在上部，凈砂分布在下部。受該區域氣候影響，土料場中的粘土6～9月(雨季)的含水率一般可滿足要求，局部含水率甚至偏高，而在一年中的另外8個月(枯期)，土料場中的粘土含水率總體遠低于最優含水率，故需要調節含水率。

2 開采方式比較及筑畦灌水法的選定

2.1 開展開采試驗的背景

針對土料場枯期上部粘土料物含水率偏低等情況，施工單位組織中國水利水電第七工程局有限公司和第五工程局有限公司相關專家討論后，決定開展多種土料加水開采方法的對比試驗。而分管土石壩的德國拉美爾咨詢公司工程師起初堅持要求采用暫存加水法進行土料開采，后經施工單位土石壩專家介紹了中國國內多種調節含水率方法在不同區域的成功應用后，拉美爾公司最終同意施工單位通過多種土料加水開采對比試驗來確定土料含水率的調節和開采方法。施工單位在相關方案報咨詢工程師審批后，在左岸ⅣA料場選定了三塊試驗場地分別開展了三種加水開采試驗。

2.2 開采試驗場地的布置

(1)筑畦灌水開采試驗場地的布置。

根據地質勘探資料和現場探坑資料，為筑畦灌水開采試驗選擇了一塊開采試驗區域，其粘土分布在上層，表層粘土含水率偏低，尺寸為40m×40m。

(2)刨松灑水開采試驗場地的布置。

根據地質勘探資料和現場探坑資料，為刨松灑水開采試驗選擇了一塊開采試驗區域，其粘土分布在上層，表層粘土含水率偏低，尺寸為20m×20m。

(3)暫存加水開采試驗場地布置。

根據地質勘探資料和現場探坑資料，為暫存料場加水開采試驗選擇了一塊取料區域，其粘土分布在上層，表層粘土含水率偏低，尺寸為20m×20m。在取料區域就近布置了暫存加水區域，尺寸為20m×20m。

2.3 開采試驗方法

(1)方法一：

①通過筑畦灌水法調整含水率；

②在不同深度檢測粘土自然含水率；

③對比自然含水量和最優含水量以確定每m3土的理論加水量；

④剝離試驗場地表土、在試驗場地筑畦，畦高30cm；

⑤向坑內注水、浸泡，注水深度為20cm左右。浸泡期間定期測取土料的含水率變化值；

⑥重復注水、浸泡直至含水率達到理想值；

⑦測得含水率合適時用反鏟立采挖裝、自卸汽車運料至碾壓試驗場地。

(2) 方法二：

①通過刨松灑水法調整含水率；

②在不同深度檢測粘土自然含水率；

③對比自然含水量和最優含水量以確定每m3土的理論加水量；

④剝離試驗場地表土；

⑤用帶裂土器的推土機松土；

⑥用推土機平整；

⑦用灑水車表面灑水；

⑧定期測含水率；

⑨重復灑水直至含水率達到要求；

(3) 方法三：

①通過暫存料場加水法調整含水率；

②剝離取料區域表土；

③用帶裂土器的推土機松土；

④用推土機集料、反鏟挖裝、自卸汽車運輸至暫存料場；

⑤用推土機攤鋪料，鋪料厚度為1.5m；

⑥在不同深度測試粘土自然含水率；

⑦對比自然含水量和最優含水量以確定每m3土的理論加水量；

⑧用反鏟翻土、加水；

⑨用推土機閉合表面、熟化并定期測含水率；

在上述試驗過程中，安排專人統計了水深、浸泡時間、加水量、含水率變化值、氣溫、需要設備和人力數量等數據。試驗結束后，通過分析這些數據，分析比較了三種方法所需設備、人員、費用、時間、加水效果、加水參數和可操作性等。

2.4 開采試驗結果分析及筑畦灌水法的選定

2.4.1 筑畦灌水法開采

(1) 試驗數據及其分析。

根據現場記錄及試驗數據，對相關試驗參數進行統計如下：

氣溫：16 ℃～37.5 ℃；加水量： 715m3；灌水時間：7d；灌水水深：20cm；調整含水率時間：14d。

試驗期間，試驗室分別在灌水前、浸泡期間、浸泡后沿深度方向每隔0.5m取樣做含水率測試，取樣深度為3.5m。

上述不同時間取樣點含水率隨深度分布情況見圖1。圖1中共有6個取樣點，其中TP3和TP4為灌水前的取樣探坑，探坑采用反鏟挖成，土樣采用人工挖取；BIA-BH-2 和BIA-BH-3為灌水浸泡期間的取樣鉆孔，BIA-BH-4和BIA-BH-5為浸泡后的取樣鉆孔，鉆孔皆采用麻花鉆手工鉆入，土樣采用人工取麻花鉆附著土。

(2) 筑畦灌水試驗小結。

根據對以上試驗參數和試驗數據等進行綜合分析，總結出筑畦灌水開采具有以下特點：

①參照圖1，可以看出筑畦灌水調整含水率的方法效果很好。灌水前，粘土表層0～1m含水率偏低，灌水后在0～3.5m范圍內粘土料含水率均在OMC-1～OMC+5范圍內，符合相關技術規范規定。

②灌水前，含水率沿深度方向分布極不均勻，灌水后含水率沿深度方向分布較為均勻。

③開采方式：含水率調整合適后，反鏟立采挖裝。這種開采方式效率高，有利于提高開采強度，有利于主體工程的填筑施工。

④該試驗工序較少，便于操作與現場管理。

圖1 取樣點含水率分布圖

⑤試驗時間：此次試驗含水率調整用時14d，即自開始灌水到浸泡至含水率合適的時間。

2.4.2 刨松灌水開采試驗

(1)試驗數據及分析。

根據現場記錄及試驗數據，該試驗取得的相關參數如下：

氣溫：16 ℃～37.5 ℃；開采區域尺寸：20m×20m；加水量： 440.5m3；加水時間：7d；調整含水率時間：9d。

試驗期間，試驗室分別在加水前、加水后取樣做含水率測試。

上述不同時間取樣點含水率隨深度分布情況見圖2，圖2中共有3個取樣點，其中TP1和TP2為加水前取樣探坑，探坑采用反鏟挖成，土樣采用人工挖取；SA-BH-1為加水后取樣鉆孔，采用麻花鉆手工鉆入，土樣采用人工取麻花鉆附著土。

圖2 取樣點含水率分布圖

(2)刨松灌水試驗小結。

對以上試驗參數和試驗數據等進行綜合分析，可以總結出刨松灌水開采具有以下特點：

①參照圖2，可以看出通過刨松灌水調整含水率的方法效果較好。加水前粘土表層0～1m含水率偏低，灌水后在0～3m范圍內粘土料含水率基本在OMC-1%～OMC+5%范圍內，滿足相關技術規范規定。

②灌水前含水率沿深度方向分布極不均勻，灌水后含水率沿深度方向分布較為均勻。

③開采方式：含水率調整合適后，反鏟立采挖裝。這種開采方式效率高，有利于提高開采強度，有利于主體工程的填筑施工。

④該試驗工序比筑畦灌水多了刨毛和平整工序。

⑤試驗時間：本次試驗含水率調整用時9d，即自開始加水到浸潤至含水率合適的時間。

2.4.3 暫存加水以調整含水率開采試驗

(1) 試驗數據及其分析。

根據現場記錄及試驗數據，本次試驗取得的相關試驗參數如下：

氣溫：16 ℃～37.5 ℃；開采厚度： 2～3m；暫存堆厚：1.5m；加水時間：7d。

此次試驗的料物在料源區測得天然含水率和在暫存區域加水后測得的含水率數據分別為：加水前天然含水率為19.7%～21.9%；料物最優含水率為23.8%；加水后人工挖取4個含水率取樣點，含水率分別為22.7%，23.3%，31.3%，25.1%。

(2)暫存加水試驗小結。

對以上試驗參數和試驗數據等進行綜合分析，可以總結出暫存加水開采具有以下特點：

①根據現場追蹤分析和試驗紀錄數據，暫存加水調整含水率基本在OMC-1%～OMC+5%范圍，基本滿足技術規范規定。

②開采方式：料源取料采用推土機集料、反鏟挖裝的平采方式；在暫存料場加水并熟化至含水率合適后，采用反鏟立采挖裝。

③此次試驗工序明顯多于筑畦灌水試驗和刨松灌水試驗，增加了一次平采工序，加水工序也較筑畦灌水試驗和刨松灌水試驗復雜。在大面開采時所需挖掘機和推土機數量更多。

④本次試驗要求暫存場地，故相對筑畦灌水試驗和刨松灌水試驗需要更大的施工場地。

2.4.4 試驗結論及筑畦灌水法的選定

綜合比較以上粘土加水開采的三個試驗，總結出其各自具有的特點見表1。

表1 粘土加水開采試驗對比分析表

由表1可以得出以下結論：筑畦灌水開采是最經濟、最高效、最適用的開采方法，唯一不足的是調整含水時間略長，但在大面開采中同時展開多個工作面，開采一個工作面同時可以進行其它幾個工作面的含水率調整等的開采準備工作，從而可以減少整個開采時間，提高效率。

施工單位將開采試驗結果對比分析后遞交德國拉美爾咨詢公司，拉美爾公司對施工單位的筑畦灌水法成果表示祝賀并批準在以后的料場開采大面中運用筑畦灌水開采法。

3 工程應用

在開采試驗確定采用筑畦灌水法開采土料后，羅賽雷斯大壩加高工程中土石壩填筑所用粘土料和任意料基本上都是在料場通過筑畦灌水法調節含水率后立采開挖上壩。

調節含水率所需水源基于當地料場地下水豐富的特點，主要通過在料場鉆井獲取地下水。

筑畦灌水法對于保證羅賽雷斯大壩料源的質量、減少施工占地、減少挖掘設備投入、降低施工成本起到了重要作用。

筑畦灌水法試驗所確定的參數在羅賽雷斯大壩加高工程土石壩填筑料物開采過程中得到了廣泛應用，并且在當地施工資源有限的情況下達到了120萬m3的月填筑強度，滿足了合同要求的施工進度，獲得了業主單位和咨詢工程師的好評。

夏海龍 (1985-)，男，陜西旬陽人，工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

2016-10-28

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1001-2184(2016)06-0059-04