修畦子泡土工藝在均質(zhì)土壩填筑的試驗(yàn)研究與應(yīng)用

姚 凱，張 濤

（1.陜西省銅川市水務(wù)局，陜西 銅川 727000；2.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

修畦子泡土工藝在均質(zhì)土壩填筑的試驗(yàn)研究與應(yīng)用

姚 凱1，張 濤2

（1.陜西省銅川市水務(wù)局，陜西 銅川 727000；2.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

銅川市龍?zhí)端畮?kù)樞紐工程為碾壓均質(zhì)土壩，由于天然土料含水偏低，需做泡土配水處理。結(jié)合場(chǎng)地和料場(chǎng)地形，采用“修畦子”的方法泡土改善土料含水率。配水前，需對(duì)土料的待滲期、開(kāi)采期、滲透深度和開(kāi)采方式進(jìn)行確定。通過(guò)區(qū)域性泡土工藝試驗(yàn)研究，確定配水參數(shù)。在該工程實(shí)際應(yīng)用后，施工檢測(cè)結(jié)果表明，該施工工藝所摻配土料質(zhì)量合格，滿(mǎn)足施工質(zhì)量要求。

修畦子配水；試驗(yàn)研究；施工應(yīng)用

1 概況

銅川市龍?zhí)端畮?kù)樞紐工程位于銅川市耀州區(qū)境內(nèi)的趙氏河上游，攔河壩為碾壓均質(zhì)土壩，土料填筑量約為74.3萬(wàn)m3。施工前期依據(jù)SL251-2015《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》[1]對(duì)左、右岸土料場(chǎng)復(fù)查檢測(cè)土料天然含水率，查明土料分布情況，左岸土料天然含水在6.8%～16.6%之間，平均含水在10.2%，右岸土料天然含水在6.4%～14.6%之間，平均含水在10.6%。通過(guò)室內(nèi)擊實(shí)和碾壓試驗(yàn)確定，左、右岸土料場(chǎng)土料最大干密度1.71 g/cm3，最優(yōu)含水率分別為17.0%和17.2%，適宜壩體填筑的土料含水率控制范圍15%～19%[2]。但天然土料整體偏干，不可直接使用，需要做泡土處理。甲方提供筑壩土料土料場(chǎng)分別位于大壩左、右岸壩頂723 m高程以上上游斜坡面上，料場(chǎng)場(chǎng)地狹窄、高差大，土料場(chǎng)整體地形不完整、起伏大。大壩壩基位于狹窄深河溝，場(chǎng)地狹小。用“堆土牛”方法進(jìn)行摻配調(diào)整土料含水率，因場(chǎng)地限制，無(wú)法實(shí)行。遂采用“修畦子”泡土的方式來(lái)解決填筑土料含水率偏低現(xiàn)象，達(dá)到土料快速補(bǔ)水的目的。

2 工藝流程

泡土前，在料場(chǎng)選代表性區(qū)域做泡土工藝試驗(yàn)，得出水分在天然土料場(chǎng)的下滲速度和時(shí)間關(guān)系，確定待滲期和滲透深度，為施工提供依據(jù)，指導(dǎo)施工。工藝試驗(yàn)后修“畦子”，檢測(cè)土料天然含水后，確定開(kāi)采深度，加水配水，待滲期后檢測(cè)土料含水，合格后開(kāi)采使用。如圖1所示。

3 配水試驗(yàn)

圖1 工藝流程圖

目前工程常用的泡土方法有“溝灌法”和“畦（坑）灌法”，根據(jù)本工程實(shí)際場(chǎng)地選用“梯田式修畦子”方式泡土更適宜本工程。此種方法在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)是按地形將土料場(chǎng)分成若干大小不一的區(qū)塊進(jìn)行整平筑畦，然后灌水，在水分下滲、蒸發(fā)達(dá)到要求時(shí)開(kāi)挖上壩。而試驗(yàn)中為了方便、準(zhǔn)確的計(jì)算用水量及下滲深度等，實(shí)際是開(kāi)挖成面積大、深度小的試驗(yàn)坑進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)不同的用水量和不間斷的取樣測(cè)試工作，找出土料適宜的灌水量和待滲、開(kāi)挖時(shí)段。

3.1 試坑位置、面積的選擇及天然含水分析

“畦（坑）灌法”試驗(yàn)用水量大，考慮到試驗(yàn)用水的拉運(yùn)方便，保證試驗(yàn)的代表性和準(zhǔn)確性，試驗(yàn)位置選擇在左岸土料場(chǎng)高程768平臺(tái)進(jìn)行，試驗(yàn)坑坑口為3 m×3 m深1 m。在開(kāi)挖的S1試坑內(nèi)共取樣10組進(jìn)行了土層天然含水率測(cè)定，試坑S1取樣深度為5.0 m。天然含水率隨深度變化過(guò)程如圖1所示。

圖1 S1試抗天然含水率曲線(xiàn)

對(duì)試坑內(nèi)土料取樣發(fā)現(xiàn)，在距離表面2.8～3.8 m位置有顏色略微發(fā)紅的紅粘土，其余為黃土。對(duì)兩種土料依據(jù)規(guī)范SL237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》③進(jìn)行顆粒分析，結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 土的顆粒分析匯總表

由表1檢測(cè)結(jié)果可以看出，試坑部位土料以粉粒（0.075～0.005 mm）為主，均屬于粉質(zhì)粘土。但從土料天然含水曲線(xiàn)圖1可以看出，測(cè)試深度內(nèi)的天然含水率3.0～3.5 m位置相差較大，分析認(rèn)為這主要與該土層紅土粘粒含量及試驗(yàn)坑所處的位置有關(guān)。

3.2 加水量及注水后試驗(yàn)

3.2.1 加水量

參照類(lèi)似工程配水經(jīng)驗(yàn)，加水量設(shè)計(jì)是以飽和含水率減去天然含水率乘以80%計(jì)算，因填筑開(kāi)采季節(jié)不同造成土料含水風(fēng)干損失不同，飽和含水率計(jì)算有差異。夏季按照（飽和含水率-天然含水率）×100%計(jì)算，確保填筑土料含水率在最優(yōu)含水率上線(xiàn)（17%～19%）；冬季土料配水灌水量設(shè)計(jì)按照（飽和含水率-天然含水率）×60%計(jì)算，確保填筑土料含水率在最優(yōu)含水率下線(xiàn)（15%～17%）；春秋兩季土料配水灌水量設(shè)計(jì)按照（飽和含水率-天然含水率）×80%計(jì)算，確保填筑土料含水率在最優(yōu)含水率16%～18%之間較為適宜。土料開(kāi)采中大型機(jī)械一次開(kāi)挖深度約為4 m，所以計(jì)算深度按4 m計(jì)算。

3.2.2 注水后試驗(yàn)

試坑注水模擬現(xiàn)場(chǎng)土料場(chǎng)配水時(shí)的加水方式進(jìn)行注水，將計(jì)算好的水量一次注入試坑。注水后第4天開(kāi)始造孔取樣，“梅花形”布孔進(jìn)行含水率測(cè)試。取樣間隔距離為0.5 m一組，至水分下滲的干濕分界以下1 m（滲界以下保證2組土樣）。每次取樣結(jié)束用孔內(nèi)取上的土進(jìn)行原土封孔，以保證水份不會(huì)從孔內(nèi)損失。持續(xù)30天間隔取樣，S1試驗(yàn)坑含水率隨時(shí)間、深度變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2、圖2。

表2 S1試坑含水率變化統(tǒng)計(jì)表

圖2 S1試坑含水率隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

（1）根據(jù)試驗(yàn)資料分析，試驗(yàn)區(qū)土料的最優(yōu)含水率wop=17.0%。施工時(shí)開(kāi)采運(yùn)輸過(guò)程中水分的損失在2%～3%，因此本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)按開(kāi)挖深度內(nèi)（4 m）平均含水率降至20.0%時(shí)，即認(rèn)為待滲期結(jié)束，進(jìn)入土料可開(kāi)采期。

（2）從表2、圖2可以看出，在注水后第24天時(shí)，4m內(nèi)土料含水率平均值已降至20%，進(jìn)入可開(kāi)采期。目前僅檢測(cè)到第30天時(shí)含水率為19.6%，沒(méi)有到設(shè)計(jì)開(kāi)采含水率下限，根據(jù)兩個(gè)時(shí)段計(jì)算可開(kāi)采期大于6天。

（3）土料在注水第9天時(shí)至第24天，平均含水相差不大。因?yàn)樵撾A段水分在2.8～3.8 m下滲時(shí)，遇到黏粒含量偏大的紅粘土，滲透系數(shù)小，阻擋了土料下滲速度，延長(zhǎng)了待滲期。

3.3 水分下滲、側(cè)滲

根據(jù)含水率取樣檢測(cè)結(jié)果繪出試坑注水后水分下滲、側(cè)滲示意圖，見(jiàn)圖3。

圖3 水分下滲、側(cè)滲示意圖

由圖3可以看出，隨時(shí)間變化圖層中水分下滲深度呈略增大趨勢(shì)，試坑側(cè)滲范圍無(wú)明顯變化，側(cè)向滲透寬度在0.5m左右，側(cè)向滲透能力很弱。

4 施工應(yīng)用

（1）結(jié)合土場(chǎng)坡勢(shì)修畦子，左岸1#土料場(chǎng)及右岸2#土料場(chǎng)，料場(chǎng)場(chǎng)地狹窄、高差大，施工道路布置難度較大,需逐層泡土立面開(kāi)采使用。根據(jù)料場(chǎng)地形，采用“梯田式修畦子”方式泡土，每個(gè)畦子標(biāo)記注水時(shí)間，畦子的大小根據(jù)地形確定，在地勢(shì)平緩的地方，畦子略大一些，在地勢(shì)陡的地方，畦子可略小，畦子的高度一般為1m。料場(chǎng)作業(yè)區(qū)要同時(shí)具有開(kāi)挖作業(yè)面，待滲面、注水作業(yè)面、平整作業(yè)面。

（2）2017年5月26日，該工程均值土壩填筑完成，土料含水率施工期共取樣8300組，含水率匯總分析見(jiàn)表3。

取土場(chǎng)土料配水按照20%含水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配水，開(kāi)采前檢測(cè)畦坑內(nèi)土料平均含水率20.2%，土料經(jīng)過(guò)翻拌、運(yùn)輸、攤鋪等損失后，平均含水率為17.5%，含水率平均損失2.7%，基本滿(mǎn)足施工含水率要求。

表3 均質(zhì)土壩壩料含水率試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)

含水率較低土料原因調(diào)查分析為：①挖機(jī)開(kāi)采深度超過(guò)4.0 m，將底部未浸泡土料挖運(yùn)上壩；②畦子之間寬度過(guò)大，土料側(cè)向滲透力弱，未能將中間土料浸潤(rùn)，有干土梁。

5 結(jié)論

（1）施工過(guò)程中應(yīng)定期檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)的土料開(kāi)采、拉運(yùn)過(guò)程水分損失量，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)土料含水率進(jìn)行調(diào)整。

（2）土料場(chǎng)開(kāi)始人工配水時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)檢測(cè)試驗(yàn)，以確定在現(xiàn)場(chǎng)人工配水條件下的各項(xiàng)參數(shù)，為類(lèi)似區(qū)域、類(lèi)似土質(zhì)的土料配水積累經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以做到更加合理的進(jìn)行人工配水。

（3）土料配水工作延繼周期長(zhǎng)，宜分期分塊提前進(jìn)行。

（4）由于土料場(chǎng)土料的側(cè)向滲透能力差，為減少配水過(guò)程中土料側(cè)滲能力差造成的干土梁，修畦子時(shí)畦子厚度不超過(guò)1 m。

（5）“修畦子”泡土工藝試驗(yàn)為本工程的施工提供了依據(jù)，利用“梯田式修畦子”方法有效的解決了因施工場(chǎng)地環(huán)境造成的影響，達(dá)到土料快速補(bǔ)水的目的，從浸泡到開(kāi)采待滲期約為24天，對(duì)左、右岸同時(shí)修畦子泡土，交叉作業(yè)，利用“梯田”，合理規(guī)劃土料開(kāi)采運(yùn)輸?shù)缆罚?jì)劃工期內(nèi)保質(zhì)保量完成施工任務(wù)。

（6）通過(guò)“梯田式修畦子”泡土在本工程中的應(yīng)用，說(shuō)明在土料場(chǎng)對(duì)土料進(jìn)行人工快速配水是可行的。由于各地土料場(chǎng)土料的最優(yōu)含水率差別較大，土料特性和滲透系數(shù)差異較大，全國(guó)不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同土質(zhì)的具體待滲、可開(kāi)挖時(shí)段應(yīng)根據(jù)泡土工藝試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果確定。

TV541.1

B

1673-9000（2017）05-0155-03

2017-06-12

姚凱（1983-），男，陜西銅川人，工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)管理工作。