土石壩施工中摻配全強風化防滲土料應用分析

徐英姿

(上饒市水利科學研究所，江西 上饒 334000)

文章以江西省上饒市上饒縣某水庫施工為例，重點研究摻配全強風化防滲土料在土石壩中的應用。通過大量的摻配試驗及碾壓試驗，分析試驗數據，標定各自摻配比例、碾壓次數、每層鋪設混合料厚度等參數，力求心墻填筑質量滿足設計要求，同時為摻配全強風化防滲土料在土石壩施工中的應用提供經驗。

1 項目情況

文章選取江西省某水庫為研究對象，施工現場距上饒縣城40km左右，該水庫重點保障當地居民用水及農業(yè)生產，同時也為其周邊工廠提供水源。水庫設計總庫容1081.65萬m3，可保障2萬畝農田用水。水庫重點建筑包括攔河大壩、溢洪道、導流輸水隧洞、泄洪道等。

攔河大壩作為水庫的重點工程，設計為心墻風化料壩。其壩頂高程2578m，壩頂寬度5.8m，壩頂長度590.8m，壩高最大值46.8m。上下游壩坡均采用3級設計，其坡比依次：1∶2.2，1∶2.4，1∶2.6；1∶2.2，1∶2.4，1∶1.6。心墻頂寬度2.5m，上下游坡比相同，為1∶0.3，心墻上游鋪設一層混合反濾層(2.5m)，下游鋪設兩層反濾層(每層均1.25m)。利用C13混凝土預制塊護坡構成大壩上游壩面，利用C13混凝土格柵草皮護坡構成下游壩面。大壩心墻防滲土料填筑量較大，高達274985m3。

因該水庫周圍有大量殘坡積土層，并含有大量砂泥巖全風化碎石角礫粉土層，具有良好的防滲作用。設計時選擇2個土料場，概況分別如下：

1號土料場在下壩左岸東部，與上壩址距離600～2500m。本土料場涉及到的土料種類眾多，主要有紫紅色泥質粉砂巖、泥巖、粉砂巖、灰白石英砂巖夾鈣質粉砂巖、粉砂質泥巖、含有礫粉質黏土、夾碎石角礫土，可用作防滲土的厚度約2.5m。可用層下部是全強風化泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖層，該層在摻配比例條件下也可作為防滲土料。該土料場可用層儲量達到66.12萬m3，以現有技術剝采百分比僅9.5%左右。綜合考慮后將1號土料場作為主選料場。為了滿足施工用料，必要時選擇摻配一定數量的全強風化砂泥巖作為防滲心墻原料。

2號土料場在上壩左岸以北，帶狀東西分布，距水壩達1400m。料場可以利用的主要是殘坡積土層與全風化土層的上部，其儲量達到54.12萬m3，以現有技術剝采百分比可達10.8%左右。但該料場開采運輸條件較差，并且場區(qū)內涉及到當地居民的祠堂，征收開掘成本巨大。綜合考慮后將2號土料場充當備用，僅在主選料場無法滿足施工需求時，才少量開采2號土料場邊緣區(qū)，盡量降低影響。

2 防滲土料配制

2.1 取樣介紹

對1號土料場進行地質勘測。探坑間距控制在150m左右，選擇20個探坑，各個探坑深度不一，其范圍在1.2～7.5m之間。探坑內獲得原狀樣12組，擾動樣12組。并獲得防滲純土料大樣1組，同時獲取砂泥巖全強風化料大樣1組，完成不同配比的試驗。

2.2 配比設計

(1)純土料試驗

在主料場(1號)探坑內采取12組表層土料完成試驗，首先對其物理力學性質進行試驗，性能概況見表1。

表1 純土料物理性質概況

參考相關規(guī)程對其完成評價，評價結果見表2。

表2 純土料各性能指標概況

通過該試驗可以得到：主料場表層土料主要是黏性土，黏粒所占比例超過45%的共5組，所占比例42.5%，較高；塑性指數平均數值為12.8，共有9組樣本在9.5～20.5范圍內，達標率達到75%，天然水分比例、滲透系數均符合相關規(guī)范規(guī)定。在開挖現場實地試驗后，可知上層土天然水分比例與最佳值基本一致，黏粒所占比例不均勻。為了保證防滲土料的防滲效果，在采掘時全強風化砂巖、泥巖必須按照一定比例，并進行摻配提升防滲土料的塑性指數與黏粒。綜合來看，該土料基本符合防滲料技術規(guī)范中規(guī)定值，完全可作為大壩心墻填充料使用。

(2)摻配試驗

設定防滲純土料大樣1組(編號FS1)，砂、泥巖全強風化料大樣1組(編號FS2)。

表3 擊實試驗參數及實測數據

表4 三軸試驗實測數據

表5 各土樣碾壓實測值

參考相關規(guī)程[4]對其完成評價，評價結果如表6。

分析表6內數據不難看出，經過15%粉質黏土料與30%全強風化砂巖、泥巖的摻入，P5所占比例達到14.8%～22.2%，黏粒所占比例與塑性指數兩者均有所提升，滲透系數為5.4～6.6×10-7cm/s，摻配土料符合相關規(guī)程中關于防滲土料的技術規(guī)范規(guī)定數值范圍。

表6 水壩防滲土料摻配風化料各性能指標概況

(3)摻配試驗分析

通過勘探試驗數據可以得到，1號土料場的土料經過外摻15%～30%的全強風化泥質粉砂巖、泥巖、粉砂質泥巖配制成碎礫石土防滲材料，各項指標均達到相關規(guī)范中相應規(guī)定。在外摻百分比是30%時，滲透系數僅是5.4×10-7cm/s，表明其外摻比例仍有提升的空間。該研究具有實現意義：可以大幅度提升1號土料場可用料的可用率，并且可以降低土料場占地面積，減少施工成本。

3 工程控制管理

3.1 外摻土料控制

1號土料場面積大，坡度較小，表面植被多。為了不影響鄰近公路交通，在其北面埡口附近開掘，并能快速運達壩趾處。1號土料場土料質量各性能指標見表7。

表7 1號土料場土料各性能指標概況

3.2 施工控制策略

結合1號土料場土料特性，為了滿足大壩心墻防滲料的需求量，重點從以下5個方面進行施工控制。

(1)分區(qū)采掘

因1號主料場土層分布不一，為了提升采掘質量，按照其厚度將其人為分區(qū)，選擇分區(qū)采掘方式。可采掘區(qū)為1區(qū)，不可采掘區(qū)為2區(qū)。1區(qū)按照殘坡積土層厚度的35%全部是全強風化砂巖、泥巖作為采掘界限，并嚴格控制全強風化料的外摻比例，保證防滲料質量。依據土料天然水分所占比例采取不同開掘原則，首先開掘天然水分比例為12%～18.5%的土料，可直接用作心墻填充材料；天然水分比例低于12%的土料開掘時通過加水方式達到最佳含水率后方可用于工程；對于天然水分比例高于18.5%的土料開掘后經晾曬降低最佳含水率范圍后才可以用于工程。

(2)立面混合采掘

為了保證土料合理利用、無浪費現象及實現摻配比例，首先借助推土機將無用層剝離，有用層采用里面混合采掘，并按照摻和比攪勻后可運送到施工現場。

(3)試驗及施工控制

施工前進行碾壓試驗主要獲取碾壓施工相關參數，降低施工成本，提升碾壓效果。選擇1號土料場中1區(qū)混合土料，設定300mm、350mm、400mm 3種厚度的碾壓試驗，每種厚度的碾壓試驗均含有12組樣。結果表明，干密度、壓縮量與碾壓系數成正相關，當鋪土為300mm時，干密度最高。當碾壓次數達到8時，各指標趨于穩(wěn)定。綜合考慮各因素，確定心墻防滲土料每層鋪料為300mm，25t振動碾碾壓8次。碾壓后經檢測，獲得如下指標：壓實度均超過97.5%，最佳含水比例為12.5%～13.8%，干密度1.875～1.915g/cm3，滲透系數為2.55×10-7cm/s，與相關規(guī)范中標準值相比均達標。

心墻填筑施工應注意如下3個方面：混合土料裝卸后需要檢測其混合是否均勻，保證滲透系數一致；把控鋪土層厚度，文章標定300mm為上界，保證壓實度；在心墻層與層之間結合時，應保證面層壓實含水比例與內部一致，可采取刨松面層灑水的方式。

(4)監(jiān)管控制

因各施工環(huán)節(jié)均影響著大壩防滲土料的質量，需要對各個施工環(huán)節(jié)實施監(jiān)管，尤其是土料采掘、混合料攪拌、大壩心墻填筑等關鍵工序，堅決避免不達標防滲土料上壩填筑。

(5)質量實時監(jiān)測

質檢是大壩防滲心墻施工質量控制的最后一環(huán)，定期定時對填筑碾壓施工質量進行檢測。對獲取的工程樣本測定其干密度、水分占比、滲透系數、壓實度等，各項指標均達標后才能進行下一道施工工序或者下一層心墻填筑工作。

4 結論

通過設計摻配試驗及碾壓試驗和分析試驗數據，總結得出3個結論：①表層土料摻配15%與30%的全強風化砂巖、泥巖，黏粒所占比例與塑性指數兩者有所提升。在外摻百分比例為30%時，滲透系數僅是5.3×10-7cm/s，表明其外摻比例仍有提升的空間。②心墻防滲土料鋪筑時每層鋪料為300mm，25t振動碾碾壓8次。③混合料在采掘及填筑施工中必須嚴格控制質量，結合實際工程采取相應措施，各個環(huán)節(jié)質量監(jiān)測及監(jiān)管工作落實到位。

該水利工程2014年4月竣工，施工成本比預算節(jié)約300萬元。2014年6月投入使用后的監(jiān)測數據表明大壩心墻滲漏情況符合國家相關規(guī)定要求，水庫運營良好。

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