苗尾水電站心墻礫質(zhì)土料開采補水技術

(中國人民武裝警察部隊 水電第一支隊， 河北 唐山 063000 )

1 工程概況

苗尾水電站為心墻堆石壩工程，為中央直立礫質(zhì)土心墻，設計壩高131.8 m，壩頂軸線576 m,壩頂寬12 m，壩體總填筑方量1 027.6萬m3，其中心墻礫質(zhì)土填筑量118.8萬m3。壩體填筑礫質(zhì)土料場位于壩址左壩頭，分為A、B兩區(qū)。A區(qū)為斜坡地形，地面高程1 405～1 600 m，面積 0.12 km2，料場為林地。B區(qū)地面高程1 365～1 570 m,面積 0.07 km2，料場為林地及旱地。根據(jù)地勘報告顯示，黏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%。其主采區(qū)總的剝離量約 3.803萬m3，有用料儲量約為 31.62萬m3。

根據(jù)苗尾水電站《大壩心墻防滲土料碾壓試驗報告》及《土料場開始施工技術要求》[1]，壩址左岸礫質(zhì)土料最優(yōu)含水率為14.0%，現(xiàn)場天然含水率為10.1%，天然含水率偏干3.9%。在心墻填筑施工過程中，為了保證礫質(zhì)土料經(jīng)碾壓以后達到全料95%以上的壓實度，需對礫質(zhì)土料在上壩之前在土料場進行補水。

2 土料場補水技術

2.1 補水量

根據(jù)《土料場開始施工技術要求》，壩址左岸土料場礫質(zhì)土料開采深度1～10 m，開采方量31.62萬m3(密度1.63 g/cm3)，天然含水率偏干3.9%。按照設計要求，土料在偏濕1%～3%的情況下，壓實度都能達到設計要求。因此，補水率在考慮偏干3.9%的情況下，另需考慮偏濕1%～3%。依此進行補水工程量計算，共計需補水約25 254～35 563 t，即水量約25 254～35 563 m3。

2.2 土料場補水方法

根據(jù)其他水電站工程施工經(jīng)驗，在開采運輸過程中礫質(zhì)土料含水率基本沒有變化，在該工程施工過程中，考慮1%的損失。采取在土料開采之前一次補水到位的補水措施。在料場相應高程逐級按照高差7 m開挖如圖1所示水平水溝(水溝兩側(cè)坡比1∶0.75)，水溝內(nèi)存水，通過土體內(nèi)滲流進行土料補水。

圖1 補水方案水溝尺寸示意(單位:m)

2.3 土料場補水時機及參數(shù)設計

經(jīng)計算，1 m3土料在自然狀態(tài)下的補水量為79.9～112.5 kg。壩址左岸土料場土料在自然狀態(tài)下的平均滲透系數(shù)約為6×10-5cm/s，表層1 m3土料需要補水 3.7～5.2 h(其單位面積滲透系數(shù)為 21.6 kg/h)[2]。

垂直方向最大深度10 m，該位置1 m3礫質(zhì)土料補水需要196.8 d，考慮25%的滲流坡降，補水時間約為 245.9 d。按照大壩填筑施工轉(zhuǎn)序總體進度安排，時間上不允許10 m的補水深度。同時，根據(jù)《土料場開采施工技術要求》[1]，壩址左岸土料場礫質(zhì)土料深度為5 m以下，礫質(zhì)土料天然含水率高于最優(yōu)含水率約2%，故5 m以下不考慮補水。在后期開采過程中，上下層混采摻拌，局部調(diào)節(jié)含水率。

垂直方向最大深度5 m，該位置1 m3土料補水完成需要37.85 d，考慮11%的滲流坡降，補水時間約為 41.64 d。

根據(jù)前期勘察資料可知，壩址左岸土料場土料在垂直方向其密實度按照約 6.7%遞增，其滲透系數(shù)相應減低。順坡方向表層土密實度相對較低，滲透系數(shù)相對較高，根據(jù)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(jù)以上計算，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，則其補水范圍如圖2所示。

圖2 補水范圍示意(單位:m)

根據(jù)補水方案，水溝單位長度儲水量為 2.28 m3，即2.28 t，單位下滲面積為 4.52 m2。礫質(zhì)土料滲透系數(shù)為6×10-5cm/s[2]，在水溝隨時保證2/5儲水量的情況下，能夠滿足140.3 h的下滲量要求，即 5.6 d。考慮蒸發(fā)損失3%，能夠滿足約5 d的下滲量要求。因此在補水過程中，要求水溝兩次加水時間不得超過5 d。

2.4 深度大于5 m土料場補水技術

根據(jù)《土料場開采施工技術要求》，埋深大于5 m的土料，礫質(zhì)土料天然含水率高于最優(yōu)含水率約2%[3]，故5 m以下不考慮補水。在后期開采過程中，采取以下兩種措施進行補水調(diào)節(jié)。

(1)采取混采摻拌的措施，即深度5 m范圍之內(nèi)的土料與5 m范圍之外的土料同時進行開采，不分層，利用上層土料的自落實現(xiàn)與下層土料的混合，裝車之前進行摻拌，混合裝車。在其他水電站工程施工過程中，已成功應用以上措施。

(2)在開采之前，表土剝離完成以后，進行含水率檢測，根據(jù)含水率檢測結(jié)果確定是否補水，以及補水百分比。對于要補水的部位，提前5 d采用灑水車送水，沿著已剝離的范圍進行人工補水。

在后期開采過程中，依據(jù)含水率檢測情況綜合使用以上兩種措施。

3 土料場補水施工及檢測

3.1 滲溝開挖

滲溝開挖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。采用 2.5 m3挖掘機沿著放線方向一側(cè)進行儲水水溝開挖，開挖料甩至水溝低高程方向，挖機斗子進行局部水溝邊墻夯實，不得夯實水溝底部，保證水溝底部礫質(zhì)土處于松散狀態(tài)。在儲水水溝兩端，采用水溝開挖料進行堆填夯實，防止儲水通過水溝兩端溢流，避免造成浪費。

水溝修建過程中，難免與場內(nèi)施工道路形成交叉，在交叉位置斷開排水溝，在斷開段位置的低高程或高程處適當位置，在保證高差7 m、儲水水溝兩端分別超出斷開段長度各2 m的情況下，開挖補水水溝。

3.2 加水下滲

水溝開挖完成以后，采用20 t加水車在上游圍堰左堰肩加水，沿著左岸中線公路、左岸高線公路及壩址左岸土料場場內(nèi)臨時施工道路運輸至加水水溝一側(cè)(運距約3.5 km)，從高到低向水溝加水，要求每個水溝必須按所需補水量將水加至相應的儲水深度。

儲水初期，安排專人巡視水溝周邊，對于溢流的部位及時采用鐵鍬挖土補填，以防溢流。同時，補水過程中，不定期安排專人巡視水溝內(nèi)儲水情況，根據(jù)水溝內(nèi)儲水深度及時加水。

3.3 含水率檢測

在水溝儲水初期，根據(jù)礫質(zhì)土料含水率檢測相關規(guī)范，在壩址左岸土料場場內(nèi)適當位置，取料進行含水率檢測，確定補水之前的含水率[4]。水溝儲水開始下滲后，再在上次取樣相應位置取樣，測定其含水率。通過比較含水率的變化，檢驗補水效果，校核補水時間。

4 結(jié) 語

在研究壩體填筑礫質(zhì)土料特性及天然含水率的基礎上，結(jié)合工程建設實際和經(jīng)驗，通過計算補水量，根據(jù)土料自然狀態(tài)下的平均滲透系數(shù)，開挖滲水方溝，加水自然滲透，土料裝車之前進行混合摻拌裝車。合理的壩體填筑礫質(zhì)土料補水，較好地解決了天然土料含水率不穩(wěn)定的問題，并及時進行含水率檢測評估，確保了礫質(zhì)土料上壩填筑質(zhì)量要求，為今后類似心墻堆石壩礫質(zhì)土料防滲體填筑施工積累了經(jīng)驗。