水利工程土壩土料制備工藝及措施

趙杰

（寧夏六盤山水務有限公司，寧夏 固原 756000）

1 引言

土壩作為一種擋水建筑物，可以適應眾多氣候條件和地質條件，在水利工程中得到了廣泛的應用。水利工程土壩在建設中可以就地取材，土料、石料、砂礫等均可用于施工，因此，為保證水利工程大壩建設質量，對水利工程土壩土料制備工藝以及質量控制措施進行研究，有著非常重要的指導意義。

2 水利工程土壩土料的特點

1）就地取材。水利工程土壩土料可以就地獲取原料，減少工地外線運輸量以及水泥、鋼材、木材損耗量。特別是在土壩設計與施工技術發展進程中，對筑壩材料的要求進一步放寬，幾乎任何當地土料均可筑壩[1]。

2）適應性強。水利工程土壩土料可以適應多種差異化地質、地形、氣候條件，并可適應高烈度地震區、氣候惡劣區、工程地質條件復雜區。

3）類型多樣。水利工程土壩土料類型多樣，包括土質土、巖石兩大類別，僅土質土就包括砂土、種植土、輕亞黏土、含根種植土、淤泥土、黏土、干淤泥、干燥黃土、堅硬黏土、含卵石黏土、礫質黏土等。

4）造價低。水利工程土壩土料可以利用大功率、高效率、多功能施工機械一次性取料制備，作業效率較高，建造價格較低。而結合試驗手段、巖土力學理論、計算技術的發展，可以在保證大壩土料安全可靠性的同時，進一步降低大壩土料建造價格[2]。

3 水利工程土壩土料制備工藝

3.1 注水

在水利工程土壩土料含鹽量滿足施工要求但含水量低于土壩要求3%以內，且上部2.5 m 范圍內土料天然含水量偏差較大時，需要借助溝槽注水手段進行土料天然含水量調整，直到水分在土料內基本浸潤均勻，方可經反鏟立式開采結合翻倒混合手段進行運輸挖裝。同時對含水量進行檢測，若含水量仍然低于土壩施工要求，則開展一次霧噴補充水分[3]。

根據水利工程土壩施工季節的變化，所需土料含水量也有一些差別。在溫度較高的夏季，可以選擇稍高于或接近最優含水量的土料，并在土壩面層結合面補充水分，減少土料挖裝拉運期間的含水量損失；而在溫度較低的冬季，則需要選擇稍低于最優含水量的土料。一般水利工程土壩體填筑土料壓實度要求達到0.98 及以上，對應的土料最優含水率達到17%及以上，在土料天然含水率無法達到規范要求的情況下，需要人工注水。在人工注水前，根據天然含水率，結合土料堆場儲量，進行注水量的推算，邊開挖邊注水制備土料，并隨時開展土料含水率（上層、下層接合面含水率）試驗，為土料含水率控制提供依據。若含水率低于規范值，則繼續注水；若含水率達到規范值，則停止注水；若含水率超過規范值，則翻開晾曬，避免過多水沿夾層滲漏造成的安全事故。

3.2 摻配

摻配是一種適用于高含水量土料制備的工藝，要求將高位區域低含水量土料與土壩局部基礎開挖的高含水量土料均勻摻和，減少棄土與土料處理費用。在摻配過程中，需要隨時測定現場土料含水率，確定恰當的比例，采用挖掘機現場翻倒高含水量與低含水量土料，滿足大面積、近距離流水作業要求。摻配工藝的應用可以保證摻和后土料含水率相對均勻，提高開挖廢棄土料利用率，充分實現就地取材，但是對高含水率土料與低含水率土料的摻和比例要求較為嚴格，整體施工效率不高，時間空間有限，且不適用于土質差別較大的土料，也不利于土壩主體填筑質量管控。

一般摻配工藝適用于土壩土料開采深度內平均含水量、土料最優含水率偏差大于3%且土料性質分層分布較為均勻的情況。具體摻配操作時，技術人員應先進入料場開挖區域，然后，朝著同一個方向反鏟約4.5 m，反鏟期間人工不間斷松土，使土料散開。在松土及土料散開的過程中，含水率損失約為16%±1%。然后采用挖掘機斗，輪換從高處甩出干濕度明顯不同的土料，促使甩運土料相對均勻。在甩運的基礎上，堆積成“土?！?，確保土料相對均勻?！巴僚！敝苽渲饕沁x擇距離填筑土壩地段較近且整體與用地規劃相符合的場地，先行剝除料場堆土底部覆蓋層，再在可開采深度內，經推土機進行進占法卸除土料，土料卸除期間根據含水量檢測結果，進行“土?！逼旅骒F狀噴水，或者經洛陽鏟鉆孔注水，確保最終土料含水量與規范要求相符。

3.3 翻曬

在土料含水率超出土壩土料最優含水率6%且施工區域晴天多、氣溫高時，可以利用翻曬法處理，簡單高效，滿足流水作業要求。常用的方法為壩面鏵犁翻曬法。應用壩面鏵犁翻曬法時，技術人員可以根據土壩施工內容，人工劃分進占填筑區、翻曬區、碾壓區、檢測區，結合氣候特征，先在進占填筑區利用20 t 振動碾碾壓高含水率鋪料，促使土料固結，再在溫度高于20 ℃時堆放到相對平坦開闊區域鏵犁翻曬，根據土料固結情況，調整翻曬遍數，確保土料含水率達到土壩施工規范要求。

3.4 堆存

堆存是水利工程土壩土料的主要制備措施，土料處理人員應落實先堆料先用、后堆料后用的原則，由土料制備場外側出發向內側推進，借助20 t 自卸汽車，從高8 m 及以上位置卸除土料，卸料平臺為長方形，與土料制備區域長邊成90°。根據土料取土位置差異、含水率差異，在土料制備區域穿插卸除土料，利用土料下卸過程中的高度差，促使土料含水率趨于相對均勻，滿足上部土壩土料設計要求。在卸料堆存期間，應注意控制機械操作速度，限定下坡時車輛速度小于20 km/h，平路行駛時車輛速度不超過30 km/h，確保堆存過程安全進行。

4 水利工程土壩土料處理措施

以寧夏固原何家溝水庫大壩工程為例。

4.1 土料勘察

土料勘察是水利工程土壩土料處理的前提。在均質碾壓式土壩土料由傳統細粒土擴大到類黃土、黃土、風化殘積土、沙壤土的背景下，土料處理人員應根據SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》的要求進行土料勘察。在勘察期間，土料處理人員應以保證土壩施工現場環境為前提，盡可能縮減耕地、林地占用面積以及對既有建筑的影響，由近處向遠處推進，逐步明確料場土層結構、空間分布、無用層厚度、夾層性質、剝離層厚度、無用層方量、運輸條件、有用層儲量、開采條件、有用層質量等。一般根據實際地形地貌特征，可以沿著土料性質變化較為突出的方向，遵循先疏松后緊密的原則進行勘察線布設，每條勘察線上涵蓋2 個及以上鉆孔。對于面積大、有用層厚、地形平緩、有用層儲量變化較小且土層結構簡單的I 類料場，相鄰勘察點之間的距離在100～200 m；對于面積較小、有用層厚度變化突出且地形高低起伏明顯、土層結構復雜的Ⅱ類料場，相鄰勘察點之間的距離應在50～100 m。

根據勘察線，土料處理人員可以利用洛陽鏟（或手搖鉆、坑槽鏟）挖設探坑或探槽，配合少量鉆孔，分層取樣，相鄰樣之間垂直高度在1～3 m，清晰描述每一個勘察點土樣的顏色、名稱、結構、厚度、成分、塑性狀態、潮濕狀態、含砂礫情況、腐殖質成分以及對應的高程、取樣位置、編號。根據勘察結果，進行1∶1 000 料場分布圖的編制，確定勘察儲量大于或等于設計量的2 倍，且勘察儲量與實際量誤差小于或等于15%。

4.2 劃分區域

在區域劃分前，清除土壩土料周邊全部樹根、樹木、雜草、廢渣、卵石、垃圾等。根據水利工程土壩施工規范關于壩體填筑料含有的有機腐蝕物小于5%的目標，清除料場多余有機雜物，避免有機雜物堆疊導致土壩不均勻沉降等失穩問題。

在確定料場無影響土壩穩定性的雜質后，利用推土機初步推平土壩土料制備區域?，F場推平后，結合場地情況劃分若干方形區域，區域邊長為20 m，區域與區域之間預先留設施工便道，便道寬度為4 m，對每一個小區域進行編號，為后期注水操作中人員走動、機械流動提供依據。

土料制備區原為料場斜坡位置，需分級修建為環形狀，第一個土料制備小區頂部寬度超過15 m，相互毗鄰的兩個土料制備區之間的階梯高度差為4 m。在土料制備區周邊，借助反鏟挖掘機，進行注水溝挖設，注水溝尺寸為長1.4 m×寬1.2 m，周邊封閉，封閉帶寬度為3 m。開挖到坡地高程后，為每一級平臺內側設置馬道，馬道寬度大于或等于4 m。需要注意的是，馬道應避開平臺外側，且水溝縱坡度小于或等于1%，這主要是由于飽和后土料易在大坡度下快速流動進而跑水形成底部孔洞，導致機械行走期間塌陷事故。

4.3 場地硬化

借助推土機將土料制備小區處理為里側高、外部低的形式，坡度在2%左右。處理排水斜坡后，借助22 t 振動碾進行區域路面密實碾壓。碾壓后，鋪設石渣硬化，鋪設石渣厚度在40 cm 左右。鋪設石渣硬化后，借助推土機再次整平路面，并借助22 t 振動碾反復碾壓密實，避免雨后泥濘路面影響運土機械設備通行。

4.4 注水處理

土料制備區周邊水溝挖設后，利用2 根軟管接到頂部、斜坡溝槽，軟管直徑是DN80，材質為聚丙乙烯塑料。斜坡溝槽尺寸為10 m×10 m×2.5 m，溝槽壁結構為混凝土，采用埋管布置，另外配置2 臺30 m 揚程潛水泵。根據前期計算的土壩土料量以及天然含水率，確定土壩土料總補水量以及對應的注水管徑流量（單位時間內注入水方量）、注水時間。同時，由專門人員觀察水槽，及時發現潰水問題及時進行注水渠道加固。

頂部或斜坡溝槽注入的水源為河水，先經圍堰上游河道高壓泵抽水到頂部，再采用二級接力手段，在頂部設置2 臺100DL70-20 m×6 m 立式多級泵，經高壓泵抽水配合水管輸水到斜坡溝槽，并利用潛水泵將溝槽內水引入各個土料處理區域，連接各個區域的支管管道均接入水表，為注水量控制提供依據。

4.5 堆存處理

完成注水且水滲入土料后，借助推土機配合挖掘機均勻攪拌土料，再次檢測確定土料達到最優含水率指標。確認無誤后，堆成土堆發酵15～45 d，借助水的毛細現象（毛細管插入水內，管內液面上升且高于管外）使水分在土料中分散均勻，避免發酵時間過短造成含水率不均導致翻漿，或者發酵時間過長造成水分流失導致返工。同時上部覆蓋雙面塑料帆布與竹膠板，減少水分損失。

發酵結束后，由專門人員對土料含水率進行測試，確認無誤后，對每一個土料制備區域進行編號，有序拉運制備土料。土料拉運期間，落實高土高運、低土低運的方針，拉完上一個區域的土料后，準備進行下一個編號區域的土料拉運，依次循環，最終將全部制備土料拉運到現場。

4.6 試驗檢測

在水利工程中，試驗檢測是加強對土壩土料應用全過程質量控制的手段。通過試驗檢測，復核勘察土壩物理力學參數是否達到設計要求。在試驗檢測中，根據土壩土料大小顆粒差異以及顆粒間黏結力懸殊特點，利用全槽法（或全孔法、全坑法），從槽壁自上而下均勻深度中剝出土粒，選取代表性試樣。根據試驗檢測要求，將試樣最大粒徑控制在約60 mm。進而對試樣的物理力學參數進行檢測，確定土壩（均質壩）土料黏粒含量在10%～30%，塑性指數在7～17，碾壓后滲透系數小于1×10-4cm/s，有機質含量（按質量計算）小于5%，水溶鹽含量小于3%，pH 大于7，SiO2與R2O3的質量比大于2。在這個基礎上，進行土壩土料擊實試驗，選擇2.5 kg 擊錘，擊錘底部直徑為5.0cm，下落高度為30 cm，擊實筒直徑為10 cm，高度為12.7 cm，體積為1 000 cm3，裝入3 層土料，每層擊打27 擊，單位體積功能為607 kJ/m3，單位面積沖量為3 kPa，以干密度為縱坐標，以含水率為橫坐標，確定最大干密度與最佳含水率，得出天然含水率與最優含水率接近（-2%～+3%），密度大于天然密度，滿足設計要求。

5 結語

綜上所述，土壩是以當地土料為原料，經過注水、碾壓等手段堆筑而成的擋水壩，具有可就地取材、適應性強的特點。常用的水利工程土壩土料制備工藝為注水、翻曬、摻配、堆存等。技術人員可以根據現場土料含水率檢測結果以及土料土層分布均勻度，選擇適宜的處理手段，并全程檢測含水率，科學控制土料質量，為土壩施工效果提供保障。