高土石壩心墻礫石土料摻配施工技術

趙生財

(中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州)

概況

兩河口水電站擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，最大壩高295 m，壩頂寬度16 m, 上游壩坡坡比1:2.0，下游壩坡坡比1:1.9,大壩壩體共分為防滲體、反濾層、過渡層和壩殼四大區。大壩心墻礫石土設計填筑量440 萬m3，圍堰礫石土料0.5 萬m3。礫石土料分別由上游亞中料場、蘋果園料場、瓜里料場、普巴絨料場及下游西地料場供應，礫石土料除極少部分直接開采上壩外，其他土料全部按要求比例摻礫后上壩。礫石土料按6:4 摻配料、7:3 摻配，摻配后的礫石土顆粒級配應符合下列規定：

（1） 填筑土料最大粒徑不大于150 mm。

（2） 粒徑大于5 mm 的顆粒含量不超過50%，不低于30%。

（3） 小于0.075 mm 的顆粒含量應不小于15%；小于0.005 mm 的顆粒含量應大于8%。

1 總體摻配規劃

將加工合格的礫石和土料按照質量比互層鋪料，采用正鏟“平鋪立采”的工藝摻配。鋪料過程中采用定制標桿、手持GPS、測量網格等多種方法進行層厚控制。分別將土料或礫石放在頂層的方式來應對雨季降雨和冬季低溫。通過鋪料厚度、摻配遍數相關試驗，確定后續鋪料厚度及摻配遍數的工藝參數；根據實際試驗工況的數據統計，進行鋪料厚度波動范圍的統計分析，為后續的質量控制提供了判斷依據。

2 主要施工程序及工藝方法

2.1 場地規劃布置

礫石土料摻拌場布置在一道班摻和場，場地高程為2 883 m，平臺按1%自然放坡排水，備料前用級配良好的礫石料對基礎面進行鋪填20 cm 整平并用26 t平碾碾壓12 遍，碾壓完成后測量人員對場地高程進行測量作為基礎面測量資料。

在摻拌場四周開挖斷面尺寸為0.6 m×0.4 m×0.4 m(頂寬×底寬×高）的排水溝進行場地積水排水。在摻和場外設置質量控制室，由質量管理、實驗人員全過程進行質量控制。

2.2 礫石料、土料分層鋪筑

（1） 鋪料厚度計算

根據料源（土料、礫石料）檢測情況將土料與礫石料按照質量比為6:4 摻配后P5 含量平均為41.13%，粉粒含量平均為45.60%，滿足礫石土料填筑技術要求P5 含量為30%～50%及粉粒含量大于15%的要求。

為精確控制摻配質量，對礫石料、土料進行了顆粒級配、含水率及干密度檢測，通過檢測成果得出土料摻配質量。根據礫石料、土料料源檢測情況理論計算摻配后礫石土料顆粒級配情況見表1 及圖1[1]。

摻配采用固定礫石料鋪料厚度，土料鋪料厚度根據礫石料、土料質量比為4:6 進行計算求得。摻配過程中礫石料、土料鋪筑完后干密度分別為ρ礫、ρ土。鋪料厚度計算公式如下：

式中：H礫為摻配料礫石料鋪料厚度；

H土為摻配料土料鋪料厚度，按照上述公式進行計算；

ρ礫為摻配料礫石料干密度加權平均值；

ρ土為摻配料土料干密度加權平均值。

本次試驗為固定礫石料鋪料厚度0.5 m，具體計算見表2。

表2 土料鋪料厚度計算

當礫石料鋪料厚度為50.0 cm 時，根據試驗已取得的土料的平均干密度計算求得土料鋪料厚度為83.0 cm。當數據穩定質量可控時，土料、礫石料厚度固定有利于施工管理。摻配過程中根據分層土石檢測數據評價土石指標穩定性，當指標有波動超過允許范圍時，仍需要調整土料厚度。

（2） 摻配料高度確定

根據計算確定的礫石料、土料鋪料厚度，結合正鏟的最優作業高度，摻配料互層鋪筑按6 層進行，土料、礫石料各3 層，備料高度為(0.5+0.83)*3=3.99 m。

（3） 摻配料分層鋪筑

摻配的礫石料、土料采用20 t 自卸車分別從礫石料加工系統、土料場運輸至摻拌場。摻配料鋪筑采用先粗、后細的原則進行，即先進行礫石料鋪筑、后進行土料鋪筑。礫石料鋪筑采用進占法進行，土料填筑采用后退法進行（避免高含水土料出現陷車、土料過壓結團后不宜摻勻）。摻配料用SD-320 推土機平倉。由于鋪料料堆較高，運輸設備及平料設備作業難度大，現場分層鋪筑過程中同步進行機械便道的鋪筑，機械便道鋪筑料與摻配用料一致。鋪筑過程中坡比按1:1.3 進行控制（分層向內側收坡），局部位置采用設備進行配合收坡[2]。

摻配后的礫石土料主要呈土料包裹礫石料，為提高礫石土料摻配質量，礫石料裝車運輸前（分層鋪筑前）需對礫石料進行表面補水濕潤。礫石料補水可選擇在成品料堆或儲備場進行。礫石料表面濕潤情況根據土料含水率進行確定。

（4） 含水調整

含水調整根據土料料源檢測結果結合大壩填筑指標要求確定，考慮施工損失，調水量范圍按照摻和后礫石土料最優含水率Wop-2.0%≤W≤Wop+3.5%進行。

一般情況下若含水率高于施工含水率，需要在料場進行翻曬合格后再開采，翻曬時采用推土機薄層翻曬，2～4 h 檢測含水率，達到要求后推運至積料堆備料。當低于1%以內時通過礫石飽和補水；當低于2%～5%可在鋪土后加水；當低于5%以上需要在料場加水合格后再開采，需要在現場加水時，要根據現場條件試驗后制定專項方案。加水處理后土料需要悶水5-7天再進行摻配。

（5） 厚度控制

摻配料鋪筑過程中測量人員先采用5.0 m×5.0 m的方格網進行鋪料厚度控制，并出具測量成果。為確保摻配的準確性，摻合料鋪筑過程中結合鋪料面積、鋪料厚度、車數及方量進行總量控制，采用人工拉鋼卷尺、用定制標桿配合拉線、手持GPS 等多種方式結合進行現場厚度控制。鋪料完成后，測量按照2.0 m×2.0 m 方格網結合數字化監測進行厚度控制，厚度如大于±10%需處理，合格后方可鋪填下一層，以確保摻合料質量。

（6） 成品料堆保護

摻配料鋪筑完成后，為確保摻和料因降雨使合格料含水增大或晴天暴曬使其含水蒸發，堆存料斜坡面采用反鏟夯實，頂部表面采用平碾壓光（根據經驗采用覆蓋保護時效果不理想）雨后及時進行檢查，如有積水及時排除。

2.3 礫石土料摻配

摻配料堆鋪料完成后，采用日立870H-3 正鏟挖掘機進行立采摻配，反鏟作為特殊情況下的補強設備，如作為輔助設備對結團土進行拍散等。摻配方式根據現場場地大小選擇原地或倒運摻配的方式進行。正鏟挖掘機從料堆底面展開工作線，自下而上挖料，每次挖料要切透所有鋪料層，將料舉高后開斗自然拋落，同一斗料拋落1 次即摻配1 遍[3]。正鏟立采摻配示意見圖2。

圖2 正鏟立采摻配示意

通過現場摻配情況，分別對1、2、3、4 遍摻配后的礫石土料進行了取樣檢測，確定不同摻配遍數情況下礫石土料摻配的均勻性。通過現場摻配情況，可得出如下結論：

（1） 料源理論摻配、分層取樣理論摻配后顆粒級配曲線基本一致，說明開采、鋪料環節控制良好，摻配試驗具有代表性。

（2） 摻配遍數與土料的均勻性呈規律變化，摻配遍數越大、摻配料越均勻；摻配三、四遍較一、兩遍更接近理論摻配顆粒級配曲線，進一步說明摻配遍數與摻配后礫石土料均勻性的關系。摻配遍數為一、兩遍時，P5 含量不滿足設計要求，摻配三遍后各項指標均滿足設計要求。摻配三遍后各項指標波動范圍越小且與平均指標較為接近，摻配料越均勻。摻配三遍后P5 含量范圍為40.1%～46.8%，平均值為44.0%，粉粒含量范圍為32.8%～38.3%，平均值為35.1%。根據試驗確定摻配遍數按三遍進行，考慮后期裝車、上壩等環節，其均勻性將進一步提高。

（3） 料含水率較高、黏粒含量較高，土料鋪筑過程中經過鋪料設備及上部摻配料預壓后，部分土料有結團現象。摻配過程中對結團土料難以摻配均勻。摻配過程中需采用鏟斗將結團土料拍散，極大程度的降低了土料摻配效率。

3 摻配工藝波動性分析

3.1 影響摻礫土料質量的因素

根據類似工程摻配工藝情況分析可知，影響土料摻配質量的因素主要分為：料源、鋪料密度、鋪料厚度三大因素。

（1） 料源因素

由于礫石料（大于5 mm）均為人工骨料加工系統生產，其質量穩定。對此，土料與礫石料摻配過程中影響其摻配質量的為土料料源。

（2） 鋪料密度因素

“平鋪立采”摻配工藝過程中，摻配料互層鋪筑時運輸設備、平料設備在鋪筑料表面進行“碾壓”。由于現場“碾壓”的不一致，導致局部位置鋪料密度過高或偏低現場出現。對此，根據質量比及現場試驗確定的鋪料厚度進行現場鋪料時，極易出現摻配后土料P5含量偏高或偏低現象。

（3） 鋪料厚度因素

“平鋪立采”摻配工藝過程中，由于卸料、平料水平的差異，導致現在實際鋪料厚度與理論鋪料厚度有一定差異，致使摻配后土料質量有一定波動。

3.2 摻配工藝過程指標波動

“平鋪立采”摻配工藝波動性分析結合試驗所取得的相關試驗數據進行。

（1） 鋪料密度

現場摻配試驗過程中各取樣試坑密度統計，礫石料鋪料密度最大偏差3.72%，最小偏差7.98%。土料鋪料密度最大偏差10.65%，最小偏差11.24%。土料鋪料密度均大于礫石料鋪料密度，符合兩種土料的料物特性。

（2） 鋪料厚度

相關規范明確摻礫料的鋪料厚度誤差應控制在±10%。根據現場摻配試驗確定的不同摻礫料的鋪筑厚度與不同厚度誤差確定的土料與礫石料鋪筑厚度分析，影響摻配質量的主要因素為鋪料密度及鋪料厚度。然而鋪料密度與運輸設備、平料設備的“碾壓”遍數密切相關，現場鋪筑施工過程中不可控。則現場實際可控的影響因素僅為現場鋪筑厚度。

（3） 不同影響因素組合下的波動分析

針對土料、礫石料的鋪料厚度、密度偏差，進行了不同影響因素組合下的波動分析，當礫石料、土料鋪料厚度控制在±10%以內時，鋪料密度變化，其摻配后P5 含量均滿足設計30%～50%要求。

3.3 波動分析結論

通過針對“平鋪立采”摻拌工藝波動性分析，得出如下結論：

料源：礫石料為摻礫料系統生產，礫石土料摻配生產過程中應加強料源控制。土料為料場開挖獲取，由于其地質成因不同，其土料質量有一定波動。礫石土料摻配生產過程中應加強料源檢測，為施工生產提供依據。

鋪料厚度：礫石料、土料鋪料過程中其鋪料厚度誤差應控制在±10%以內，摻配生產過程中應對鋪料厚度進行動態精確控制。

鋪料密度：鋪料密度與運輸設備、平料設備的“碾壓”遍數密切相關，現場鋪筑施工過程中不可控。摻配生產過程中，各生產場次應盡量選擇同一種上料、平料設備進行，以減小鋪料密度誤差。

結束語

礫石土摻配技術有效避免常規施工方法所導致礫石土料摻配后質量波動大的現象，保證了工程的施工質量，避免了填筑料不合格所增加返工處理工序及費用。解決了常規施工手段存在的返工處理、施工成本增加、施工設備增加、施工時間延長等諸多問題，提高了高土石壩礫石土料填筑施工質量，節約了工程施工成本，確保了壩體結構穩定和運行安全，為工程建設的有序推進及完建創造了良好的條件，同時，可為類似工程提供借鑒依據。