修畦子泡土工艺在均质土坝填筑的试验研究与应用

GXF360 2017-11-11

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修畦子泡土工艺在均质土坝填筑的试验研究与应用

姚凯1，张涛2

（1.陕西省铜川市水务局，陕西铜川 727000；2.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西咸阳 712000）

［摘要］ 铜川市龙潭水库枢纽工程为碾压均质土坝，由于天然土料含水偏低，需做泡土配水处理。结合场地和料场地形，采用“修畦子”的方法泡土改善土料含水率。配水前，需对土料的待渗期、开采期、渗透深度和开采方式进行确定。通过区域性泡土工艺试验研究，确定配水参数。在该工程实际应用后，施工检测结果表明，该施工工艺所掺配土料质量合格，满足施工质量要求。

［关键词］ 修畦子配水；试验研究；施工应用

1 概况

铜川市龙潭水库枢纽工程位于铜川市耀州区境内的赵氏河上游，拦河坝为碾压均质土坝，土料填筑量约为74.3万m3。施工前期依据SL251-2015《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》[1]对左、右岸土料场复查检测土料天然含水率，查明土料分布情况，左岸土料天然含水在6.8%～16.6%之间，平均含水在10.2%，右岸土料天然含水在6.4%～14.6%之间，平均含水在10.6%。通过室内击实和碾压试验确定，左、右岸土料场土料最大干密度1.71 g/cm3，最优含水率分别为17.0%和17.2%，适宜坝体填筑的土料含水率控制范围15%～19%[2]。但天然土料整体偏干，不可直接使用，需要做泡土处理。甲方提供筑坝土料土料场分别位于大坝左、右岸坝顶723 m高程以上上游斜坡面上，料场场地狭窄、高差大，土料场整体地形不完整、起伏大。大坝坝基位于狭窄深河沟，场地狭小。用“堆土牛”方法进行掺配调整土料含水率，因场地限制，无法实行。遂采用“修畦子”泡土的方式来解决填筑土料含水率偏低现象，达到土料快速补水的目的。

2 工艺流程

泡土前，在料场选代表性区域做泡土工艺试验，得出水分在天然土料场的下渗速度和时间关系，确定待渗期和渗透深度，为施工提供依据，指导施工。工艺试验后修“畦子”，检测土料天然含水后，确定开采深度，加水配水，待渗期后检测土料含水，合格后开采使用。如图1所示。

3 配水试验

图1 工艺流程图

目前工程常用的泡土方法有“沟灌法”和“畦（坑）灌法”，根据本工程实际场地选用“梯田式修畦子”方式泡土更适宜本工程。此种方法在工程实际应用时是按地形将土料场分成若干大小不一的区块进行整平筑畦，然后灌水，在水分下渗、蒸发达到要求时开挖上坝。而试验中为了方便、准确的计算用水量及下渗深度等，实际是开挖成面积大、深度小的试验坑进行试验。通过不同的用水量和不间断的取样测试工作，找出土料适宜的灌水量和待渗、开挖时段。

3.1 试坑位置、面积的选择及天然含水分析

“畦（坑）灌法”试验用水量大，考虑到试验用水的拉运方便，保证试验的代表性和准确性，试验位置选择在左岸土料场高程768平台进行，试验坑坑口为3 m×3 m深1 m。在开挖的S1试坑内共取样10组进行了土层天然含水率测定，试坑S1取样深度为5.0 m。天然含水率随深度变化过程如图1所示。

图1 S1试抗天然含水率曲线

对试坑内土料取样发现，在距离表面2.8～3.8 m位置有颜色略微发红的红粘土，其余为黄土。对两种土料依据规范SL237-1999《土工试验规程》③进行颗粒分析，结果见表 1。

表1 土的颗粒分析汇总表

砾粒砂粒粉粒粘粒＞2 2～0.075 0.075～0.005 ＜0.005纯红土 0 1.03 64.46 34.51 11.3 1.1 2.72 粉质粘土纯黄土 0 6.33 68.77 24.90 30.0 1.0 2.71 重粉质粘土部位土的粒径（mm）不均匀系数Cu曲率系数Cc比重Gs按颗粒分析命名

由表1检测结果可以看出，试坑部位土料以粉粒（0.075～0.005 mm）为主，均属于粉质粘土。但从土料天然含水曲线图1可以看出，测试深度内的天然含水率3.0～3.5 m位置相差较大，分析认为这主要与该土层红土粘粒含量及试验坑所处的位置有关。

3.2 加水量及注水后试验

3.2.1 加水量

参照类似工程配水经验，加水量设计是以饱和含水率减去天然含水率乘以80%计算，因填筑开采季节不同造成土料含水风干损失不同，饱和含水率计算有差异。夏季按照（饱和含水率-天然含水率）×100%计算，确保填筑土料含水率在最优含水率上线（17%～19%）；冬季土料配水灌水量设计按照（饱和含水率-天然含水率）×60%计算，确保填筑土料含水率在最优含水率下线（15%～17%）；春秋两季土料配水灌水量设计按照（饱和含水率-天然含水率）×80%计算，确保填筑土料含水率在最优含水率16%～18%之间较为适宜。土料开采中大型机械一次开挖深度约为4 m，所以计算深度按4 m计算。

3.2.2 注水后试验

试坑注水模拟现场土料场配水时的加水方式进行注水，将计算好的水量一次注入试坑。注水后第4天开始造孔取样，“梅花形”布孔进行含水率测试。取样间隔距离为0.5 m一组，至水分下渗的干湿分界以下1 m（渗界以下保证2组土样）。每次取样结束用孔内取上的土进行原土封孔，以保证水份不会从孔内损失。持续30天间隔取样，S1试验坑含水率随时间、深度变化统计见表2、图2。

表2 S1试坑含水率变化统计表

深度范围（m）间隔天数（天）4 9 18 24 30 3.5 22.9 21.5 21.8 21.1 20.5 4.0 21.8 20.2 20.0 19.8 19.6 4.5 20.9 19.8 19.5 19.0 18.3

图2 S1试坑含水率随时间变化曲线

（1）根据试验资料分析，试验区土料的最优含水率wop=17.0%。施工时开采运输过程中水分的损失在2%～3%，因此本次试验设计按开挖深度内（4 m）平均含水率降至20.0%时，即认为待渗期结束，进入土料可开采期。

（2）从表2、图2可以看出，在注水后第24天时，4m内土料含水率平均值已降至20%，进入可开采期。目前仅检测到第30天时含水率为19.6%，没有到设计开采含水率下限，根据两个时段计算可开采期大于6天。

（3）土料在注水第9天时至第24天，平均含水相差不大。因为该阶段水分在2.8～3.8 m下渗时，遇到黏粒含量偏大的红粘土，渗透系数小，阻挡了土料下渗速度，延长了待渗期。

3.3 水分下渗、侧渗

根据含水率取样检测结果绘出试坑注水后水分下渗、侧渗示意图，见图3。

图3 水分下渗、侧渗示意图

由图3可以看出，随时间变化图层中水分下渗深度呈略增大趋势，试坑侧渗范围无明显变化，侧向渗透宽度在0.5m左右，侧向渗透能力很弱。

4 施工应用

（1）结合土场坡势修畦子，左岸1#土料场及右岸2#土料场，料场场地狭窄、高差大，施工道路布置难度较大,需逐层泡土立面开采使用。根据料场地形，采用“梯田式修畦子”方式泡土，每个畦子标记注水时间，畦子的大小根据地形确定，在地势平缓的地方，畦子略大一些，在地势陡的地方，畦子可略小，畦子的高度一般为1m。料场作业区要同时具有开挖作业面，待渗面、注水作业面、平整作业面。

（2）2017年5月26日，该工程均值土坝填筑完成，土料含水率施工期共取样8300组，含水率汇总分析见表3。

取土场土料配水按照20%含水标准进行配水，开采前检测畦坑内土料平均含水率20.2%，土料经过翻拌、运输、摊铺等损失后，平均含水率为17.5%，含水率平均损失2.7%，基本满足施工含水率要求。

表3 均质土坝坝料含水率试验资料统计