降低大坝防渗体填筑土料含水率的方法总结及土料含水率控制上限探讨

降低大坝防渗体填筑土料含水率的方法总结及土料含水率控制上限探讨

龙云帅

云南省水利水电工程有限公司云南曲靖655000

摘要：粘土心墙坝在水利工程中利用较广，其充分利用当地材料，就地取材，造价低，施工技术成熟，技术风险、质量风险小，是目前仍广泛采用的水利工程坝型。即使某些大型工程的拦河坝采用混凝土坝型、沥青混凝土心墙堆石坝、混凝土面板堆石坝，但临时导流工程中的围堰也多采用粘土心墙分区坝。而受不同地区气候限制天然土料含水率会出现增高的现象，因此只有有效降低大坝防渗体填筑土料含水率才能够确保大坝防渗体质量。本文结合实践探讨了降低大坝防渗体填筑土料含水率的方法，以供借鉴。

关键词：大坝防渗体；填筑土料；含水率；降低方法

一、前言

随着国家加大对水利基础设施建设的投入，水利建设工程覆盖面越来越广，工程的施工条件也越来越多样化。部分工程区多雨雾、空气湿度大，天然土料含水率高，本不适宜建粘土防渗体类坝型，但又受限于地质条件，采用重力坝及其他非粘土防渗体坝型对地基开挖和处理的技术难度及投资又将增大，从经济性角度考虑，采用粘土心墙土石坝相对合理。笔者结合云南省屏边县营盘水库粘土心墙分区坝的施工情况，作些总结，以期同行相互学习和参考。

二、工程概况

屏边县营盘水库总库容110.58万m3，为小（1）型水利工程。大坝设计为粘土心墙风化料分区坝，坝顶高程1453.4m，最大坝高44.51m，坝顶长133.0m，宽5.0m。上游坡比为1:2.25，下游坡1:2.0~1:2.25。心墙由粘土料填筑，坝壳由板岩、浅变质砂岩风化料填筑。上、下游坝壳料与粘土心墙间设砂、碎石过渡料各一层，厚度分别为1.5m。

（1）气象条件：屏边县营盘水库工程区属低纬度亚热带湿润季风气候。主要气候特征是：冬无严寒，夏无酷暑，秋凉湿润，雨热同季。年平均降雨量1638.3mm。多年平均日照时数1561h,日照百分率35.6%。多年平均相对湿度86%。多年平均风速1.5m/s，最大风速17.0m/s(出现于1969年4月15日）。常年多吹东南风，多年平均雾日数100d。

（2）地质条件

坝址部位第四系覆盖层、冲洪积层厚度2~7m。基岩为寒武系中统田蓬组白云质灰岩（∈2t）、奥陶系下统分乡组粉砂质板岩（O1f-2）和绿泥板岩（O1f-3）。

白云质灰岩（∈2t）出露于左岸坡和上游河床段，厚层结构，岩溶发育，主要表现为溶沟、溶槽、岩溶塌陷和小型溶洞。溶沟溶槽和溶蚀漏斗多为砾石土充填。受不同方向溶沟溶槽和层理切割，部分岩体为独立块体，开挖易于撬动。大坝河床部位发育有溶坑，塌陷，岩溶泉，上游左岸坡存在小型崩落体。河床岩溶区表层为冲积物，坑、槽为粘土充填，在水流浸泡作用下，开挖时呈淤泥状。补充钻探探明，强溶蚀深度6~17m。奥陶系下统分乡组粉砂质板岩（O1f-2）主要分布于右岸坡心墙及毗邻的上下游坝壳区、左岸坡心墙基础中下部和下游坝壳区。局部夹灰岩透镜体、风化不均匀条带。岩层为薄层结构，节理发育，岩体疏松。绿泥板岩（O1f-3）分布于河床心墙基础，河床坝壳料区及左岸坡，夹白云质灰岩透镜体。岩石强度低，长期暴露在大气中易风化成松散碎片状，水流浸泡易软化。

根据施工区交通条件及建筑材料分布情况以及坝基地质岩性及构造情况，坝型采用粘土心墙风化料坝较为经济合理。由于浅变质砂岩，板岩及灰岩互层，加之日照时间少、降雨多等原因，地下水丰富、土石料含水率高，成了坝体填筑施工中质量控制与进度控制的制约因素。

三、土料物理性质

常年湿润的气候，滋养出茂密的植被，潮湿的土壤。土料场所处位置周边为常年流水的沟箐，地层中的孔隙水、毛细水较易于储存，地下水位较高。以致土壤天然含水率较高，高达42.0%以上。通过对土料场挖探坑取样进行试验，天然土料主要物理性质试验成果见表1。

表1天然土料物理指标试验成果表

从上表可看出，土料为高液限粉土，除天然含水率远大于最优含水率外，其他各项物理指标均能满足防渗体土料的设计规范要求及该工程坝型的要求。

四、降低土料含水率的措施

根据试验成果及进一步调查了解到的气候条件，降低粘土料含水率成为坝体填筑施工进度、质量控制的重点。

2016年10月，主汛期过后，根据勘测设计单位有关专家的建议，在土料场开挖深达3m以上（局部挖至强风化岩层）的通风及排水沟对土料预先降排水和风干处理，并采用雨布在降雨前覆盖，天晴时晾晒的措施，至2017年2月份即将上坝之前，再次取样检测，含水率仍居高不下。检测结果见表4。

表4采取通风排水措施后土料含水率检测统计表

在多雾雨少阳光的情况下，通风排水沟措施并没有起到全面降低土料含水率的作用，仅表层0.6m深度内有所降低。2016年12月中旬至2017年2月，偶有晴天，表层土料在时干时湿的情况下启发项目部考虑采取遮盖措施，便投入费用6.2万元购置4000多平米晴纶雨布对土料进行防雨遮盖。安排5人专门负责天晴时掀布晾晒，降雨时及时遮盖。之后分别在2017年1月9日，2017年2月14日，再次对土料取样检测，表面明显干燥的土料，0.4m以下含水率仍普遍在30%~37%之间。对于2017年5月31日完成坝体填筑封顶的节点目标而言，近3万m¬3土料的填筑成了施工进度和质量控制的瓶颈。为了获得有效的降低含水率措施，项目部提出大棚风干法、烘干法、挖机翻晒法、旋耕机翻晒法进行讨论。讨论基于以下三点基本原则。

（1）日均开采加工量应达1100m3。

（2）客观的气候条件、地理条件、地质条件无法改变，必须面对现实。

（3）成本投入肯定会超出预算，比正常条件下的以往工程，投入得加大，不应过多顾虑和比较，当应投入必要费用，但也应相对经济合理。

不论采用何种方法，均需投入1台1.2m3挖掘机、1台3.0m3装载机进行配合生产。方案比较情况如下表。

开采加工方案综合分析评价表

粘土心墙料开采加工合同单价为17.33元/m3,发包人不增加相应的开采加工措施费。根据建设单位提供的气象预测信息（6月前有一定的晴天可利用），最终确定采用挖掘机翻晒法就地开挖晾晒。并针对开采加工中存在的问题制定相应的措施对策。

1、为了减少燃油及机械租赁费用，翻晒工作采用2台小功率挖掘机进行。

2、在料场翻晒过的土料含水率降至接近30%时，若坝面待填筑，则运至坝面摊铺后后再用20型旋耕机进一步翻晒，通过试验检测，可碾压时再行碾压。

3、平面薄层翻晒每日一次调整为畦垅翻晒每日3次。畦垅翻晒可适当增加翻晒厚度，提高产量。

4、立面开采和平面开采结合，以立面开采为主，根据开采区地形，在保证开挖安全的情况下，尽量增加掌子面高度，扩大立面面积。通过立面开采增大开采掌子面的日照时间和滤水，加快掌子面水分的分泌和散失。立面表层含水率降低接近合格上限值时，开采至平缓面摊铺开进一步晾晒风干，同时让新揭露的开采立面暴露在阳光下和空气中提前滤水和风干。

五、土料翻晒效果及填筑含水率控制情况

《碾压式土石坝施工规范》（DLT5129-2013）在条文说明部分提出，黏性土料坝面含水率控制在最优含水率的-2%~+3%的偏差范围以内。填筑施工过程中，1#土料场最优含水率按25%控制，坝面碾压时土料含水率控制上限为28%，2#土料场最优含水率按21%控制，坝面碾压时含水率控制上限为24%。

营盘水库坝体填筑高峰期为2017年3~5月，在此期间，填筑至少须达到渡汛高程，填筑量接近24000m3，实施过程中仍出现不间断降雨，加之空气湿度大，昼夜温差大，白天翻晒好的土料次日仍出现回潮现象。翻晒至含水率接近可填筑标准后堆存的土料，即使采用雨布遮盖，雨后仍出现含水率增大现象，不得不再次进行1~2遍翻晒工作，即便如此，多数填筑土料的含水率仍在29%~32%之间，少有满足最优含率的0~3%的情况。填筑面碾压时出现振动碾打滑，碾压面不平整，表面出现大量裂纹，有轻微弹簧现象，外观与大多数工程的填筑情况存在明显差异，引起参建各方高度重视。但通过试验检测干密度、压实度、渗渗系数，又能满足设计要求。施工方根据经验，认为将含水率上限放宽至32%不会存在质量隐患，能满足设计功能。而设计单位、监理单位、建设单位却认为只能放宽至28%。由于各方意见不统一，坝体填筑工作时常处于中断状态，坝壳料经常性超过心墙面3~5m。至2017年4月28日，坝体仅填筑至1422.0m，距渡汛高程尚余13.2m。

由于心墙体填筑缓慢，从而导致反滤料、风化料填筑出现误工情况，运输车辆和部分设备时经常出现待工现象。在此情况下，汛期前完成坝体填筑的计划只能调整至尽可能填筑至渡汛高程1435.2m（坝顶高程1453.4m），工期相应作顺延调整。为了满足渡汛任务，确保坝体填筑质量达到设计的功能目的，施工单位提出以价值工程理论和可靠度设计方法，对黏土心墙体的质量控制指标进行试验和调整。在重点考虑沉降变形量、渗透系数满足设计要求的前提下，探索含水率的控制上限。

土料类型为高液限粉土，填筑过程中，开采的土料中含有少量砾石，风化母岩为粉砂质板岩，土层厚度3~5m，下部强风化岩体碾压后呈粉砂状。参照苗尾工程碾压试验结果及其他有关工程实践结果，为了珍惜少有的晴好天气，以保证质量为前提，提出促进进度的土料开采和填筑含水率控制提议：采用立面开采，平面翻晒的方式开挖，开挖时深入全~强风化层0.3m~0.5m，挖取部分硬度低的风化砾石掺入至土料中；最大坝高44.51m，属中低坝，建筑物等级为Ⅲ等，可适当降低压实度等质量控制标准，土料含水率上限放宽至最优含水率的+6%。建设单位和设计单位对此提议未作明确表态也未反对。2017年4月28日后，出现相对较长的连续无雨天气，但对土料连续翻晒3~4日，仍难将含水率降至28%以下，降至30%左右也算不错，能否填筑至渡汛高程的目标成了参建各方较为担忧的事。对此，施工单位依据想法，翻晒土料时，采用立面开采法将上部土料与下部强风化岩石混合开挖，填筑时将放宽含水率上限进行填筑：

1、填筑过程中，各填筑层含水率上限尽量控制在30%以内。在此情况下，基本可按照碾压参数正常碾压，渗透系数、压实度检测指标满足设计要求。

2、在能正常进行碾压的情况下，适当将含水率放宽至32%。为防止碾压机具打滑和陷车，甚至在碾压时将振动频率适当减小，行走速度适当提高。此种情况下，偶有部分填筑层压实度达不到设计指标96%，出现的压实度最小值为92%，但渗透系数全部满足设计要求。在低档补压时若出现打滑沉陷现象，则用快速档振动补压2遍后，质量控制指标基本能满足设计要求。

施工单位冒险采取上述技术措施进行赶工，考虑了以下因素：

1、压实度不够，碾压面存在一定的弹性，可能会产生较大的沉降变形。但由于气候原因，本期填筑并不能一次填筑封顶，在二期填筑前，坝体自然沉降变形将趋于稳定。

2、大坝运行期间，若存在防渗体渗漏，可采取回填灌浆方式进行加固处理。因坝体相对较小，回填灌浆费用可控制在30万元以内。

2017年5月中旬至6月初，降水相对前期大有减少。在对土料填筑技术参数进行适当调整的情况下，填筑进度得到了较大的提高，至6月10日正式进入雨季时，坝体填筑至1442.2m，超过渡汛高程7m。

六、坝体运行监测情况

坝体填筑至1442.2m后，2017年6月10至2017年12月25日期间，处于停工状态，在此期间，分别在上游坝壳料区、黏土心墙面、下游坝壳料面各埋设3个共9个沉降观测点对坝体变形情况进行观测，6月~9月底，变形较为明显，坝壳料最大达3.5cm，心墙体最大达7.2cm。10月以后，变形减缓，在二期填筑前，心墙体累计沉降变形值最大为8.1cm。

2017年12月25日~2018年1月29日进行坝体二期填筑施工。安全监测设施（测压管、量水堰、位移观测桩、水位尺）于2018年7月10日完工，并开始进行试蓄水工作。完工后立即进行初期监测，通过对2018年12月20日前的监测数据进行统计，坝前最高水位1441.5m时，心墙部位（位于心墙轴线下游侧）沉压管水位最高为1421.0，低于设计浸润线相应高程。坝面沉降变形量最大值为4.4cm。从观测结果分析，大坝运行稳定，渗流量及沉降变形均在安全允许范围。

七、总结与分析

1、屏边县营盘水库大坝填筑土料由于特殊的气候条件以及水文地质条件，防渗体土料天然含水率较高，将土料含水率通过翻晒降低至施工规范或设计规范允许的范围较为困难，采用烘干法成本过高，在不利的气候条件下，采用轮换掌子面进行立面开采和平面畦垅翻晒的加工方法，开采及加工效率相对高一点，成本也相对较低。

2、在土料含水率较难降低的情况下，针对中低坝可适当放宽含水率上限，在均匀掺入砾石的情况下，含水率上限可提高至最优含水率的6%，最好不要超过5%。砾石尽量选用硬度低，易压碎的软岩。掺量控制在7%以内，结合翻晒均匀混合。

在营盘水库大坝土料填筑过程中，施工单位基于理论基础和经验，对土料填筑参数进行了一定的调整，顺利完成了渡汛任务。目前坝体运行状况较为正常，也说明工程建设过程中施工单位进行的尝试和取得建设成果可供大家参考。

笔者想进一步说明：施工规范是行业专家、学者在全国各地水利水电工程建设施工过程中，以工程质量和工程运行安全为基本出发点，通过试验和实践总结出的可靠经验，在正常的施工条件下，在未通过试验和实践验证的情况下，应严格参照执行。但任何一种理论或经验，随着科技进步及实践经验的积累，均存在一定的相对性和局限性，这也是新理论和规范修订的基本原因。在执行规范的过程中，正常情况下应以满足规范和设计要求为基本原则，同时也应结合工程项目的实际情况，在充分理解规范的前提下，允许辩证地参照执行。随着科技进步，新工艺、新技术、新材料的出现，为了满足社会经济发展的需要，部分水利工程在选择坝址、闸址时，对地形条件、地质条件、施工条件、建筑材料条件的考虑，难以面面俱到，在建设总投资有限、建设工期紧迫的情况下，建设者（尤其工程技术人员）更应充分利用价值工程的原理做些创新性的实践，以求优质高效地完成建设任务。

参考文献

[1]土石坝施工技术规范.

[2]一级建造师教材《水利水电工程管理与实务》.

[3]水利水电施工工程师手册.

[4]中国水利发电工程—施工卷.

作者简介

龙云帅1975年2月22日出生。1995年参加工作，主要从事水利水电工程施工管理。先后参建过云南省华坪县务坪水库工程、云南省曲靖市独木水库工程、云南省宣威市达开电站首部枢纽工程、云南省绥江县罗汉坪水库工程等十余件水利水电工程的建设，积累了丰富的施工经验。

工作单位：云南省水利水电工程有限公司.

联系地址：云南省曲靖市麒麟区廖廓街道西苑颐康花园224幢2单元702室。