浅谈分层特性不合格土料含水量调整及开采施工工艺

郑绍枫 张冲

摘要：本文介绍了苏丹上阿特巴拉水利枢纽C1B项目在土石坝填筑施工中，对于分层特性不合格土料开采，通过对勘探资料分析，现场土料含水量调整及开采试验，提出了简单有效的施工工艺，解决土石坝填筑防渗物料质量问题及控制目标，可在其他工程实践中借鉴。

关键词：苏丹上阿特巴拉水利枢纽C1B项目；含水量调整；立面混合开采

Abstract: This article describes the Atbara Sudan on water control the C1B projects in the construction of earth dam filling, unqualified for the hierarchical nature of earth material extraction, through the analysis of exploration data, on-site soil material moisture content adjustment and mining test proposeda simple and effective construction technology, earth dam embankment impermeable material quality issues and control objectives, and can learn from other engineering practice.

Keywords: Sudan, Atbara Water hub C1B projects; moisture content adjustment; the combined exploitation of the facade

中图分类号：P414.9+4 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1概述

1.1工程简介

上阿特巴拉项目位于苏丹东南部与埃塞俄比亚和厄立特里亚三国交界地；距首都喀土穆460 km，距苏丹港659km；位于上阿特巴拉河的支流Rumela和Burdana交汇处，建成后将形成一个库容约30亿m3的水库。该项目在两条支流上各布置有一个枢纽建筑物。

Burdana枢纽位于Setit河上，包括：左右岸土堤、左岸土石坝、河床心墙坝、溢洪道及灌溉取水口，总长6,620.18 m；其中左右岸土堤：最大堤高为28.8 m，左岸土堤长950 m，右岸土堤长4,670.18 m；左右岸大坝：最大坝高约44.8 m，左岸坝长195.88 m，右岸坝长350.0m；河床心墙坝：最高坝高约51.3 m，坝长333.12 m。

合同文件中业主提供的唯一土料场BU3-QF，主要作为项目左右岸土堤、左岸土石坝和河床心墙坝粘土防渗料的来源。该料场位于Setit河右岸上游,料场面积共1,079,236㎡，地表高程约在EL508.0～EL521.0，东北及西北侧地势较平坦，西南方向地势复杂，多冲沟，地表多为杂草覆盖，料场主要包括fat clay、fat clay with sand 、sandy silt、lean clay、lean clay with sand、silt with sand等几种土料。

1.2粘土料填筑工程量及特性要求

1.2.1合同BOQ及图纸设计粘土料填筑工程量如下：

BOQ中工程量为：3,007,300m³；工程师提供的图纸设计工程量为：3,167,362 m³

1.2.2 粘土填筑特性要求

（1）颗粒级配曲线参数应满足下表表1要求：

表1颗粒级配曲线参数表

（2）阿太堡限度测试值要求在以下范围内:

液限指数: LL = 30% 到 70%,

塑性指数: PI = 12%到 40% ( PI﹥15%)，

（3）有机物含量不超过 1%。

（4）压实后的渗透系数不超过 10-7m/s。

1.3 土料场勘探试验结果

BU3-QF料场土料主要以高液限高塑性粘土Fat clay(CH)为主（大致表层0～1.5m和底层3.5～8.0m多为Fat clay，其表层1.5m土料约1,500,000m3），此类土料在勘探深度内共7368206m3。

土料液限及塑性指数整体偏高，其中有56.7%样品的液限及塑性指数不符合标准（LL=30-70% ，PI=12-40%），但其均值(PI=33.08，LL=57.26)在标准以内，如将粘土料上下层混合，混合后粘土料可满足料液限及塑性指数标准。

料场内所有土料的有机物含量均大于1%，平均有机物含量在3.5%，超出有机物含量小于1%的标准。

在分散特性上，料场内土料多为缓慢侵蚀的轻度和中度分散性粘土，整体不具有分散性，唯有一组样品具有分散性。根据勘探数据，此探坑范围内的土料与整个料场区域的土料相比可能存在一定的特殊性；料场开采可不考虑土料分散特性。

与合同技术条款相比较，料场区域57.5%的颗粒级配曲线在包络线以外，整体细粒含量较高，主要是小于0.425mm以下的细粒超出标准要求，0.425mm以上颗粒级配曲线基本满足要求，但其样品每级颗粒粒径均值均在包络线以内，同样如将粘土料混合即可解决细粒含量较高的问题。

勘探深度范围内(EL522.0m～EL506.0m)未发现存在地下水，料场开采可不考虑地下水影响。

1.4 需解决的问题

1.4.1 解决项目粘土料填筑量

为解决项目所需3,167,362m3合格的粘土料，开采系数按照2.0考虑，需开采6,334,724 m3，开采深度约5.87m，按现有料场面积及存量，将整段第一层（0～1.5m）的Fat clay(CH)、Fat clay with sand(CH)第二层（1.5～4.5m）的sandy silt(ML)、Lean clay with sand(CL)、lean clay(CL)、silt with sand(SM)及部分第三层（4.5～5.9）的Fat clay(CH)土料进行开采利用即可解决项目粘土料填筑量需求。

1.4.2 解决料场土料分层特性不合格问题

土料的有机物含量超标的问题，经与业主、工程师沟通后，上坝填筑物料不需解决此问题。

土料的液限及塑性指数、细粒含量较高的问题，经现场试验把第一层的Fat Clay（CH）（0~1.5m）和第二层的Sandy Silt（ML） and Lean Clay（CL）(1.5~4.5m)进行混合掺拌，对所得到的掺拌土料进行了以下实验，实验结果表明，新的土料的颗粒级配曲线在包络线以内；阿太堡界限为LL=43,PL=17,PI=26；渗透系数=3.45×10-10m/s；有机物含量为3.1%；除了有机物含量超出不大于1%的要求，其他的都能满足技术规范的要求。

1.4.3 解决料场土料含水量调整问题

现场通过三个试验区对土料含水量调整进行试验，分别为：

第一试验区（50m*25m）采用清表后修筑土埂灌水；试验过程加水量及水位渗透深度见下图：

第二实验区（50m*25m）采用清表后进行钻孔（孔径90mm、孔深4.5m、孔距2.5m*2.5m），修筑土埂灌水；试验过程加水量及水位渗透深度见下图：

第三实验区（20m*10m）采用反铲翻松土料约4.5m后修筑土埂灌水。通过现场取样连续观测水位渗透情况；试验过程加水量及水位渗透深度见下图：

根据三个灌水试验区结果，在土料场原状土层或增加钻孔进行含水量调整不可行；要达到理想的效果，最短时间内解决土料场含水量问题需进行土料翻松。

2 土料开采施工工艺

2.1 开采原则

综合分析勘探试验及灌水试验结果，与苏丹麦洛维项目土料使用系统加工进行经济比较；项目土料场开采拟使用反铲立面混合开采一定深度，将土料场规划为100m×100m单块含水量调整及翻松区；单块充分翻松掺拌，解决土石方填筑要求的320万方合格土料。

2.2 开采工艺

为更好的确保料场的各层土料掺拌均匀，整个料场采用两次立面混合开采；合格土料在运输、卸车及摊铺过程中进一步掺拌均匀，保证碾压后的土料的合格率。

2.2.1 反铲第一次立面混合翻松

反铲立面混合开采（见图2所示），清表和剥离合格后，开采深度按照“第一层(Fat Clay（CH）)与第二层(Sandy Silt（ML）、Lean Clay（CL）)立体混合开采至4.5m(去除0.3m剥离层，有效开采深度4.2m-4.3m)”。

2.2.2 含水量调整

翻松完成后，土料按照灌水试验“第三实验区（20m*10m）”中的灌水参数进行畦灌，土料的含水量控制在比最优含水量高2%。

2.2.3 灌水区土料的试验结果

试验结果为：天然含水率为13.1%，最优含水率为23.1%，最大干密度为1.61g/cm3，液限及塑性指数均值LL=43%LI=17%、PI=27%符合标准要求。

2.2.4反铲第二次立面混合开采装车

单块土料含水量调整区域（100m*100m）含水量熟化时间完成后，利用反铲（斗容2.1m3）进行立面混合开采，开挖基坑边坡坡比按1：0.5控制，反铲立体混合开采装料，SCANIA自卸汽车（27t）运输至施工现场直接上坝填筑。反铲第二次立面混合开采方法见下图2。

图2 反铲立面混合翻松及开采示意图

3、结语

对于国外项目， 德国LAHMEYER INTERNATIONAL咨询公司对工程质量控制要求非常严格，完全履行合同技术条款中要求；试验研究此方案的粘土开采施工工艺，确保土石方填筑施工防渗粘土料的技术指标合格；相比其他方法更经济、更有效，确保工程土石方填筑进展顺利，满足项目320万方合格防渗物料要求。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。