水利工程土坝土料制备工艺及措施

赵杰

（宁夏六盘山水务有限公司，宁夏 固原 756000）

1 引言

土坝作为一种挡水建筑物，可以适应众多气候条件和地质条件，在水利工程中得到了广泛的应用。水利工程土坝在建设中可以就地取材，土料、石料、砂砾等均可用于施工，因此，为保证水利工程大坝建设质量，对水利工程土坝土料制备工艺以及质量控制措施进行研究，有着非常重要的指导意义。

2 水利工程土坝土料的特点

1）就地取材。水利工程土坝土料可以就地获取原料，减少工地外线运输量以及水泥、钢材、木材损耗量。特别是在土坝设计与施工技术发展进程中，对筑坝材料的要求进一步放宽，几乎任何当地土料均可筑坝[1]。

2）适应性强。水利工程土坝土料可以适应多种差异化地质、地形、气候条件，并可适应高烈度地震区、气候恶劣区、工程地质条件复杂区。

3）类型多样。水利工程土坝土料类型多样，包括土质土、岩石两大类别，仅土质土就包括砂土、种植土、轻亚黏土、含根种植土、淤泥土、黏土、干淤泥、干燥黄土、坚硬黏土、含卵石黏土、砾质黏土等。

4）造价低。水利工程土坝土料可以利用大功率、高效率、多功能施工机械一次性取料制备，作业效率较高，建造价格较低。而结合试验手段、岩土力学理论、计算技术的发展，可以在保证大坝土料安全可靠性的同时，进一步降低大坝土料建造价格[2]。

3 水利工程土坝土料制备工艺

3.1 注水

在水利工程土坝土料含盐量满足施工要求但含水量低于土坝要求3%以内，且上部2.5 m 范围内土料天然含水量偏差较大时，需要借助沟槽注水手段进行土料天然含水量调整，直到水分在土料内基本浸润均匀，方可经反铲立式开采结合翻倒混合手段进行运输挖装。同时对含水量进行检测，若含水量仍然低于土坝施工要求，则开展一次雾喷补充水分[3]。

根据水利工程土坝施工季节的变化，所需土料含水量也有一些差别。在温度较高的夏季，可以选择稍高于或接近最优含水量的土料，并在土坝面层结合面补充水分，减少土料挖装拉运期间的含水量损失；而在温度较低的冬季，则需要选择稍低于最优含水量的土料。一般水利工程土坝体填筑土料压实度要求达到0.98 及以上，对应的土料最优含水率达到17%及以上，在土料天然含水率无法达到规范要求的情况下，需要人工注水。在人工注水前，根据天然含水率，结合土料堆场储量，进行注水量的推算，边开挖边注水制备土料，并随时开展土料含水率（上层、下层接合面含水率）试验，为土料含水率控制提供依据。若含水率低于规范值，则继续注水；若含水率达到规范值，则停止注水；若含水率超过规范值，则翻开晾晒，避免过多水沿夹层渗漏造成的安全事故。

3.2 掺配

掺配是一种适用于高含水量土料制备的工艺，要求将高位区域低含水量土料与土坝局部基础开挖的高含水量土料均匀掺和，减少弃土与土料处理费用。在掺配过程中，需要随时测定现场土料含水率，确定恰当的比例，采用挖掘机现场翻倒高含水量与低含水量土料，满足大面积、近距离流水作业要求。掺配工艺的应用可以保证掺和后土料含水率相对均匀，提高开挖废弃土料利用率，充分实现就地取材，但是对高含水率土料与低含水率土料的掺和比例要求较为严格，整体施工效率不高，时间空间有限，且不适用于土质差别较大的土料，也不利于土坝主体填筑质量管控。

一般掺配工艺适用于土坝土料开采深度内平均含水量、土料最优含水率偏差大于3%且土料性质分层分布较为均匀的情况。具体掺配操作时，技术人员应先进入料场开挖区域，然后，朝着同一个方向反铲约4.5 m，反铲期间人工不间断松土，使土料散开。在松土及土料散开的过程中，含水率损失约为16%±1%。然后采用挖掘机斗，轮换从高处甩出干湿度明显不同的土料，促使甩运土料相对均匀。在甩运的基础上，堆积成“土牛”，确保土料相对均匀。“土牛”制备主要是选择距离填筑土坝地段较近且整体与用地规划相符合的场地，先行剥除料场堆土底部覆盖层，再在可开采深度内，经推土机进行进占法卸除土料，土料卸除期间根据含水量检测结果，进行“土牛”坡面雾状喷水，或者经洛阳铲钻孔注水，确保最终土料含水量与规范要求相符。

3.3 翻晒

在土料含水率超出土坝土料最优含水率6%且施工区域晴天多、气温高时，可以利用翻晒法处理，简单高效，满足流水作业要求。常用的方法为坝面铧犁翻晒法。应用坝面铧犁翻晒法时，技术人员可以根据土坝施工内容，人工划分进占填筑区、翻晒区、碾压区、检测区，结合气候特征，先在进占填筑区利用20 t 振动碾碾压高含水率铺料，促使土料固结，再在温度高于20 ℃时堆放到相对平坦开阔区域铧犁翻晒，根据土料固结情况，调整翻晒遍数，确保土料含水率达到土坝施工规范要求。

3.4 堆存

堆存是水利工程土坝土料的主要制备措施，土料处理人员应落实先堆料先用、后堆料后用的原则，由土料制备场外侧出发向内侧推进，借助20 t 自卸汽车，从高8 m 及以上位置卸除土料，卸料平台为长方形，与土料制备区域长边成90°。根据土料取土位置差异、含水率差异，在土料制备区域穿插卸除土料，利用土料下卸过程中的高度差，促使土料含水率趋于相对均匀，满足上部土坝土料设计要求。在卸料堆存期间，应注意控制机械操作速度，限定下坡时车辆速度小于20 km/h，平路行驶时车辆速度不超过30 km/h，确保堆存过程安全进行。

4 水利工程土坝土料处理措施

以宁夏固原何家沟水库大坝工程为例。

4.1 土料勘察

土料勘察是水利工程土坝土料处理的前提。在均质碾压式土坝土料由传统细粒土扩大到类黄土、黄土、风化残积土、沙壤土的背景下，土料处理人员应根据SL 251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》的要求进行土料勘察。在勘察期间，土料处理人员应以保证土坝施工现场环境为前提，尽可能缩减耕地、林地占用面积以及对既有建筑的影响，由近处向远处推进，逐步明确料场土层结构、空间分布、无用层厚度、夹层性质、剥离层厚度、无用层方量、运输条件、有用层储量、开采条件、有用层质量等。一般根据实际地形地貌特征，可以沿着土料性质变化较为突出的方向，遵循先疏松后紧密的原则进行勘察线布设，每条勘察线上涵盖2 个及以上钻孔。对于面积大、有用层厚、地形平缓、有用层储量变化较小且土层结构简单的I 类料场，相邻勘察点之间的距离在100～200 m；对于面积较小、有用层厚度变化突出且地形高低起伏明显、土层结构复杂的Ⅱ类料场，相邻勘察点之间的距离应在50～100 m。

根据勘察线，土料处理人员可以利用洛阳铲（或手摇钻、坑槽铲）挖设探坑或探槽，配合少量钻孔，分层取样，相邻样之间垂直高度在1～3 m，清晰描述每一个勘察点土样的颜色、名称、结构、厚度、成分、塑性状态、潮湿状态、含砂砾情况、腐殖质成分以及对应的高程、取样位置、编号。根据勘察结果，进行1∶1 000 料场分布图的编制，确定勘察储量大于或等于设计量的2 倍，且勘察储量与实际量误差小于或等于15%。

4.2 划分区域

在区域划分前，清除土坝土料周边全部树根、树木、杂草、废渣、卵石、垃圾等。根据水利工程土坝施工规范关于坝体填筑料含有的有机腐蚀物小于5%的目标，清除料场多余有机杂物，避免有机杂物堆叠导致土坝不均匀沉降等失稳问题。

在确定料场无影响土坝稳定性的杂质后，利用推土机初步推平土坝土料制备区域。现场推平后，结合场地情况划分若干方形区域，区域边长为20 m，区域与区域之间预先留设施工便道，便道宽度为4 m，对每一个小区域进行编号，为后期注水操作中人员走动、机械流动提供依据。

土料制备区原为料场斜坡位置，需分级修建为环形状，第一个土料制备小区顶部宽度超过15 m，相互毗邻的两个土料制备区之间的阶梯高度差为4 m。在土料制备区周边，借助反铲挖掘机，进行注水沟挖设，注水沟尺寸为长1.4 m×宽1.2 m，周边封闭，封闭带宽度为3 m。开挖到坡地高程后，为每一级平台内侧设置马道，马道宽度大于或等于4 m。需要注意的是，马道应避开平台外侧，且水沟纵坡度小于或等于1%，这主要是由于饱和后土料易在大坡度下快速流动进而跑水形成底部孔洞，导致机械行走期间塌陷事故。

4.3 场地硬化

借助推土机将土料制备小区处理为里侧高、外部低的形式，坡度在2%左右。处理排水斜坡后，借助22 t 振动碾进行区域路面密实碾压。碾压后，铺设石渣硬化，铺设石渣厚度在40 cm 左右。铺设石渣硬化后，借助推土机再次整平路面，并借助22 t 振动碾反复碾压密实，避免雨后泥泞路面影响运土机械设备通行。

4.4 注水处理

土料制备区周边水沟挖设后，利用2 根软管接到顶部、斜坡沟槽，软管直径是DN80，材质为聚丙乙烯塑料。斜坡沟槽尺寸为10 m×10 m×2.5 m，沟槽壁结构为混凝土，采用埋管布置，另外配置2 台30 m 扬程潜水泵。根据前期计算的土坝土料量以及天然含水率，确定土坝土料总补水量以及对应的注水管径流量（单位时间内注入水方量）、注水时间。同时，由专门人员观察水槽，及时发现溃水问题及时进行注水渠道加固。

顶部或斜坡沟槽注入的水源为河水，先经围堰上游河道高压泵抽水到顶部，再采用二级接力手段，在顶部设置2 台100DL70-20 m×6 m 立式多级泵，经高压泵抽水配合水管输水到斜坡沟槽，并利用潜水泵将沟槽内水引入各个土料处理区域，连接各个区域的支管管道均接入水表，为注水量控制提供依据。

4.5 堆存处理

完成注水且水渗入土料后，借助推土机配合挖掘机均匀搅拌土料，再次检测确定土料达到最优含水率指标。确认无误后，堆成土堆发酵15～45 d，借助水的毛细现象（毛细管插入水内，管内液面上升且高于管外）使水分在土料中分散均匀，避免发酵时间过短造成含水率不均导致翻浆，或者发酵时间过长造成水分流失导致返工。同时上部覆盖双面塑料帆布与竹胶板，减少水分损失。

发酵结束后，由专门人员对土料含水率进行测试，确认无误后，对每一个土料制备区域进行编号，有序拉运制备土料。土料拉运期间，落实高土高运、低土低运的方针，拉完上一个区域的土料后，准备进行下一个编号区域的土料拉运，依次循环，最终将全部制备土料拉运到现场。

4.6 试验检测

在水利工程中，试验检测是加强对土坝土料应用全过程质量控制的手段。通过试验检测，复核勘察土坝物理力学参数是否达到设计要求。在试验检测中，根据土坝土料大小颗粒差异以及颗粒间黏结力悬殊特点，利用全槽法（或全孔法、全坑法），从槽壁自上而下均匀深度中剥出土粒，选取代表性试样。根据试验检测要求，将试样最大粒径控制在约60 mm。进而对试样的物理力学参数进行检测，确定土坝（均质坝）土料黏粒含量在10%～30%，塑性指数在7～17，碾压后渗透系数小于1×10-4cm/s，有机质含量（按质量计算）小于5%，水溶盐含量小于3%，pH 大于7，SiO2与R2O3的质量比大于2。在这个基础上，进行土坝土料击实试验，选择2.5 kg 击锤，击锤底部直径为5.0cm，下落高度为30 cm，击实筒直径为10 cm，高度为12.7 cm，体积为1 000 cm3，装入3 层土料，每层击打27 击，单位体积功能为607 kJ/m3，单位面积冲量为3 kPa，以干密度为纵坐标，以含水率为横坐标，确定最大干密度与最佳含水率，得出天然含水率与最优含水率接近（-2%～+3%），密度大于天然密度，满足设计要求。

5 结语

综上所述，土坝是以当地土料为原料，经过注水、碾压等手段堆筑而成的挡水坝，具有可就地取材、适应性强的特点。常用的水利工程土坝土料制备工艺为注水、翻晒、掺配、堆存等。技术人员可以根据现场土料含水率检测结果以及土料土层分布均匀度，选择适宜的处理手段，并全程检测含水率，科学控制土料质量，为土坝施工效果提供保障。