高砾石、高含水量粘土在心墙填筑施工中的质量控制

敬方名

云南建投第一水利水电建设有限公司，云南  昆明  650217

[摘要] 高砾石、高含水量粘土因其压实问题，给水利工程的正常实施造成一定的阻碍，因此应采取有针对性的质量控制措施。本文以铜厂水库粘土心墙大坝为例，通过碾压和土工试验对现场施工参数进行有效控制，提出了心墙填筑的施工与质量控制措施，希望能够为水利工程中高砾石、高含水量粘土处理提供技术参考。

[关键词] 钢结构；钢屋盖；安装；施工效应；数值模拟

[中图分类号] TU758.11      [文献标识码] A       [文章编号]

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1  工程概况

1.1  概述

铜厂水库位于昭通市巧家县包谷垴乡包谷垴村牛栏江左支流铜厂沟上游。流域面积50.5km²，主河道长11.4km，坝址河床高程2035.1m，水库正常蓄水位高程2090m，总库容445.0万m³，枢纽区主要建筑物有：大坝、溢洪道、导流输水隧洞。

大坝为粘土心墙风化料坝，坝顶长225m，宽6m，坝顶高程为2094.5m，最大坝高67m。工程等别为Ⅳ等，坝体为4级水工建筑物，粘土心墙填筑方量为9.0万m³。

1.2  心墙料场概述

本工程所选土料场位于坝址上游4.5km主河道右岸的迤岔村。从坝址区至粘土料场有2.5m宽的乡村混凝土公路相连接，该土料场长约300m，宽约210m，分布高程为2200.00～2240.00m，相对高差40m左右，地形坡度3°～10°，缓坡地形，为农作物种植区域，左右两侧分布有冲沟，右侧冲沟较宽大。

粘土料场左右两侧靠近冲沟部位，土层很薄，表面有块状末风化玄武岩块体，中间部位土层厚8.5～16m，表层为玄武岩风化残坡积含碎砾石粉质粘土、砂质粘土，下伏基岩为二叠系峨眉山组玄武岩。有用土料层分布中间厚，两侧冲沟边缘因水土流失，土层较薄，层厚变化较大，属Ⅱ类料场。

从开槽与探坑揭露的实际情况；堆积体层面清晰，层间分布有块状碎屑，局部夹大块状碎块，土体呈黄色与白色状，含砂量较大，砂壤土、碎屑土，下部土体含水量比上层高，处于饱和状态。

1.3  心墙料技术要求

心墙料中粒径大于5mm的颗粒含量≤50%，最大粒径≤60mm，0.075mm以下颗粒含量≥15%，设计干密度≥1.4g/cm3，渗透系数≤1×10-5cm/s，压实度大于96%。

2  碾压试验与土工试验

2.1  现场碾压试验情况

至2021年11月至12月，共进行了12场碾压试验，其日期分别为；2021年11月03日、11月05日、11月07日、11月18日、11月19日、12月1日、12月08日、12月15日、12月20日、12月23日。详见云南昭通市巧家县铜厂水库工程PPP项目《粘土料碾压试验专项报告》编号（RNJC～NYSY～202 0005～TCSK）。

碾压试验采用的压实机械为22T振动凸块碾，碾压场地为库盆拌和站附近平台位置，高程2055.00m，土料来源为迆岔粘土料场高程2200.00m、2～2剖面附近。经过现场多次碾压试验并结合后期对粘土渗透系数的调整后，碾压试验成果能够满足设计规定的渗透系数要求。

现场质量控制参数：采用压实度和渗透系数进行控制，压实度≥96%、室外渗透系数满足 k＜1.0×10-5cm/s、室内渗透系数必须满足 k＜5.0×10-6cm/s。

2.2  土工试验情况

经我部对该料场粘土料进行取样试验，相关土工试验结果如下表所示：

土工试验结果统计表

粘聚力C（KPA）	63.13	内摩擦角A(゜)	23.45	液限%	60.0
塑限%	38.50	塑性指数	21.50

颗粒分析结果统计表

粒组划分	粗砂	中砂	细砂	粉粒	粘粒
筛孔尺寸MM	2.0～0.5	0.5～0.25	0.25～0.075	0.075～0.005	<0.005
含量%	3.7	14.7	19.0	48.8	12.1
百分量%	96.3	81.6	62.6	12.8	0.70

2.土料场规划

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2.1规划原则

（1）快速取样检测原则、优先填筑的原则。

（2）开采前，按照设计与规划要求进行土体和各项指标检测检验；特别是取土料位置的含水率、颗粒粒径分析等，确保上坝料合格，对于不合格的粘土料坚决不准上坝。

（3）优质土料优先填筑坝体防渗心墙下部的原则。

（4）心墙料填筑采取从下往上填筑的方式，经抽样检测，均质、含水率适当、防渗效果好的粘土料优先填筑坝体下部，从开槽及挖坑勘探的情况看，先采高程2200.00～2235.00，设计图《2～2开挖剖面位置》左右侧，采场左右两侧靠近冲沟部位的埋深浅，且外露块状强风化块体。

（5）采土料分左右两工作区，上下两层，每层立面开采，开采高度2.0m左右。

（6）料场开采采用由下往上推进的方式，边剥离边开采的原则。

2.2规划要求

满足设计与规范要求。

土料场分上下两层开采，每层布置纵横向排水降水沟槽，槽深3.50m左右，纵横向间隔12×12.0m，成网格状，向左右两侧冲沟及现有村道方向排水。局部无法排水部位布置集水坑用水泵抽水。

覆盖层弃料及分选的不合格料，主要是指腐植成分高、颗分不满足设计值、粗骨料含量大的无用料，运至1#、2#弃渣场。仅含水量大的有用土料，翻出后于采场就地转存晒料，或运至坝址上游河床区域进行晾晒堆存。雨雪天用帆布遮盖，晴天翻晒至最优含水量后上坝填筑。

坝体心墙部位粘土总填筑量约为9.00×104m³，如果土料采场在弃料多的情况下，拟定在土料场上部高程2240.0至高程2260.0开辟第二采场，以满足坝体填筑用量要求。

3.施工布置

心墙坝填筑料主要为来源于迤岔粘土料场，上游库盆内高程2055.0平台作为粘土料翻晒周转存储料场，周转料场存储量在6000m³左右。

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3.1排水、降水及防水

（1）土料场布置降水与排水系统

整个粘土料场设置网格状降水与排水系统，采用12.0m×12.0m、3.5m×1.2m（深×宽）的纵横向排水沟，向粘土料场左右侧冲沟内排水，排水坡度不小于0.15%。不能自流的排水部位，在低洼处布置集水坑，污水泵4×5.5KW向左右冲沟排水。剥离后的有用土体采取防雨、防雪措施，避免粘土料含水量过高，影响填筑质量，其次用帆布整体铺盖，铺盖面积不小于一周的取土量约5000m³。

（2）上游河道深部防水

于上游围堰外侧河床布置400g/m2的土工膜，水平与垂直向防水，以减少心墙部位高程2027.00m底部渗出水，以利于首期填筑。

（3）坝基排水处理

由于坝基河床段灌浆盖板部位存在出水情况，经参建几方共同商议，采取如下措施处理：在河床段设置排水暗沟，将粘土心墙部位的渗水引流至心墙填筑区域以外，再设置排水井将该部位渗水进行排除，排水暗沟采用碎石回填，其上铺设30cm反滤层后，再在其上铺设一层土工布后，进行心墙粘土料的填筑，从而为心墙部位粘土施工创造干地环境。

（4）对于心墙填筑面的防水

于粘土心墙填筑线外上下游，布置挡水坎、深井式集水坑，4×4.5KW水泵抽水，排至下游面，保证填筑面干燥无水。

（5）左右岸坡面防水

在截水槽盖板、开挖后坡面布置移动式的挡水板，集中导入下游面，防止流入粘土心墙填筑仓面。

（6）坝址上游左岸冲沟来水处理

左岸冲沟部位采取引水的方法，布置挡水墙导入上游围堰内。

3.2临时道路

土料场位于铜厂沟上游台地，距填筑坝体4.50km，有部分乡村公路相接，路基需扩宽，取土料场内的临时道路换填为泥结石道路。

土料开采方量大、重载车辆多、路况差，为了保证运输安全，满足高峰期运输填筑要求，各道路设置警示标牌、布置排水沟及排水、导水管涵，路面净宽4.5～8.0m，路基不小于8.00m，局部不够路段进行扩宽。道路坡比不大于15%，局部地段降坡处理，转弯半径R不小于15.0m，在适当位置布置相应的回车坪、错车道。软路基（包括采场内道路）采用块石换填60～80cm厚，路面为40cm厚的级配碎石层，采用33T振动碾碾压密实。安排专人经常性的对路基面进行维护，并及时排除路面与边沟积水。

覆盖层剥离弃料运至1#、2#弃渣场，运距1.5km，后期用于对土料场复耕恢复。

粘土料填筑施工道路布置如下：

施 工 道 路 特 性 表

序号	道路名称	起点高程(m)	终点高程(m)	长(km)	最大纵坡(%)	路面宽(m)	路面结构
1	1#临时道路（采场至大坝）	2240.00	2093.00	4.50	15.00	4.50～8.00	泥结石路面
2	2#临时道路（采场至弃料场）	2200.00	2268.00	1.20	15.00	4.50～8.00	泥结石路面
3	采料场内临时道路	2200.00	2240.00	2.50	12.00	8.00	泥结石路面
4	乡村路复建	2200.00	2265.00	2.50	12.00	4.50	泥结石路面

场内临时道路过沟部位均布置排水管涵，并安排专人对各道路进行经常性的维护保养。

3.3施工用电布置与照明

土料场附近无变压器，现场布设1台55KW的柴油发电机，供2套照明设备及集水坑抽排水用，低洼处布置4处集水坑，污水泵4×5.5KW向左右冲沟排水。

翻晒场地靠近钢筋厂，附近有2#变压器，有拌和系统配电箱，从配电箱中引线接照明用电，利用钢筋厂的灯具与地中衡的灯具外，另加1KW的照明灯具1套。

3.4翻晒场地与周转存料场

粘土料翻晒场地分为2处：第一处为坝址上游库盆内高程2055.00m平台，地泵房右侧，长宽80.00×30.00m，面积约2400m2,土料储存6000m³,同时也作为周转存料场地，堆土高度不宜超过3.0m，采用东方红404松土器定期不断翻耕。料场周边做好排水措施，防治发生积水现象。第二处为土料采场采空部位闲置坪地，同时做好防水措施。

4.土料开采与加工

本工程用于直接开采的心墙料为粘土，位于迤岔土料场，详见《迤岔土料场平面布置图》，土料场无用料剥离开挖约2.08万m³，有用粘土料可开采量约15.84万m³（自然方）。

由于土料填筑期间，该地区降雨较为频繁，空气湿度较大。为了预防土料含水率过高，土料场开采采用由外向里、边剥离边开采的原则，剥离范围为一个星期的土料填筑量，严禁一次性剥离完成。

（1）剥离要求：剥离表层耕作土层、腐殖土、植物根茎，平均剥离层为100cm，开采过程中，根据实际耕作层作适当调整，开采底界以土石分界线以上200cm控制。对于不能满足填筑要求的土体，如含砂量超标、粒径超标的土体，采用人工或机械选料，去除不合格料。

（2）填筑高峰期时，粘土料场分为两个开采区，每个采区面积按长、宽分别为25×30m左右分区。

（3）土料场做好排水、降水措施，雨雪天做好防护遮盖，防止粘土含水量过大。若土料含水量过高时，必须采取翻晒等措施，翻晒点为料场已挖除面及库盆内的存储料场，采用自卸汽车将粘土料由粘土料场运至翻晒场地，用挖机、松土器定时翻转土料，配合风机吹风的方式降低含水率。

5.心墙料填筑施工流程

5.1测量放样

（1）利用施工测量控制网，在左右两岸设置固定的座标和高程控制点，进行大坝施工。并对控制点定期进行复核。

（2）坝体填筑期，在不同高程测设控制点并设置醒目标志。

（3）根据设计施工图所示的土料填筑区域，在每层填筑基础面上利用全站仪放出粘土填筑边线，并采用拉设工程线、施撒白灰等方式对土料填筑边线作出明显标志。并在坝面布置方格网点控制各区碾压层厚。

5.2坝料运输

粘土料场距坝址区域约4.5km，有村建制水泥混凝土路面相连接，道路宽度2.5m左右，沿线存在农家户。

粘土料运输过程中采用篷布进行覆盖，严禁拉载过满，避免运输过程中出现遗撒的情况。土料运输在雨天时，应采取防雨措施。

5.3卸料

粘土料填筑运输车辆不宜直接来回在已验收合格填筑层面上碾压，卸料采用进占法，卸料如下图所示：

进占法卸料方法图

5.4铺料

（1）铺料厚度

1）根据施工图要求，结合碾压试验成果及以往施工经验，确定粘土料最大铺设厚度为30cm。

2）铺层厚度及层厚控制

铺料前，根据心墙铺设厚度，在心墙回填区周边施放铺填高程控制点，拉线标识填筑高程线；铺料时，在推土机前进方向用高度标尺控制其平料厚度；推土机平料时，推刀从料堆一侧最底处逐步向另一侧前方推料并保持平整。每卸一车土料后及时进行摊铺。心墙料与两岸山坡接合面处，推土机沿山坡线平整后，由人工进行精平，且该部位填料厚度略低于铺料厚度。

（2）超径石处理

1）粘土料在料厂进行装料时，安排专人进行跟踪，对部分超径石采用挖机进行筛捡，对于含石量较多区域的土料，严禁装车。

2）部分上坝料中含有的超径石，在卸料及摊铺过程中，安排坝面小工专门进行清理，避免有超径石出现。

5.5粘土料加水

由于该粘土料含水量较高，基本可不考虑场外加水。但对于层间结合面的洒水，采用洒水车在供水点处接水后运至坝面，利用动式高压喷射枪进行洒水，洒水喷射枪由人工控制，补水量按照已批准的碾压试验确定的加水量采用水表计量进行控制。

5.6粘土料碾压

（1）碾压设备配置

心墙料碾压：采用26t自行式凸块压路机进行碾压，碾压方向平行于坝轴线。

（2）主要碾压方法

根据粘土料碾压试验结论进行：

1）卸料：采用进占法卸料；

2）铺料厚度：30cm，允许偏差（+0、-5）cm，严格控制铺土厚度；

3）碾压遍数：振动凸块碾碾压10遍（单遍），杜绝超或欠压、漏压；

4）行走速度：振动油门低速档，行车速度2.8km/h；

5）错距方式：错距按凸块碾碾滚净宽除以碾压遍数（复遍）进行控制；

6）控制参数：据现场击实试验，建议现场质量控制采用压实度和渗透系数控制，压实度≥96%；室外渗透系数必须满足k＜1.0×10-5cm/s；室内渗透系数必须满足k＜5.0×10-6cm/s；

7）跨区碾压：坝体采用平起上升的填筑方式，对粘土料与其他坝料结合部位采用“先碾压土料一侧，合格后再碾压其他坝料一侧”的方式。

6.不合格土料的处理方法

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6.1弃料处理

表层种植土、腐植物土，开采过程中超过设计粒径要求的夹块石土料，转运至1#、2#弃渣场弃置。

6.2现场掺和与堆存处理

土体中局部含砂量较大的部位，用挖掘机开采后临时堆存并与含砂量小的土体充分掺和，经检测合格后方可上坝填筑。

6.3含水量大的土料处理

经现场试验，该粘土料的最优含水率为30.0%。对于开挖后含水量仍然较大的土料，必须转运至翻晒场，翻晒至其含水量在最优含水量范围内。冬季翻晒温度低，日照时间短，另外配置2台套风机，对土料面层吹风降低水分，风机功率15kw，风量12m³/s。

6.4超径料的处理措施

根据设计要求，对粘土料中的大于15cm的超径料，采用在采土场、储存料场翻晒与填筑过程中三个阶段进行机械配合人工进行清除的方式；对6.0cm～15.0cm超径料集中的部位采用机械处理的方式进行分散，防止超径料架空的情况出现。

7.开采与填筑土料专项措施

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7.1雨季质量控制措施

（1）雨季加强天气预报，提前了解天气变化，做好预防措施；

（2）做好汛期防洪工作，配备防汛物资、设备、人员；

（3）做好路面防滑措施；

（4）上坝土料雨天施工时，但须防止料物被雨水淋湿，含水量增大，泥沙污染。

7.2负温的质量控制措施

负温期间施工上坝料不得加水。必须上坝时，可采用减薄填筑层厚或增大压实机具的功率等措施保证达到设计要求。如果因下雪等原因停工，复工前必须清理干净坝面积雪、冻块等并重新对填筑层进行碾压，检查合格后方可复工。

7.3汛期施工

铜厂水库汛期在5月～10月间，计划在2022年4月25日前填筑至设计度汛高程2063.80m，如遇特大洪水，拟对挡水坝体迎水面局部用坝壳料加高2.0～3.0m、加宽5.0～6.0m挡水，迎水面铺盖防渗防冲土工膜400g/m2，并延长至两岸岸坡，防止洪水冲涮粘土心墙部位。

8.质量管理与控制

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8.1料源的质量控制

（1）料源控制

1）土料开采前，先对开挖区域内的植被、覆盖层等无用料层进行剥离处理；

2）由于该粘土料场含水率较高，对整个料场按照10m×10m的面积进行土料场分区分块作快速检测，并开挖通风槽，以降低料场土料含水率。

（2）上坝料的分选挖装

1）对料场的土料采用分选挖装，检测不合格的料不准上坝；

2）为保证上坝料的级配均匀合理，避免出现超径料集中装车的情况，可在料场开采区利用挖机对开挖土料进行翻拌。

3）在粘土料场设置质量控制点，由现场专职质检员对每车土料进行检测，确认合格后方可放行上坝。

8.2运输与卸料质量控制

（1）运输土料车辆配置防雨防晒帆布；

（2）粒径超过设计要求的不合格土料，作为弃料运至弃料场；

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（3）含水量大的转运至库盆翻晒场翻晒，存储至合格方可上坝；

（4）不合格土料的运输车严禁上坝。

8.3铺料厚度控制

（1）按设计要求及现场碾压试验成果来控制心墙粘土料每层铺设的厚度并进行铺料填筑。其平整度采用水平仪进行抄测，层厚控制在规范要求范围内。

（2）为控制心墙料铺填层厚，在距填筑面前沿6m的位置处设置移动式标杆，以此来控制心墙填料的铺设厚度，避免出现超厚或过薄的情况。

（3）推土机推料、平料时，推刀从料堆一侧最底处逐步向另一侧前方推料并保持平整。

（4）推土机平料后，暴露于表面的超径块石及时要求现场做人工人进行筛捡处理。

（5）现场安排专人对各层填筑面进行填筑厚度的控制及检查。

（6）填筑、铺料及碾压完成后，安排现场试验人员按网格进行取样检测，必须达到设计技术要求才能继续填筑上一层。对未满足设计要求的部位，必须重新处理并检测，合格后方可继续上升填筑。

（7）与其他坝料交界部位，必须拉线标识，严格控制料区分界线，对于各区侵占料，采用人工及时清理。

（8）铺料厚度必须符合碾压试验成果要求，其误差控制在-5cm～0cm范围内。

8.4粘土料洒水

由于该粘土料含水量较高，基本可不考虑场外加水。但对于层间结合面的洒水，采用洒水车在供水点处接水后运至坝面，利用动式高压喷射枪进行洒水，洒水喷射枪由人工控制，补水量按照已批准的碾压试验确定的加水量采用水表计量进行控制。

8.5特殊部位质量控制

（1）与岸坡接合部

1）采取人工对与粘土料接触部位的岸坡进行清理，必须清理至完整、坚硬的基础部位。在粘土填筑到该部位前，采用按照设计配比拌制的泥浆对该部位进行涂刷，涂刷高度应高于每填筑仓面10cm左右。

2）在与岸坡结合部2m宽范围内，精选优质粘土料进行回填，填筑厚度较正常作业仓面低3～5cm，以便小型机械能够更好的对该部位进行碾压。

2）粘土料均采用进占法进行填筑施工，以避免碾压成型的粘土填筑层遭受破坏；

3）与岸坡结合部位的粘土心墙料应采用小型压实机械进行碾压，碾压完成后，对该部位压实效果进行抽样检测，必须保证该部位粘土心墙料的碾压效果。

（2）与混凝土盖板结合部位

1）该结合部位施工前，采用人工对混凝土盖板表面进行凿毛处理，凿毛的深度、密度、方向等严格按照规范要求进行施工。凿毛完成后，及时对其上的混凝土残渣进行清理干净，按照心墙料填筑高程，在盖板上放出填筑仓面，并在粘土填筑到该部位前，采用按照设计配比拌制的泥浆对该部位进行涂刷，涂刷高度应高于每填筑仓面10cm左右。

2）在与岸坡结合部2m宽范围内，精选优质粘土料进行回填，填筑厚度较正常作业仓面低3～5cm，以便小型机械能够更好的对该部位进行碾压。

3）与岸坡结合部位的粘土心墙料应采用小型压实机械进行碾压，碾压完成后，对该部位压实效果进行抽样检测，必须保证该部位粘土心墙料的碾压效果。

（3）与上下游反滤料接触部位

1）采取“先砂后土”的填筑顺序以保证粘土心墙料的填筑范围满足设计要求。

2）该部位施工前，由项目测量人员按照设计要求放出粘土料填筑边线，工人拉取工程线对该部位进行标识后，再进行反滤料填筑。

3）反滤料填筑过程中，对侵入到心墙区的反滤料，及时要求工人进行清理，保证心墙填筑范围及仓面的洁净。

4）填筑完成后，及时对反滤料和粘土心墙料的交接部位进行处理，已达到各坝料分区明确、无相互侵占的效果。

8.6粘土心墙检测控制

粘土料填筑过程中必须严格控制其干容重、含水率、渗透系数等参数。干容重的测定采用环刀法，含水量的测定采用燃烧法和烘烤法，渗透系数的测定室外采用单环法、室内采用变水头渗透系数测定法，各项参数必须满足设计与规范要求。

9.施工安全与文明施工

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9.1临时施工道路交通安全保证措施

（1）大坝施工期间由于强度较高，各类施工机具、车辆、人员多必然导致道路拥挤的情况，所以在道路陡峭段及转弯处要设置必要的防撞墩、交通指示及警示标志等，各危险地段，增设安全墩等临时设施。视线较差的地段，设置广角镜，安排专职交通指挥员现场现场巡视，防止道路安全事故的发生。

现场严格控制行车速度，随时由车管人员进行巡视，并对违章现象进行查处。安排专人定期对路面进行维护，保证道路通行安全。

（2）雨雪天气不宜重型车辆运输，严禁无关人员及车辆进入坝面，斜坡面严禁停放大型设备。

（3）定期对机械驾驶人员进行安全教育及培训。上班前严格对每辆车的制动系统、动力系统进行检查，不合格车辆不准进入施工。

9.2作业面施工安全保证措施

（1）每班作业前，由现场施工员就本作业区域内的施工内容、质量控制要点、施工区内的危险源、安全防治措施、应急处理措施等内容进行详细的班前交底。

（2）坝面填筑，尤其在上下游坡面部位，随着坝体填筑的升高，临空面越来越高。作业时，施工作业面必须有挡护措施，各生产管理人员及安全员必须现场监督指挥，以防安全事故的发生。石料厂与填筑现场分别配置1KW的照明灯具，局部照明采用100W灯具。

（3）填筑面检测检验人员、机械作业设备必须统一指挥，防止发生机械设备撞人、伤人事故。

（4）必须对粘土料场进行划规，统一布署。装车时严禁超高装运，防止土料沿途散落。现场设专职道路维护人员，及时对路面散落的土料进行清除，保持路面整洁。路面采用洒水车洒水，避免扬尘污染环境。

（5）做好危险源辨识、分析、控制，制定机械事故、交通运输事故、爆破事故、落石伤人的措施，保证施工过程中的安全。

（6）雨天与雪天施工时，陡坡面运行的运输机械设备暂停作业，或者采取防滑保证措施。

（7）在料场开采区域设置施工区警示标志，非施工作业人员严禁进入作业区域。

（8）防坍塌：料场立面开采层厚不大于2m，存在可能发生局部坍塌的情况时时，施工人员严禁靠近挖掘作业面，采用机械处理并消除安全隐患后，方可继续进行施工。

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