筑畦灌水法调节含水率在罗赛雷斯大坝加高工程中的应用

夏 海 龙

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)



筑畦灌水法调节含水率在罗赛雷斯大坝加高工程中的应用

夏 海 龙

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

苏丹罗赛雷斯大坝加高工程包括河床混凝土坝段加高和左、右岸土石坝加高。土石坝加高工程涉及大量粘土料开采，阐述了在天然含水率偏低的土料场运用筑畦灌水法调节粘土料含水率的方法，介绍了筑畦灌水法的确定过程、工序、施工参数、特点及其在罗赛大坝加高工程中的应用等。

土料场； 粘土料； 天然含水率； 最优含水率； 筑畦灌水法；罗赛雷斯大坝

1 工程概述

原罗赛雷斯大坝枢纽工程位于苏丹共和国青尼罗河省首府罗赛雷斯镇，建于1960～1967年，主要由河床段混凝土坝和两岸土石坝组成，总长度约为13.5km。罗赛雷斯大坝加高工程在现有坝基础上加高10m，加高后坝体总长度约为25.1km，坝长堪称世界之最。加高后库容增加40亿m3，库水用来灌溉喀土穆与罗赛雷斯之间的农田。该工程于2008年5月1日开工，于2013年1月1日完工。

土石坝加高工程涉及填筑工程量约1 700万m3，其中粘土料和任意料(粘土脏砂混合)合计约1 000万m3。

罗赛雷斯大坝所处区域季节性明显，夏季多雨，冬季干燥。年降雨主要集中在6月至9月初。夏季气温一般超过40 ℃，湿度较高；冬季气温约30 ℃，湿度较低。平均年降雨量为782.7mm，平均日蒸发量为10.2mm。

业主提供的罗赛雷斯大坝加工工程主要土料场共有7个，分布较分散，左岸5个，右岸2个。土料场总体地势相对平坦，地下水丰富，埋深一般在12m范围内。

土料场主要包括粘土、脏砂和净砂三种料物。粘土和脏砂一般分布在上部，净砂分布在下部。受该区域气候影响，土料场中的粘土6～9月(雨季)的含水率一般可满足要求，局部含水率甚至偏高，而在一年中的另外8个月(枯期)，土料场中的粘土含水率总体远低于最优含水率，故需要调节含水率。

2 开采方式比较及筑畦灌水法的选定

2.1 开展开采试验的背景

针对土料场枯期上部粘土料物含水率偏低等情况，施工单位组织中国水利水电第七工程局有限公司和第五工程局有限公司相关专家讨论后，决定开展多种土料加水开采方法的对比试验。而分管土石坝的德国拉美尔咨询公司工程师起初坚持要求采用暂存加水法进行土料开采，后经施工单位土石坝专家介绍了中国国内多种调节含水率方法在不同区域的成功应用后，拉美尔公司最终同意施工单位通过多种土料加水开采对比试验来确定土料含水率的调节和开采方法。施工单位在相关方案报咨询工程师审批后，在左岸ⅣA料场选定了三块试验场地分别开展了三种加水开采试验。

2.2 开采试验场地的布置

(1)筑畦灌水开采试验场地的布置。

根据地质勘探资料和现场探坑资料，为筑畦灌水开采试验选择了一块开采试验区域，其粘土分布在上层，表层粘土含水率偏低，尺寸为40m×40m。

(2)刨松洒水开采试验场地的布置。

根据地质勘探资料和现场探坑资料，为刨松洒水开采试验选择了一块开采试验区域，其粘土分布在上层，表层粘土含水率偏低，尺寸为20m×20m。

(3)暂存加水开采试验场地布置。

根据地质勘探资料和现场探坑资料，为暂存料场加水开采试验选择了一块取料区域，其粘土分布在上层，表层粘土含水率偏低，尺寸为20m×20m。在取料区域就近布置了暂存加水区域，尺寸为20m×20m。

2.3 开采试验方法

(1)方法一：

①通过筑畦灌水法调整含水率；

②在不同深度检测粘土自然含水率；

③对比自然含水量和最优含水量以确定每m3土的理论加水量；

④剥离试验场地表土、在试验场地筑畦，畦高30cm；

⑤向坑内注水、浸泡，注水深度为20cm左右。浸泡期间定期测取土料的含水率变化值；

⑥重复注水、浸泡直至含水率达到理想值；

⑦测得含水率合适时用反铲立采挖装、自卸汽车运料至碾压试验场地。

(2) 方法二：

①通过刨松洒水法调整含水率；

②在不同深度检测粘土自然含水率；

③对比自然含水量和最优含水量以确定每m3土的理论加水量；

④剥离试验场地表土；

⑤用带裂土器的推土机松土；

⑥用推土机平整；

⑦用洒水车表面洒水；

⑧定期测含水率；

⑨重复洒水直至含水率达到要求；

(3) 方法三：

①通过暂存料场加水法调整含水率；

②剥离取料区域表土；

③用带裂土器的推土机松土；

④用推土机集料、反铲挖装、自卸汽车运输至暂存料场；

⑤用推土机摊铺料，铺料厚度为1.5m；

⑥在不同深度测试粘土自然含水率；

⑦对比自然含水量和最优含水量以确定每m3土的理论加水量；

⑧用反铲翻土、加水；

⑨用推土机闭合表面、熟化并定期测含水率；

在上述试验过程中，安排专人统计了水深、浸泡时间、加水量、含水率变化值、气温、需要设备和人力数量等数据。试验结束后，通过分析这些数据，分析比较了三种方法所需设备、人员、费用、时间、加水效果、加水参数和可操作性等。

2.4 开采试验结果分析及筑畦灌水法的选定

2.4.1 筑畦灌水法开采

(1) 试验数据及其分析。

根据现场记录及试验数据，对相关试验参数进行统计如下：

气温：16 ℃～37.5 ℃；加水量： 715m3；灌水时间：7d；灌水水深：20cm；调整含水率时间：14d。

试验期间，试验室分别在灌水前、浸泡期间、浸泡后沿深度方向每隔0.5m取样做含水率测试，取样深度为3.5m。

上述不同时间取样点含水率随深度分布情况见图1。图1中共有6个取样点，其中TP3和TP4为灌水前的取样探坑，探坑采用反铲挖成，土样采用人工挖取；BIA-BH-2 和BIA-BH-3为灌水浸泡期间的取样钻孔，BIA-BH-4和BIA-BH-5为浸泡后的取样钻孔，钻孔皆采用麻花钻手工钻入，土样采用人工取麻花钻附着土。

(2) 筑畦灌水试验小结。

根据对以上试验参数和试验数据等进行综合分析，总结出筑畦灌水开采具有以下特点：

①参照图1，可以看出筑畦灌水调整含水率的方法效果很好。灌水前，粘土表层0～1m含水率偏低，灌水后在0～3.5m范围内粘土料含水率均在OMC-1～OMC+5范围内，符合相关技术规范规定。

②灌水前，含水率沿深度方向分布极不均匀，灌水后含水率沿深度方向分布较为均匀。

③开采方式：含水率调整合适后，反铲立采挖装。这种开采方式效率高，有利于提高开采强度，有利于主体工程的填筑施工。

④该试验工序较少，便于操作与现场管理。

图1 取样点含水率分布图

⑤试验时间：此次试验含水率调整用时14d，即自开始灌水到浸泡至含水率合适的时间。

2.4.2 刨松灌水开采试验

(1)试验数据及分析。

根据现场记录及试验数据，该试验取得的相关参数如下：

气温：16 ℃～37.5 ℃；开采区域尺寸：20m×20m；加水量： 440.5m3；加水时间：7d；调整含水率时间：9d。

试验期间，试验室分别在加水前、加水后取样做含水率测试。

上述不同时间取样点含水率随深度分布情况见图2，图2中共有3个取样点，其中TP1和TP2为加水前取样探坑，探坑采用反铲挖成，土样采用人工挖取；SA-BH-1为加水后取样钻孔，采用麻花钻手工钻入，土样采用人工取麻花钻附着土。

图2 取样点含水率分布图

(2)刨松灌水试验小结。

对以上试验参数和试验数据等进行综合分析，可以总结出刨松灌水开采具有以下特点：

①参照图2，可以看出通过刨松灌水调整含水率的方法效果较好。加水前粘土表层0～1m含水率偏低，灌水后在0～3m范围内粘土料含水率基本在OMC-1%～OMC+5%范围内，满足相关技术规范规定。

②灌水前含水率沿深度方向分布极不均匀，灌水后含水率沿深度方向分布较为均匀。

③开采方式：含水率调整合适后，反铲立采挖装。这种开采方式效率高，有利于提高开采强度，有利于主体工程的填筑施工。

④该试验工序比筑畦灌水多了刨毛和平整工序。

⑤试验时间：本次试验含水率调整用时9d，即自开始加水到浸润至含水率合适的时间。

2.4.3 暂存加水以调整含水率开采试验

(1) 试验数据及其分析。

根据现场记录及试验数据，本次试验取得的相关试验参数如下：

气温：16 ℃～37.5 ℃；开采厚度： 2～3m；暂存堆厚：1.5m；加水时间：7d。

此次试验的料物在料源区测得天然含水率和在暂存区域加水后测得的含水率数据分别为：加水前天然含水率为19.7%～21.9%；料物最优含水率为23.8%；加水后人工挖取4个含水率取样点，含水率分别为22.7%，23.3%，31.3%，25.1%。

(2)暂存加水试验小结。

对以上试验参数和试验数据等进行综合分析，可以总结出暂存加水开采具有以下特点：

①根据现场追踪分析和试验纪录数据，暂存加水调整含水率基本在OMC-1%～OMC+5%范围，基本满足技术规范规定。

②开采方式：料源取料采用推土机集料、反铲挖装的平采方式；在暂存料场加水并熟化至含水率合适后，采用反铲立采挖装。

③此次试验工序明显多于筑畦灌水试验和刨松灌水试验，增加了一次平采工序，加水工序也较筑畦灌水试验和刨松灌水试验复杂。在大面开采时所需挖掘机和推土机数量更多。

④本次试验要求暂存场地，故相对筑畦灌水试验和刨松灌水试验需要更大的施工场地。

2.4.4 试验结论及筑畦灌水法的选定

综合比较以上粘土加水开采的三个试验，总结出其各自具有的特点见表1。

表1 粘土加水开采试验对比分析表

由表1可以得出以下结论：筑畦灌水开采是最经济、最高效、最适用的开采方法，唯一不足的是调整含水时间略长，但在大面开采中同时展开多个工作面，开采一个工作面同时可以进行其它几个工作面的含水率调整等的开采准备工作，从而可以减少整个开采时间，提高效率。

施工单位将开采试验结果对比分析后递交德国拉美尔咨询公司，拉美尔公司对施工单位的筑畦灌水法成果表示祝贺并批准在以后的料场开采大面中运用筑畦灌水开采法。

3 工程应用

在开采试验确定采用筑畦灌水法开采土料后，罗赛雷斯大坝加高工程中土石坝填筑所用粘土料和任意料基本上都是在料场通过筑畦灌水法调节含水率后立采开挖上坝。

调节含水率所需水源基于当地料场地下水丰富的特点，主要通过在料场钻井获取地下水。

筑畦灌水法对于保证罗赛雷斯大坝料源的质量、减少施工占地、减少挖掘设备投入、降低施工成本起到了重要作用。

筑畦灌水法试验所确定的参数在罗赛雷斯大坝加高工程土石坝填筑料物开采过程中得到了广泛应用，并且在当地施工资源有限的情况下达到了120万m3的月填筑强度，满足了合同要求的施工进度，获得了业主单位和咨询工程师的好评。

夏海龙 (1985-)，男，陕西旬阳人，工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

2016-10-28

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