苗尾水电站心墙砾质土料开采补水技术

(中国人民武装警察部队 水电第一支队， 河北 唐山 063000 )

1 工程概况

苗尾水电站为心墙堆石坝工程，为中央直立砾质土心墙，设计坝高131.8 m，坝顶轴线576 m,坝顶宽12 m，坝体总填筑方量1 027.6万m3，其中心墙砾质土填筑量118.8万m3。坝体填筑砾质土料场位于坝址左坝头，分为A、B两区。A区为斜坡地形，地面高程1 405～1 600 m，面积 0.12 km2，料场为林地。B区地面高程1 365～1 570 m,面积 0.07 km2，料场为林地及旱地。根据地勘报告显示，黏土矿物主要有高岭石、绿泥石、水云母、蒙皂石、绿蒙混层，膨胀试验的自由膨胀率为11.5%和11.0%，均小于40%。其主采区总的剥离量约 3.803万m3，有用料储量约为 31.62万m3。

根据苗尾水电站《大坝心墙防渗土料碾压试验报告》及《土料场开始施工技术要求》[1]，坝址左岸砾质土料最优含水率为14.0%，现场天然含水率为10.1%，天然含水率偏干3.9%。在心墙填筑施工过程中，为了保证砾质土料经碾压以后达到全料95%以上的压实度，需对砾质土料在上坝之前在土料场进行补水。

2 土料场补水技术

2.1 补水量

根据《土料场开始施工技术要求》，坝址左岸土料场砾质土料开采深度1～10 m，开采方量31.62万m3(密度1.63 g/cm3)，天然含水率偏干3.9%。按照设计要求，土料在偏湿1%～3%的情况下，压实度都能达到设计要求。因此，补水率在考虑偏干3.9%的情况下，另需考虑偏湿1%～3%。依此进行补水工程量计算，共计需补水约25 254～35 563 t，即水量约25 254～35 563 m3。

2.2 土料场补水方法

根据其他水电站工程施工经验，在开采运输过程中砾质土料含水率基本没有变化，在该工程施工过程中，考虑1%的损失。采取在土料开采之前一次补水到位的补水措施。在料场相应高程逐级按照高差7 m开挖如图1所示水平水沟(水沟两侧坡比1∶0.75)，水沟内存水，通过土体内渗流进行土料补水。

图1 补水方案水沟尺寸示意(单位:m)

2.3 土料场补水时机及参数设计

经计算，1 m3土料在自然状态下的补水量为79.9～112.5 kg。坝址左岸土料场土料在自然状态下的平均渗透系数约为6×10-5cm/s，表层1 m3土料需要补水 3.7～5.2 h(其单位面积渗透系数为 21.6 kg/h)[2]。

垂直方向最大深度10 m，该位置1 m3砾质土料补水需要196.8 d，考虑25%的渗流坡降，补水时间约为 245.9 d。按照大坝填筑施工转序总体进度安排，时间上不允许10 m的补水深度。同时，根据《土料场开采施工技术要求》[1]，坝址左岸土料场砾质土料深度为5 m以下，砾质土料天然含水率高于最优含水率约2%，故5 m以下不考虑补水。在后期开采过程中，上下层混采掺拌，局部调节含水率。

垂直方向最大深度5 m，该位置1 m3土料补水完成需要37.85 d，考虑11%的渗流坡降，补水时间约为 41.64 d。

根据前期勘察资料可知，坝址左岸土料场土料在垂直方向其密实度按照约 6.7%递增，其渗透系数相应减低。顺坡方向表层土密实度相对较低，渗透系数相对较高，根据相关理论分析，在保证垂直方向5 m补水深度的情况下，能够满足顺坡方向7 m高程的补水要求。

根据以上计算，确定垂直方向的补水深度为5 m，顺坡方向水沟高差为7 m，则其补水范围如图2所示。

图2 补水范围示意(单位:m)

根据补水方案，水沟单位长度储水量为 2.28 m3，即2.28 t，单位下渗面积为 4.52 m2。砾质土料渗透系数为6×10-5cm/s[2]，在水沟随时保证2/5储水量的情况下，能够满足140.3 h的下渗量要求，即 5.6 d。考虑蒸发损失3%，能够满足约5 d的下渗量要求。因此在补水过程中，要求水沟两次加水时间不得超过5 d。

2.4 深度大于5 m土料场补水技术

根据《土料场开采施工技术要求》，埋深大于5 m的土料，砾质土料天然含水率高于最优含水率约2%[3]，故5 m以下不考虑补水。在后期开采过程中，采取以下两种措施进行补水调节。

(1)采取混采掺拌的措施，即深度5 m范围之内的土料与5 m范围之外的土料同时进行开采，不分层，利用上层土料的自落实现与下层土料的混合，装车之前进行掺拌，混合装车。在其他水电站工程施工过程中，已成功应用以上措施。

(2)在开采之前，表土剥离完成以后，进行含水率检测，根据含水率检测结果确定是否补水，以及补水百分比。对于要补水的部位，提前5 d采用洒水车送水，沿着已剥离的范围进行人工补水。

在后期开采过程中，依据含水率检测情况综合使用以上两种措施。

3 土料场补水施工及检测

3.1 渗沟开挖

渗沟开挖按照高程从低到高的顺序，高差7 m进行测量放线，保证水沟水平。采用 2.5 m3挖掘机沿着放线方向一侧进行储水水沟开挖，开挖料甩至水沟低高程方向，挖机斗子进行局部水沟边墙夯实，不得夯实水沟底部，保证水沟底部砾质土处于松散状态。在储水水沟两端，采用水沟开挖料进行堆填夯实，防止储水通过水沟两端溢流，避免造成浪费。

水沟修建过程中，难免与场内施工道路形成交叉，在交叉位置断开排水沟，在断开段位置的低高程或高程处适当位置，在保证高差7 m、储水水沟两端分别超出断开段长度各2 m的情况下，开挖补水水沟。

3.2 加水下渗

水沟开挖完成以后，采用20 t加水车在上游围堰左堰肩加水，沿着左岸中线公路、左岸高线公路及坝址左岸土料场场内临时施工道路运输至加水水沟一侧(运距约3.5 km)，从高到低向水沟加水，要求每个水沟必须按所需补水量将水加至相应的储水深度。

储水初期，安排专人巡视水沟周边，对于溢流的部位及时采用铁锹挖土补填，以防溢流。同时，补水过程中，不定期安排专人巡视水沟内储水情况，根据水沟内储水深度及时加水。

3.3 含水率检测

在水沟储水初期，根据砾质土料含水率检测相关规范，在坝址左岸土料场场内适当位置，取料进行含水率检测，确定补水之前的含水率[4]。水沟储水开始下渗后，再在上次取样相应位置取样，测定其含水率。通过比较含水率的变化，检验补水效果，校核补水时间。

4 结 语

在研究坝体填筑砾质土料特性及天然含水率的基础上，结合工程建设实际和经验，通过计算补水量，根据土料自然状态下的平均渗透系数，开挖渗水方沟，加水自然渗透，土料装车之前进行混合掺拌装车。合理的坝体填筑砾质土料补水，较好地解决了天然土料含水率不稳定的问题，并及时进行含水率检测评估，确保了砾质土料上坝填筑质量要求，为今后类似心墙堆石坝砾质土料防渗体填筑施工积累了经验。