一种粘土心墙堆石坝坝体快速填筑施工方法

摘要

本发明公开一种粘土心墙堆石坝坝体快速填筑施工方法，具体步骤是：将心墙堆石坝分为9个大区；坝基上、下游堆石区基础开挖完成经验收后进行坝体填筑施工；坝体填筑前期，首先进行上、下游堆石区基础下的垫层料和水平反滤料及其对应的复合土工膜安装及上、下游堆石区料施工，待河床段粘土心墙区范围基础处理、灌浆廊道混凝土施工完成后，进行灌浆廊道顶部以下部位粘土心墙及高塑性粘土施工；然后进行正常的坝体全断面填筑，整体上升至坝顶填筑高程。有益的是，本发明施工快速，对工期保证有力，填筑质量满足相关要求。本发明适用于前期工程受移民征地、复杂基础处理等影响正常施工进度，而完工节点目标不变的大型粘土心墙堆石坝填筑施工。

说明书

技术领域

本发明涉及一种施工方法，特别是涉及一种坝体填筑的施工方法。

背景技术

粘土心墙堆石坝是一种当地材料坝，由于它具有因地制宜、就地取材的特点，因而在我国近几年的水利建设高潮中得到了很大的发展。为保证水电站蓄水及防洪度汛的双重节点目标的实现，需要一种在较短工期内实现坝体的大量填筑，同时，还必须要保证坝体具有高质量。

发明内容

鉴于此，本发明目的在于提供一种易于掌握、质量便于控制，能够较大范围的推广运用的施工方法。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种粘土心墙堆石坝坝体快速填筑施工方法：

1）将心墙堆石坝分为9个大区，按照顺水流方向从上到下依次为：上游压重区、上游堆石区、上游过渡区、上游反滤区、粘土心墙区、下游反滤区、下游过渡区、下游堆石区、下游压重料区；

2）坝基上、下游堆石区基础开挖完成经验收后进行坝体填筑施工；坝体填筑前期，首先进行上、下游堆石区基础下的垫层料和水平反滤料及其对应的复合土工膜安装及上、下游堆石区料施工，待河床段粘土心墙区范围基础处理、灌浆廊道混凝土施工完成后，进行灌浆廊道顶部以下部位粘土心墙及高塑性粘土施工；然后进行正常的坝体全断面填筑，整体上升至坝顶填筑高程。

进一步地，粘土心墙区的填筑程序为首先填筑基底水平反滤料，再填筑心墙两侧反滤料，然后填筑心墙料，每层心墙料与同层反滤料同时碾压，平起上升；每上升2层反滤料和心墙料后上升一层过渡料；上、下游宽30m的范围内堆石料随心墙区一起填筑上升，心墙区每上升2层同时上升1层堆石料，依次循环填筑上升。

进一步地，所述粘土心墙区分为高塑性粘土料区及粘土心墙料区。

进一步地，所述高塑性粘土料区及粘土心墙料区坝体填筑一个单元施工程序为：

1）填筑单元平面测量，

2）基础面验收合格后填筑单元边线测量、放线，

3）进料、卸料，控制土料含水量，

4）平料、层厚控制，

5）凸块碾碾压，

6）碾压质量检查、取样，

7）验收合格后进入下一单元填筑，验收不合格返回步骤5）。

进一步地，所述粘土心墙区的具体施工方法是：将粘土料分为普通粘土和高塑性粘土，靠近廊道两侧2.5m范围为高塑性粘土，靠近盖板3.0m范围为高塑性粘土，其余部分为普通粘土，粘土料在廊道顶高程以下分上下游两个工作面填筑，跨过廊道后形成一个填筑工作面，粘土料与坝体基础面接触部位先填筑坝基反滤料，然后铺设土工防渗膜，在土工防渗膜上部开始填筑粘土料；粘土心墙料填筑施工先进行坝基反滤料填筑，然后铺设土工防渗膜，再测量放线，最后进行粘土料填筑；粘土料填筑前先对料源进行含水率测定，粘土填筑采用进占法施工，先由填筑面的一端开始上料，形成上料平台，平台高程严格按照松铺层厚标准控制，粘土大面铺料完成后，测量放出碾压参考线，碾压参考线平行坝轴线，间距4m，采用20T凸块碾平行坝轴线方向激振碾压，粘土采用进退错距法碾压，普通粘土碾压8遍，错距26cm，高塑性粘土碾压6遍，靠近盖板混凝土1.0m远部位采用振动碾静碾6遍；高塑性粘土填筑前，应在与高塑性粘土接触的廊道及盖板混凝土表面洒水湿润，并涂刷浓粘土浆，边铺土边夯实，粘土浆涂刷高度与铺土厚度应保持一致并与下部涂层衔接，严禁粘土浆干涸后再铺土和压实；粘土与水质量比为1：2.5～1：3.0，粘稠度以挂壁为准，涂层厚度3～5mm，心墙从第二层填土开始，与盖板接触的高塑性粘土应先于同层土料进行铺筑。

进一步地，堆石料区、过渡料区及反滤料区坝体填筑一个单元施工程序为：

a）填筑单元平面测量，

b）基础面验收合格后填筑单元边线测量、放线，

c）进料、卸料，进料时在坝外加水，

d）平料、层厚控制，

e）补充洒水，

f）碾压，

g）碾压质量检查，验收合格后进入下一单元填筑，验收不合格返回步骤f）。

进一步地，所述反滤料区使用反滤料进行填筑，上下游反滤料区均由F1、F2两个区组成，上游F1、F2各3.0m宽，下游F1、F2各4.0m宽，反滤料由天然砂砾石料场加工生产，小于0.075mm的土料含量不大于5%，反滤料填筑前先按照设计尺寸进行放样，反滤料与相邻的粘土料、过渡料界限分明，撒上滑石粉做好填筑参考线，反滤料的填筑应与心墙填筑面平起上升，反滤层与心墙连接处应采用振动平碾跨缝碾压；反滤层与心墙连接时，采用锯齿状填筑，并先铺筑反滤料后铺筑心墙；反滤层与过渡料连接时，同样采用锯齿状填筑；反滤料填筑时必须保持湿润状态，对料场刚生产出来的F1反滤料须进行脱水，在碾压前加水润湿，加水量以达到湿润效果即可。

进一步地，所述过渡区用过渡料进行填筑，过渡料宽12m，采用爆破料，最大粒径不大于300mm；小于5mm的颗粒含量宜在15%～25%范围，且D15≤20mm，过渡料压实后的渗透系数应大于5×10^-2cm/s，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%；过渡料松厚度度63cm，压实后56cm，压实厚度与反滤料相匹配；过渡料填筑采用进占法填筑，铺料完成后先采用挖掘机将与F2接触部位的超径石和集中块石清除干净，并采用细石渣料找平，洒水碾压；对与F2接触部位加强骑缝碾压。

进一步地，堆石料区采用堆石料进行填筑，堆石料最大粒径不大于800mm，小于5mm的颗粒含量应控制在10％～25％；不大于0.075mm的颗粒含量应不大于5％，不均匀系数大于10，渗透系数大于5×10^-2cm/s；堆石料填筑采用进占法、后退法或混合法填筑；堆石料填筑松厚度度1.0m；堆石料碾压前进行洒水，堆石料的加水量为10％～25％。

进一步地，坝体填筑上游压重区、上游堆石区、上游过渡区、上游反滤区、粘土心墙区、下游反滤区、下游过渡区、下游堆石区、下游压重料区的衔接部位施工程序为：

1）心墙料、反滤料、过渡料和30m范围内的堆石料平起上升；

2）首先进行第1层反滤料和2层心墙料填筑，

3）再进行第2层反滤料和2层心墙料填筑，

4）然后进行第1层过渡料及第1层堆石料填筑；

5）第2层反滤料和心墙料与第1层过渡料、堆石料一起碾压，

6）依次循环填筑上升。

有益的是，本发明所述粘土心墙堆石坝坝体快速填筑施工方法施工快速，对工期保证有力，填筑质量满足相关要求。本发明适用于前期工程受移民征地、复杂基础处理等影响正常施工进度，而完工节点目标不变的大型粘土心墙堆石坝填筑施工。

附图说明

图1是坝体各料区施工顺序图。

图2是坝体填筑施工总程序图。

图3是坝体粘土、高塑性粘土填筑施工程序图。

图4是大坝填筑施工程序图。

图5是坝体心墙区、反滤区、过渡区、堆石区衔接部位填筑施工程序图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进行说明。参见图1至图5。

1、确定坝体分区及各种填筑参数

将心墙堆石坝分为9个大区，按照顺水流方向从上到下依次为：上游压重区、上游堆石区、上游过渡区、上游反滤区、粘土心墙区、下游反滤区、下游过渡区、下游堆石区、下游压重区。其中，上下游反滤料区均分为F1和F2两个区，其中F1所用反滤料粒径Dmax≤20mm，2.7mm≤D85≤9.5mm；F2所用反滤料粒径Dmax≤80mm，17mm≤D85≤45mm。粘土心墙区所用填料包括高塑性粘土和普通粘土两种。

2、坝体各料区施工顺序

为保证坝体整体质量，特别是心墙区的填筑质量，坝体各料区填筑原则是：保证粘土料、反滤料、过度料的结构尺寸，填筑时不允许反滤料侵占粘土料、不允许粗颗粒侵占细颗粒。各区填筑顺序如图1所示，图中序号表示填筑的顺序，相邻两个区结合处的坡度为1：0.75。

3、坝体填筑施工总程序

（1）坝基上、下游堆石区基础开挖完成经验收后进行坝体填筑施工。坝体填筑前期，首先进行上下游堆石区基础下的垫层料和水平反滤料及其对应的复合土工膜安装及堆石区料施工，待河床段心墙区范围基础处理、灌浆廊道混凝土施工完成后，进行灌浆廊道顶部以下部位粘土心墙及高塑性粘土施工。然后进行正常的坝体全断面填筑，整体上升至坝顶填筑高程。坝体填筑施工总程序图见图2。复合土工膜以塑料薄膜作为防渗基材，与无纺布复合而成的土工防渗材料，它的防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。目前，国内外防渗应用的塑料薄膜，主要有聚氯乙烯、聚乙烯、乙烯/醋酸乙烯共聚物，它们是一种高分子化学柔性材料，比重较小，延伸性较强，适应变形能力高，耐腐蚀，耐低温，抗冻性能好。

（2）心墙区的填筑程序为首先填筑基底水平反滤料，再填筑心墙两侧反滤料，然后填筑心墙料，每层心墙料与同层反滤料同时碾压，平起上升。每上升2层反滤料和心墙料后上升一层过渡料。上、下游一定范围（宽30m）堆石料随心墙区一起填筑上升，心墙区每上升2层同时上升1层堆石料，依次循环填筑上升。

4、坝体填筑单元施工程序

（1）高塑性粘土料区及粘土心墙料区坝体填筑一个单元施工程序如图3所示。

（2）堆石料区、过渡料区及反滤料区坝体填筑一个单元施工程序如图4所示。

（3）坝体填筑心墙料、反滤料、过渡料、堆石料等衔接部位施工程序如图5所示。

心墙料、反滤料、过渡料和30m宽的堆石料平起上升。填筑顺序如下：首先进行第1层厚度为40cm的反滤料和2层厚度为40cm的心墙料填筑，再进行第2层反滤料和2层心墙料填筑，然后进行第1层过渡料及第1层堆石料填筑。第2层反滤料和心墙料与第1层过渡料、堆石料一起碾压，依次循环填筑上升。

5、填筑实施参数

堆石坝坝体填筑施工参数，是保证坝体填筑质量和进度的基础。碾压试验是填筑前最为重要的技术参数论证工作，也是确定大坝能否顺利填筑及确保大坝安全的重要环节，一般而言，在招标文件中或填筑技术要求中，提出的指标是建议性，均要求在碾压试验中进行复核和验证。碾压试验根据工程类比法拟定施工参数进行试验，试验得出的参数，是控制大坝能否快速填筑的重要因素，如指标定的过高，在正式填筑中如不易达到，造成增加补压次数过多及采取更重型碾压设备进行施工，效率会降低，如指标定的低，为确保大坝安全，可能将增加许多工程量，也不利于工程快速施工，如碾压试验工作不细致，有可能在填筑过程中不得不暂停施工重新进行碾压试验，直接影响坝体的填筑。

根据现场碾压试验成果、监理对碾压试验报告的批复、设计通知单及监理会议纪要相关要求，各料区填筑过程中确定的施工参数见表1。

表1各料区填筑过程中施工参数

说明：廊道及盖板边上50cm范围内采用18t装载机轮胎碾碾压16遍。

6、坝体快速填筑施工

6.1 粘土心墙区快速填筑

1）粘土心墙为大坝的核心部分，粘土心墙填筑质量的好坏直接关系到坝体的总体填筑质量和运行安全。粘土料分为普通粘土和高塑性粘土，靠近廊道两侧2.5m范围为高塑性粘土，靠近盖板3.0m范围为高塑性粘土，其余部分为普通粘土，粘土料在廊道顶高程以下分上下游两个工作面填筑，跨过廊道后形成一个填筑工作面，粘土料与坝体基础面接触部位先填筑坝基反滤料，然后铺设土工膜，在土工防渗膜上部开始填筑粘土料。土工膜以塑料薄膜作为防渗基材，与无纺布复合而成的土工防渗材料，它的防渗性能主要取决于塑料薄膜的防渗性能。目前，国内外防渗应用的塑料薄膜，主要有聚氯乙烯和聚乙烯、乙烯/醋酸乙烯共聚物。

2）粘土心墙料填筑施工程序如下：

坝基反滤料填筑后进行土工膜铺设，再测量放线，最后进行粘土料填筑。

粘土料填筑前先对料源进行含水率测定，含水率偏差在规范允许范围内才允许拉运上坝，上坝土料的含水率应控制在ωop-2%≤ωf≤ωop+2%之间，ωop为最优含水率27.1%。粘土填筑采用进占法施工，先由填筑面的一端开始上料，形成上料平台，平台高程严格按照松铺层厚标准控制，根据碾压试验确定松厚度度为35cm，压实后28cm。粘土大面铺料完成后，测量放出碾压参考线，碾压参考线平行坝轴线，间距4m，采用20T凸块碾平行坝轴线方向激振碾压，粘土采用进退错距法碾压，普通粘土碾压8遍，错距26cm，高塑性粘土碾压6遍，靠近盖板混凝土1.0m远部位采用振动碾静碾6遍。保证高塑性粘土达到设计指标要求。

3）高塑性粘土填筑前，应在与高塑性粘土接触的廊道及盖板混凝土表面洒水湿润，并涂刷浓粘土浆，边铺土边夯实，粘土浆涂刷高度与铺土厚度应保持一致并与下部涂层衔接，严禁粘土浆干涸后再铺土和压实。粘土与水质量比为1：2.5～1：3.0，粘稠度以挂壁为准，涂层厚度3～5mm。心墙从第二层填土开始，与盖板接触的高塑性粘土应先于同层土料进行铺筑。

4）雨季粘土料填筑要与当地气象部门紧密联系，下雨前及时对粘土进行覆盖，雨停后先对填筑面粘土的压实度进行检测，对料场的土料含水率进行检测，都满足要求才允许恢复填筑。如填筑面粘土因下雨含水率偏高，为加快填筑进度，可采取翻晒或用推土机将表层粘土清除掉。对储备的粘土要堆成“铁牛”，下雨及时覆盖。粘土因爆晒时间过长，填筑前可采用水车喷洒少量水湿润后恢复填筑。

5）为加快粘土心墙料的填筑速度，试验检测分区进行，根据检测频率要求，填筑面完成一块检测一块，提前准备好循环工作面，粘土料采用核子密度仪进行含水率和压实度等相关指标检测。

6.2 反滤料区快速填筑

1）在粘土心墙区的上下游设置反滤料区，上下游反滤料区均由F1、F2两个区组成，上游F1、F2各3.0m宽，下游F1、F2各4.0m宽。

反滤料由天然砂砾石料场加工生产，严格按照继配控制好料源质量，特别是要控制好小于0.075mm土料含量不大于5%。反滤料填筑前先按照设计尺寸进行放样，反滤料与相邻的粘土料、过渡料界限分明，撒上滑石粉做好填筑参考线，反滤料的填筑应与心墙填筑面平起上升，反滤层与心墙连接处应采用振动平碾跨缝碾压。

2）反滤层与心墙连接时，采用锯齿状填筑，并先铺筑反滤料后铺筑心墙，保证心墙的设计厚度不受侵占。反滤层与过渡料连接时，亦可采用锯齿状填筑，必须保证反滤层的设计厚度不受侵占。

3）反滤料填筑时必须保持湿润状态，对料场刚生产出来的F1反滤料须进行脱水，根据经验一般在料场堆存2～3天，避免因F1反滤料含水量过大而形成弹簧土。同时对堆存时间过长的反滤料为增强压实效果，在碾压前加水润湿，加水量以达到湿润效果即可，同时加水量不应影响与其接触的心墙防渗土料的填筑施工，根据经验采用洒水车加水，开关开至中等水量，以2～3km的行驶速度喷洒2遍即可达到效果。

6.3 过渡料区快速填筑

1）在反滤料与主堆石料之间设置有过渡料，过渡料宽12m，采用爆破料，要求级配连续良好，最大粒径不大于300mm；粒径小于5mm的颗粒含量宜在15%～25%范围，且小于该粒径的土含量占总质量的15%的粒径D15≤20mm，过渡料压实后的渗透系数应大于5×10^-2cm/s，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%。单位水力梯度下的单位流量，表示流体通过孔隙骨架的难易程度，渗透系数愈大，岩石透水性愈强。

2）过渡料填筑应严格控制好料源质量，过渡料松厚度度63cm，压实后56cm，压实厚度与反滤料相匹配。过渡料填筑采用进占法填筑，铺料完成后先采用挖掘机将与F2接触部位的超径石和集中块石清除干净，并采用细石渣料找平，洒水碾压。对与F2接触部位加强骑缝碾压，确保基础部位填筑碾压密实。

6.4 堆石料区快速填筑

1）堆石料区作为大坝的主要承重区，料源质量控制和填筑质量控制是施工的重点。堆石料要求级配连续良好，最大粒径不大于800mm，小于5mm的颗粒含量应控制在10％～25％；不大于0.075mm粒径含量应不大于5％，不均匀系数应大于10，渗透系数应大于5×10^-2cm/s。料场严格按照爆破参数进行爆破，超径石在料场进行剔除，对山顶表层开挖料进行选择性上坝，避免将不合格料运至坝面。

2）堆石料填筑可采用进占法、后退法、混合法填筑。堆石料填筑松厚度度1.0m，一般采用进占法填筑，先形成填筑平台，车辆由平台上卸料，进占法优点是先形成平台，能较好的控制填筑平整度；当运输车流量较大时也可采用后退法卸料，即车辆在填筑压实面上卸料，后退法卸料能提高上坝料强度，对汽车轮胎磨损较少，缺点是如果料堆间距控制不好，平整度控制难度大；混合法填筑是将后退法和进展法相结合，即先形成卸料平台，一部分车辆在平台上卸料，一部分车辆采用后退法在压实面上卸料，混合法填筑即能较好的控制平整度，同时也能提高上坝运输强度。

3）为加强堆石料的碾压质量，堆石料碾压前需进行洒水，堆石料的加水量宜为10％～25％，本工程采用在上坝道路设置加水点，以加水点加水为主，坝面辅以高扬程水泵在碾压前人工补充洒水，确保堆石料碾压密实。

4）冬季气温较低时，堆石料不加水，为保证填筑质量，采取减少松厚度度，铺料厚度控制在90cm以下，碾压遍数由8遍增加至10遍，确保了低温季节堆石料的碾压质量。

6.5 粘土心墙堆石坝快速填筑采取的特殊措施

1）场内道路特殊处理

为满足快速施工的需要，大量的机械设备投入是不可避免的，而目前运输汽车越来越向大吨位发展趋势，运输车辆数量也要求相应增多，对道路的要求越来越高，工程实践证明，道路越好，运输车辆出勤率越高，填筑效率也相应提高。

对场内运输主干道浇筑碾压混凝土和常态混凝土路面进行硬化处理，保证车辆安全平稳运行。对坡道设置防撞礅和避险坡道，确保车辆运行安全，避免出现车辆事故，提高了单车运输效率，保障大坝填筑料的运输畅通。

2）料场的开采与备料场的设置

料场对土石坝的重要性不言而喻，却也是最容易影响大坝顺利填筑的软肋，根据工程实践，一般而言，料场的地质勘探工作深度远不如坝址，特别是填筑量最大的堆石料，往往仅靠几个探洞或地形勘查进行地质描述，进场后，与招标文件发生变化的可能性很大，要么地质条件发生重大变化，招标文件中有用料变成无用料，要么就是开采面积变小，无法形成大规模开采或台阶开采条件，不利于大规模机械开采，直接制约大坝能否按期填筑，同时级配是否良好，也是影响大坝能否快速填筑的关键，在防渗土料方面，含水量的高低也成为大坝能否快速填筑的关键，因此，完善而慎重地进行料场复查及复勘工作显得尤为重要，搞好料场复查和储量计算。

为保障心墙区的快速上升，在坝前坝后就近部位因地制宜的设置了粘土、反滤料储备料场，较好地解决了粘土料雨天和夜间不能开采和运输难以满足填筑强度的问题。

在大坝上游设置堆石料备料场，对堆石料场前期开采出的石料进行储备和后期利用，尽快开采出强度级配满足大坝主堆石区填筑技术要求的料源，既解决了堆石料上部料源不能满足主堆石区填筑要求的问题，前期开采出的堆石料在后期进行综合利用又避免了增加投资问题。

3）采用钢板桥解决跨心墙施工难点

在坝面分区流水作业中，特别强调是防渗土料的施工，受多方面的影响，防渗土料直接制约大坝整体的上升，在防渗土料填筑流水作业中，根据填筑的需要，应根据实际情况合理划分填筑区域和进行流水作业分析，并根据机械设备及填筑情况及时进行调整，在穿越心墙上，采用在防渗土料上铺填石碴及土工布、铺设用地磅改装的钢板桥、垫枋木等施工方法，投资小，使用便利，大大提高了坝体的填筑上升强度，在快速填筑中起到极为有效的作用。钢板桥由3块组成，可采用吊机和挖掘机挪动，粘土填筑每上升1.0m钢板桥需挪动一次，避免长期碾压造成粘土剪切破坏。

4）采用移动检测车进行快速检测

为确保施工现场防渗土料开采料及填筑料的快速检测，确保料源级配及含水率满足设计及规范要求，确保工程施工质量，促进工程施工进度，采用移动检测车24小时服务于施工现场。在移动检测车内配置微波炉、核子密度仪及常规试验设备。比传统的酒精燃烧法、干炒法、烘箱烘、红外线灯烘烤等方法大大缩短取样时间，为快速填筑提供依据。

5）粘土心墙料采用平碾和凸碾相结合的方式

合理调配碾压设备，对粘土心墙料开展一系列平碾和凸碾相结合的碾压试验。粘土填筑在时段上有密集型的特点，碾压的快慢在某种程度上直接决定着填筑的速度。从进度要求上，需要配置尽量多的凸碾，但在经济效益上，由于凸碾只是针对粘土心墙料填筑使用，在雨季心墙非填筑时段内，大量凸碾闲置。因此采用平碾和凸碾相结合的方式，充分发挥设备的自身优势，尽大可能地增效。在平碾富裕，凸碾不足的正常填筑时段内，根据试验参数，先用平碾动碾4遍，再用凸碾动碾6遍，能达到良好得碾压效果。在雨季施工时，若发现天气马上降雨，则采用先凸碾后平碾或全部用平碾的方式密闭粘土表面，使之形成利于顺坡排水的光面，减少雨水向下渗透，避免或减少雨季填筑坝越填越矮的现象发生。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。