郭习葵
中国水利水电第十二工程局有限公司 浙江 杭州 310004
摘要：新时期，水利工程土石坝坝体施工技术不断发展，在有效的开展施工研究过程，应该结合具体工程实际，科学的引入更加高效的技术措施，从而才能有效的保证施工建设质量。结合以下探索，本文从多方面对其相关的技术进行了研究，希望分析能够不断提高水利工程施工技术研究水平。
关键词：水利施工；土石坝；施工技术；研究
1导言
水利工程建设水平的不断提高，进一步为国家经济发展奠定良好基础。作为施工技术人员，在有效的开展施工实践研究过程，应该不断进行施工技术创新与实践，这样才利于全面提高水利工程建设效率。通过本文对土石坝坝体施工技术的分析，总结了有效的技术手段，希望分析能够不断提高水利工程土石坝坝体施工质量。
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图1贴坡排水
1--浸润线；2--护坡；3--反滤层；4--排水体；5排水沟
2概述
对于水利工程项目而言，土石坝是在利用当地土石原料的基础上，对其做进一步的抛填与碾压堆筑等处理而成的。其优势主要体现在：结构简单、原料可就近获取、施工简便、造价低廉，对于施工建设区域的水文与地质条件等要求较低。而土石坝也有一个较大的缺陷，就是比较容易产生渗漏，一旦发生渗漏现象，如果不及时采取合理有效的处理措施，则会对人们的生命财产安全构成严重威胁。
3水利施工中土石坝施工技术特点
在水利施工中，应用的土石坝类型较多。根据坝高，土石坝划分为低坝（高度＜30m）、中坝（高度在30-70m之间）、高坝（高度＞70m）；根据原材料，土石坝划分为均质坝（原料为均一土料）、非土料防渗体坝（原料为透水性高的土料和透水性低的粘土）、土质防渗体分区坝（原料为混凝土等人工材料）；根据施工技术，土石坝划分为碾压式土石坝（碾压填筑施工而成）、定向爆破堆石坝（定向爆破技术）、冲填式土石坝（冲击填筑而成）。基于土石坝的施工原理及不同类型，在水利施工中表现出如下优势：（1）成本低，土石坝就地取材，需要采购的钢筋、水泥等材料较少，材料采购、运输成本显著减少；（2）结构简单，和其他坝体相比，土石坝的结构简单，便于后续改建；（3）施工便捷，基于土石坝的简单结构，施工工序较少，机械化水平较高，有助于施工效率的提升；（4）适应性强，土石坝的坝身由土石散粒体组成，适用于不同地基。
4土石坝渗透变形的成因
4.1坝基的不透水层与截水槽未连通，地基的稳定性得不到有效保障，在坝基出现渗流现象以后，不加以处理就会导致坝基变形甚至溃坝。
4.2没有正确认识所选取土石材料的力学性能，在土石坝建设过程中，在对储存水源部分进行设计时，没有科学合理地设置好浸润线，从而影响到了下游坝的安全性与稳定性。
4.3在涵洞的施工过程中，存在所用浆液不均匀、混凝土比例错误等问题，从而导致周围黏土的密实程度不足，使得土石坝出现涵洞，并发生渗透变形问题。
4.4没有采取合理有效的基础防渗措施，对土石坝建设标准不够严格，造成基础漏水现象频发，进而导致土石发生严重变形。
5石坝渗透变形的形式
在我国很多地区，尤其是降水量比较丰富的南方，导致土石坝出现渗漏与变形原因可以归结为两个方面：机械作用与化学作用。在土石长期作用下，坝体中的一部分结构可能遭受破坏。因为土石坝的土质、土料质量、防渗漏与排除渗漏的方式以及水流基本条件等存在一定的差异性，土石坝渗流现象可总结为以下四种情况：
5.1流土
在发生土石坝渗流现象时，泥土颗粒会出现一定程度的增大，被水流带走，同时，从坝体表层也会观察到隆起或者冲出现象。该情况主要发生在土石粒径均一的粘性土壤，或者是粘性较低的土体。在发生渗流现象时，通常还会伴随着严重的土体断裂、凸起与掉落等不良现象。
5.2管涌
管涌现象通常发生在土石坝的下方地基、下游坝坡出现渗流迹象的表层等常见位置，非粘性土壤的微小土粒在土石块的渗透作用下，不断地从孔洞中涌出，在达到一定速度以后，就会被冲刷带走。而如果不加干预，在长时间作用下，坝体中的土壤颗粒会被大量冲走，从而在原来位置留下一个空洞，当空洞增加到一定限度以后，则会导致土石坝的内部结构出现不可控制的变化，从而导致土石坝在渗透作用下发生不可控的变形问题。
5.3接触流土
对于土石坝而言，相邻土层之间的接触面也会存在渗入现象，通常是渗透系数较小的土层向渗透系数较大的土层进行渗透，上述接触性流动的土壤也会对土石坝造成严重损坏。
5.4接触冲刷
在土石坝的使用过程中，对接触冲刷现象所造成的损坏程度进行分析，可以得出土石坝使用年限等信息。在坝体渗流经过地基而产生接触的位置，以及与建筑物等接触系数存在差异的土层接触的过程中，粒径较小的土石会被冲走。对于接触冲刷现象而言，土石坝渗透变形的形式较为单一，只有在部分特殊情况下，才有可能出现两种或者两种以上并存的情况，而根据实际情况之间的差异性，包括渗透坡降情况、位置、土料状况等，需要对其进行针对性研究，并制定出合理有效的预防与保护措施。
6土石坝坝体施工前期准备
6.1合理规划料场
土石坝通常是指用土、石混合料填筑、堆砌而成的坝体，由于填筑用料量较大，因此，务须于施作前对料场予以全面勘察，并根据水利工程土石坝施作实际，做好料场空间、时间、质量以及储量等全方位的规划，从而为土石坝施建质量、进度与成本管控提供有利条件。（1）空间规划。空间规划是指合理选择与规划料场的位置与高程，其中，料场位置应便于开采设备进出、交通便利且土石料上坝的运距宜短，高程适宜即坡度宜缓不宜陡，以便于重型车辆下坡。（2）时间规划。根据现场作业强度及坝体填筑的实际情况，合理选择料场使用时机，并依照季节变化与蓄水情况，做好材料使用时间的规划，确保整体运输任务保持均衡，避免窝工。其中，为确保用料的平衡调度，应尽量遵循“高料高用、低料低用”的原则，若高料场材料较为充裕则可高料低用；其次，作业强度高用近料场，作业强度低用远料场，且近料场取料后应确保附近坝体的抗渗性及稳定性不受影响；另外，先用近料场及易遭受水淹的料场，后用远料场及不易受淹的料场；此外，干旱时用高含水量料场，雨多时用低含水量料场。需要注意的是，用料规划时还应于近料场剩余足够填料供合拢段及拦洪时填筑。（3）质量与储量规划。施工前对料场储量及料源予以全面勘察，主要包括料场产状、存储量以及填料各项物理力学指标如含水量、容重、级配、渗透性及压缩性等，从而有效确保料场储量满足土石坝总方量要求，填料质量满足坝体施工质量的相关要求。
6.2开展相应试验
首先，于料场取具有代表性的土样进行相应试验，如含水量、密度、土的击实试验等，其中，通过土的击实试验能够确定土体最大干密度，进而为后期填筑时的压实度提供参考标准。其次，不同功能分区的填筑材料不同，压实控制指标也有所不同。因此，填筑作业前应根据不同填料分别开展碾压试验，通过碾压试验判断土料填筑标准、压实度是否合理，填筑工艺是否妥当，并确定满足填筑要求时的填筑方式、填筑厚度、碾压次数、填料含水量及行车速度等各项作业参数。
7土石坝坝体施工技术要点
7.1填筑施作
在填筑作业过程中，第一步需要合理划分填筑坝面，使其成为诸多不同工作面，而且应该确保各工作面平行于坝轴线，同时合理控制平面尺寸，方便机械施工。当填筑坝面时，一定要严格遵守相关流程，防止漏压以及过压，确保压实达标，基于此填筑新料。
7.1.1填料铺筑
在卸料过程中，通常利用自卸汽车进占方式，也就是在平整度达标的松土层，由汽车卸料，在此基础上充分应用推土机，以设计厚度为依据，前进占平料。第一在填料铺筑过程中，需要确保施工平行于坝轴线，将卸料、填平与检查集为一体，在保证铺筑厚度平整均匀的同时，合理设置上游坡度，即1%至2%，以粒径大于正常标准的石料为对象，一定要将其打碎，清除所有杂物。然后，在防渗体中，当开展铺料作业的时候，为防止自卸汽车严重影响压实土层，导致其剪力下降，往往应用进占法完成倒退铺料。除此之外，通过反滤层，当自卸汽车到达防渗体进行铺筑的时候，非常容易带来反滤料，导致防渗土料存在杂质，由此降低防渗质量，所以需要安装专门应用的“路口”，不仅可以以避免填料混合，以此维护坝体质量，还可以统一解决“路口”位置质量问题。另外，在铺筑全过程中，当卸料的时候，可以应用带式运输机，也可以应用自卸汽车，在此基础上以设计厚度为依据，使用推土机完成平料，在填铺结束后需保证坝面起伏均匀，避免积水现象发生。
7.1.2填料加水
部分黏性土料具有较低含水量，对此，如果含水量过低，需要在填筑之前的一天至两天完成加水作业。但是以非黏性填料为对象，在运输过程中为防止失水，应该选择坝面位置适当加水，而且需要做到少加、勤加以及匀加，由此确保压实质量。除此之外，为保证不同填筑层密切联系，在正式填筑之前，需要以上层填筑面为对象，利用洒水车完成洒水工作，使其湿润度处于合理范围中，在碾压过程中，如果应用光轮振动碾，在进行下层铺料填筑之前，需要为上层铺面刨毛，并确保其深度不小于五厘米。
7.2碾压施作
7.2.1碾压设备选型
各种碾压设备的所发挥的压实作用存在较大差异，所以在碾压过程中，需要以填筑要求为依据，选择合适的碾压设备。借鉴积累的实践经验可以发现，当实施碾压的时候，应用的设备应该达到碾压强度要求，同时与填料物理学性质等相符。
7.2.2碾压方式选定
以碾压设备为依据，采取合适的碾压方式，一般有两种，一种是进退错距法，另一种是圈转套压法。就前者而言，其操作方便、快捷，不同工序协同进行，主要包括碾压与铺土等，可获取良好压实效果。再就后者而言，此种方法对工作面提出较高要求，宜应用于多碾滚组合碾压，在应用该方法开展作业的过程中能够取得良好效率，不过由于转弯交接比较多，所以容易引发超压现象，如果转弯是小半径，那么容易对土层产生影响，导致其出现扭曲，进而破坏其剪力，同时转弯位置容易发生漏压现象，无法保证压实质量。
7.3防渗体结合面施作
7.3.1防渗体与坝基结合面
针对坝基而言，不仅需要承担坝体自身重量，还需要承担各项外加荷载，对于大坝运行安全性以及稳定性而言，坝基的稳定性以及承载性是决定性因素，所以在和坝基结合面处理的过程中，需要充分考虑不同因素，比如材料以及坝高等。其一，针对土质坝基而言，需要合理调整其表层含水量，使其达到施工含水量正常范围的最高值，在此基础上确定压实系数，确保其与防渗填料一致，实施有效碾压，进而在刨毛结束后填筑压实。其二，以非粘性土坝基为对象，首先实施压实，然后铺土，再合理调整含水量，使其达到施工含水量最高值，同时利用轻型碾压设备完成压实操作。
7.3.2防渗体与岸坡结合面
在坝体施工过程中，通过和岸坡结合面进行处理，能够加强控制，如果处理存在问题，将出现渗水薄弱部位，由此形成渗水通道，更为严重时导致“管涌”现象发生。针对此种状况，一定要严控和岸坡结合面的处理质量。其一，在填料铺填之前，需要清除这一位置的污物，处理完松动岩石，而且适量洒水，再将一定比例的浓粘土浆摸于此处，并确保其厚度为五厘米，与此同时进行填筑与压实。其二，在施工过程中，对于在岸坡附近构成的便道，需要在施工到标高部位的时候把它清除，在此基础上以松铺厚度为依据，开展填筑和压实工作，最终确保检测质量满足要求。
7.3.3防渗体与砼结合面
在坝体填筑过程中，一定要对称施工和作业，由此防止侧压超出正常范围而威胁坝体安全。同时，针对坝体砼结构成品而言，需要予以有效保护，并且如果在三米范围中开展填筑施工，需要利用小型机具，不得利用重型设备，倘若有需要，应该利用人工摆砌方式，以此保证孔隙率满足要求。除此之外，当砼和土工布结合的时候，需要预留钢筋，而且浇筑砼，由此保证结合的有效性。
7.4反滤层施作
首先针对砂石反滤层而言，通常包括两种方法，一种是先土后砂，另一种是先砂后土，在这一施工过程中，需要以设计要求为依据，从上到下铺设，各种粒径组反滤层的厚度都需要处于合理范围中，同时层间应避免混杂。在完成填筑之后，必须全面检查，保证各项因参数达到要求，比如填料质量等，如果不达标，必须重新铺筑。然后在铺设土工布反滤层之前，需要清理干净反滤料，防止尖石等损坏土工布，在结束铺设后避免长期曝晒，当覆土到相应高度的时候可进行碾压。
8土石坝防渗技术
8.1混凝土防渗墙
混凝土防渗墙需要用到专门的造孔机械设备，在操作过程中，需要不断地在松散、透水的地基上造孔，以泥浆固壁，在泥浆下向孔内灌注混凝土，从而得到一整道直立且连续的防渗墙，以充分发挥拦截坝体与坝基渗漏的重要作用。就目前而言，该项技术不断趋于成熟，在砂层、淤泥层等多个领域都取得了一定的成果。混凝土防渗墙主要应用于地形复杂的基础防渗，同时在土石坝的坝身防渗等工作中也可以起到一定的作用，具备工艺先进化水平高、施工效率高、成墙效果直观、适应范围广、防渗效果显著以及节省成本等显著优势，在实际的施工过程中，需要对接缝质量等细节问题引起足够的重视。混凝土防渗墙的布置如图2所示。
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图2混凝土防渗墙布置
8.2高压喷射灌浆防渗
高压喷射灌浆需要用到钻探机钻孔完成具体操作，首先需要按照设计要求将安装有特制合金喷嘴的注浆管下到预定位置，然后使用高压泵喷射浆液破坏原有土体，实现土粒与浆液的充分混合并得到固结体，固结之间体交互连接即可得到连续性的防渗帷幕，主要发挥拦截渗漏的防渗作用。现阶段，该项技术广泛应用于众多防渗工程施工中，尤其在软基加固方面取得了一定的成果，而很少应用于全风化花岗岩地层方面的防渗工程。高压喷射灌浆防渗主要适用于以下土质：砂土、淤泥、软弱黏性土和粒径不超过5cm的砂卵石等，在灌浆过程中，其深度始终低于50m，具备施工效率高、防渗效果好、不受水位影响、安全性与可靠性高以及造价成本低廉等显著优势。
8.3劈裂灌浆防渗
劈裂灌浆采取高压灌浆的处理方式，将浆液灌入土层以后，可以改变土层原本的性质，使土体发生剪切裂缝，浆液顺着所产生的裂缝，由强度低的地方向强度高的地方劈裂，顺利劈入的浆液固结形成防渗墙体，并与坝体紧密的连接在一起，起到有效的拦截渗漏的作用。劈裂灌浆防渗技术是一种新兴的土石坝防渗加固新技术，并逐渐得到推广与应用。该项技术主要适用于粉细砂与黏土层，对于这部分土体而言，颗粒浆材无法顺利顺入。该防渗施工技术的优点主要体现在原料易获取、施工简便、造价成本低廉以及防渗效果优良等方面。
8.4帷幕灌浆防渗
帷幕灌浆需要在特定的压力条件下，将浆液压入坝身或者坝基内部，以填充各部分土体之间存在的大量空隙，在对原有土层的结构与组成进行改造的基础上，依靠胶结作用得到连续的防渗帷幕。就目前而言，帷幕灌浆已经成为水利工程对地基进行防渗处理的重要手段，为水工建筑物的安全性与可靠性提供了重要保障。该项施工技术主要应用于局部透水性较强的岩基防渗，可以取得良好的防渗效果，且施工操作相对简单，无需投入较大成本。
8.5套井回填黏土防渗
在套井回填施工过程中，需要用到冲爪机进行造孔操作，将坝体渗漏的涂料取出以后，需要及时回填黏土，并将其夯实压平，得到具备防渗功能的黏土防渗墙。套井回填技术实现了对险堤险坝防渗处理，对于坝高较小的均质坝与宽心墙坝等相关类型而言，应用冲抓套井回填黏土防渗可以取得良好的防渗效果，具备施工设备要求低、施工便捷、材料来源广泛以及投资成本低等优点。
8.6土工膜防渗
土工膜防渗需要用到链条开槽机完成开槽操作，并在垂直方向铺设土工膜防渗，通常情况下，所用原材料多为所料类，尤其是聚氯乙烯膜（PVC）与聚乙烯膜（PE）的应用最为广泛。在施工过程中，需要将开槽宽度控制在0.17~0.3m的范围内，且开槽深度不能超过12m。相较于黏土、混凝土、钢材等传统材料而言，土工膜是重要的大坝防渗构件，有着广阔的发展前景。该项防渗技术主要应用于砂性土地基，具备高度的经济性、可靠性、便捷性与防水性，且适应变形的能力较强。
9结语
综上所述，随着科学技术的进步与发展，大量的新型技术、工艺与材料得到了广泛普及，土石坝防渗技术也处于不断的创新与完善的过程中。对于上述所提到各项防渗施工技术而言，其应用与发展都在一定程度上促进了水利工程所发挥效用的最大化，有利于水利建设领域的健康可持续发展。
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