新疆恰甫其海工程粘土心墻壩防滲體土料施工特性

李旨強(qiáng)

（新疆水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆恰甫其海水利樞紐工程是以灌溉為主，兼有發(fā)電防洪等綜合利用功能的大（I）型一等工程，水庫(kù)總庫(kù)容17.70億m3，控制灌溉面34.95萬(wàn)hm2，電站總裝機(jī)容量320萬(wàn)kW。攔河大壩為粘土心墻壩，最大壩高108 m，壩頂長(zhǎng)362 m，壩頂寬度12 m，心墻底寬67.8 m，大壩上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶1.7。土料場(chǎng)分為T(mén)1-1土料場(chǎng)和T3-1土料場(chǎng)。T1-1土料場(chǎng)位于小吉爾格尕朗河左岸五（V）級(jí)階地前緣，距壩址約4.0 km；T3-1土料場(chǎng)位于小吉爾格尕朗河左岸三（III）級(jí)階地前緣斜坡上，距壩址約3.5 km。土料主要由第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積物組成。

2 防滲體土料的特性試驗(yàn)

2.1 料場(chǎng)勘察

2.1.1 T1-1土料

通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)及流塑限試驗(yàn)，定名為低液限粉土～低液限粘土。具體物理力學(xué)性能檢測(cè)情況如表1所示。

2.1.2 T3-1土料

具體物理力學(xué)性能檢測(cè)情況如表2所示。

2.2 料場(chǎng)復(fù)查

用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定土料最大干密度與其對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率。按土的塑性圖分類，兩料場(chǎng)土料絕大部分為低液限粘土，個(gè)別探井的土料為低液限粉土。T1-1，T3-1土料的基本物理性質(zhì)見(jiàn)表3、圖1，物理力學(xué)性能見(jiàn)表4。

2.3 碾壓試驗(yàn)

2.3.1 碾壓試驗(yàn)概況

T1-1料場(chǎng)的土料為填筑心墻的主要料源，碾壓試驗(yàn)選用主料場(chǎng)T1-1的土料，試驗(yàn)用土料與料場(chǎng)復(fù)查土樣資料相比，兩者基本是一致的，碾壓試驗(yàn)采用的土料是反映T1-1土料場(chǎng)土料性質(zhì)的。

2.3.2 試驗(yàn)組合及碾壓機(jī)具的選擇

設(shè)計(jì)技術(shù)要求：“心墻防滲土料應(yīng)以最優(yōu)含水率壓實(shí)，含水率偏差范圍為-2%～+3%，要求壓實(shí)度P=1?！痹跇?biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能下T1-1土料的平均最優(yōu)含水量為15.4%，允許含水率偏差為-2%～+3%，故碾壓試驗(yàn)控制含水率應(yīng)為：13.4%～18.4%。在碾壓試驗(yàn)前，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)和重型擊實(shí)的對(duì)比試驗(yàn)，來(lái)論證最優(yōu)含水率與擊實(shí)功能的關(guān)系，具體結(jié)果見(jiàn)表 5、圖 2。

從以上論證結(jié)果及以往工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，最優(yōu)含水量的變化隨擊實(shí)功能的增加而降低。而碾壓機(jī)具的壓實(shí)功能大于標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能，所以在土料含水量的選擇上，取最優(yōu)含水量的干側(cè)，鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的選擇根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)而定。選擇了含水量11%，13%，15%，17%，鋪料厚度25 cm，30 cm，35 cm，碾壓遍數(shù)6遍、8遍、10遍三者的參數(shù)進(jìn)行組合、試驗(yàn)。

表2 T3-1土料物理力學(xué)性能檢測(cè)表

表3 T1-1，T3-1土料基本物理性質(zhì)表

圖1 料場(chǎng)土料級(jí)配曲線圖

根據(jù)長(zhǎng)期的施工經(jīng)驗(yàn)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合投入設(shè)備的組合，確定了土料施工工藝流程為：17 t自卸車(chē)運(yùn)輸進(jìn)占法鋪料，220 hPa推土機(jī)平料，16 t振動(dòng)凸塊碾碾壓，碾壓方法為前后錯(cuò)距法，然后取樣、刨毛灑水。碾壓速度為2.5 km/h，振動(dòng)油門(mén)為中油門(mén)。

表4 T1-1，T3-1土料的物理力學(xué)性能檢測(cè)表

表5 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)與重型擊實(shí)結(jié)果對(duì)比表

圖2 T1-1土料標(biāo)準(zhǔn)擊與重型擊實(shí)對(duì)比曲線

2.3.3 試驗(yàn)過(guò)程及工藝的調(diào)整

土料碾壓試驗(yàn)共進(jìn)行3次，試驗(yàn)?zāi)康模捍_定含水量、鋪料厚度、碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)外，對(duì)碾壓機(jī)具、土料壓實(shí)情況、層間結(jié)合情況、及刨毛深度等工藝是否可行進(jìn)行驗(yàn)證。

第一次試驗(yàn)分兩層共36+9個(gè)組合進(jìn)行，通過(guò)第一次試驗(yàn)基本確定了施工含水率、鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的合理組合。當(dāng)含水率低于12%時(shí)，壓實(shí)干密度較低，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；當(dāng)含水率高于15%時(shí)，土料中易出現(xiàn)彈簧土和剪切破壞現(xiàn)象，所以施工含水率范圍宜定為12.5%～14.5%。鋪料厚度為25～30 cm，振動(dòng)碾壓遍數(shù)為10遍。含水率與壓實(shí)干密度的關(guān)系見(jiàn)圖3，含水率、碾壓遍數(shù)、干密度之間的關(guān)系見(jiàn)圖4。

在取樣檢查中發(fā)現(xiàn)，土料碾壓后存在以下問(wèn)題：1）由于土料粘粒含量低，凸塊碾壓實(shí)后表面有一層11～13 cm厚的松土層，土料的有效壓實(shí)厚度太薄，不利于機(jī)械的合理利用，對(duì)施工進(jìn)度影響很大；2）土層結(jié)合部位壓實(shí)密度較低，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，滲透系數(shù)偏大；3）土層中自然層面、光面較多；4）凸塊碾碾壓面不刨毛則在結(jié)合面的凸塊底部有虛土存在，若刨毛深度要達(dá)到13 cm才能起作用，既不合理，也不經(jīng)濟(jì)。

圖4 鋪土厚度30 cm含水量、碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系曲線

針對(duì)以上問(wèn)題調(diào)整碾壓機(jī)具進(jìn)行了第二次試驗(yàn)，采用16 t凸塊碾先振碾8遍，然后用平碾封面碾壓2遍的工藝。平碾選用了16 t振動(dòng)平碾靜壓和14 t氣胎碾兩種，目的在于消除表面松土層，提高結(jié)合部位的壓實(shí)密度，減小刨毛深度，增加土料有效的壓實(shí)厚度。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看16 t振動(dòng)平碾為剛性體，靜碾后土料表層產(chǎn)生明顯的破壞，該機(jī)械組合不可?。?4 t氣胎碾碾壓效果較好，但第一層與第二層土料結(jié)合部位的壓實(shí)密度略低，同時(shí)土層中的層面、光面未得到消除。

隨之對(duì)機(jī)具組合和碾壓方法組合進(jìn)行了研究和調(diào)整，根據(jù)土料的成因和礦物組成分析，該土料中主要成土礦物質(zhì)，形狀呈片狀，成土的地質(zhì)年代較短，氣候干燥，片狀相對(duì)要大些。在碾壓試驗(yàn)中，只用凸塊碾振碾，片狀的礦物在激振力的作用下，容易成為水平向的排列，故往往出現(xiàn)自然狀的水平向?qū)用妗Ｏ喾?，先用凸塊振動(dòng)碾靜壓，片狀的礦物在靜力作用下，相互擁擠，成水平向排列的現(xiàn)象相對(duì)要少，再振動(dòng)碾壓，自然層面就會(huì)少些。試驗(yàn)表明，先靜碾再振碾，不僅土層上、下部壓實(shí)效果好，而且自然層面少于只振碾的方法。在研究中，曾設(shè)想，恢復(fù)80年代羊腳碾與氣胎碾聯(lián)合碾壓的組合方式。但根據(jù)施工實(shí)踐和對(duì)碾壓機(jī)具工況分析，凸塊碾質(zhì)量較羊腳碾大，壓強(qiáng)比羊腳碾大；目前國(guó)內(nèi)外普遍淘汰了羊腳碾，采用凸塊碾靜碾優(yōu)于羊腳碾。所以決定用凸塊碾先靜壓、再振壓，然后用氣胎碾碾壓收面的方法進(jìn)行第三次試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)具和碾壓方式組合采用了16 t凸塊碾先靜壓4遍再振壓6遍然后用氣胎碾碾壓2遍收面的方法。從試驗(yàn)結(jié)果和探坑檢查情況來(lái)看，結(jié)合部位壓實(shí)干密度滿足設(shè)計(jì)要求，滲透系數(shù)符合要求，層面比以前試驗(yàn)明顯減少，無(wú)明顯的光面出現(xiàn)，基本解決了以前土料試驗(yàn)中存在的問(wèn)題。3次試驗(yàn)成果見(jiàn)表6。

表6 鋪料厚度30、碾壓10遍含水量13%±1%條件下3次試驗(yàn)結(jié)果匯總

3 防滲體土料施工特性分析

3.1 土料基本特性

土料為低液限粉土～低液限粘土，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能測(cè)得的土料最大干密度為控制密度，測(cè)定兩料場(chǎng)土料的壓縮和滲透性能。T1-1土料場(chǎng)的土料，屬低～中壓縮性土，T3-1土料場(chǎng)的土料，則屬低壓縮性土；土料的滲透系數(shù)均小于1×10-5cm/s。

通過(guò)對(duì)土樣采用蒸餾水和河水進(jìn)行針孔試驗(yàn)、土塊試驗(yàn)等結(jié)果，該土樣采用分散性綜合評(píng)價(jià)應(yīng)為非分散性土。

3.2 土料的施工特性及施工參數(shù)的確定

3.2.1 土料的施工特性

1）土料采用重型擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn)，該土料在低含水率下有較高的壓實(shí)性，干密度可達(dá)1.85 g/cm3以上；與標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀結(jié)果比較，干密度可提高8%，說(shuō)明該土隨擊實(shí)擊數(shù)的增加，最大干密度增大而最優(yōu)含水量減小，土樣有較高的強(qiáng)度，較低的壓縮性及滲透性能。

2）土料適于碾壓機(jī)械施工的含水率在標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)的干側(cè)，并且適宜范圍較窄，在12.5%～13.5%。

3）土料通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)與重型擊實(shí)，及標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)與碾壓機(jī)械壓實(shí)土層的對(duì)比觀察發(fā)現(xiàn)：在過(guò)大的擊實(shí)功能下，容易產(chǎn)生層間或?qū)觾?nèi)層面。

4）土料在碾壓機(jī)械碾壓后，有較高的強(qiáng)度，適應(yīng)壩體變形的能力較低，故需含水率控制在合適的范圍，保證土的可塑性，使土料能夠適應(yīng)壩體變形。

5）滲透臨界比降值偏低，略低于一般粘性土。使土料的抗沖蝕能力低于粘性土。反濾層的防護(hù)是保護(hù)好滲流出口，提高土料的抗沖能力，有效地防止?jié)B流破壞的最有效最直接的措施。根據(jù)土料及反濾料的特性進(jìn)行了關(guān)于滲流破壞的試驗(yàn)研究，其實(shí)際情況結(jié)論如下：

①對(duì)防滲土料在無(wú)反濾層保護(hù)下的滲透破壞試驗(yàn)，土層厚8 cm，出口反濾為20～40 mm礫石，它的破壞比降為60。

②防滲土料在反濾層保護(hù)下的滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)密度控制為1.75 g/cm3，土層厚為20 cm時(shí)，作用水力比降為80，滲流4個(gè)月之久，試樣無(wú)滲透破壞痕跡，若施工時(shí)采用低含水壓實(shí)提高干密度，抗?jié)B比降還可以提高。

③假定防滲體產(chǎn)生裂縫進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，采用滲變儀φ30 cm測(cè)試，在土樣內(nèi)設(shè)寬5 mm、長(zhǎng)18 cm、高30 cm一條狹縫滲流通道，作用水頭40.0 kPa下滲流，10 min在內(nèi)峽縫處很快濕化崩解愈合，細(xì)顆粒很快充填反濾層孔隙空間，提高水頭至1200 cm，滲透系數(shù)仍保持有n×10-5cm/sec。說(shuō)明該土料產(chǎn)生裂縫自愈性能較好，在高水頭作用下也有較好的抗沖蝕性能。

3.2.2 施工參數(shù)的確定

1）心墻土料的壓實(shí)采用16 t拖式振動(dòng)凸塊碾，行駛速度2～5 km/h（1檔中油門(mén)）。先靜碾4遍后，再以相同的行駛速度振動(dòng)碾壓6～8遍，平行碾壓方向搭接寬度為1/10碾筒長(zhǎng)度（20 cm）；再用 25～30 t氣胎碾以 2～5 km/h的行駛速度碾壓2遍，以消除凸塊碾碾壓所形成的松土層。

2）土料含水率不小于12%，控制在最優(yōu)含水率的干側(cè)碾壓。

3）鋪土厚度30 cm左右，進(jìn)占法卸料。

4）鋪土前，對(duì)下一層壓實(shí)土表面先刨毛灑水，再用17 t自卸汽車(chē)進(jìn)占法上土，220 HP推土機(jī)攤鋪。

5）上、下游反濾料與心墻土料填筑方法，采用“先砂后土”法，每填兩層土，用16 t光面振動(dòng)碾騎縫振碾4～6遍，保證心墻填筑斷面尺寸符合設(shè)計(jì)要求，土砂結(jié)合部位密實(shí)。

3.3 施工參數(shù)的調(diào)整

3.3.1 土料的制備及上壩前后的施工過(guò)程

土料制備采用高坡溜土，人工灑水，堆土牛的制備工藝。土牛高度15 m；土料含水率控制范圍12.5%～13.5%，小于最優(yōu)含水率1%～2%；接觸性土料含水率14%。

粘土心墻壩工程土料對(duì)水敏感，土料施工含水范圍窄小，為滿足土料填筑要求，開(kāi)采時(shí)利用推土機(jī)積料，按不同季節(jié)、溫度、濕度、氣象條件對(duì)土料進(jìn)行二次制備堆存使用。上壩前，由專人負(fù)責(zé)對(duì)土料的含水率進(jìn)行檢測(cè)，符合要求方可。采用裝載機(jī)立面開(kāi)采，15 t自卸車(chē)水平運(yùn)輸上壩。

心墻土料填筑分為3個(gè)階段：895～921 m高程用“自卸車(chē)+皮帶機(jī)”運(yùn)輸土料上壩，土料主要是采用皮帶機(jī)系統(tǒng)將土料從圍堰后930 m平臺(tái)垂直運(yùn)輸至心墻基坑。921～955 m從上游圍堰930 m平臺(tái)修一條施工道路至上游的砂礫石區(qū)，采用自卸車(chē)直接上壩。955～985 m從上游圍堰度汛955 m斷面起坡，至985 m高程貼上游坡修一條施工道路，采用自卸車(chē)直接上壩。985 m高程以上土料從下游制備場(chǎng)取料，采用自卸車(chē)直接上壩。

3.3.2 施工過(guò)程參數(shù)的調(diào)整

2004年5月28日，在粘土心墻施工的聯(lián)合檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)每鋪土層之間存在結(jié)合面結(jié)合不良的現(xiàn)象。分析主要原因：施工單位購(gòu)置了1臺(tái)新16 t拖式凸塊碾，據(jù)有關(guān)資料顯示，新凸塊碾的中油門(mén)相當(dāng)于舊凸塊碾的中高油門(mén)。同等油門(mén)下，無(wú)形地增加了其碾壓的激振力所造成。土料本身的特性不易改變，為了解決此問(wèn)題，只能從施工參數(shù)上進(jìn)行調(diào)整解決。在施工現(xiàn)場(chǎng)選擇了幾種組合做了小區(qū)域施工參數(shù)改進(jìn)試驗(yàn)。具體選用組合及質(zhì)量檢測(cè)情況見(jiàn)表7所示。

表7 試驗(yàn)性生產(chǎn)情況匯總表

通過(guò)4種組合試驗(yàn)對(duì)比分析決定：將原來(lái)的心墻土料施工參數(shù)改進(jìn)為第4種組合的施工參數(shù)。通過(guò)改進(jìn)后的心墻土料聯(lián)合檢測(cè)發(fā)現(xiàn)層間結(jié)合得到改善。

3.3.3 施工質(zhì)量檢測(cè)

1）心墻土料填筑取樣4166組，干密度最大值1.88 g/cm3、最小值 1.75 g/cm3、平均值 1.79 g/cm3、標(biāo)準(zhǔn)差 0.02、離差系數(shù)0.01，干密度離差系數(shù)小于0.1，強(qiáng)度保證率98.3%,均滿足要求。

2）填筑土料的顆粒級(jí)配如圖5所示。

圖5 心墻土樣聯(lián)合檢測(cè)顆粒分析曲線

通過(guò)土樣的顆粒級(jí)配曲線看出：整個(gè)粘土心墻填筑過(guò)程土料級(jí)配的變化不大，施工控制情況良好。

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SDJ213-83，碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].

[3]SL237-1999，土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[4]新疆伊犁恰甫其海水利樞紐工程筑壩料試驗(yàn)報(bào)告（施工階段、優(yōu)選勘察）[R].

[5]新疆恰甫其海工程土料場(chǎng)復(fù)查報(bào)告[R].

[6]新疆恰甫其海工程土料碾壓試驗(yàn)報(bào)告[R].