大梁水庫主壩黃土碾壓施工參數(shù)的選擇

張 莉

（山西省臨汾市水利勘測設(shè)計院，山西臨汾，041000）

1 工程概況

山西省萬家寨引黃工程北干線是解決山西省朔州市和大同市工業(yè)及城市生活用水的大型引水工程，是萬家寨引黃工程的重要組成部分。大梁水庫是北干線的調(diào)節(jié)水庫，總庫容2 260萬m3，調(diào)節(jié)庫容1 748萬m3，水庫設(shè)計洪水位1 399.61 m，死水位1 385.00 m。水庫主要建筑物由主壩、進(jìn)水塔、放空洞、庫岸護(hù)坡及交通橋等組成。主壩為黃土心墻砂礫料混合壩，主壩壩頂高程1 401.00 m，最大壩高26.0 m，壩頂長1 145 m。

壩址附近廣泛分布有第四紀(jì)黃土，儲量豐富，是本工程唯一可選擇的天然防滲土料。大壩填筑土料由于地質(zhì)、水文、氣候等條件的影響，很難同時滿足設(shè)計和施工要求，為此必須在大壩填筑前對土場現(xiàn)有土料進(jìn)行較詳細(xì)的取樣探測，以便掌握其規(guī)律，從而采取相應(yīng)措施對壩料進(jìn)行加工處理，再通過現(xiàn)場碾壓試驗確定壓實機具、鋪料方法、鋪料厚度、壓實方法、碾壓遍數(shù)、加水量和有效壓實厚度等施工方法與參數(shù)，保證施工質(zhì)量。

2 黃土填筑料的特性

2.1 土料場

土料場位于大梁水庫西北大梁村與東洼村之間的黃土山梁斜坡地帶，距大梁水庫約1.3 km。有用層調(diào)查儲量822萬m3。土料呈層狀分布，上層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)坡積Q3黃土，下層為中更新統(tǒng)Q2黃土，Q2土層以下為第三系N2粘土或石炭系太原組（C3t）砂頁巖、泥巖等。

Q3黃土土層最大厚度15 m，最小厚度3.3 m，平均厚6.68 m。土質(zhì)以輕粉質(zhì)壤土為主，夾有重粉質(zhì)壤土和壤土透鏡體。

Q2黃土土層勘察揭露厚度1.05～18.00 m，平均厚度10.72 m。土質(zhì)以壤土和重砂壤土為主。其中壤土呈淺棕色和棕黃色，結(jié)構(gòu)稍密實，局部含姜石。重砂壤土呈透鏡狀，厚2.10～21.50 m，

2.2 土料含水量

本地區(qū)干旱少雨，蒸發(fā)量大，地下水位在取土范圍以下。土料天然含水量隨著埋深和土質(zhì)不同而變化。Q3土層位于上部，含粘粒較少，保水性差，水下滲和蒸發(fā)速度快，含水量低，一般在8%～14%之間，最低在6.9%。地表以下7 m普遍需加水處理。Q2土層位于下部，含粘粒和含水量都高，大部分在14%～17%之間。

2.3 土料擊實特性

為了確定合適的填筑含水量和設(shè)計干密度，設(shè)計做了大量野外試驗和室內(nèi)試驗。由于土料場主要為Q3、Q2黃土，土料成因和顆粒組成不同，擊實指標(biāo)存在差異。

Q3黃土擊實后最大干密度平均值為1.79 g/cm3，最優(yōu)含水量平均值為14.3%。Q2黃土擊實后最大干密度平均值為1.80 g/cm3，最優(yōu)含水量平均值為14.7%。壓實度采用98%，計算設(shè)計干密度為1.70～1.75 g/cm3。

2.4 土料的滲透性

筑壩土料的滲透系數(shù)、允許滲透比降是防滲土體設(shè)計的重要指標(biāo)。為滿足防滲體防滲要求，規(guī)范規(guī)定均質(zhì)土壩滲透系數(shù)不大于1×10-4cm/s，心墻壩防滲體滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s。根據(jù)試驗，按Q3黃土、Q2黃土各50%混合制樣，控制干密度1.70 g/cm3、含水量為14%～16%進(jìn)行滲透試驗，試驗結(jié)果小值平均為1.09×10-5cm/s，大值平均值為4.21×10-5cm/s，平均值為2.27×10-5cm/s，滿足壩體填筑料要求，但作為心墻防滲土料，滲透系數(shù)偏大。

3 土料設(shè)計指標(biāo)

根據(jù)目前國內(nèi)施工機械水平，在土料強度、滲透性、變形性等指標(biāo)基本滿足工程要求的前提下，盡量方便施工，以降低造價，設(shè)計干密度按1.70 g/cm3控制，填筑含水量按13.8%～16%控制。施工時土層表面水分蒸發(fā)較快，很難滿足設(shè)計要求的最優(yōu)含水率，施工過程中應(yīng)采取低含水土料加水的處理措施。

根據(jù)工程等級及室內(nèi)試驗，設(shè)計采用防滲土料壓實指標(biāo)為：最大干容重取1.76 g/cm3，壓實度不小于98%，相應(yīng)設(shè)計干密度按1.70 g/cm3控制，填筑含水量按13.8%～16%控制。

4 現(xiàn)場碾壓試驗

由于黃土含水量偏低，黃土壓實性能較差，施工時土層表面水分蒸發(fā)較快，現(xiàn)場填筑和室內(nèi)擊實試驗在壓實機械、施工方法和氣候方面存在差異，壓實土的物理力學(xué)指標(biāo)不盡相同。為保證工程施工滿足設(shè)計要求，通過現(xiàn)場碾壓試驗，確定合理的黃土填筑施工方法和施工參數(shù)是必要的。

4.1 黃土碾壓試驗場地選定

碾壓試驗場地位于壩址下游，黃土碾壓試驗場地為15 m×30 m（有效試驗場地為6 m×18 m），基底為碎石，平整振動碾壓8遍。

4.2 黃土碾壓試驗機械

通過試驗確定的平場設(shè)備為T140推土機，挖運設(shè)備為PC300反鏟配25T自卸汽車，碾壓設(shè)備為自行式振動平碾SR218S和凸塊振動碾LG520B兩種。自行式振動平碾SR218S的主要特性參數(shù)見表1，凸塊振動碾LG520B的主要特性參數(shù)見表2。

4.3 試驗方案和現(xiàn)場碾壓試驗成果

平碾試驗：選用18 t自行式振動平碾，原土含水率為13%、15%和17%，虛鋪厚度分別為30 cm、40 cm和50 cm，碾壓遍數(shù)為4遍、6遍和8遍。

凸碾試驗：采用20 t自行式凸塊碾LG520B碾壓，試驗黃土含水率按15%控制，虛鋪厚度為40 cm，碾壓遍數(shù)為6遍。

各場次試驗結(jié)果見表3。根據(jù)對比分析，初步確定碾壓參數(shù)如下：鋪土厚度40 cm，碾壓遍數(shù)6遍，行車速度0.597 m/s，錯車方式為進(jìn)退錯距法碾壓，碾壓錯距0.35 m。

表1 SR218S振動碾工作特性參數(shù)Table 1 Main characteristic parameters of SR218S vibratory roller

表2 LG520B振動碾工作特性參數(shù)Table 2 Main characteristic parameters of LG520B vibratory roller

表3 現(xiàn)場碾壓試驗成果表Table 3 Results of site roller compaction testing

4.4 碾壓試驗成果分析

根據(jù)施工機械和技術(shù)水平，現(xiàn)場碾壓試驗?zāi)M筑壩真實情況進(jìn)行。試驗就不同含水率、不同碾壓機械和不同土厚度進(jìn)行了組合。根據(jù)試驗成果分析如下：

（1）含水率在13.8%～17%之間，土體干密度大于1.7 g/cm3時，平整后18 t振動平碾碾壓6遍和20 t振動凸塊碾碾壓6遍，經(jīng)現(xiàn)場取樣，干密度、壓實度均滿足要求。但凸塊碾較平碾滲透系數(shù)低，故選用20 t振動凸塊碾碾壓6遍較合理。

（2）填筑含水量對土料的碾壓性能影響較大，實際施工中建議控制含水率在最優(yōu)含水率到最優(yōu)含水率+2%之間較為合理。

（3）黃土作為防滲土層，壓實指標(biāo)容易滿足，但作為心墻防滲土料，滲透系數(shù)偏大是控制壓實的主要參考指標(biāo)。建議適當(dāng)增加心墻厚度，放寬滲透系數(shù)允許值，做好心墻前后的反濾是關(guān)鍵。根據(jù)大梁水庫的實際經(jīng)驗，指標(biāo)提高到5×10-5cm/s，壩體滲漏增量不會超過1%。

（4）根據(jù)現(xiàn)代碾壓設(shè)備的發(fā)展，大型化和高壓實強度機械成為首選。

5 結(jié)語

壓實是控制碾壓式土石壩施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序。由于黃土土料的特性，現(xiàn)場填筑和室內(nèi)擊實試驗在壓實機械、施工方法和氣候方面存在差異，壓實土的物理力學(xué)指標(biāo)不盡相同。為保證工程施工滿足設(shè)計要求，通過現(xiàn)場碾壓試驗，確定合理的黃土填筑施工方法和施工參數(shù)是必要的。