心墻土料粘粒含量偏高對填筑質(zhì)量影響的分析

吳 平，李薦華，劉 鵬，萬燎榕

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

土石壩對壩址基礎(chǔ)條件具有良好的適應(yīng)性，能就地取材、節(jié)省投資，是壩工建設(shè)中最常見的壩型之一[1]。土石壩主要包括均質(zhì)土壩、粘土心墻壩和混凝土面板堆石壩等[2]。目前在建的粘土心墻壩中，心墻土料粘粒含量多不在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)，需對心墻粘土做一些改良措施。近年來隨著室內(nèi)試驗、大型碾壓機具等的不斷發(fā)展，目前對心墻土料顆粒分析試驗狀態(tài)的選擇、大型碾壓機具對粘粒含量偏高的適應(yīng)性的研究較少。馬洪琪[3]研究了摻礫粘土心墻防滲土料的性能及適應(yīng)性、相應(yīng)的摻礫及填筑施工工藝、壓實質(zhì)量控制標準、質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)等；唐福發(fā)[4]研究了粘土心墻堆石壩高液限粉土礫石心墻施工控制參數(shù)；藺以明[5]、何清等[6]及閆金良等[7]對巖石風化料作為心墻防滲材料進行了研究；鄧親云等[8]對分散土的判別及分散土心墻堆石壩的設(shè)計和施工進行綜合分析。

以上主要針對心墻土料粘粒含量偏低所采取措施的研究，部分是研究粘粒含量偏高所采取摻礫措施，極少研究心墻土料顆粒分析試驗狀態(tài)的選擇、大型碾壓機具對粘粒含量偏高的適應(yīng)性，本文通過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場碾壓試驗，對試驗成果進行分析總結(jié)，分析使用大型碾壓機具時，粘粒含量偏高對填筑質(zhì)量的影響。

1 概況

1.1 工程概況

四方井水利樞紐工程是一座以防洪、供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用效益的大（2）型水利樞紐工程。工程主體建筑物有粘土心墻主壩、岸邊式溢洪道、引水發(fā)電隧洞、發(fā)電廠房、均質(zhì)粘土副壩、導(dǎo)流（放空）洞等。主壩壩頂高程為155.80 m，壩頂寬度為8.0 m。主壩高51.30 m。主壩壩體主要分堆石1區(qū)、堆石2區(qū)及粘土心墻。主壩為2級建筑物，主壩設(shè)計典型斷面圖見圖1。

圖1 主壩設(shè)計典型斷面圖

1.2 土料場概況

該項目土料場位于壩址下游右岸的某自然村北東側(cè)約200 m，屬丘嶺崗地?？砷_采面積為13.2×104m2，該料場地面高程一般110 m～153 m，坡腳處道路路面高程104 m。主要種植茶樹等，局部為旱地，種有花生、芝麻等經(jīng)濟作物。巖性上部以第四系全新統(tǒng)坡積粘土為主，中部為含少量礫的粘土底部礫石含量較高，過渡為礫質(zhì)粘土，粘土呈黃紅色、黃褐色，稍濕，粘結(jié)力較強，呈硬可塑狀。據(jù)鉆孔揭露及試驗成果，一般土填筑料（為上部粘土）儲量為91.68×104m3，儲量可滿足粘土心墻的填筑要求。

2 試樣狀態(tài)對粘粒含量的影響

依據(jù)料場的巖性分布及儲量，便于開采及方便質(zhì)量控制的原則，重點對土料場上部分布的粘土進行取樣，取樣位置均勻分布于土料場，取樣位置為6處，每處取樣3組，合計18組，每處所取得3組樣分別進行天然濕度、風干、烘干三種狀態(tài)下的顆粒分析試驗[9]，各狀態(tài)下的成果平均值見表1、級配曲線見圖2。

表1 試樣各種狀態(tài)下的顆粒組成

圖2 同種土料不同狀態(tài)下的顆粒分析曲線

從表1及圖2可得出，天然濕度、風干、烘干狀態(tài)下粘粒含量呈現(xiàn)出逐漸變小的規(guī)律，而粉粒含量呈現(xiàn)出逐漸變大的規(guī)律，砂粒及圓(角)礫的含量變化不明顯。

3 試樣狀態(tài)的選擇

心墻土料室內(nèi)顆粒分析試驗的試樣狀態(tài)的選擇與土料的天然含水率、最優(yōu)含水率、施工時調(diào)整含水率的方法密切相關(guān)，構(gòu)成多種工況，各工況下試樣狀態(tài)的選擇見表2。

表2 試樣狀態(tài)的選擇

4 粘粒含量偏高對粘土心墻填筑的影響

隨著大型碾壓機具的不斷發(fā)展，粘土心墻壩的建設(shè)得到了迅速發(fā)展，壩殼堆積的各種土料、風化石料都能方便的碾壓密實，而粘粒含量偏高的粘土作為心墻土料，通過大型碾壓設(shè)備的碾壓，既要達到設(shè)計壓實度的要求，又要在碾壓后不發(fā)生剪切破壞及疲軟現(xiàn)象。

針對本工程心墻土料的特點，開展心墻土料現(xiàn)場碾壓試驗[11]，在碾壓前，對粘土料進行多組擊實試驗及物理性質(zhì)試驗，天然含水率（W）為 22.7%，最大干密度（ρdmax）為 1.54 g/cm3、最優(yōu)含水率（Wop）為25.4%。因為W≤Wop，本次顆粒分析成果選擇了表1中天然濕度狀態(tài)下（即工況1）的粘粒含量為53.6%。

4.1 規(guī)范對粘粒含量的要求

《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL 251-2015）中對一般土防滲料粘粒含量的要求為15%～40%質(zhì)量技術(shù)指標，粘粒含量53.6%明顯高于規(guī)范要求。

4.2 規(guī)范及設(shè)計對粘性土心墻的填筑要求

《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》（SL 274-2001）中對2級壩的壓實度為98%～100%，碾壓后的滲透系數(shù)應(yīng)不大于1×10-5cm/s，設(shè)計要求為壓實度不小于98%，碾壓后的滲透系數(shù)應(yīng)不大于1×10-5cm/s。

4.3 現(xiàn)場碾壓試驗

4.3.1 試驗?zāi)康?/p>

確定粘粒含量偏高對粘性土心墻填筑的影響程度及確定粘性土料的最佳壓實方法（包括選擇碾壓設(shè)備類型、機械參數(shù)、施工參數(shù)等）。

4.3.2 試驗內(nèi)容

粘土碾壓機具選定為26 t自行式凸塊振動碾，碾壓參數(shù)共分9種試驗組合，行車速度按2.5±0.2 km/h進行控制。具體鋪料厚度、碾壓遍數(shù)試驗組合見表3。

4.3.3 試驗成果

根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗結(jié)果，經(jīng)整理計算其鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及干密度、壓實度成果見表4，不同碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系見圖3，不同鋪料厚度與壓實度關(guān)系見圖4，現(xiàn)場原位滲透試驗得出滲透系數(shù)為1.053×10-6cm/s?？蛇_到規(guī)范及設(shè)計對粘性土心墻的填筑要求。

表3 粘土鋪料厚度、碾壓遍數(shù)試驗組合表

圖3 不同碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系曲線

圖4 不同鋪料厚度與壓實度關(guān)系曲線

表4 不同鋪料厚度、不同碾壓遍數(shù)與密度、壓實度統(tǒng)計表

4.3.4 成果分析

根據(jù)現(xiàn)場碾壓密度成果分析，在同一鋪料厚度條件下，壓實度[12]與碾壓遍數(shù)的關(guān)系成正比；在碾壓遍數(shù)相同的情況下，壓實度與鋪料厚度的關(guān)系成反比。碾壓完成的效果可見圖5，從圖5可看出，土料按要求碾壓后，未發(fā)現(xiàn)水量偏高導(dǎo)致的橡皮土、未發(fā)現(xiàn)水量偏低導(dǎo)致的表層松土層，亦未發(fā)現(xiàn)碾壓后產(chǎn)生土體的剪切破壞，壓實度及滲透系數(shù)均可達到規(guī)范及設(shè)計對粘性土心墻的填筑要求，試驗效果良好。從圖2、圖3可以看出，本項目粘粒含量雖偏高，在選擇較大噸位的碾壓設(shè)備后，只要鋪料厚度較薄或碾壓遍數(shù)夠多的情況下，填筑質(zhì)量均能滿足設(shè)計及規(guī)范的要求。

圖5 碾壓后的效果

4.3.5 施工參數(shù)選擇

根據(jù)粘性土碾壓試驗檢測結(jié)果統(tǒng)計表分析、方便現(xiàn)場生產(chǎn)，采用26 t自行式凸塊振動碾的施工，其施工參數(shù)為鋪料40 cm，靜碾2遍+振碾6遍，振動碾行駛速度控制在2.5±0.2 km/h。

5 結(jié)語

1）對于粘性土，進行顆粒分析試驗時，采用不同狀態(tài)的試樣，其粘粒含量截然不同，試驗成果表明，天然濕度、風干、烘干狀態(tài)粘粒含量呈現(xiàn)出逐漸變小的規(guī)律。

2）顆粒分析試驗的試樣狀態(tài)的選擇與土料的天然含水率、最優(yōu)含水率、施工時調(diào)整含水率的方法密切相關(guān)，粘性土的顆粒分析試驗需選擇與施工最接近的狀態(tài)進行。

3）對于中低壩而言，粘粒含量偏高超出規(guī)范規(guī)定的上限13.6%以內(nèi)的粘性土，可通過加大碾壓設(shè)備的噸位、減小鋪料厚度、增加碾壓遍數(shù)來解決其可能產(chǎn)生的危害，可達到規(guī)范對粘土心墻的填筑要求；粘粒含量超過上述限值的亦可先做碾壓試驗，確定是否能達到規(guī)范對填筑的要求，若不能滿足，國內(nèi)一般采取摻砂、摻礫的方法來處理。