高標準免管護新型材料淤地壩施工工藝關(guān)鍵參數(shù)試驗研究

宋海印 張書磊 楊帆

［關(guān)鍵詞］ 免管護淤地壩；施工工藝；關(guān)鍵參數(shù)；試驗

［摘 要］ 高標準免管護新型材料淤地壩為解決淤地壩壩身過流技術(shù)難題提供了一種全新方案，但是對于現(xiàn)有施工工藝中關(guān)鍵施工參數(shù)對施工的影響研究仍處于探索階段。基于陜西省某新型材料試驗淤地壩項目，圍繞高標準免管護新型材料淤地壩施工工藝中的拌和、攤鋪、碾壓工序中的關(guān)鍵參數(shù)開展試驗研究。試驗結(jié)果表明：拌和時間對黃土固化劑混合料的均勻度有著顯著影響，并存在最佳拌和時間閾值；靜-振結(jié)合的碾壓方式碾壓效果優(yōu)于靜壓和振壓的碾壓方式；最優(yōu)黃土固化劑混合料攤鋪厚度約為30 cm；在實際施工中應(yīng)綜合考慮質(zhì)量、時間和成本等綜合因素，從而合理選擇碾壓速度。

［中圖分類號］ TV62；TV882.1? [文獻標識碼] A? DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.017

淤地壩作為黃土高原地區(qū)三大亮點工程之一，在治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境和發(fā)展?jié)O農(nóng)產(chǎn)業(yè)等方面發(fā)揮了重要作用，生態(tài)和社會效益顯著[1-2]。早期建設(shè)的淤地壩設(shè)計標準較低，受制于均質(zhì)土壩壩身不能過流等，存在潰決風(fēng)險高、管護壓力大、攔沙不充分等問題[3-5]。針對這些問題，王博[6]對黃土高原淤積程度、減沙機理，以及淤地壩設(shè)計和施工管理方面進行了研究；張幸幸等[7]研發(fā)了一種新型復(fù)合PET材料，并采取淤地壩柔性溢洪道布置形式；王亮等[8]提出了淤地壩蓄水加固改造方案；張金良等[4]研發(fā)了黃土固化新材料，并基于小流域水文計算方法設(shè)計了新型淤地壩壩型結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)示意見圖1），構(gòu)建了高標準免管護淤地壩理論技術(shù)體系，并在陜西、內(nèi)蒙古等省（區(qū)）開展了試驗，但目前仍缺乏成熟的工藝技術(shù)支撐。因此，迫切需要開展黃土固化防護工程施工工藝研究，為高標準免管護新型淤地壩理論技術(shù)體系應(yīng)用提供技術(shù)支撐，以充分發(fā)揮淤地壩的生態(tài)保護、修復(fù)效益，進而推進黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展[9-11]。本研究針對施工過程中拌和、攤鋪、碾壓相關(guān)參數(shù)開展試驗研究，以期為高標準免管護新型淤地壩技術(shù)的優(yōu)化改進和推廣應(yīng)用提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 淤地壩工程地質(zhì)概況

陜西省某新型材料淤地壩位于延安富縣某村境內(nèi)，壩址位于109°20′38.51″E、36°2′33.26″N，屬黃土丘陵溝壑區(qū)、北洛河流域。流域內(nèi)梁峁相間，地形破碎，植被覆蓋條件較好。壩址處于典型的U形河谷中，溝道寬15～80 m，控制流域面積3.42 km2，壩址以上溝道長2.43 km，溝道平均比降4.71%。壩址附近有1座以防洪、灌溉、供水功能為主的小（1）型水庫，承擔(dān)著縣城區(qū)5萬余人口的生產(chǎn)生活用水和下游村莊、縣城區(qū)北教場區(qū)域的防洪任務(wù)。

壩址區(qū)域階地堆積二元結(jié)構(gòu)明顯，上部為黃土、黃土狀壤土，下部為砂礫石。高程970 m以上為黃土斜坡，坡度30°～40°，以下為基巖斜坡。壩基為砂礫層，左右壩肩主要為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，壩址河床處無巖石出露。溝道兩岸結(jié)構(gòu)完整，覆蓋著深厚的黃土，為溝壑縱橫、支離破碎的黃土丘陵梁、峁、溝地形，主要為粉質(zhì)壤土，表層為砂壤土。工程區(qū)為單斜地層，巖性主要為第四系上更新統(tǒng)黃土，整個庫壩區(qū)斷裂、褶皺不發(fā)育。地下水按含水層巖性分為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水，其中第四系孔隙潛水的含水層為壤土、砂壤土和砂礫石，基巖裂隙水的含水層為強-弱風(fēng)化砂巖。地下水補給來源為大氣降水，補排條件較好，為低礦化度的淡水，水質(zhì)良好。

該新型材料淤地壩為開展免管護黃土固化防護工程施工工藝關(guān)鍵參數(shù)試驗研究提供了優(yōu)良的試驗場地。

2 施工工藝關(guān)鍵參數(shù)試驗

2.1 試驗?zāi)康?/p>

本試驗?zāi)康氖欠治鲈囼灩r下拌和時間對黃土固化劑混合料試樣抗壓強度、碾壓方式對黃土固化劑混合料壓實度、攤鋪厚度對黃土固化劑混合料壓實度、碾壓速度對黃土固化劑混合料壓實度的影響規(guī)律，從而為淤地壩施工選擇合適的參數(shù)。

2.2 試驗設(shè)備

1）拌和設(shè)備。采用HBH-02組合式拌和設(shè)備，生產(chǎn)廠家為鄭州東方重型機械有限公司。主要技術(shù)參數(shù)：單倉最大容積5 m3，電動機總功率75 kW，生產(chǎn)能力≥20 m3/h。

2）攤鋪設(shè)備。采用ZTP-03斜坡自平衡攤鋪設(shè)備，動力為牽引行走。主要技術(shù)參數(shù)：容積4 m3，質(zhì)量2 756 kg，攤鋪厚度0～40 cm，攤鋪寬度2.3 m。

3）碾壓設(shè)備。采用NY-3500斜坡振動碾，生產(chǎn)廠家為福瑞得機械有限公司。主要技術(shù)參數(shù)：滾筒尺寸φ1 100 mm，振動頻率45～50 Hz，振動方式為液壓馬達，整機質(zhì)量3 500 kg，工作面坡度0～34°，啟動、熄火、轉(zhuǎn)速、振動均采用遙控控制。

4）牽引設(shè)備。采用QT-8000型牽引臺車，生產(chǎn)廠家為福瑞德機械有限公司。主要技術(shù)參數(shù)：質(zhì)量8 000 kg，液壓絞盤拉力150 kN，出繩量50 m，繩速0～10 m/min，牽引平板角度范圍18°～35°，液壓絞盤拉力150 kN等。

5）主要試驗指標檢測設(shè)備。主要檢測設(shè)備有50 mL酸式滴定管、環(huán)刀和核子密度儀、HDH-2巖土點荷載試驗儀等。

主要試驗設(shè)備實物見圖2。

2.3 試驗材料

本試驗選用的黃土為中粉質(zhì)壤土，相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1。試驗選用的黃土固化劑相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.4 試驗方案

本次試驗共設(shè)計4組試驗方案。試驗一：拌和時間對黃土固化劑混合料試樣抗壓強度的影響試驗。配置7塊相同摻量（固化劑與黃土質(zhì)量比1∶9）的黃土固化劑混合料試樣，分別攪拌10、15、20、25、30、35、40 min，采用滴定法測定拌和后的黃土固化劑混合料的均勻度，再將不同均勻度的黃土固化劑混合料制成10 cm×10 cm×10 cm、壓實度94%（誤差控制在5%以內(nèi)）的正方體試樣，最后將試樣分別養(yǎng)護至7、14、28 d，檢測不同均勻度試樣的抗壓強度（平行試驗設(shè)置5組）。

試驗二：碾壓方式對黃土固化劑混合料試樣壓實度的影響試驗。制作并拌和黃土固化劑混合料（固化劑與黃土質(zhì)量比1∶9），攤鋪后制成3塊5.00 m×3.50 m×0.25 m（長、寬、高）的長方體試樣，選用靜壓6遍、振壓6遍、靜-振結(jié)合（靜壓1遍、振壓5遍）3種碾壓方式分別碾壓，檢測不同碾壓方式試樣的壓實度（平行試驗不少于5組）。

試驗三：攤鋪厚度對黃土固化劑混合料試樣壓實度的影響試驗。制作并拌和黃土固化劑混合料（固化劑與黃土質(zhì)量比1∶9），攤鋪后制成3塊尺寸（長、寬、高）分別為5.00 m×3.50 m×0.20 m、5.00 m×3.50 m×0.25 m、5.00 m×3.50 m×0.30 m的長方體試樣，選用靜-振結(jié)合的碾壓方式（靜壓1遍、振壓5遍）碾壓，檢測不同攤鋪厚度試樣的壓實度（平行試驗設(shè)置5組）。

試驗四：碾壓速度對黃土固化劑混合料試樣壓實度的影響試驗。制作并拌和黃土固化劑混合料（固化劑與黃土質(zhì)量比1∶9），攤鋪后制成3塊長、寬、高分別為5.00 m×3.50 m×0.25 m的長方體試樣，選用靜-振結(jié)合的碾壓方式（靜壓1遍、振壓5遍）分別以1、3、6 m/min速度碾壓，檢測7、14、28 d后各試樣在碾壓1、2、3、4、5、6、7、8遍后的壓實度（平行試驗不少于5組）。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 拌和時間對黃土固化劑混合料試樣抗壓強度影響分析

對于固體顆?；旌狭隙裕韬蜁r間越長，意味著混合料拌和得越均勻，利用混合料制成的試樣抗壓強度指標越優(yōu)越[12-13]。圖3為不同拌和時間的黃土固化劑混合料試樣在7、14、28 d時的無側(cè)限抗壓強度曲線。試驗結(jié)果顯示：在拌和時間10～25 min時，隨著拌和時間增加，試樣的7、14、28 d無側(cè)限抗壓強度均逐漸增加，但是增加幅度逐漸減?。辉诎韬蜁r間25～40 min時，隨著拌和時間增加，不同拌和時間的混合料制成的試樣間無側(cè)限抗壓強度差異性弱。這說明本試驗條件下，拌和25 min能將黃土固化劑混合料拌和均勻，即最佳拌和時間在25 min左右。

3.2 碾壓方式對黃土固化劑混合料試樣壓實度的影響分析

壓實是穩(wěn)定土石材料的一種方法，能提高土石材料的力學(xué)性質(zhì)、抗?jié)B能力[14]。振動壓實是壓實方法中的一種，可以通過振動作用減小土體石材內(nèi)部的摩擦阻力，提高壓實效果[15-16]。圖4是3種輾壓方式碾壓6遍后，黃土固化劑混合料試樣壓實度柱狀圖。采用靜壓、靜-振結(jié)合和振壓碾壓方式分別碾壓6遍后，試樣的平均壓實度分別為69.8%、95.6%、95.7%。試驗結(jié)果顯示，采用靜-振結(jié)合和振壓的碾壓效果明顯優(yōu)于靜壓。但是靜-振結(jié)合的碾壓方式碾壓后的碾壓面平整度要優(yōu)于振壓。這主要是采用靜-振結(jié)合的碾壓方式作業(yè)時，先采用靜碾的方式用較小的壓力碾壓一遍，碾子對下方黃土固化劑混合料虛鋪層產(chǎn)生的前后向的擠壓力小，壓實面平整度好，為后續(xù)振動碾壓作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

3.3 攤鋪厚度對黃土固化劑混合料試樣壓實度的影響分析

圖5為靜-振結(jié)合的碾壓方式下不同攤鋪厚度的黃土固化劑混合料試樣碾壓6遍后壓實層底部的壓實度柱狀圖。試驗結(jié)果顯示，在攤鋪厚度20、25、30 cm時，試樣壓實度平均值分別為95.2%、95.0%、94.6%，均滿足設(shè)計標準要求（94%）；在攤鋪厚度35、40 cm時，試樣壓實度平均值分別為93.6%、92.0%，不滿足壓實度設(shè)計標準要求。因此，得到本次試驗最優(yōu)黃土固化劑混合料攤鋪厚度約為單次攤鋪30 cm。

3.4 碾壓速度對黃土固化劑混合料試樣壓實度的影響分析

圖6為不同碾壓速度工況下，黃土固化劑混合料試樣壓實度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線。試驗結(jié)果顯示，碾壓速度分別為1、3、6 m/min時，試樣壓實度均隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，且增加幅度逐漸減小。在碾壓相同遍數(shù)的情況下，振動碾行走速度越慢，碾壓效果越好。在1 m/min的速度下，碾壓5遍即可滿足設(shè)計要求，即壓實度94%；在3 m/min的工況下，碾壓6遍即可滿足設(shè)計要求；在6 m/min的工況下，碾壓7遍即可滿足設(shè)計要求。盡管振動碾行走速度越慢，壓實度越好，但是綜合考慮施工效率，還是選擇6 m/min的速度，以提高施工速度。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗，制作黃土固化劑混合料試樣，研究拌和時間對抗壓強度、碾壓方式對壓實度、碾壓速度對壓實度、攤鋪厚度對壓實度的影響，得出主要結(jié)論如下：

1）拌和時間對試樣的無側(cè)限抗壓強度影響顯著。在拌和時間10～25 min范圍內(nèi)，拌和時間越長，試樣的無側(cè)限抗壓強度越大；拌和時間超過25 min后，采用不同拌和時間混合料制成的試樣的7、14、28 d無側(cè)限抗壓強度差別不明顯。

2）靜-振結(jié)合的碾壓方式碾壓效果優(yōu)于靜壓和振壓。碾壓6遍后，采用靜壓、靜-振結(jié)合、振壓碾壓方式試樣的平均壓實度分別為69.8%、95.6%、95.7%，靜-振結(jié)合、振壓碾壓方式均達到壓實度要求，但是靜-振結(jié)合碾壓成的試樣壓實面平整度較好。

3）在靜-振結(jié)合的碾壓方式下，存在最優(yōu)黃土固化劑混合料攤鋪厚度，約為單次攤鋪30 cm。

4）盡管碾壓速度不同，但是隨著碾壓遍數(shù)的增加，黃土固化劑混合料試樣的壓實度逐漸增加，只是增加幅度逐漸減小。碾壓速度對壓實效果影響非常明顯，速度越小，單遍碾壓效果越好。但是較低的碾壓速度會影響工期，也會產(chǎn)生混合料“過壓”現(xiàn)象，因此在實際施工中應(yīng)綜合考慮質(zhì)量、時間和成本等綜合因素來選擇碾壓速度。

[參考文獻]

[1] 張金良.基于新型淤地壩的黃土高原“小流域+”綜合治理新模式探討[J].人民黃河，2022，44（6）：1-5，43.

[2] 黨恬敏，黨維勤，李小兵，等.新時期淤地壩及其壩系高質(zhì)量發(fā)展的新路徑[J].水利發(fā)展研究，2022，22（2）：58-65.

[3] 蓋永崗，李超群，王鵬，等.現(xiàn)行淤地壩設(shè)計洪水計算方法的適用性對比分析[J].水土保持通報，2021，41（5）：232-237.

[4] 張金良，宋志宇，李瀟旋，等.高標準免管護新型淤地壩壩身過流安全性研究[J].人民黃河，2021，43（12）：1-4，17.

[5] 張家璇，李永業(yè)，宋曉騰，等.淤地壩泥沙淤積高度對寬頂堰水力特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2023，39（13）：105-112.

[6] 王博.黃土高原淤地壩施工技術(shù)、質(zhì)量控制與運行安全保障措施[D].西安：西安理工大學(xué)，2007：3-6.

[7] 張幸幸，陳祖煜.小流域淤地壩系的潰決洪水分析[J].巖土工程學(xué)報，2019，41（10）：1845-1853.

[8] 王亮，聶興山，郝瑞霞.淤地壩蓄水加固改造方案的滲流和穩(wěn)定性分析[J].人民黃河，2021，43（4）：137-141.

[9] 藺明華，程益民，張靜.黃土高原淤地壩建設(shè)中存在的問題與對策[J].中國水利，2005（18）：39-40.

[10] 程建惠.淤地壩施工質(zhì)量控制存在問題與對策[J].山西水土保持科技，2012（3）：33-34.

[11] 李利平，武應(yīng)琪.碾壓式淤地壩施工中存在問題及對策[J].陜西水利，2012（1）：81-82.

[12] MA Dengcheng，GUI Xue，LI Xuan，et al.Simulation analysis of significance and interaction of influencing factors on mixing uniformity of doubledrum recycling mixing plant[J].Journal of Southeast University（English Edition），2022，38（2）：158-165.

[13] 黃超，謝曉琴.水泥穩(wěn)定碎石混合料拌和均勻性分析[J].湘潭大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，42（6）：61-66.

[14] 林曉磊，張超.振動壓路機最佳振動參數(shù)研究[J].中國測試，2014，40（2）：118-120，124.

[15] 但斌斌，鄔俊惠，容芷君，等.多頻多幅振動壓路機的參數(shù)優(yōu)化及其偏心塊組的設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2013（1）：29-31.

[16] 闞志濤.振動壓路機的壓實施工參數(shù)與壓實工藝研究[D].西安：長安大學(xué)，2011：13-16.