心墻土料粘粒含量偏高對(duì)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(jì)研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

土石壩對(duì)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(duì)心墻粘土做一些改良措施。近年來隨著室內(nèi)試驗(yàn)、大型碾壓機(jī)具等的不斷發(fā)展，目前對(duì)心墻土料顆粒分析試驗(yàn)狀態(tài)的選擇、大型碾壓機(jī)具對(duì)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(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、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(duì)巖石風(fēng)化料作為心墻防滲材料進(jìn)行了研究；鄧親云等[8]對(duì)分散土的判別及分散土心墻堆石壩的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行綜合分析。

以上主要針對(duì)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(yàn)狀態(tài)的選擇、大型碾壓機(jī)具對(duì)粘粒含量偏高的適應(yīng)性，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行分析總結(jié)，分析使用大型碾壓機(jī)具時(shí)，粘粒含量偏高對(duì)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(jí)建筑物，主壩設(shè)計(jì)典型斷面圖見圖1。

圖1 主壩設(shè)計(jì)典型斷面圖

1.2 土料場概況

該項(xiàng)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(jì)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(qiáng)，呈硬可塑狀。據(jù)鉆孔揭露及試驗(yàn)成果，一般土填筑料（為上部粘土）儲(chǔ)量為91.68×104m3，儲(chǔ)量可滿足粘土心墻的填筑要求。

2 試樣狀態(tài)對(duì)粘粒含量的影響

依據(jù)料場的巖性分布及儲(chǔ)量，便于開采及方便質(zhì)量控制的原則，重點(diǎn)對(duì)土料場上部分布的粘土進(jìn)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(jì)18組，每處所取得3組樣分別進(jìn)行天然濕度、風(fēng)干、烘干三種狀態(tài)下的顆粒分析試驗(yàn)[9]，各狀態(tài)下的成果平均值見表1、級(jí)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(fēng)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(yàn)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(shí)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(duì)粘土心墻填筑的影響

隨著大型碾壓機(jī)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(fēng)化石料都能方便的碾壓密實(shí)，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(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)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(duì)本工程心墻土料的特點(diǎn)，開展心墻土料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)[11]，在碾壓前，對(duì)粘土料進(jìn)行多組擊實(shí)試驗(yàn)及物理性質(zhì)試驗(yàn)，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?yàn)閃≤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(duì)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(duì)一般土防滲料粘粒含量的要求為15%～40%質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，粘粒含量53.6%明顯高于規(guī)范要求。

4.2 規(guī)范及設(shè)計(jì)對(duì)粘性土心墻的填筑要求

《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2001）中對(duì)2級(jí)壩的壓實(shí)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(jì)要求為壓實(shí)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(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

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

4.3.2 試驗(yàn)內(nèi)容

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

4.3.3 試驗(yàn)成果

根據(jù)現(xiàn)場取樣試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)整理計(jì)算其鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及干密度、壓實(shí)度成果見表4，不同碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系見圖3，不同鋪料厚度與壓實(shí)度關(guān)系見圖4，現(xiàn)場原位滲透試驗(yàn)得出滲透系數(shù)為1.053×10-6cm/s?？蛇_(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)對(duì)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(yàn)組合表

圖3 不同碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線

圖4 不同鋪料厚度與壓實(shí)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(shí)度統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)度及滲透系數(shù)均可達(dá)到規(guī)范及設(shè)計(jì)對(duì)粘性土心墻的填筑要求，試驗(yàn)效果良好。從圖2、圖3可以看出，本項(xiàng)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(jì)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(yàn)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表分析、方便現(xiàn)場生產(chǎn)，采用26 t自行式凸塊振動(dòng)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(dòng)碾行駛速度控制在2.5±0.2 km/h。

5 結(jié)語

1）對(duì)于粘性土，進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)時(shí)，采用不同狀態(tài)的試樣，其粘粒含量截然不同，試驗(yàn)成果表明，天然濕度、風(fēng)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(yàn)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(shí)調(diào)整含水率的方法密切相關(guān)，粘性土的顆粒分析試驗(yàn)需選擇與施工最接近的狀態(tài)進(jìn)行。

3）對(duì)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(dá)到規(guī)范對(duì)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(yàn)，確定是否能達(dá)到規(guī)范對(duì)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。