堆石壩黏土料心墻工程性能及應用研究

張芳芝

(青海省民和縣水利局，青海 民和 810800)

1 概 述

水庫在運行過程中所發生的坍塌、失穩事件屢見不鮮，給社會造成的經濟損失和人員傷亡不容忽視。為了保證大壩的整體穩定性，提高大壩心墻的施工質量與良好的運行狀況尤為重要[1-2]。

大壩心墻通常為填筑施工，而填筑材料的強度與物理特性直接影響心墻的穩定性。接觸黏土料作為一種用于土石壩工程中的材料，通常是在易發生應力集中的部位使用，常作為大壩心墻的填筑材料。由于接觸黏土料自身較強的可塑性、緩沖性與柔韌性，可以把它視為一種“緩沖劑”去協調變形，尤其可在不同硬度之間的介質中使用[3-4]。正是由于接觸黏土料的這種特性，常用于大壩各部位的相接部分，包括心墻與岸坡或者防滲墻的接觸面。但是這些部位容易發生較大的剪切變形，隨之而來的便是接觸黏土料的滲透性會因剪切變形的影響而降低[5-7]。

現有研究多是從大壩心墻破壞原因角度展開分析，缺乏對接觸黏土料工程力學性能的試驗研究。為了確保接觸黏土料的物理力學特性達到工程要求，有必要通過現場試驗分析其在上述情況下的滲透穩定性。因此，本文基于現場碾壓試驗和室內壓縮試驗，對接觸黏土料在堆石壩心墻建設中的應用進行研究。

2 試 驗

2.1 試驗設計

本次研究旨在通過現場碾壓試驗，驗證黏土料含水率、壓實度以及干密度隨碾壓遍數變化所受到的影響；同時確定設計參數的可行性、準確性，設計方案是否符合規范中的要求；最后根據試驗中得到的結果，計算分析數據，確定合適的碾壓參數與最佳碾壓方法，從而選擇恰當的施工設備、碾壓遍數、鋪料厚度等。

本次接觸黏土料現場碾壓試驗參照碾壓試驗標準展開[8-9]。試驗場地設置在大壩下游圍堰，場地長40 m、寬25 m，按25、30、35 cm鋪料厚度分為3塊，各塊均為12 m×12 m，過渡帶寬2.5 m，見圖1。采用的設備為YZK18自行振動碾，碾擊振力為400 kN，碾輪寬度為2.12 m，頻率為35 Hz，振幅為1.9 mm，碾壓方式為靜碾，振動碾壓兩遍后采用水準儀測量計算沉降量。

圖1 黏土料現場碾壓場地布置圖

2.2 試驗流程

2.2.1 物理參數測定

在開始碾壓試驗前,測定黏土料的各種物理力學性能，結果見表1。

表1 接觸黏土料物理參數測定結果

2.2.2 高程測量

為了得到鋪料場地的起始高程，采用水準儀測量各測點高程，記錄各測點坐標。

2.2.3 鋪 料

在此次現場試驗中，各場地通過人工撒白灰劃分場地，采用自卸車運輸，同時采用裝載機與人工共用方式進行黏土料鋪料。在場地開闊部分，采用裝載機使用后退法鋪料，在范圍偏小、裝載機不易行駛的部分，采用人工的方式進行鋪料、整平。鋪料完成后，在場地四周設置測點，采用全站儀測量鋪料頂面高程，以此得到鋪料的平均厚度。

2.2.4 含水率測定

在鋪料過程中，測量黏土料的含水率，并在碾壓試驗全程都要監測其含水率的變化。此外，在雨天時要提前在土料上覆蓋防水膜，防止土料含水率變化過大。

2.2.5 碾 壓

第一場碾壓試驗中，碾壓方式均為靜碾，檢測項目有含水率和最大干密度，具體情況見表2。根據第一場碾壓試驗的結果選出最優含水率，第二場試驗采用ωop-2%、ωop、ωop+2%進行。

2.2.6 參數測定

測量碾壓后的各測點高程，計算鋪料的沉降量，同時測量鋪料的含水率，計算碾壓4、6、8、10次時的干密度。

3 試驗結果分析

3.1 室內壓縮試驗

在實驗室中展開土的壓縮試驗，在試驗中對土料施加的最大壓力為2.5 MPa。試驗結果為：飽和狀態下，接觸黏土料的壓縮模量為5.7 MPa，壓縮系數為0.215 MPa-1；天然狀態下，接觸黏土料的壓縮模量為8.6 MPa，壓縮系數為0.147 MPa-1。以上結果均在0.1～0.2 MPa的壓力條件下所得，根據結果顯示，接觸黏土料屬于中壓縮性土。具體試驗結果見表2。

表2 室內壓縮試驗結果

3.2 室內三軸試驗

為了研究土料應力與應變之間的關系，在實驗室內進行三軸試驗，分別采用飽和固結排水剪和飽和固結不排水剪兩種方式。在此試驗中，圍壓均保持為200～600 kPa，并由此條件測得土體的有效抗剪強度和總應力抗剪強度，具體結果見表3、表4。

表3 三軸試驗結果(飽和固結排水剪)

表4 三軸試驗結果(飽和固結不排水剪)

綜上室內研究成果可知，天然接觸黏土料的壓縮模量為8.6 MPa，壓縮系數為0.147 MPa-1，且其有效抗剪強度達到73 MPa，能夠滿足混凝土壩心墻建設要求。

3.3 現場碾壓試驗

不同碾壓厚度(25、30、35 cm)條件下接觸黏土料沉降率、壓實度和干密度隨碾壓遍數的關系見圖2。

圖2 接觸黏土料現場碾壓試驗結果

由圖2可知，在碾壓厚度相同的條件下，沉降率、壓實度與干密度與碾壓遍數呈正相關，隨著碾壓遍數的增長，沉降率、壓實度與干密度會增大；而在相同碾壓遍數的條件下，這三者均隨著碾壓厚度的增加而減小；當碾壓遍數增大至一定限度后，曲線增長趨勢均漸漸平緩。這是因為剛開始土料內部存在大量孔隙，孔隙中存在著大量的水與空氣，開始碾壓時，孔隙被壓縮，空氣與水被排出，因此土體體積減小，沉降率、壓實度、干密度均隨著土骨架的壓縮而顯著上升；之后隨著碾壓遍數的增大，土料內大孔隙逐漸消失，剩下的一些小孔隙中氣體無法排出，其內的壓強過大，無法被土顆粒填滿。此外，一些結合水吸附于土顆粒之上，由于黏著性較強，也無法被碾壓排出，因此土體的沉降率、壓實度、干密度無法進一步增加，導致曲線趨于平緩或者保持水平。

4 結 論

本次研究基于現場碾壓試驗和室內壓縮試驗對接觸黏土料在堆石壩心墻建設中的應用展開了深入研究，主要結論如下：

1)隨著碾壓次數的增加，接觸粘土料的沉降、干密度及壓實度呈現出先快速增長后趨于穩定的變化趨勢。當碾壓次數大于4次時，不同鋪料厚度下接觸黏土料均能滿足堆石壩心墻設計要求

2)當鋪料厚度為30 cm、碾壓次數為8次時，接觸黏土料工程性能最佳，此時干密度為1.67 g/cm3, 壓實度達98.76%。

3)本次研究缺乏實際建設工程應用中的驗證，下一步應當投入現場應用并深入探討。