高標準免管護新型材料淤地壩施工工藝關鍵參數試驗研究

宋海印 張書磊 楊帆

［關鍵詞］ 免管護淤地壩；施工工藝；關鍵參數；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難題提供了一種全新方案，但是對于現有施工工藝中關鍵施工參數對施工的影響研究仍處于探索階段?；陉兾魇∧承滦筒牧显囼炗俚貕雾椖?，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、碾壓工序中的關鍵參數開展試驗研究。試驗結果表明：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-振結合的碾壓方式碾壓效果優于靜壓和振壓的碾壓方式；最優黃土固化劑混合料攤鋪厚度約為30 cm；在實際施工中應綜合考慮質量、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三大亮點工程之一，在治理水土流失、改善生態環境和發展漁農產業等方面發揮了重要作用，生態和社會效益顯著[1-2]。早期建設的淤地壩設計標準較低，受制于均質土壩壩身不能過流等，存在潰決風險高、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，以及淤地壩設計和施工管理方面進行了研究；張幸幸等[7]研發了一種新型復合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]研發了黃土固化新材料，并基于小流域水文計算方法設計了新型淤地壩壩型結構（結構示意見圖1），構建了高標準免管護淤地壩理論技術體系，并在陜西、內蒙古等省（區）開展了試驗，但目前仍缺乏成熟的工藝技術支撐。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體系應用提供技術支撐，以充分發揮淤地壩的生態保護、修復效益，進而推進黃河流域生態保護和高質量發展[9-11]。本研究針對施工過程中拌和、攤鋪、碾壓相關參數開展試驗研究，以期為高標準免管護新型淤地壩技術的優化改進和推廣應用提供理論和技術依據。

1 淤地壩工程地質概況

陜西省某新型材料淤地壩位于延安富縣某村境內，壩址位于109°20′38.51″E、36°2′33.26″N，屬黃土丘陵溝壑區、北洛河流域。流域內梁峁相間，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?。?）型水庫，承擔著縣城區5萬余人口的生產生活用水和下游村莊、縣城區北教場區域的防洪任務。

壩址區域階地堆積二元結構明顯，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風積黃土，壩址河床處無巖石出露。溝道兩岸結構完整，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，主要為粉質壤土，表層為砂壤土。工程區為單斜地層，巖性主要為第四系上更新統黃土，整個庫壩區斷裂、褶皺不發育。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鍵參數試驗研究提供了優良的試驗場地。

2 施工工藝關鍵參數試驗

2.1 試驗目的

本試驗目的是分析試驗工況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律，從而為淤地壩施工選擇合適的參數。

2.2 試驗設備

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

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

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

4）牽引設備。采用QT-8000型牽引臺車，生產廠家為福瑞德機械有限公司。主要技術參數：質量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備。主要檢測設備有50 mL酸式滴定管、環刀和核子密度儀、HDH-2巖土點荷載試驗儀等。

主要試驗設備實物見圖2。

2.3 試驗材料

本試驗選用的黃土為中粉質壤土，相關物理力學參數見表1。試驗選用的黃土固化劑相關物理力學參數見表2。

2.4 試驗方案

本次試驗共設計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）的正方體試樣，最后將試樣分別養護至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

對于固體顆粒混合料而言，拌和時間越長，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時的無側限抗壓強度曲線。試驗結果顯示：在拌和時間10～25 min時，隨著拌和時間增加，試樣的7、14、28 d無側限抗壓強度均逐漸增加，但是增加幅度逐漸減??；在拌和時間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

壓實是穩定土石材料的一種方法，能提高土石材料的力學性質、抗滲能力[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%。試驗結果顯示，采用靜-振結合和振壓的碾壓效果明顯優于靜壓。但是靜-振結合的碾壓方式碾壓后的碾壓面平整度要優于振壓。這主要是采用靜-振結合的碾壓方式作業時，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生的前后向的擠壓力小，壓實面平整度好，為后續振動碾壓作業奠定了基礎。

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%，不滿足壓實度設計標準要求。因此，得到本次試驗最優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的關系曲線。試驗結果顯示，碾壓速度分別為1、3、6 m/min時，試樣壓實度均隨碾壓遍數的增加而增加，且增加幅度逐漸減小。在碾壓相同遍數的情況下，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遍即可滿足設計要求；在6 m/min的工況下，碾壓7遍即可滿足設計要求。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 結論

通過現場試驗，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，得出主要結論如下：

1）拌和時間對試樣的無側限抗壓強度影響顯著。在拌和時間10～25 min范圍內，拌和時間越長，試樣的無側限抗壓強度越大；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無側限抗壓強度差別不明顯。

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

3）在靜-振結合的碾壓方式下，存在最優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，也會產生混合料“過壓”現象，因此在實際施工中應綜合考慮質量、時間和成本等綜合因素來選擇碾壓速度。

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