均质土坝填筑土料研究

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西 咸阳 712000)

均质土坝的填筑过程控制至关重要，但材料特性是填筑质量的关键所在。本文以王圪堵水库为例，对干旱地区填筑土料的特性以人工干预过程进行研究，以满足类似材料水利工程的需求。

1 工程概况

王圪堵水库位于无定河中游榆林市横山县王圪堵村，工程主要功能是供水、拦沙，兼顾灌溉、发电、防洪等综合功能。设计坝型为碾压均质土坝，最大坝高46 m，坝长949 m，总库容3.89亿 m3，属大(2)型、Ⅱ等水利工程。枢纽由拦河大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和坝后电站等建筑物组成。

2 地质概况

2.1 地形地貌

工程区地处陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘，西北高、东南低，分布高程1 000～1 400 m，相对高差50～100 m。以无定河为界，东南部为黄土梁峁、丘陵沟壑地貌，为土料场所在位置，西北部为风积沙漠地貌。属温带大陆性半干旱草原季风气候，降雨稀少，蒸发量大。

2.2 料场分布特征

勘察阶段选土料场共4处，分别位于坝址右岸黄土梁区，1、2号为主料场，距坝址区1～1.5 km，备用3、4号料场距坝址区2.5～4 km，总储量1 080.4万 m3。料场分布如图1所示。

图1 料场分布位置示意图

2.3 地层岩性

土料场岩性为第四系上更新统风积(Q32eol)黄土，灰黄～褐黄色，粉粒为主，质地均一，硬塑～半坚硬，垂直节理发育，含零星钙质结核；夹透镜状或窝状薄层细砂，连续性差，一般厚1～2.5 m。局部表层覆盖第四系全新统风积细沙。如图2所示。

图2 2号料场剖面示意图

2.4 水文地质特征

料场位于黄土梁峁区，地形切割破碎，岩层储水条件差。区内降雨量较少而小，地下水较为匮乏，一般垂直入渗补给基岩，形成基岩裂隙水，以下降泉的形式排泄于沟谷，补给无定河。

3 勘察阶段土料的物理力学特征

3.1 物理特征

勘察阶段采用探坑结合天然露头调查法对料场进行勘察，布设探坑37个、取原状及扰动土样234组，野外及室内物理力学试验。1#、2#土料场颗分试验统计平均值砂粒含量9.8%、粉粒含量71.2%、黏粒含量17%，3#、4#砂粒含量10.3%粉粒含量73.6%、黏粒含量16.1%。为低液限粘土。

土料物理性指标以1、2号两场为例，统计样品33～36组，天然含水率10.0%，天然密度1.67 g/cm3，干密度1.59 g/cm3，饱和度39.8%；击实最大干密度1.80 g/cm3，，最优含水率13.3%；控制干密度为1.78 g/cm3时，渗透系数1.78×10-5c m/s。

3.2 力学特征

土料三轴压缩试验以1、2号料场为例，固结不排水剪总应力ccu=65.9 kpa，φcu=21°，有效应力 ccu＇=15.8 kpa，φcu＇=32°。

3.3 含水率分布特征

通过对各料场土料天然含水率进行专门分析，其垂直分布特征如表1。显示勘探深度范围内，天然含水率随深度增加而逐渐增大，介于2.0～14.9%之间，随深度变化呈正比关系(表层局部存在上大下小现象)，如图3。分析结果认为，受当地降雨和蒸发量等客观气候条件影响较大。

表1 土料场天然含水率随深度变化统计表

图3 土料ω～h关系曲线

4 设计要求及预浸水试验

通过上述对天然土料质量的分析，除含水率偏低外，其他指标均可符合《碾压式土石坝设计规范》要求。土料天然含水率随枯、丰年季变化较大，故填筑前需配水后，方可满足设计需求。

4.1 设计要求

根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001要求，结合本工程的实际情况，设计坝体填筑碾压指标为：控制含水率(w)13.2%～13.6%，最大干密度(ρ)1.8 g/cm3，压实度(λ)0.98，渗透系数(k)1.78×10-5。

4.2 预浸水试验

4.2.1 配水试验原理及试坑布置

为满足土料的填筑需求，勘察期间对料场进行预浸水专题试验研究，在3号料场采用试坑灌水法浸水，选用容积8 m3(4×4×0.5 m)的试坑，在坑壁铺设塑料膜以减少侧向渗流，试验是在试内保持一定水头，经过一定时间的有压渗入，然后进入无压入渗，待坑内明水消失后分别在不同天数内，在试坑不同位置及深度采取样品，测试含水率。依据试验原理，选取有代表性的试坑3处用于配水。

4.2.2 配水

为了最终得到合理的配水参数，分别按需要入渗4 m、6 m、8 m为三个试坑估算配水量。配水前，在各试坑外侧打钻孔一个，每孔深度7.5 m，测得各孔内土层天然含水量平均值约为6% ，低于可研提供的8.7%，由于两次测试时间间隔较长，故视为正常值。以实测值为参考。

试坑注水保持水头0.5 m，延续时间约30 h。由于该区黄土呈硬塑状，客观上也延长了注水时间，待渗期3 d。试验期间，在坑顶搭设了防晒网以减少蒸发。

4.2.3 现场测试

待渗3天后，第4天开始造孔取样进行含水率测试， 测试孔位由试坑中心向边缘辐射状布设，各试坑每天取样3孔，按0 m、1 m、2 m各布1孔，每米取扰动样一组，单坑每天取样36～72组，每组平行两试样进行含水量测试。

4.2.4 配水试验成果分析及评价

试验进入第27天时，入渗深度内大部分土样含水量接近13.2%，个别低于12.2%，按要求可结束试验，所得各试坑渗水后含水率变化进行分别统计和分析评价。试坑1配水后含水率变化统计表如表2。

表2 试坑1配水后含水率变化统计表

表2中，试坑1配水后的含水率变化规律：(1)配水后入渗等深度历时越长，含水率则越低，总体呈继续下渗趋势，前期下渗速度快于后期。配水后深度4 m以上，前9天内等深度含水率平均以每天0.2%～0.9%的速度减少(砂层以上为0.2%)，第9天后为0.1%～0.2%；深度5 m处含水率增大到16.8%后转入下降，平均每天下降0.1%，深度6m处含水率增加到14.8%后，以每天0.37%的速度降低；湿、干土分界线平均每天下移8～10 cm；孔底部含水率一般为7%～8%，与配水前相近。首次测试时含水量值最大为20%，下渗效果良好。取样中未见完全饱和现象，表明料场土层均一性好，无相对滞水层。(2)配水后，前7天可渗入深度内含水率大多明显高于16.2%，偏高，不宜开采。试坑1配水后相同深度处时间与含水量关系曲线如图4，深度与含水量变化关系曲线如图5。

表2和图4可表明，配水后第12天，渗入深度内含水率值大部分已进入阴影区(即适用的土料含水率的取值范围)，第27天时仍在阴影内，即土料有效开采期是配水后的第12天至第28天。表2配水后湿、干土分界深度及图5表明，开采初期水的最大渗入深度已达5.8 m，但该处含水量值仅略大于配水前天然状态，远低于最优值。分析认为，合理的渗入深度应为5.3 m，开采有效厚度内的平均含水率为14.4%。在开采期内，水分仍继续下渗，末期开采深度可达6.5m，有效厚度内的平均含水量为13.3%。

虽然配水后第12天至第28天为最佳开采时段，但考虑到开采运输过程中存在含水率的损失，故开挖时间应提前2天较为合理。

图4 配水后相同深度处时间与含水量关系曲线图

综合分析：试验中，在三个试坑采用不同的配水方量，同样的分析方法，其结果略有不同。试坑1配水方量为25 m3，坑底面积为16 m2。若按试坑单位面积配水，入渗深度5.3 m时，需注水量为1.6 m3，平均每米需水0.3 m3；试坑2配水方量为20 m3，坑底面积为16 m2。按试坑单位面积配水，入渗深度4.3 m时，注水量为1.3 m3，平均每米需水0.3 m3；试坑3配水方量为15 m3，坑底面积为16 m2。按试坑单位面积配水，入渗深度3.2 m时，注水量为0.94 m3，平均每米需水0.3 m3。经对三个配水点的综合分析比较：各试坑配水量不同，达到可上坝土料的等待时间基本接近，开采时段长度相差稍多，深度差别较大。其中试坑3的入渗深度为最浅，相对施工不经济，不宜采用，而试坑1、2的成果可以作为设计时采用的配水参考工艺。

取样孔揭示，孔深1.2～2.2 m为厚度不等的细砂层，其垂直及水平渗透系数均大于土层，水沿砂层水平方向渗漏严重，直接影响到土层的垂直入渗，所以试验未达到理想的入渗深度，建议清除表层的砂层及含植物根系土层，整平后分畦分期进行，配水量的多少，可根据立面开挖深度调整给，或分层进行。

图5 配水后期相同时间内深度与含水量关系曲线

5 实施过程中存在的问题

5.1 配水方法

王圪堵水库大坝于2010年3月开始预浸水工作，清表后采用40 m×10 m×1.0 m 和50 m×20 m×1.0 m渗坑，水源为无定河水，管道泵压输送至浸水现场，向试坑注水，使试坑内保持0.5 m水头持续两周后停止加水，待水完全入渗7天后进行开挖翻倒。开挖中观察垂直入渗深度4.8～5.5 m，水平方向影响半径1.0～1.5 m。

5.2 碾压试验

碾压试验是将料场制备好的土料运至坝址附近进行，为满足设计及规范要求，碾压填土厚度采用0.2 m、0.35 m、0.5 m，碾压变数为6、8、10遍三种不同的方法，碾压机具为60T震动凸块碾1档碾压(1档的速度和震动频率相当于60 T/cm2，2档相当于30T/cm2)，以确定最合理的碾压参数。结果表明，填土厚度0.35 m，1档震动碾压8遍后的压实度达到98%～100%，即为最合理的碾压参数。为此，依据试验结果进一步明确了实际碾压参数的合理性，于2010年7月左坝段Ⅰ区清基完成并进行填筑(见表3)。

5.3 填筑中存在的问题

在大坝填筑过程中，自检和第三方检测都存在压实度未满足设计要求，其原因不仅仅是含水量低，还存在局部含水率偏高，形成橡皮土和压实度过大引起的剪切破坏。因而，不但碾压含水率、碾压功率和遍数关系密切，而且还与配水后土料含水率分布的均匀性息息相关。之后，通过反复翻倒、凉晒、洒水、旋耕再碾压。通过5层(每层0.35 m)填筑，均存在类似问题，检测合格率仅为60%如表3。分析认为：(1)土料料源配水后大范围开挖运至工作面后，含水率仍具有不均匀性，局部粉粒含量较高，现场翻到均匀性较差；(2)浸水过程中，垂直入渗程度参差不齐，粉粒含量高的部位垂直和水平入渗深度较大，开挖后含水量损失较大，且配水面积有限，不能满足填筑施工大量开采的需求；(3)运距较大，自2号料场绕包茂高速至左坝段约2.0 km，由于当地气候干燥，蒸发量大，松散的土料在运输途中失水；(4)碾压机具功率偏小等因数。

表3 填筑Ⅰ区1～5层填土合格率统计表

6 方案调整措施

鉴于填筑碾压存在上述问题，2010年9月业主会同勘察设计、监理、施工单位对料源、开采方法、配水及运输等过程进行分析达成共识，“应改善碾压机具的组合参数，增加碾压遍数，土料制备采用二次倒运现场制备，注意砂土的剥离等事项形成纪要予以实施。”方法为现场预浸水，再运至坝区附近200～300 m范围内分层洒水堆放10～15 d后上坝填筑。通过多次反复碾压试验，通过合理的配水和碾压方法，该区在1 014 m高程以上基本掌握填筑土料的特性，碾压密度达1.78～1.81 g/cm3,压实度达99%以上，合格率达到98%以上，返工率大大减小。

7 结语

填筑土料根据当地自然地质条件、沉积环境的不同，其物理力学特性差异较大。作为均质土坝的填筑材料，在它的颗粒组成满足规范与设计要求外，土料含水率、密度和压实度，碾压机具的组合等指标间的相互作用息息相关，均可采用人工干预来控制，使其满足使用需求。解决干旱和半干旱地区当地材料匮乏的问题是可行的。但在实施与控制中，工况条件及工作环境有所差异，应针对工程区的自然地质环境、气候条件和施工环境进行深入分析研究，以寻求最科学、最经济、且行之有效施工方法。