心墙土料粘粒含量偏高对填筑质量影响的分析

吴 平，李荐华，刘 鹏，万燎榕

（江西省水利规划设计研究院，江西 南昌 330029）

0 引言

土石坝对坝址基础条件具有良好的适应性，能就地取材、节省投资，是坝工建设中最常见的坝型之一[1]。土石坝主要包括均质土坝、粘土心墙坝和混凝土面板堆石坝等[2]。目前在建的粘土心墙坝中，心墙土料粘粒含量多不在规范规定的范围内，需对心墙粘土做一些改良措施。近年来随着室内试验、大型碾压机具等的不断发展，目前对心墙土料颗粒分析试验状态的选择、大型碾压机具对粘粒含量偏高的适应性的研究较少。马洪琪[3]研究了掺砾粘土心墙防渗土料的性能及适应性、相应的掺砾及填筑施工工艺、压实质量控制标准、质量监控技术等；唐福发[4]研究了粘土心墙堆石坝高液限粉土砾石心墙施工控制参数；蔺以明[5]、何清等[6]及闫金良等[7]对岩石风化料作为心墙防渗材料进行了研究；邓亲云等[8]对分散土的判别及分散土心墙堆石坝的设计和施工进行综合分析。

以上主要针对心墙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掺砾措施，极少研究心墙土料颗粒分析试验状态的选择、大型碾压机具对粘粒含量偏高的适应性，本文通过室内试验及现场碾压试验，对试验成果进行分析总结，分析使用大型碾压机具时，粘粒含量偏高对填筑质量的影响。

1 概况

1.1 工程概况

四方井水利枢纽工程是一座以防洪、供水为主，兼顾发电等综合利用效益的大（2）型水利枢纽工程。工程主体建筑物有粘土心墙主坝、岸边式溢洪道、引水发电隧洞、发电厂房、均质粘土副坝、导流（放空）洞等。主坝坝顶高程为155.80 m，坝顶宽度为8.0 m。主坝高51.30 m。主坝坝体主要分堆石1区、堆石2区及粘土心墙。主坝为2级建筑物，主坝设计典型断面图见图1。

图1 主坝设计典型断面图

1.2 土料场概况

该项目土料场位于坝址下游右岸的某自然村北东侧约200 m，属丘岭岗地。可开采面积为13.2×104m2，该料场地面高程一般110 m～153 m，坡脚处道路路面高程104 m。主要种植茶树等，局部为旱地，种有花生、芝麻等经济作物。岩性上部以第四系全新统坡积粘土为主，中部为含少量砾的粘土底部砾石含量较高，过渡为砾质粘土，粘土呈黄红色、黄褐色，稍湿，粘结力较强，呈硬可塑状。据钻孔揭露及试验成果，一般土填筑料（为上部粘土）储量为91.68×104m3，储量可满足粘土心墙的填筑要求。

2 试样状态对粘粒含量的影响

依据料场的岩性分布及储量，便于开采及方便质量控制的原则，重点对土料场上部分布的粘土进行取样，取样位置均匀分布于土料场，取样位置为6处，每处取样3组，合计18组，每处所取得3组样分别进行天然湿度、风干、烘干三种状态下的颗粒分析试验[9]，各状态下的成果平均值见表1、级配曲线见图2。

表1 试样各种状态下的颗粒组成

图2 同种土料不同状态下的颗粒分析曲线

从表1及图2可得出，天然湿度、风干、烘干状态下粘粒含量呈现出逐渐变小的规律，而粉粒含量呈现出逐渐变大的规律，砂粒及圆(角)砾的含量变化不明显。

3 试样状态的选择

心墙土料室内颗粒分析试验的试样状态的选择与土料的天然含水率、最优含水率、施工时调整含水率的方法密切相关，构成多种工况，各工况下试样状态的选择见表2。

表2 试样状态的选择

4 粘粒含量偏高对粘土心墙填筑的影响

随着大型碾压机具的不断发展，粘土心墙坝的建设得到了迅速发展，坝壳堆积的各种土料、风化石料都能方便的碾压密实，而粘粒含量偏高的粘土作为心墙土料，通过大型碾压设备的碾压，既要达到设计压实度的要求，又要在碾压后不发生剪切破坏及疲软现象。

针对本工程心墙土料的特点，开展心墙土料现场碾压试验[11]，在碾压前，对粘土料进行多组击实试验及物理性质试验，天然含水率（W）为 22.7%，最大干密度（ρdmax）为 1.54 g/cm3、最优含水率（Wop）为25.4%。因为W≤Wop，本次颗粒分析成果选择了表1中天然湿度状态下（即工况1）的粘粒含量为53.6%。

4.1 规范对粘粒含量的要求

《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251-2015）中对一般土防渗料粘粒含量的要求为15%～40%质量技术指标，粘粒含量53.6%明显高于规范要求。

4.2 规范及设计对粘性土心墙的填筑要求

《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）中对2级坝的压实度为98%～100%，碾压后的渗透系数应不大于1×10-5cm/s，设计要求为压实度不小于98%，碾压后的渗透系数应不大于1×10-5cm/s。

4.3 现场碾压试验

4.3.1 试验目的

确定粘粒含量偏高对粘性土心墙填筑的影响程度及确定粘性土料的最佳压实方法（包括选择碾压设备类型、机械参数、施工参数等）。

4.3.2 试验内容

粘土碾压机具选定为26 t自行式凸块振动碾，碾压参数共分9种试验组合，行车速度按2.5±0.2 km/h进行控制。具体铺料厚度、碾压遍数试验组合见表3。

4.3.3 试验成果

根据现场取样试验结果，经整理计算其铺料厚度、碾压遍数及干密度、压实度成果见表4，不同碾压遍数与压实度关系见图3，不同铺料厚度与压实度关系见图4，现场原位渗透试验得出渗透系数为1.053×10-6cm/s。可达到规范及设计对粘性土心墙的填筑要求。

表3 粘土铺料厚度、碾压遍数试验组合表

图3 不同碾压遍数与压实度关系曲线

图4 不同铺料厚度与压实度关系曲线

表4 不同铺料厚度、不同碾压遍数与密度、压实度统计表

4.3.4 成果分析

根据现场碾压密度成果分析，在同一铺料厚度条件下，压实度[12]与碾压遍数的关系成正比；在碾压遍数相同的情况下，压实度与铺料厚度的关系成反比。碾压完成的效果可见图5，从图5可看出，土料按要求碾压后，未发现水量偏高导致的橡皮土、未发现水量偏低导致的表层松土层，亦未发现碾压后产生土体的剪切破坏，压实度及渗透系数均可达到规范及设计对粘性土心墙的填筑要求，试验效果良好。从图2、图3可以看出，本项目粘粒含量虽偏高，在选择较大吨位的碾压设备后，只要铺料厚度较薄或碾压遍数够多的情况下，填筑质量均能满足设计及规范的要求。

图5 碾压后的效果

4.3.5 施工参数选择

根据粘性土碾压试验检测结果统计表分析、方便现场生产，采用26 t自行式凸块振动碾的施工，其施工参数为铺料40 cm，静碾2遍+振碾6遍，振动碾行驶速度控制在2.5±0.2 km/h。

5 结语

1）对于粘性土，进行颗粒分析试验时，采用不同状态的试样，其粘粒含量截然不同，试验成果表明，天然湿度、风干、烘干状态粘粒含量呈现出逐渐变小的规律。

2）颗粒分析试验的试样状态的选择与土料的天然含水率、最优含水率、施工时调整含水率的方法密切相关，粘性土的颗粒分析试验需选择与施工最接近的状态进行。

3）对于中低坝而言，粘粒含量偏高超出规范规定的上限13.6%以内的粘性土，可通过加大碾压设备的吨位、减小铺料厚度、增加碾压遍数来解决其可能产生的危害，可达到规范对粘土心墙的填筑要求；粘粒含量超过上述限值的亦可先做碾压试验，确定是否能达到规范对填筑的要求，若不能满足，国内一般采取掺砂、掺砾的方法来处理。