粘土心墙土石坝高液限粉土砾石心墙施工控制参数确定

吴继文 云南建投第一水利水电建设有限公司

水利工程建设中，粘土心墙土石坝取得广泛的应用，其主要含粘土心墙、反滤料、护坡等部分，在整个坝体工程中具有优良的防渗效果。但因亚热带地区自然气候的特殊性，区域内粘土含水率处于较高水平，不利于粘土心墙施工作业，此背景下加强对粘土心墙土料含水率的控制极具必要性。

1.工程概况

某水库工程位于云南低纬高海拔地区，该处为典型的亚热带山地季风气候。根据现场地质特点，粘土料场普遍分布在2240～2270m的高海拔地带，以褐黄色粉质砂纸粘土层居多。区域内降雨量丰富，常年空气湿度都维持在较高的水平，施工期相对较短，2～4月降雨量偏少。坝址位于河谷内，该处日照不足，持续时间偏短，且河谷深度达210m。因现场气候条件的特殊性，导致其粘土含水率处于较高水平，地勘资料显示该值普遍为45%～52%，明显超过最优含水率。粘土特点主要表现为对水敏感性强，此条件下其干密度和压实度都处于相对偏低的水平，基于何种方式改善高液限粉土的不良性能显得尤为关键，是本次施工的重难点。

2.心墙原材料特性

2.1 心墙土料特性

根据大坝现场施工条件确定防渗心墙土料来源途径，本项目均选自Cijeungjing料场，从中以随机抽取的方式获得46组样品，根据所得检测结果评定料场土料性能情况。

天然土料为典型的高液限土，内部组成以粘粒居多，检测组样品的平均占比为46.3%，但仅存在极少量的粗颗粒，粒径超5mm的总量仅为1.4%，天然含水率处于相对较高的状态，液限67%。根据既有研究资料以及工程经验，受应力的作用土料存在较明显的变形问题，其膨胀率变化幅度较大。结合大坝防渗工程施工要求，在该土料内掺入适量砾石料，此项工作之前对料场土料取样分析，得知其渗透系数均集中在1×10-6～1×10-7cm/s区间内，可达到项目技术规范要求，即并未超过1×10-5cm/s。

2.2 心墙掺合砾石料的特性

以墙心土料为基础，向其中掺入适量砾石料以改善材料整体性能，此部分源自于GunungJulang料场，制作工艺为先爆破开采，砾石料经砂石系统处理后所得，结合设计规范确定合适的砾石规格，要求其粒径为5～60mm。

3.心墙土、石掺合比例的确定

粘土心墙施工应得到高性能防渗混合料的支持，根据技术规范及工程要求，砾石总量≤40%，以此为依据确定5种掺入比例，由此分析各比例下生产所得的心墙土石混合料性能情况。根据普氏击实试验结果可知：由于砾石的作用，原本最高干密度处于较低水平的心墙土料在此方面得到显著改善，其结果是心墙应力得以提高，可有效解决水力劈裂问题，是缓解心墙变形的重要途径。在某个区间内，砾石比例增加的同时伴随有压实最大干密度上升的情况，但其在砾石比例达30%后发生转折，此时压实最大干密度虽有增加但幅度较小。

根据上文对天然土料的分析能够得知，尽管粗颗粒含量处于较低的水平，但粒径达5mm及以上的天然砾石在其中占据较大的比重，平均可达13.2%，受人工外掺的影响，总体上砾石含量显著提高，且超过40%。以水库工程的施工要求为基本依据，结合云南低纬度高海拔的地质特点，最终确定土石混合防渗心墙的主要工艺参数，即砾石占比30%（重量比），混合料最大干密度1.474g/cm3。

4.心墙料现场碾压试验

4.1 总体规划

在确定各类材料的配比后，再组织现场碾压试验。结合工程经验，将心墙区宽度设为10m，可细分为两个区，各自的区别在于填料松铺厚度的不同，其中Zone1-1区为20cm，Zone1-2区增加至30cm，以相同的工艺碾压。经过本试验后，从中确定土石混合心墙料最合适的工艺参数，体现在含水量、碾压遍数、压实干密度等方面。

4.2 现场碾压试验参数

4.2.1 碾压遍数与沉降量的关系

根据试验结果可以得知，伴随碾压遍数的增加，摊铺料的沉降量表现出随之加大的趋势，但在第6遍碾压以后，虽然发生沉降但速度较慢，约10遍时沉降趋于稳定。

4.2.2 碾压遍数与干密度的关系

经过持续性的4遍碾压后展开干密度检测，此处选择的是灌砂试验的方式，伴随碾压遍数的增加，其对应的干密度随之表现出增大的趋势，但从第6遍开始虽然存在干密度变化情况但幅度较为微弱。

4.3 现场渗透试验

在上述基础上进一步展开渗透试验，相较于设计规范中所提出的“≤1×10-5cm/s”而言，本次所用的心墙土、石混合料在该指标上满足要求。

5.心墙施工控制参数的确定

综合室内试验和现场碾压两方面的数据，确定各项指标的控制参数，具体内容见表1。

6.粘土施工措施

（1）粘土料装运：选择指定的粘土料场，根据施工需求选择合适方量的粘土材料并运输至翻晒场，遵循的是由远而近的堆放原则，从车辆的运输能力来看，各车单次运输土料的堆放区域面积设为40m2。安排推土机将转运后的土料摊平，使各区域的摊铺厚度稳定在50～60cm；结束摊铺后进行翻松，此环节选择的是推土机带七铧犁的方式，以达到水分有效蒸发的效果。

表1 大坝防渗心墙土、石混合料的施工控制参数表

（2）粘土翻晒：若翻晒场所日照强度偏弱，首先给予自然晾晒处理（持续1d），次日再安排推土机带七铧犁进一步翻耕，经过此环节后确保土料含水率的合理性，使其维持在最佳含水率状态。若现场天气条件较好，首日则可使用设备翻耕。为满足翻晒需求，本项目共设置有4块翻晒场，经过翻晒处理且相关指标满足要求后，利用挖掘机装车，将其统一转移到第五块场地堆放，并加强管理。

（3）含水率检测：本项目选择的是酒精燃烧法，随机选取土样并转移至试盒内，称重后将数据记录好，向其中滴入95%酒精，观察盒中的状态，当形成自由液面后即可停止，随即点燃酒精并持续至火焰熄灭，按上述方法循环操作2次，选取处理后的土样并称重，根据试验前后数据经计算后求得含水率。若此项指标满足要求，将其装运上坝用于填筑施工。需注意，考虑到大雾天气湿度较大的特点，相较于最优含水率而言，实际所用涂料的含水率应在该基础上适当的降低。

7.结束语

本文结合工程实例，根据该项目防渗心墙的施工特点，提出与之相适应的填筑材料，经过分析后选择的是高液限粉土，并在此基础上掺入适量砾石。提出5种配比，检验各工艺参数下的土石混合料性能情况，综合技术可行性、成本等方面展开分析，从而确定土、石材料的合适配比，再组织室内试验和现场碾压试验，综合所得结果确定施工控制参数，如最优含水量、最大干密度等。总体上，高液限粉土砾石防渗心墙施工中对于参数的控制提出较高的要求，实际工程项目中应结合多方面因素，经试验后确定合适的参数标准，确保施工质量。