含水率对土石坝砂砾料填筑标准控制和压实特性的影响

杨玉生，李 江，赵继成，柳 莹，王 龙，李康达

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；3中国电建十五工程局有限公司，陕西 西安 710000）

1 研究背景

在砂砾石坝填筑质量控制上，涉及两个层面的关键问题[1]。其一，如何确定合适的填筑标准，即采用什么方法确定砂砾料填筑标准。其二，在确定的填筑标准条件下，如何才能够经济高效的达到这个标准，即确定合适的碾压施工参数和碾压施工工艺。砂砾石坝填筑标准以相对密度作为控制指标，传统上常以室内相对密度试验确定，而随着大型施工振动碾压设备的应用，室内相对密度试验确定的相对密度指标不能真实反映现场实际情况，目前已在逐步推广采用现场大型相对密度桶法确定砂砾石坝的填筑标准[2-3]。但无论是室内相对密度试验还是现场大型相对密度试验，均采用人工配制风干砂砾料确定最大、最小干密度。在实际施工碾压时，天然状态的上坝砂砾料通常是在河道或者是就近河床的阶地上开采的，往往具有一定的含水，或者处于接近饱和的状态。有的工程对天然含水状态砂砾料进行直接碾压（如新疆大石门水库沥青混凝土心墙砂砾石坝），有的工程进行充分加水（如河南前坪水库黏土心墙砂砾石坝），有的工程开始加水后又不加水（如印度Beas砂砾石坝）。因此填筑标准确定时砂砾料的含水状态与实际施工碾压时上坝砂砾料的含水状态不一致，与施工质量检测时砂砾料的含水状态也不一致。因此，有必要评估这种含水状态的不匹配对砂砾料质量控制和施工质量检测带来的影响，包括研究含水率对填筑标准确定的影响，含水率对碾压施工效果的影响。虽然已有部分研究者[4-7]基于室内击实法或振动台法最大干密度试验研究过含水率的影响，但室内试验级配最大粒径较小，与现场原级配砂砾料存在较大差异。也有研究者[8-10]基于实际工程现场碾压试验，研究含水率对砂砾料压实特性的影响，但不同工程的试验结论也不一致，有的认为加水对压实特性没有影响，有的认为筑坝施工时应充分加水。如用20 t牵引式振动碾对乌鲁瓦提砂砾石料的碾压试验认为，该天然含水状态砂砾石料加水与不加水振动碾压对其压实效果影响不明显[9]，而前坪水库坝壳砂砾料碾压试验认为，充分加水能显著改善砂砾料的碾压性能[10-11]。

相关土工试验规范中，均在风干状态确定土石坝砂砾料填筑标准，而在实际施工时砂砾料大多是在一定含水状态下进行碾压的，但对于碾压时加水与否和加水效果缺乏清晰的认识。本文选用两种级配的砂砾料，通过不同含水率下的现场密度桶法相对密度试验和大型碾压试验，研究和评估含水率对土石坝砂砾料填筑标准控制和压实特性的影响，并通过大坝实际碾压效果检测对研究结果进行评估。包括：（1）在不同含水状态下进行填筑标准确定试验，研究不同含水率下最大、最小干密度的变化，评估在风干状态确定土石坝砂砾料填筑标准用于施工质量检测依据的合理性。（2）进行不同含水率时砂砾料的现场碾压试验，对碾压效果进行检测，评估含水率对砂砾料碾压效果的影响。（3）结合试验规范、施工规范和已有研究成果，讨论含水率对土石坝砂砾料填筑标准控制和施工质量控制影响。

2 试验方案

2.1 含水率对填筑标准影响的试验某水库（1）主坝为黏土心墙砂砾（卵）石坝，坝壳料设计为天然级配砂砾（卵）石料，其包线范围见图1所示，其平均线级配最大粒径为300 mm，小于5 mm细料含量为16.7%，其不均匀系数和曲率系数分别为8.5和0.75，为级配不良砂砾料。某水库（2）为沥青心墙砂砾石坝，坝壳料为原级配砂砾石料，其包线范围见图2所示。该包线范围内，平均级配最大粒径为400 mm，小于5 mm细料含量为26.0%，其不均匀系数和曲率系数分别为174.0和2.6，为级配良好砂砾料。某水库（1）级配包线范围平均线级配和某水库（2）级配包线范围内上平均线级配见表1所示。含水率对填筑标准的影响试验即以这两个级配线为基础，分别添加不同的水量，配制不同含水率砂砾料（见表2），考察不同含水情况下最大、最小干密度的变化。

图1 某水库（1）上坝砂砾料级配包线

图2 某水库（2）上坝砂砾料级配包线

表1 相对密度试验级配

表2 相对密度试验含水率

2.2 不同含水率影响的现场施工碾压试验进行了两种砂砾料的碾压试验，见表3所示。碾压试验（1）为河流阶地上的天然含水状态砂砾料，其含砾量基本上在85.0%附近，含水状态不均匀，在1.0%～5.0%之间，碾压试验铺厚80 cm，包含不加水（天然含水率）和体积加水率10.0%两种工况，每个工况包含4个试验区，分别碾压6、8、10、12遍。碾压试验（2）砂砾料的含砾量在80%附近，进行了不加水（天然含水）和体积加水率为5.0%、10.0%和15.0%共4个工况的碾压试验，碾压遍数为8遍。

表3 不同加水率影响的现场碾压试验方案

3 试验结果分析

3.1 含水率对填筑标准的影响不同含水率对填筑标准影响的试验结果见表4和图3所示。由表4可知，对于某水库（1）级配平均线，随着砂砾料由干燥状态到湿润状态，随含水率的增大，最大干密度先减小后增大，含水率为2.0%～3.0%左右时试验最大干密度最小，当含水率增大到6.0%以上时，试验最大干密度值与干燥状态试验值基本一致。对于某水库（2）级配平均线，最大干密度变化的规律基本一致，即随含水率由干燥状态逐渐增大，试验最大干密度先减小后增大，在3.0%～4.0%左右时试验最大干密度最小，当含水率增大到6.0%～9.0%时，试验干密度值与干燥状态试验值基本一致，当含水率继续增大时，试验干密度又略有减小，但仍然明显大于含水率3.0%～4.0%的试验干密度值。对于最小干密度，随含水率由干燥状态逐渐增大，试验最小干密度呈现波动起伏的状态，原因在于加水后潮湿状态的砂砾料颗粒之间产生了由毛细张力引起的假黏聚力，增加了颗粒之间的阻力，在最小干密度试验时，容易产生粗、细颗粒聚集而影响试验结果。

表4 不同含水率对填筑标准影响的相对密度试验结果

图3 干密度与随含水率的变化关系

3.2 含水状态对压实特性的影响含水状态对施工碾压效果影响的试验结果见表5和图4所示。由表5和图4可知，对于碾压试验（1），不加水条件下，碾压干密度随碾压遍数的增大先增大后减小，增大碾压遍数并未带来碾压效果的提升。充分加水后，碾压干密度随碾压遍数的增大而增大，对砂砾料进行充分加水能显著提高其压实效果。不加水和充分加水条件下，干密度随碾压遍数差异的原因在于：不加水时，砂砾料处于天然含水状态（1.0%～5.0%），不同部位、不同区域的砂砾料含水差异性和离散性大，反映在压实效果上，不同含水情况对压实特性的影响超过了增加碾压遍数的作用；充分加水时，不同碾压遍数下，砂砾料含水状态是基本一致的，施工碾压干密度主要受碾压遍数控制，随碾压遍数增大表现出较好的规律性。

图4 加水率对施工碾压效果的影响

对于碾压试验（2），天然含水率下，碾压干密度最小，随着体积加水率的增大，碾压干密度先增大后减小，体积加水率增大到10.0%时，碾压干密度最大，体积加水率增大到15.0%时，碾压干密度反而降低，这与加水过多可能产生积水，一定程度上影响了碾压效果有关。

4 含水率对砂砾料填筑标准和施工质量控制影响的讨论

相关的土工试验规范中，包括表面振动法和振动台法的室内相对试验，都在风干状态确定土石坝砂砾料的填筑标准。《土石筑坝材料碾压试验规范》（NB/T 35016-2013）中，采用现场大型密度桶法确定原级配砂砾料填筑标准时，也采用风干砂砾料。而在实际研究和应用中，有采用击实试验确定砂砾料最大干密度随含水率的变化。对于砂土，尤其是在对风积砂路基或渠基的研究中，更多的是采用击实试验确定干密度随含水率的变化，进而结合碾压试验确定风积砂料施工碾压参数[12-15]。

张克昌[4-5]曾采用振动台法，对陈蔡水库不同含砾量条件下最大粒径为100 mm的筑坝砂砾料，开展了从干燥状态到不同含水率条件下的室内相对密度试验。结果表明，在室内采用振动台法确定砂砾料填筑标准时，砂砾料压实干密度随含水率的变化存在一个极小值点，在该含水率下砂砾料最难压实，该点对应的含水率为最劣含水率，在最劣含水率之后，有一极大值点，称为最优含水率，在该含水率下最易压实，见图5（a）所示。由于含水率对细料更有意义，可根据试验结果绘制最优含水率和最劣含水率与细料含量的关系，两者皆随细料含量的增大而增大，见图5（b）所示。细料含量增大到50%以上时，砂砾料的最优含水率越来越接近细料的最优含水率。

图5 陈蔡水库砂砾料室内振动台法试验结果[4-5]

马玉华等[6]采用尼尔基水利枢纽反滤层砂砾料（粒径均小于5 mm），开展了不同铺厚下的现场碾压试验，发现不同铺厚和碾压遍数下，干密度和相对密度均偏小。为了分析其原因，在室内开展了最大干密度试验，测得不同含水率下反滤层砂砾料的干密度。结果验证了砂砾料存在最劣含水率和最优含水率，分别为2.9%和9.5%，见图6（a）所示。现场碾压试验细料平均含水率为2.9%，与最劣含水率一致，解释了现场碾压干密度偏小的现象。刘宏等[7]对某机场砂砾石料（最大粒径60 mm）的研究表明，砂砾料压实存在最优含水率，其值随粗料含量的增加而减小。鉴于砂砾料的含水主要附着在细料部分，考察最优含水率与细料含量的关系更有意义，见图6（b）所示。由图6（b）可知，筑坝砂砾料细料含量为30%左右时，其最优含水率为6.0%左右，换算为细料含水率为20.0%。图7给出了大伙房工程砂砾料和碧口工程砂砾料干密度随含水率的变化情况。由图7可知，从风干状态开始，砂砾料干密度随含水率的增大先减小后增大，最劣含水率大致为2.0%～4.0%，最优含水率在8.0%附近。大伙房砂砾料风干状态试验干密度与最优含水率试验干密度基本一致，碧口砂砾料风干状态试验干密度略小于最优含水率试验干密度。但碧口工程19组资料统计比较表明，最优含水率条件下相对于风干状态仅增加1.7%，基本上仍然接近试验误差的控制范围。因此，砂砾料风干状态的压实性能与最优含水率下的压实性能基本一致。

图6 砂砾料室内击实试验结果[6-7]

图7 实际工程筑坝砂砾料干密度随含水率的变化[8]

砂砾料中小于5 mm颗粒的细料含量对砂砾料的压实性能有显著的影响，含水率对细料的意义比对粗料的意义更大。含水率对砂砾料压实效果的影响，主要通过细料起作用。鉴于此，有必要分析含水率对细料压实特性的影响。图8（a）为中、粗砂干密度随含水率的变化，从风干状态开始，中、粗砂的干密度随含水率的增大先减小后增大，存在最劣含水率，颗粒越细，其值越大。对砂土压实性的研究，更多的集中在沙漠公路路基风积砂的研究，图8（b）总结了不同地区风积砂干密度随含水率的变化[12-15]，风积砂干密度随含水率增大也呈现先减小后增大的规律，也存在最劣含水率和最优含水率，最劣含水率区间大致为4.0%～8.0%。最优含水率在12.0%以上。

图8 砂土干密度随含水率的变化[8，12-15]

从填筑标准试验方法来看，对于室内振动台法相对密度试验，在最优含水率条件下确定的砂砾料最大干密度大于风干状态试验结果。对于现场密度桶法大型相对密度试验，风干状态与充分加水饱和条件下最大干密度试验结果基本一致，而加水条件下试验对最小干密度的测定有较大影响。因此，现场密度桶法采用风干砂砾料确定砂砾料的填筑标准是合适的。

在实际砂砾石坝工程建设中，有些采用加水填筑，有些采用不加水填筑。如1980年建成的最大坝高129 m的挪威Sira坝、最大坝高85 m的瑞士Satsi坝，填筑时对坝壳砂砾石加水；最大坝高为164.8 m的新疆阿尔塔什面板堆石坝，碾压时按照填筑体积加水10.0%，采用32 t自行式振动碾碾压10遍。有的采用不加水填筑，如最大坝高为235 m的美国Oroxille斜心墙堆石坝，填筑时不加水，用3.5 t振动平碾碾压2遍；最大坝高为183 m的加拿大Bennett心墙堆石坝，填筑时不加水，用9 t振动平碾碾压2～8遍；最大坝高128 m的新疆大石门沥青心墙砂砾石坝，填筑时不加水，用26 t振动碾碾压8遍。有些在填筑中先加水，后又中断加水，如最大坝高134 m的印度Beas坝，对坝壳砂卵石料，初期填筑时加水量与填筑方量之比为1∶1，后来又中断加水。

堆石坝（包括砂砾石坝）施工填筑中加水与否，既关系工程质量和进度，也涉及施工设备、工序、费用等[16]，但从已有的工程实践来看，对加水与否和加水效果的认识，不同的人有不同的看法，并不是很清晰。《碾压式土石坝设计规范》（DL/T-5129-2013）指出，加水量是影响压实质量的重要因素之一，加水量通常以其岩性、细粒含量而异，工程中应通过现场碾压试验确定是否加水及具体加水量。对于坚硬石料可不加水，对于大多数石料，在无试验资料的情况下，一般加水量宜为填筑方量的20.0%～40.0%。《混凝土面板堆石坝施工规范》（SL 49-2015）规定，堆石坝填筑时需加水碾压，天然砂砾石的加水量以填筑方量的10.0%～20.0%为宜，爆破堆石料的加水量一般为10.0%～25.0%。对于软化系数大的新鲜坚硬岩石的碾压，经过对比试验论证，加水效果确实不明显时，可不加水碾压。

从规范规定来看，加水与否主要从岩性、风化程度和坝料级配来考虑，总体上偏向于认为加水对砂砾料压实是有利的。面板堆石坝对变形控制的要求更为严格，在填筑时均要求对堆石料加水，仅对经对比论证加水确实效果不明显的新鲜坚硬岩石，可不加水。加水的目的是使块石表面浸水软化、润滑、降低抗压强度，减少颗粒间相对位移摩阻力、咬合力，在激振力作用下，提高压实密度，减少坝体运行期沉降量。对于碾压式心墙土石坝，其变形控制的要求没有面板堆石坝严格，对于坚硬岩石可以不加水进行碾压，在填筑时可以通过现场碾压试验确定是否加水以及加水的量。

规范加水量是以填筑方量来估算的，指的是体积加水率，在碾压前可以根据砂砾料堆积密度换算为以质量表示的含水率。根据比重和颗粒级配的不同，砂砾料最小干密度范围一般为1.70g/cm3～2.10 g/cm3，碾压前的堆积密度一般在该范围内，据此可估算砂砾料质量加水率见表6和见图9所示。由表6和图9可知，规范规定的砂砾料体积加水率的下限在4.8%～5.9%，上限在9.5%～11.8%。已有典型工程上坝砂砾料级配常见的细料含量为15%～30%，可估算其最劣含水率大多在2.0%～4.0%，最优含水率大多在6.0%～8.0%。因此，《混凝土面板堆石坝施工规范》（SL 49-2015）推荐的天然砂砾料的加水量以填筑方量的10.0%～20.0%控制是基本合适的，而《碾压式土石坝设计规范》（DL/T-5129-2013），在无试验资料情况下以填筑方量的20.0%～40.0%控制体积加水量，对砂砾料来说过大。

表6 一定体积加水率、不同堆积密度下砂砾料的质量加水率估算 （单位：%）

图9 含水率与体积加水率的关系范围

因此，砂砾料压实中存在最劣含水率和最优含水率，在风干状态或充分加水浸润时，压实干密度较大。潮湿状态时，颗粒之间产生假凝聚力，增加了颗粒间移动的阻力，压实干密度显著降低。根据砂砾石干密度随含水率变化的这种特点，在筑坝砂砾料填筑碾压施工中，为达到较大的压实干密度，应避免砂砾料在最不利压实的含水率下进行碾压，可在风干状态或者近饱和状态进行碾压。即施工中当砂砾料处于风干状态时，可直接进行碾压，不需要加水。当砂砾料处于潮湿状态时，宜加水改变含水率接近的最不利压实含水状态，改善压实效果。从施工填筑碾压效果来看，砂砾石坝加水与否，要结合上坝砂砾料的天然含水状态、砂砾料的颗粒级配、砂砾石坝坝型和对填筑控制的要求等几个方面综合考虑。对于是否加水、加水量应通过现场碾压试验来确定。

5 结论

（1）采用现场密度桶法确定砂砾料填筑标准时，采用风干砂砾料与采用完全湿润状态的砂砾料所得到的试验结果基本一致，规范采用风干砂砾料确定砂砾料填筑标准是合适的。采用完全湿润状态的砂砾料进行相对密度试验徒增试验工作量，且对确定最小干密度不利，更容易引入试验误差。

（2）砂砾料压实特性随含水率的不同而不同，存在最劣含水率和最优含水率，其值受细料含量的影响，随细料含量的增大而增大。从风干状态开始，砂砾料最大干密度随含水率的增大先减小后增大，在细料含量为10%～30%的常见筑坝砂砾料级配包线范围内，最劣含水率为2～4%，最优含水率为6～8%。对于砂砾石筑坝，《混凝土面板堆石坝施工规范》（SL 49-2015）规定的的天然砂砾料的加水量以填筑方量的10%～20%控制是基本合适的，《碾压式土石坝设计规范》（DL/T-5129-2013）推荐以填筑方量的20%～40%控制体积加水量，对砂砾料来说过大，施工时建议取体积加水量的下限20%进行加水控制。

（3）从施工填筑碾压效果来看，砂砾料筑坝碾压加水与否，要结合上坝砂砾料的天然含水状态、砂砾料的颗粒级配、砂砾石坝坝型和对填筑控制的要求等几个方面综合考虑。对于是否加水、加水量应通过现场碾压试验确定。对处于西北干旱地区料场砂砾料含水率很低的地区，对变形控制要求相对宽松的心墙坝，可以在试验论证的基础上，在碾压时不进行加水。对变形控制要求严格的面板坝，尤其是地处高烈度区的面板砂砾石坝，在大坝填筑碾压施工时，充分加水并保证加水的均匀性对保证大坝填筑质量十分关键。