李旨強

（新疆水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆恰甫其海水利樞紐工程是以灌溉為主，兼有發(fā)電防洪等綜合利用功能的大（I）型一等工程，水庫總庫容17.70億m3，控制灌溉面34.95萬hm2，電站總裝機容量320萬kW。攔河大壩為粘土心墻壩，最大壩高108 m，壩頂長362 m，壩頂寬度12 m，心墻底寬67.8 m，大壩上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶1.7。土料場分為T1-1土料場和T3-1土料場。T1-1土料場位于小吉爾格尕朗河左岸五（V）級階地前緣，距壩址約4.0 km；T3-1土料場位于小吉爾格尕朗河左岸三（III）級階地前緣斜坡上，距壩址約3.5 km。土料主要由第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積物組成。

2 防滲體土料的特性試驗

2.1 料場勘察

2.1.1 T1-1土料

通過顆粒分析試驗及流塑限試驗，定名為低液限粉土～低液限粘土。具體物理力學(xué)性能檢測情況如表1所示。

2.1.2 T3-1土料

具體物理力學(xué)性能檢測情況如表2所示。

2.2 料場復(fù)查

用標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗測定土料最大干密度與其對應(yīng)的最優(yōu)含水率。按土的塑性圖分類，兩料場土料絕大部分為低液限粘土，個別探井的土料為低液限粉土。T1-1，T3-1土料的基本物理性質(zhì)見表3、圖1，物理力學(xué)性能見表4。

2.3 碾壓試驗

2.3.1 碾壓試驗概況

T1-1料場的土料為填筑心墻的主要料源，碾壓試驗選用主料場T1-1的土料，試驗用土料與料場復(fù)查土樣資料相比，兩者基本是一致的，碾壓試驗采用的土料是反映T1-1土料場土料性質(zhì)的。

2.3.2 試驗組合及碾壓機具的選擇

設(shè)計技術(shù)要求：“心墻防滲土料應(yīng)以最優(yōu)含水率壓實，含水率偏差范圍為-2%～+3%，要求壓實度P=1。”在標(biāo)準(zhǔn)擊實功能下T1-1土料的平均最優(yōu)含水量為15.4%，允許含水率偏差為-2%～+3%，故碾壓試驗控制含水率應(yīng)為：13.4%～18.4%。在碾壓試驗前，進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)擊實和重型擊實的對比試驗，來論證最優(yōu)含水率與擊實功能的關(guān)系，具體結(jié)果見表 5、圖 2。

從以上論證結(jié)果及以往工程經(jīng)驗來看，最優(yōu)含水量的變化隨擊實功能的增加而降低。而碾壓機具的壓實功能大于標(biāo)準(zhǔn)擊實功能，所以在土料含水量的選擇上，取最優(yōu)含水量的干側(cè)，鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的選擇根據(jù)以往施工經(jīng)驗而定。選擇了含水量11%，13%，15%，17%，鋪料厚度25 cm，30 cm，35 cm，碾壓遍數(shù)6遍、8遍、10遍三者的參數(shù)進(jìn)行組合、試驗。

表2 T3-1土料物理力學(xué)性能檢測表

表3 T1-1，T3-1土料基本物理性質(zhì)表

圖1 料場土料級配曲線圖

根據(jù)長期的施工經(jīng)驗和室內(nèi)實驗結(jié)果，結(jié)合投入設(shè)備的組合，確定了土料施工工藝流程為：17 t自卸車運輸進(jìn)占法鋪料，220 hPa推土機平料，16 t振動凸塊碾碾壓，碾壓方法為前后錯距法，然后取樣、刨毛灑水。碾壓速度為2.5 km/h，振動油門為中油門。

表4 T1-1，T3-1土料的物理力學(xué)性能檢測表

表5 標(biāo)準(zhǔn)擊實與重型擊實結(jié)果對比表

圖2 T1-1土料標(biāo)準(zhǔn)擊與重型擊實對比曲線

2.3.3 試驗過程及工藝的調(diào)整

土料碾壓試驗共進(jìn)行3次，試驗?zāi)康模捍_定含水量、鋪料厚度、碾壓遍數(shù)等施工參數(shù)外，對碾壓機具、土料壓實情況、層間結(jié)合情況、及刨毛深度等工藝是否可行進(jìn)行驗證。

第一次試驗分兩層共36+9個組合進(jìn)行，通過第一次試驗基本確定了施工含水率、鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的合理組合。當(dāng)含水率低于12%時，壓實干密度較低，無法滿足設(shè)計指標(biāo)；當(dāng)含水率高于15%時，土料中易出現(xiàn)彈簧土和剪切破壞現(xiàn)象，所以施工含水率范圍宜定為12.5%～14.5%。鋪料厚度為25～30 cm，振動碾壓遍數(shù)為10遍。含水率與壓實干密度的關(guān)系見圖3，含水率、碾壓遍數(shù)、干密度之間的關(guān)系見圖4。

在取樣檢查中發(fā)現(xiàn)，土料碾壓后存在以下問題：1）由于土料粘粒含量低，凸塊碾壓實后表面有一層11～13 cm厚的松土層，土料的有效壓實厚度太薄，不利于機械的合理利用，對施工進(jìn)度影響很大；2）土層結(jié)合部位壓實密度較低，無法達(dá)到設(shè)計指標(biāo)，滲透系數(shù)偏大；3）土層中自然層面、光面較多；4）凸塊碾碾壓面不刨毛則在結(jié)合面的凸塊底部有虛土存在，若刨毛深度要達(dá)到13 cm才能起作用，既不合理，也不經(jīng)濟(jì)。

圖4 鋪土厚度30 cm含水量、碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系曲線

針對以上問題調(diào)整碾壓機具進(jìn)行了第二次試驗，采用16 t凸塊碾先振碾8遍，然后用平碾封面碾壓2遍的工藝。平碾選用了16 t振動平碾靜壓和14 t氣胎碾兩種，目的在于消除表面松土層，提高結(jié)合部位的壓實密度，減小刨毛深度，增加土料有效的壓實厚度。從試驗結(jié)果來看16 t振動平碾為剛性體，靜碾后土料表層產(chǎn)生明顯的破壞，該機械組合不可取；14 t氣胎碾碾壓效果較好，但第一層與第二層土料結(jié)合部位的壓實密度略低，同時土層中的層面、光面未得到消除。

隨之對機具組合和碾壓方法組合進(jìn)行了研究和調(diào)整，根據(jù)土料的成因和礦物組成分析，該土料中主要成土礦物質(zhì)，形狀呈片狀，成土的地質(zhì)年代較短，氣候干燥，片狀相對要大些。在碾壓試驗中，只用凸塊碾振碾，片狀的礦物在激振力的作用下，容易成為水平向的排列，故往往出現(xiàn)自然狀的水平向?qū)用?。相反，先用凸塊振動碾靜壓，片狀的礦物在靜力作用下，相互擁擠，成水平向排列的現(xiàn)象相對要少，再振動碾壓，自然層面就會少些。試驗表明，先靜碾再振碾，不僅土層上、下部壓實效果好，而且自然層面少于只振碾的方法。在研究中，曾設(shè)想，恢復(fù)80年代羊腳碾與氣胎碾聯(lián)合碾壓的組合方式。但根據(jù)施工實踐和對碾壓機具工況分析，凸塊碾質(zhì)量較羊腳碾大，壓強比羊腳碾大；目前國內(nèi)外普遍淘汰了羊腳碾，采用凸塊碾靜碾優(yōu)于羊腳碾。所以決定用凸塊碾先靜壓、再振壓，然后用氣胎碾碾壓收面的方法進(jìn)行第三次試驗，試驗機具和碾壓方式組合采用了16 t凸塊碾先靜壓4遍再振壓6遍然后用氣胎碾碾壓2遍收面的方法。從試驗結(jié)果和探坑檢查情況來看，結(jié)合部位壓實干密度滿足設(shè)計要求，滲透系數(shù)符合要求，層面比以前試驗明顯減少，無明顯的光面出現(xiàn)，基本解決了以前土料試驗中存在的問題。3次試驗成果見表6。

表6 鋪料厚度30、碾壓10遍含水量13%±1%條件下3次試驗結(jié)果匯總

3 防滲體土料施工特性分析

3.1 土料基本特性

土料為低液限粉土～低液限粘土，標(biāo)準(zhǔn)擊實功能測得的土料最大干密度為控制密度，測定兩料場土料的壓縮和滲透性能。T1-1土料場的土料，屬低～中壓縮性土，T3-1土料場的土料，則屬低壓縮性土；土料的滲透系數(shù)均小于1×10-5cm/s。

通過對土樣采用蒸餾水和河水進(jìn)行針孔試驗、土塊試驗等結(jié)果，該土樣采用分散性綜合評價應(yīng)為非分散性土。

3.2 土料的施工特性及施工參數(shù)的確定

3.2.1 土料的施工特性

1）土料采用重型擊實儀進(jìn)行試驗，該土料在低含水率下有較高的壓實性，干密度可達(dá)1.85 g/cm3以上；與標(biāo)準(zhǔn)擊實儀結(jié)果比較，干密度可提高8%，說明該土隨擊實擊數(shù)的增加，最大干密度增大而最優(yōu)含水量減小，土樣有較高的強度，較低的壓縮性及滲透性能。

2）土料適于碾壓機械施工的含水率在標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗的干側(cè)，并且適宜范圍較窄，在12.5%～13.5%。

3）土料通過標(biāo)準(zhǔn)擊實與重型擊實，及標(biāo)準(zhǔn)擊實與碾壓機械壓實土層的對比觀察發(fā)現(xiàn)：在過大的擊實功能下，容易產(chǎn)生層間或?qū)觾?nèi)層面。

4）土料在碾壓機械碾壓后，有較高的強度，適應(yīng)壩體變形的能力較低，故需含水率控制在合適的范圍，保證土的可塑性，使土料能夠適應(yīng)壩體變形。

5）滲透臨界比降值偏低，略低于一般粘性土。使土料的抗沖蝕能力低于粘性土。反濾層的防護(hù)是保護(hù)好滲流出口，提高土料的抗沖能力，有效地防止?jié)B流破壞的最有效最直接的措施。根據(jù)土料及反濾料的特性進(jìn)行了關(guān)于滲流破壞的試驗研究，其實際情況結(jié)論如下：

①對防滲土料在無反濾層保護(hù)下的滲透破壞試驗，土層厚8 cm，出口反濾為20～40 mm礫石，它的破壞比降為60。

②防滲土料在反濾層保護(hù)下的滲透試驗，試驗密度控制為1.75 g/cm3，土層厚為20 cm時，作用水力比降為80，滲流4個月之久，試樣無滲透破壞痕跡，若施工時采用低含水壓實提高干密度，抗?jié)B比降還可以提高。

③假定防滲體產(chǎn)生裂縫進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗，采用滲變儀φ30 cm測試，在土樣內(nèi)設(shè)寬5 mm、長18 cm、高30 cm一條狹縫滲流通道，作用水頭40.0 kPa下滲流，10 min在內(nèi)峽縫處很快濕化崩解愈合，細(xì)顆粒很快充填反濾層孔隙空間，提高水頭至1200 cm，滲透系數(shù)仍保持有n×10-5cm/sec。說明該土料產(chǎn)生裂縫自愈性能較好，在高水頭作用下也有較好的抗沖蝕性能。

3.2.2 施工參數(shù)的確定

1）心墻土料的壓實采用16 t拖式振動凸塊碾，行駛速度2～5 km/h（1檔中油門）。先靜碾4遍后，再以相同的行駛速度振動碾壓6～8遍，平行碾壓方向搭接寬度為1/10碾筒長度（20 cm）；再用 25～30 t氣胎碾以 2～5 km/h的行駛速度碾壓2遍，以消除凸塊碾碾壓所形成的松土層。

2）土料含水率不小于12%，控制在最優(yōu)含水率的干側(cè)碾壓。

3）鋪土厚度30 cm左右，進(jìn)占法卸料。

4）鋪土前，對下一層壓實土表面先刨毛灑水，再用17 t自卸汽車進(jìn)占法上土，220 HP推土機攤鋪。

5）上、下游反濾料與心墻土料填筑方法，采用“先砂后土”法，每填兩層土，用16 t光面振動碾騎縫振碾4～6遍，保證心墻填筑斷面尺寸符合設(shè)計要求，土砂結(jié)合部位密實。

3.3 施工參數(shù)的調(diào)整

3.3.1 土料的制備及上壩前后的施工過程

土料制備采用高坡溜土，人工灑水，堆土牛的制備工藝。土牛高度15 m；土料含水率控制范圍12.5%～13.5%，小于最優(yōu)含水率1%～2%；接觸性土料含水率14%。

粘土心墻壩工程土料對水敏感，土料施工含水范圍窄小，為滿足土料填筑要求，開采時利用推土機積料，按不同季節(jié)、溫度、濕度、氣象條件對土料進(jìn)行二次制備堆存使用。上壩前，由專人負(fù)責(zé)對土料的含水率進(jìn)行檢測，符合要求方可。采用裝載機立面開采，15 t自卸車水平運輸上壩。

心墻土料填筑分為3個階段：895～921 m高程用“自卸車+皮帶機”運輸土料上壩，土料主要是采用皮帶機系統(tǒng)將土料從圍堰后930 m平臺垂直運輸至心墻基坑。921～955 m從上游圍堰930 m平臺修一條施工道路至上游的砂礫石區(qū)，采用自卸車直接上壩。955～985 m從上游圍堰度汛955 m斷面起坡，至985 m高程貼上游坡修一條施工道路，采用自卸車直接上壩。985 m高程以上土料從下游制備場取料，采用自卸車直接上壩。

3.3.2 施工過程參數(shù)的調(diào)整

2004年5月28日，在粘土心墻施工的聯(lián)合檢測過程中，發(fā)現(xiàn)每鋪土層之間存在結(jié)合面結(jié)合不良的現(xiàn)象。分析主要原因：施工單位購置了1臺新16 t拖式凸塊碾，據(jù)有關(guān)資料顯示，新凸塊碾的中油門相當(dāng)于舊凸塊碾的中高油門。同等油門下，無形地增加了其碾壓的激振力所造成。土料本身的特性不易改變，為了解決此問題，只能從施工參數(shù)上進(jìn)行調(diào)整解決。在施工現(xiàn)場選擇了幾種組合做了小區(qū)域施工參數(shù)改進(jìn)試驗。具體選用組合及質(zhì)量檢測情況見表7所示。

表7 試驗性生產(chǎn)情況匯總表

通過4種組合試驗對比分析決定：將原來的心墻土料施工參數(shù)改進(jìn)為第4種組合的施工參數(shù)。通過改進(jìn)后的心墻土料聯(lián)合檢測發(fā)現(xiàn)層間結(jié)合得到改善。

3.3.3 施工質(zhì)量檢測

1）心墻土料填筑取樣4166組，干密度最大值1.88 g/cm3、最小值 1.75 g/cm3、平均值 1.79 g/cm3、標(biāo)準(zhǔn)差 0.02、離差系數(shù)0.01，干密度離差系數(shù)小于0.1，強度保證率98.3%,均滿足要求。

2）填筑土料的顆粒級配如圖5所示。

圖5 心墻土樣聯(lián)合檢測顆粒分析曲線

通過土樣的顆粒級配曲線看出：整個粘土心墻填筑過程土料級配的變化不大，施工控制情況良好。

[1]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].

[2]SDJ213-83，碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].

[3]SL237-1999，土工試驗規(guī)程[S].

[4]新疆伊犁恰甫其海水利樞紐工程筑壩料試驗報告（施工階段、優(yōu)選勘察）[R].

[5]新疆恰甫其海工程土料場復(fù)查報告[R].

[6]新疆恰甫其海工程土料碾壓試驗報告[R].