楊玉生，李 江，趙繼成，柳 瑩，王 龍，李康達

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048；2.新疆水利水電規(guī)劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；3中國電建十五工程局有限公司，陜西 西安 710000）

1 研究背景

在砂礫石壩填筑質量控制上，涉及兩個層面的關鍵問題[1]。其一，如何確定合適的填筑標準，即采用什么方法確定砂礫料填筑標準。其二，在確定的填筑標準條件下，如何才能夠經(jīng)濟高效的達到這個標準，即確定合適的碾壓施工參數(shù)和碾壓施工工藝。砂礫石壩填筑標準以相對密度作為控制指標，傳統(tǒng)上常以室內相對密度試驗確定，而隨著大型施工振動碾壓設備的應用，室內相對密度試驗確定的相對密度指標不能真實反映現(xiàn)場實際情況，目前已在逐步推廣采用現(xiàn)場大型相對密度桶法確定砂礫石壩的填筑標準[2-3]。但無論是室內相對密度試驗還是現(xiàn)場大型相對密度試驗，均采用人工配制風干砂礫料確定最大、最小干密度。在實際施工碾壓時，天然狀態(tài)的上壩砂礫料通常是在河道或者是就近河床的階地上開采的，往往具有一定的含水，或者處于接近飽和的狀態(tài)。有的工程對天然含水狀態(tài)砂礫料進行直接碾壓（如新疆大石門水庫瀝青混凝土心墻砂礫石壩），有的工程進行充分加水（如河南前坪水庫黏土心墻砂礫石壩），有的工程開始加水后又不加水（如印度Beas砂礫石壩）。因此填筑標準確定時砂礫料的含水狀態(tài)與實際施工碾壓時上壩砂礫料的含水狀態(tài)不一致，與施工質量檢測時砂礫料的含水狀態(tài)也不一致。因此，有必要評估這種含水狀態(tài)的不匹配對砂礫料質量控制和施工質量檢測帶來的影響，包括研究含水率對填筑標準確定的影響，含水率對碾壓施工效果的影響。雖然已有部分研究者[4-7]基于室內擊實法或振動臺法最大干密度試驗研究過含水率的影響，但室內試驗級配最大粒徑較小，與現(xiàn)場原級配砂礫料存在較大差異。也有研究者[8-10]基于實際工程現(xiàn)場碾壓試驗，研究含水率對砂礫料壓實特性的影響，但不同工程的試驗結論也不一致，有的認為加水對壓實特性沒有影響，有的認為筑壩施工時應充分加水。如用20 t牽引式振動碾對烏魯瓦提砂礫石料的碾壓試驗認為，該天然含水狀態(tài)砂礫石料加水與不加水振動碾壓對其壓實效果影響不明顯[9]，而前坪水庫壩殼砂礫料碾壓試驗認為，充分加水能顯著改善砂礫料的碾壓性能[10-11]。

相關土工試驗規(guī)范中，均在風干狀態(tài)確定土石壩砂礫料填筑標準，而在實際施工時砂礫料大多是在一定含水狀態(tài)下進行碾壓的，但對于碾壓時加水與否和加水效果缺乏清晰的認識。本文選用兩種級配的砂礫料，通過不同含水率下的現(xiàn)場密度桶法相對密度試驗和大型碾壓試驗，研究和評估含水率對土石壩砂礫料填筑標準控制和壓實特性的影響，并通過大壩實際碾壓效果檢測對研究結果進行評估。包括：（1）在不同含水狀態(tài)下進行填筑標準確定試驗，研究不同含水率下最大、最小干密度的變化，評估在風干狀態(tài)確定土石壩砂礫料填筑標準用于施工質量檢測依據(jù)的合理性。（2）進行不同含水率時砂礫料的現(xiàn)場碾壓試驗，對碾壓效果進行檢測，評估含水率對砂礫料碾壓效果的影響。（3）結合試驗規(guī)范、施工規(guī)范和已有研究成果，討論含水率對土石壩砂礫料填筑標準控制和施工質量控制影響。

2 試驗方案

2.1 含水率對填筑標準影響的試驗某水庫（1）主壩為黏土心墻砂礫（卵）石壩，壩殼料設計為天然級配砂礫（卵）石料，其包線范圍見圖1所示，其平均線級配最大粒徑為300 mm，小于5 mm細料含量為16.7%，其不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為8.5和0.75，為級配不良砂礫料。某水庫（2）為瀝青心墻砂礫石壩，壩殼料為原級配砂礫石料，其包線范圍見圖2所示。該包線范圍內，平均級配最大粒徑為400 mm，小于5 mm細料含量為26.0%，其不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為174.0和2.6，為級配良好砂礫料。某水庫（1）級配包線范圍平均線級配和某水庫（2）級配包線范圍內上平均線級配見表1所示。含水率對填筑標準的影響試驗即以這兩個級配線為基礎，分別添加不同的水量，配制不同含水率砂礫料（見表2），考察不同含水情況下最大、最小干密度的變化。

圖1 某水庫（1）上壩砂礫料級配包線

圖2 某水庫（2）上壩砂礫料級配包線

表1 相對密度試驗級配

表2 相對密度試驗含水率

2.2 不同含水率影響的現(xiàn)場施工碾壓試驗進行了兩種砂礫料的碾壓試驗，見表3所示。碾壓試驗（1）為河流階地上的天然含水狀態(tài)砂礫料，其含礫量基本上在85.0%附近，含水狀態(tài)不均勻，在1.0%～5.0%之間，碾壓試驗鋪厚80 cm，包含不加水（天然含水率）和體積加水率10.0%兩種工況，每個工況包含4個試驗區(qū)，分別碾壓6、8、10、12遍。碾壓試驗（2）砂礫料的含礫量在80%附近，進行了不加水（天然含水）和體積加水率為5.0%、10.0%和15.0%共4個工況的碾壓試驗，碾壓遍數(shù)為8遍。

表3 不同加水率影響的現(xiàn)場碾壓試驗方案

3 試驗結果分析

3.1 含水率對填筑標準的影響不同含水率對填筑標準影響的試驗結果見表4和圖3所示。由表4可知，對于某水庫（1）級配平均線，隨著砂礫料由干燥狀態(tài)到濕潤狀態(tài)，隨含水率的增大，最大干密度先減小后增大，含水率為2.0%～3.0%左右時試驗最大干密度最小，當含水率增大到6.0%以上時，試驗最大干密度值與干燥狀態(tài)試驗值基本一致。對于某水庫（2）級配平均線，最大干密度變化的規(guī)律基本一致，即隨含水率由干燥狀態(tài)逐漸增大，試驗最大干密度先減小后增大，在3.0%～4.0%左右時試驗最大干密度最小，當含水率增大到6.0%～9.0%時，試驗干密度值與干燥狀態(tài)試驗值基本一致，當含水率繼續(xù)增大時，試驗干密度又略有減小，但仍然明顯大于含水率3.0%～4.0%的試驗干密度值。對于最小干密度，隨含水率由干燥狀態(tài)逐漸增大，試驗最小干密度呈現(xiàn)波動起伏的狀態(tài)，原因在于加水后潮濕狀態(tài)的砂礫料顆粒之間產(chǎn)生了由毛細張力引起的假黏聚力，增加了顆粒之間的阻力，在最小干密度試驗時，容易產(chǎn)生粗、細顆粒聚集而影響試驗結果。

表4 不同含水率對填筑標準影響的相對密度試驗結果

圖3 干密度與隨含水率的變化關系

3.2 含水狀態(tài)對壓實特性的影響含水狀態(tài)對施工碾壓效果影響的試驗結果見表5和圖4所示。由表5和圖4可知，對于碾壓試驗（1），不加水條件下，碾壓干密度隨碾壓遍數(shù)的增大先增大后減小，增大碾壓遍數(shù)并未帶來碾壓效果的提升。充分加水后，碾壓干密度隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，對砂礫料進行充分加水能顯著提高其壓實效果。不加水和充分加水條件下，干密度隨碾壓遍數(shù)差異的原因在于：不加水時，砂礫料處于天然含水狀態(tài)（1.0%～5.0%），不同部位、不同區(qū)域的砂礫料含水差異性和離散性大，反映在壓實效果上，不同含水情況對壓實特性的影響超過了增加碾壓遍數(shù)的作用；充分加水時，不同碾壓遍數(shù)下，砂礫料含水狀態(tài)是基本一致的，施工碾壓干密度主要受碾壓遍數(shù)控制，隨碾壓遍數(shù)增大表現(xiàn)出較好的規(guī)律性。

圖4 加水率對施工碾壓效果的影響

對于碾壓試驗（2），天然含水率下，碾壓干密度最小，隨著體積加水率的增大，碾壓干密度先增大后減小，體積加水率增大到10.0%時，碾壓干密度最大，體積加水率增大到15.0%時，碾壓干密度反而降低，這與加水過多可能產(chǎn)生積水，一定程度上影響了碾壓效果有關。

4 含水率對砂礫料填筑標準和施工質量控制影響的討論

相關的土工試驗規(guī)范中，包括表面振動法和振動臺法的室內相對試驗，都在風干狀態(tài)確定土石壩砂礫料的填筑標準?！锻潦尾牧夏雺涸囼炓?guī)范》（NB/T 35016-2013）中，采用現(xiàn)場大型密度桶法確定原級配砂礫料填筑標準時，也采用風干砂礫料。而在實際研究和應用中，有采用擊實試驗確定砂礫料最大干密度隨含水率的變化。對于砂土，尤其是在對風積砂路基或渠基的研究中，更多的是采用擊實試驗確定干密度隨含水率的變化，進而結合碾壓試驗確定風積砂料施工碾壓參數(shù)[12-15]。

張克昌[4-5]曾采用振動臺法，對陳蔡水庫不同含礫量條件下最大粒徑為100 mm的筑壩砂礫料，開展了從干燥狀態(tài)到不同含水率條件下的室內相對密度試驗。結果表明，在室內采用振動臺法確定砂礫料填筑標準時，砂礫料壓實干密度隨含水率的變化存在一個極小值點，在該含水率下砂礫料最難壓實，該點對應的含水率為最劣含水率，在最劣含水率之后，有一極大值點，稱為最優(yōu)含水率，在該含水率下最易壓實，見圖5（a）所示。由于含水率對細料更有意義，可根據(jù)試驗結果繪制最優(yōu)含水率和最劣含水率與細料含量的關系，兩者皆隨細料含量的增大而增大，見圖5（b）所示。細料含量增大到50%以上時，砂礫料的最優(yōu)含水率越來越接近細料的最優(yōu)含水率。

圖5 陳蔡水庫砂礫料室內振動臺法試驗結果[4-5]

馬玉華等[6]采用尼爾基水利樞紐反濾層砂礫料（粒徑均小于5 mm），開展了不同鋪厚下的現(xiàn)場碾壓試驗，發(fā)現(xiàn)不同鋪厚和碾壓遍數(shù)下，干密度和相對密度均偏小。為了分析其原因，在室內開展了最大干密度試驗，測得不同含水率下反濾層砂礫料的干密度。結果驗證了砂礫料存在最劣含水率和最優(yōu)含水率，分別為2.9%和9.5%，見圖6（a）所示?，F(xiàn)場碾壓試驗細料平均含水率為2.9%，與最劣含水率一致，解釋了現(xiàn)場碾壓干密度偏小的現(xiàn)象。劉宏等[7]對某機場砂礫石料（最大粒徑60 mm）的研究表明，砂礫料壓實存在最優(yōu)含水率，其值隨粗料含量的增加而減小。鑒于砂礫料的含水主要附著在細料部分，考察最優(yōu)含水率與細料含量的關系更有意義，見圖6（b）所示。由圖6（b）可知，筑壩砂礫料細料含量為30%左右時，其最優(yōu)含水率為6.0%左右，換算為細料含水率為20.0%。圖7給出了大伙房工程砂礫料和碧口工程砂礫料干密度隨含水率的變化情況。由圖7可知，從風干狀態(tài)開始，砂礫料干密度隨含水率的增大先減小后增大，最劣含水率大致為2.0%～4.0%，最優(yōu)含水率在8.0%附近。大伙房砂礫料風干狀態(tài)試驗干密度與最優(yōu)含水率試驗干密度基本一致，碧口砂礫料風干狀態(tài)試驗干密度略小于最優(yōu)含水率試驗干密度。但碧口工程19組資料統(tǒng)計比較表明，最優(yōu)含水率條件下相對于風干狀態(tài)僅增加1.7%，基本上仍然接近試驗誤差的控制范圍。因此，砂礫料風干狀態(tài)的壓實性能與最優(yōu)含水率下的壓實性能基本一致。

圖6 砂礫料室內擊實試驗結果[6-7]

圖7 實際工程筑壩砂礫料干密度隨含水率的變化[8]

砂礫料中小于5 mm顆粒的細料含量對砂礫料的壓實性能有顯著的影響，含水率對細料的意義比對粗料的意義更大。含水率對砂礫料壓實效果的影響，主要通過細料起作用。鑒于此，有必要分析含水率對細料壓實特性的影響。圖8（a）為中、粗砂干密度隨含水率的變化，從風干狀態(tài)開始，中、粗砂的干密度隨含水率的增大先減小后增大，存在最劣含水率，顆粒越細，其值越大。對砂土壓實性的研究，更多的集中在沙漠公路路基風積砂的研究，圖8（b）總結了不同地區(qū)風積砂干密度隨含水率的變化[12-15]，風積砂干密度隨含水率增大也呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，也存在最劣含水率和最優(yōu)含水率，最劣含水率區(qū)間大致為4.0%～8.0%。最優(yōu)含水率在12.0%以上。

圖8 砂土干密度隨含水率的變化[8，12-15]

從填筑標準試驗方法來看，對于室內振動臺法相對密度試驗，在最優(yōu)含水率條件下確定的砂礫料最大干密度大于風干狀態(tài)試驗結果。對于現(xiàn)場密度桶法大型相對密度試驗，風干狀態(tài)與充分加水飽和條件下最大干密度試驗結果基本一致，而加水條件下試驗對最小干密度的測定有較大影響。因此，現(xiàn)場密度桶法采用風干砂礫料確定砂礫料的填筑標準是合適的。

在實際砂礫石壩工程建設中，有些采用加水填筑，有些采用不加水填筑。如1980年建成的最大壩高129 m的挪威Sira壩、最大壩高85 m的瑞士Satsi壩，填筑時對壩殼砂礫石加水；最大壩高為164.8 m的新疆阿爾塔什面板堆石壩，碾壓時按照填筑體積加水10.0%，采用32 t自行式振動碾碾壓10遍。有的采用不加水填筑，如最大壩高為235 m的美國Oroxille斜心墻堆石壩，填筑時不加水，用3.5 t振動平碾碾壓2遍；最大壩高為183 m的加拿大Bennett心墻堆石壩，填筑時不加水，用9 t振動平碾碾壓2～8遍；最大壩高128 m的新疆大石門瀝青心墻砂礫石壩，填筑時不加水，用26 t振動碾碾壓8遍。有些在填筑中先加水，后又中斷加水，如最大壩高134 m的印度Beas壩，對壩殼砂卵石料，初期填筑時加水量與填筑方量之比為1∶1，后來又中斷加水。

堆石壩（包括砂礫石壩）施工填筑中加水與否，既關系工程質量和進度，也涉及施工設備、工序、費用等[16]，但從已有的工程實踐來看，對加水與否和加水效果的認識，不同的人有不同的看法，并不是很清晰。《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（DL/T-5129-2013）指出，加水量是影響壓實質量的重要因素之一，加水量通常以其巖性、細粒含量而異，工程中應通過現(xiàn)場碾壓試驗確定是否加水及具體加水量。對于堅硬石料可不加水，對于大多數(shù)石料，在無試驗資料的情況下，一般加水量宜為填筑方量的20.0%～40.0%?！痘炷撩姘宥咽瘔问┕ひ?guī)范》（SL 49-2015）規(guī)定，堆石壩填筑時需加水碾壓，天然砂礫石的加水量以填筑方量的10.0%～20.0%為宜，爆破堆石料的加水量一般為10.0%～25.0%。對于軟化系數(shù)大的新鮮堅硬巖石的碾壓，經(jīng)過對比試驗論證，加水效果確實不明顯時，可不加水碾壓。

從規(guī)范規(guī)定來看，加水與否主要從巖性、風化程度和壩料級配來考慮，總體上偏向于認為加水對砂礫料壓實是有利的。面板堆石壩對變形控制的要求更為嚴格，在填筑時均要求對堆石料加水，僅對經(jīng)對比論證加水確實效果不明顯的新鮮堅硬巖石，可不加水。加水的目的是使塊石表面浸水軟化、潤滑、降低抗壓強度，減少顆粒間相對位移摩阻力、咬合力，在激振力作用下，提高壓實密度，減少壩體運行期沉降量。對于碾壓式心墻土石壩，其變形控制的要求沒有面板堆石壩嚴格，對于堅硬巖石可以不加水進行碾壓，在填筑時可以通過現(xiàn)場碾壓試驗確定是否加水以及加水的量。

規(guī)范加水量是以填筑方量來估算的，指的是體積加水率，在碾壓前可以根據(jù)砂礫料堆積密度換算為以質量表示的含水率。根據(jù)比重和顆粒級配的不同，砂礫料最小干密度范圍一般為1.70g/cm3～2.10 g/cm3，碾壓前的堆積密度一般在該范圍內，據(jù)此可估算砂礫料質量加水率見表6和見圖9所示。由表6和圖9可知，規(guī)范規(guī)定的砂礫料體積加水率的下限在4.8%～5.9%，上限在9.5%～11.8%。已有典型工程上壩砂礫料級配常見的細料含量為15%～30%，可估算其最劣含水率大多在2.0%～4.0%，最優(yōu)含水率大多在6.0%～8.0%。因此，《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》（SL 49-2015）推薦的天然砂礫料的加水量以填筑方量的10.0%～20.0%控制是基本合適的，而《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（DL/T-5129-2013），在無試驗資料情況下以填筑方量的20.0%～40.0%控制體積加水量，對砂礫料來說過大。

表6 一定體積加水率、不同堆積密度下砂礫料的質量加水率估算 （單位：%）

圖9 含水率與體積加水率的關系范圍

因此，砂礫料壓實中存在最劣含水率和最優(yōu)含水率，在風干狀態(tài)或充分加水浸潤時，壓實干密度較大。潮濕狀態(tài)時，顆粒之間產(chǎn)生假凝聚力，增加了顆粒間移動的阻力，壓實干密度顯著降低。根據(jù)砂礫石干密度隨含水率變化的這種特點，在筑壩砂礫料填筑碾壓施工中，為達到較大的壓實干密度，應避免砂礫料在最不利壓實的含水率下進行碾壓，可在風干狀態(tài)或者近飽和狀態(tài)進行碾壓。即施工中當砂礫料處于風干狀態(tài)時，可直接進行碾壓，不需要加水。當砂礫料處于潮濕狀態(tài)時，宜加水改變含水率接近的最不利壓實含水狀態(tài)，改善壓實效果。從施工填筑碾壓效果來看，砂礫石壩加水與否，要結合上壩砂礫料的天然含水狀態(tài)、砂礫料的顆粒級配、砂礫石壩壩型和對填筑控制的要求等幾個方面綜合考慮。對于是否加水、加水量應通過現(xiàn)場碾壓試驗來確定。

5 結論

（1）采用現(xiàn)場密度桶法確定砂礫料填筑標準時，采用風干砂礫料與采用完全濕潤狀態(tài)的砂礫料所得到的試驗結果基本一致，規(guī)范采用風干砂礫料確定砂礫料填筑標準是合適的。采用完全濕潤狀態(tài)的砂礫料進行相對密度試驗徒增試驗工作量，且對確定最小干密度不利，更容易引入試驗誤差。

（2）砂礫料壓實特性隨含水率的不同而不同，存在最劣含水率和最優(yōu)含水率，其值受細料含量的影響，隨細料含量的增大而增大。從風干狀態(tài)開始，砂礫料最大干密度隨含水率的增大先減小后增大，在細料含量為10%～30%的常見筑壩砂礫料級配包線范圍內，最劣含水率為2～4%，最優(yōu)含水率為6～8%。對于砂礫石筑壩，《混凝土面板堆石壩施工規(guī)范》（SL 49-2015）規(guī)定的的天然砂礫料的加水量以填筑方量的10%～20%控制是基本合適的，《碾壓式土石壩設計規(guī)范》（DL/T-5129-2013）推薦以填筑方量的20%～40%控制體積加水量，對砂礫料來說過大，施工時建議取體積加水量的下限20%進行加水控制。

（3）從施工填筑碾壓效果來看，砂礫料筑壩碾壓加水與否，要結合上壩砂礫料的天然含水狀態(tài)、砂礫料的顆粒級配、砂礫石壩壩型和對填筑控制的要求等幾個方面綜合考慮。對于是否加水、加水量應通過現(xiàn)場碾壓試驗確定。對處于西北干旱地區(qū)料場砂礫料含水率很低的地區(qū)，對變形控制要求相對寬松的心墻壩，可以在試驗論證的基礎上，在碾壓時不進行加水。對變形控制要求嚴格的面板壩，尤其是地處高烈度區(qū)的面板砂礫石壩，在大壩填筑碾壓施工時，充分加水并保證加水的均勻性對保證大壩填筑質量十分關鍵。