鄭 星 敖大華 張 勝 魏偉瓊 楊文超 徐永旺

（1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州貴陽 550081；2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點實驗室，貴州貴陽 550081）

0 引言

土石壩是世界上最古老、建設(shè)最多的壩型，國內(nèi)外最高的大壩都是土石壩[1-2]。我國已經(jīng)建成了一批高度200 m 以上的高土石壩，正在建設(shè)兩河口、雙江口等一批高度300 m 級特高土石壩。隨著對筑壩材料特性和結(jié)構(gòu)性態(tài)的把握和預(yù)測能力的進一步提高，未來土石壩還將進一步?jīng)_擊更大壩高[2]。

心墻防滲材料的質(zhì)量是建設(shè)高土石壩至關(guān)重要的保證，國內(nèi)已建和在建的高土石壩針對防滲土料的碾壓特性開展了大量研究。苗尾水電站[3-5]對天然級配較好的寬級配礫石土料開展了碾壓參數(shù)試驗及高含水率碾壓試驗研究；糯扎渡[6-7]、兩河口[8-10]、雙江口[11-12]等特高土石壩都對摻礫土料開展了現(xiàn)場碾壓試驗研究。除兩河口外，其他大型、巨型工程所在地海拔均不算太高，開展碾壓試驗的場地海拔鮮有超過2500 m。

從現(xiàn)階段特高土石壩建設(shè)現(xiàn)狀及水能資源分布來看，未來特高土石壩的建設(shè)將會集中在高海拔地區(qū)。某水電站位于高海拔高寒地區(qū)，攔河樞紐建筑物為高度300 m 級特高土石壩，壩體心墻防滲土料填筑方量約為4.88×106m3，防滲心墻土料為天然礫石土。防滲土料場分布在高程為3450～3600 m 的沖溝中，料場中部主要為第四紀(jì)早期沖洪積形成的碎石土，靠近陡斜坡地帶主要為第四紀(jì)后期殘坡積和斜坡面流沖刷形成的砂質(zhì)黏土、粉土及碎石土。土料具有天然級配偏粗、含水率偏低的特點，需對其進行了級配及含水率改性。由于當(dāng)前階段尚無法在壩址高程開展碾壓試驗，因此結(jié)合土料改性試驗，在料場開展了現(xiàn)場碾壓試驗研究，為迄今為止國內(nèi)首次在3500 m高程開展類似試驗研究，試驗成果對項目施工階段及今后類似工程具有較高的指導(dǎo)意義及參考價值。

1 參數(shù)選擇碾壓試驗研究

參數(shù)選擇碾壓試驗是土料在最優(yōu)含水率狀態(tài)下，通過變化鋪料厚度及碾壓遍數(shù)，確定適合土料的碾壓參數(shù)。鋪料厚度設(shè)置了25 cm、30 cm、35 cm、40 cm共計4 種參數(shù)，每種鋪料厚度下分別設(shè)置了8 遍、10 遍、12 遍碾壓遍數(shù)，以一個組合為一個小場，共計進行了12 個小場碾壓試驗。碾壓機械采用徐工XS262J 型自行式平碾（重26 t）和三一重工SSR260C-6 型自行式凸塊碾（重26 t）。碾壓試驗依據(jù)《土石筑壩材料碾壓試驗規(guī)程》（NB/T 35016-2013）[13]、《碾壓式土石壩施工規(guī)范》（DL/T 5129-2013）[14]進行。

1.1 碾壓前后土料的級配

碾壓試驗采用的土料提前在堆料場制備，保證其級配、含水率滿足設(shè)計要求。級配控制標(biāo)準(zhǔn)：30%≤P5≤50%，＜0.075 mm 顆粒含量≥15%，＜0.005 mm 顆粒含量≥6%。含水率控制在wop～wop+2%。

每一個碾壓條帶設(shè)置一種鋪土厚度，在每一個碾壓條帶上又分為碾壓8 遍、10 遍、12 遍三個不同區(qū)域，每個區(qū)域代表一個小場。土料攤鋪完畢后，在每個條帶上不同位置共計取樣6 組進行顆粒分析試驗及含水率試驗，得到土料碾前級配及含水率。碾壓完畢后，每個小場采用挖坑方式取樣6 組進行顆粒分析試驗及含水率試驗，得到6 組碾后級配及含水率。即每個條帶得到6 組碾前級配、18 組碾后級配。

總體來看，土料在碾壓前P5 含量為34.2%～50.4%，平均值為40.8%；＜0.075 mm 顆粒含量為25.0%～31.1%，平均值為28.7%；＜0.005 mm 顆粒含量為10.5%～16.2%，平均值為12.8%。碾壓后P5 含量為34.5%～50.6%，平均值為41.4%；＜0.075 mm 顆粒含量為21.1%～32.4%，平均值為28.0%；＜0.005 mm 顆粒含量為9.4%～15.5%，平均值為12.5%。碾壓后土料級配與碾壓前相比相差不大，表明碾壓過程并未對土體顆粒組成產(chǎn)生顯著影響，顆粒的破碎現(xiàn)象不明顯。

1.2 碾壓前后土料的含水率

碾壓試驗場地為海拔3500 m 左右的土料場。在高海拔環(huán)境下，試驗現(xiàn)場具有日照強、早晚溫差大、相對濕度日變化幅度大等氣候特點。進入11 月份，場地早晚溫差在20℃以上，上午和下午濕度差值在50%以上。由于本工程防滲土料具有塑性較差、保水性不強的特點，在此環(huán)境下，土中水分較易流失，因此必須掌握碾壓過程土料的含水率變化規(guī)律。

參數(shù)選擇碾壓試驗只研究鋪土厚度、碾壓遍數(shù)對土料壓實性能的影響，因此將土料的含水率控制在較小范圍，以控制變量、消除含水率的影響。通過室內(nèi)重型擊實試驗得到土料的最優(yōu)含水率在6.4%左右。考慮到土料在攤鋪、碾壓過程會發(fā)生一定的含水率損失，因此在制備土料時將土料含水率控制在wop～wop+2%，預(yù)留一定的富余度，使得土料含水率在運輸及攤鋪過程損失后，碾壓前接近最優(yōu)含水率。

每個碾壓條帶上料前，在成品料料堆處取樣進行了含水率檢測，得到料源處的初始含水率。土料裝運至碾壓場攤鋪完畢后，每個條帶取樣6 組進行鋪后碾前含水率檢測，以掌握運輸及攤鋪過程中含水率的變化。碾壓后，每個條帶挖坑取樣18 組進行含水率檢測。土料含水率變化情況見表1。

表1 參數(shù)選擇碾壓試驗土料含水率變化

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，土料在料堆處的含水率平均為7.6%，在運輸及攤鋪階段，4 個鋪土厚度鋪后碾前的平均含水率為6.8%～7.0%，在運輸及攤鋪階段不同鋪土厚度含水率損失在0.6%～0.8%，平均損失0.7%，不同鋪土厚度的含水率損失與鋪土厚度沒有明顯的相關(guān)性。碾壓8 遍、10 遍、12 遍后的含水率數(shù)據(jù)表明，碾壓階段含水率損失與鋪厚和碾壓遍數(shù)沒有明顯的相關(guān)性。相較于碾前含水率，不同鋪土厚度下碾壓階段的含水率平均損失為0.4%、0.4%、0.6%、0.6%。碾前碾后土料含水率變化趨勢見圖1。

圖1 參數(shù)選擇碾壓試驗土料含水率變化規(guī)律

總的來看，在碾壓試驗進行的時間段（12 月初）及當(dāng)時氣候條件下，土料自料堆裝運至碾壓場地攤鋪完畢，含水率平均約損失0.7%；自攤鋪完畢至碾壓結(jié)束，含水率平均約損失0.5%。整個碾壓試驗過程土料含水率約損失1.2%左右。

1.3 土料的壓實特性及成果分析

參數(shù)選擇碾壓試驗共進行了4 個碾壓條帶、12小場碾壓試驗，每個小場采用挖坑灌水法進行密度檢測6組，共計完成壓實密度檢測72 組。壓實度的計算采用預(yù)控線法，即根據(jù)土料天然級配，選取不同P5 含量的級配曲線，配樣進行大型重型擊實試驗（擊實功為2684.9 kJ/m3），得到P5 含量與最大干密度的關(guān)系曲線，再根據(jù)壓實土料的實測P5 含量查找對應(yīng)的最大干密度，則壓實干密度與對應(yīng)最大干密度的比值即為壓實度。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與壓實干密度、壓實度的關(guān)系見圖2。

圖2 壓實干密度、壓實度與鋪土厚度、碾壓遍數(shù)關(guān)系

表2 參數(shù)選擇碾壓試驗壓實干密度及壓實度

從試驗結(jié)果可見，當(dāng)鋪土厚度不超過35 cm時，鋪土厚度越薄，壓實干密度越小。當(dāng)鋪土厚度超過35 cm 達到40 cm時，土料的壓實干密度小于35 cm時的干密度，出現(xiàn)了干密度隨鋪土厚度增加而降低的現(xiàn)象。這是顯而易見的，土料的松鋪厚度大到了一定程度，碾壓機具對單位土體所做的功已經(jīng)不足以將土料壓實到更加緊密的程度。當(dāng)土料鋪厚為25 cm時，過多的碾壓遍數(shù)反而不會將土料壓得更密實，這可能是由于土料自身特性所致，同時由于振動凸塊碾凸塊的特殊攪拌及剪切作用，當(dāng)鋪土厚度降低到一定程度，土層越薄，凸塊對土料的擾動越明顯，因此碾壓遍數(shù)越多并沒有產(chǎn)生更密實的效果，反而使土體內(nèi)部發(fā)生松動。李朝政等[4-5]在試驗中也觀察到這種現(xiàn)象，并進行了解釋。可見，當(dāng)土料的鋪厚在35 cm時，土料在每個碾壓遍數(shù)下能獲得最大的壓實干密度。

鋪土厚度為25 cm，碾壓8 遍、10 遍、12遍，全料壓實度平均值都不滿足98%的設(shè)計壓實度要求；鋪土厚度為30 cm、35 cm，碾壓8 遍、10 遍、12遍，全料壓實度平均值滿足98%的設(shè)計壓實度要求；鋪土厚度為40 cm，碾壓8遍，全料壓實度平均值勉強滿足98%的設(shè)計壓實度要求，碾壓10 遍、12遍，全料壓實度平均值滿足98%的設(shè)計壓實度要求?？傮w來看，鋪土厚度為35 cm時，土料的壓實效果最好。綜合考慮土料壓實度設(shè)計指標(biāo)與碾壓施工的可靠性及經(jīng)濟性等，可確定本工程防滲土料碾壓鋪土厚度為30～35 cm，碾壓遍數(shù)為10 遍。

2 變含水率碾壓試驗研究

變含水率碾壓試驗是在參數(shù)選擇碾壓試驗確定的鋪料厚度30～35 cm 和碾壓遍數(shù)10 遍的條件下進行的不同含水率土料的碾壓試驗，以確定土料的可碾含水率范圍。擬定的試驗計劃為進行wop、wop+1%、wop+2%三個含水率碾壓試驗。試驗時，由于精確地按1%的級差控制土料的加水精度存在一定困難，實際試驗過程是先將土料加水悶制到較高的含水率，然后將高含水率的土料先后攤鋪到條帶的不同小場區(qū)域，不斷翻曬使其水分損失，控制翻曬的時間，使每個小場的土料含水率形成一定的級差，最后一次性將該條帶的高、中、低3 個含水率的土料碾壓完畢。

2.1 碾壓前后土料的級配

變含水率碾壓試驗開展了3 個小場的試驗。土料攤鋪完畢后，在每個小場取樣4 組進行土料鋪后碾前顆粒分析試驗，得到土料碾前級配。碾壓完畢后，每個小場挖坑6 個取樣進行顆粒分析試驗，得到6組碾后級配。

變含水率碾壓試驗土料碾壓前P5 含量在37.8%～44.6%，平均值41.6%；＜0.075 mm 顆粒含量在26.6%～30.8%，平均值28.8%；＜0.005 mm 顆粒含量在10.5%～15.1%，平均值13.0%。碾壓后P5 含量在36.4%～44.6%，平均值41.1%；＜0.075 mm 顆粒含量在26.2%～32.9%，平均值29.6%；＜0.005 mm 顆粒含量在11.0%～15.7%，平均值13.0%。碾壓前級配特征粒徑含量滿足設(shè)計要求，碾壓后土料級配與碾壓前相比變化不大。

2.2 碾壓前后土料的含水率

上料碾壓前，在料堆處取樣6 組進行了初始含水率檢測。土料攤鋪晾曬完畢后，每小場在碾壓前又取了4 組樣品進行含水率測試，水分達到要求的含水率后再進行碾壓。其中高含水率的一個小場不進行晾曬，而是在鋪土完畢后與同一條帶晾曬的其余兩個中、低含水小場一起碾壓。碾壓完畢后，每小場采用挖坑法取樣6 組進行含水率檢測。

變含水率碾壓試驗所制備的土料在料源處的含水率為10.2%。低含水率小場的碾前含水率晾曬至6.9%，中含水率小場的碾前含水晾曬至7.7%，高含水率小場攤鋪后的含水率為9.7%。通過運輸、攤鋪及晾曬過程，高含水、中含水、低含水三個小場的含水率損失分別為0.5%、2.5%、3.3%。碾壓過程高、中、低三小場的含水率損失分別為0.6%、0.4%、0.4%，碾壓過程含水率損失與參數(shù)選擇碾壓試驗階段相當(dāng)。

2.3 土料的壓實特性及成果分析

變含水率碾壓試驗每個小場采用挖坑灌水法進行密度檢測6組，共計完成密度檢測18 組、碾后含水率檢測18組，壓實度檢測結(jié)果見表3。土料鋪厚30～35 cm，碾壓10遍，料源處土料含水率為10.2%，高、中、低三個小場土料碾前含水率平均值分別為9.7%、7.7%、6.9%，碾后含水率平均值分別為9.1%、7.3%、6.5%，相應(yīng)壓實干密度平均值分別為2.093 g/cm3、2.162 g/cm3、2.182 g/cm3，相應(yīng)壓實度平均值分別為94.2%、97.3%、98.4%，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同含水率條件下土料壓實干密度與壓實度

土在擊實或碾壓后的干密度與含水率的關(guān)系一般呈現(xiàn)拋物線型。采用二次拋物曲線對土料干密度、壓實度與碾后含水率、相應(yīng)的碾前含水率的關(guān)系進行了擬合（見圖3、圖4）。從擬合結(jié)果可見，由于最優(yōu)含水率在6.4%左右，試驗所調(diào)整的3 個含水率都在最優(yōu)含水率的濕側(cè)，隨著含水率的增加，碾壓干密度減小，干密度與含水率呈現(xiàn)出較好的二次曲線相關(guān)性。當(dāng)碾壓后的含水率大于6.8%、對應(yīng)的碾前含水率大于7.2%時，土料的壓實干密度不滿足98%壓實度要求。

圖3 土料含水率與干密度關(guān)系（濕側(cè)）

圖4 土料含水率與壓實度關(guān)系（濕側(cè)）

從變含水率碾壓試驗結(jié)果可見，當(dāng)碾壓后的土料含水率超過6.8%（即wop+0.4%）、相應(yīng)的碾前含水率超過7.2%（即wop+0.8%），土料不能被碾壓到設(shè)計98%的壓實度。可見，本工程防滲土料的含水率對其壓實干密度與壓實度較敏感，含水率的變化對壓實度的影響較大?？紤]試驗的誤差及環(huán)境因素影響，碾前含水率的上限可取為wop+1%，即土料碾前含水率高于最優(yōu)含水率1%以上，則有可能使壓實度達不到98%的設(shè)計要求。由于本工程土料具有失水較快的特點，碾壓含水率宜控制在最優(yōu)含水率的濕側(cè)而非干側(cè)，因此至少應(yīng)控制碾壓時土料的碾前下限含水率為最優(yōu)含水率，土料碾前含水率的上限則可按最優(yōu)含水率wop+1%確定?？紤]到土料在運輸、攤鋪過程平均損失0.7%的含水率（據(jù)表1），則在料場制備土料時，成品料的含水率可以按wop+1.7%控制。

綜上所述，為確保達到98%的設(shè)計壓實度指標(biāo)，本工程防滲土料成品料含水率宜控制在wop+0.7%～wop+1.7%。由于本次碾壓試驗的時段在11 月-12月，試驗的地點在海拔3500 m 左右的料場，關(guān)于土料含水率范圍的結(jié)論是在上述時間和空間條件下得到的，實際施工中還應(yīng)根據(jù)料場、壩址相應(yīng)的時間、空間、氣候條件，對土料的含水率作相應(yīng)的調(diào)整，以滿足設(shè)計要求。

3 復(fù)核碾壓試驗及壓實參數(shù)評價

復(fù)核場碾壓試驗是在參數(shù)選擇試驗確定的鋪土厚度、碾壓遍數(shù)以及變含水率試驗確定的土料可碾含水范圍等碾壓參數(shù)的基礎(chǔ)上，重新制備成品土料進行參數(shù)復(fù)核試驗，對確定的碾壓參數(shù)進行復(fù)核。

3.1 碾壓前后土料的級配及含水率

復(fù)核場試驗采用重新配制的土料進行一個條帶碾壓試驗，土料攤鋪完畢后取樣8 組進行碾前級配及含水率檢測，碾壓完畢后挖坑8 個取樣進行級配及含水率檢測。從復(fù)核場碾壓前后土料的級配對比看，碾壓前P5 含量在38.8%～45.0%，平均值41.8%；＜0.075 mm 顆粒含量在23.5%～29.2%，平均值27.0%；＜0.005 mm 顆粒含量在9.0%～13.6%，平均值11.9%。碾壓后P5 含量在37.9%～45.2%，平均值41.8%；＜0.075 mm 顆粒含量在26.9%～31.8%，平均值28.4%；＜0.005 mm 顆粒含量在12.0%～14.4%，平均值12.9%。碾壓前級配特征粒徑含量滿足設(shè)計要求，碾壓后土料級配與碾壓前相比變化不大，結(jié)論與參數(shù)選擇試驗和變含水率試驗相同。

復(fù)核試驗所用土料的最優(yōu)含水率為6.5%，料堆初始含水率為8.0%，料堆處的含水率控制在wop+0.7%～wop+1.7%。土料鋪后碾前含水為7.3%，較料堆處含水率損失0.7%。碾后含水率為6.7%，較碾前含水率損失0.6%。

3.2 土料壓實參數(shù)評價

復(fù)核場碾壓試驗采用自重26 t 凸塊碾，鋪土厚度33.8 cm，碾壓遍數(shù)采用10遍，采用挖坑灌水法進行8 組壓實度檢測。土料的壓實干密度為2.175～2.243 g/cm3，平均值為2.196 g/cm3，相應(yīng)的壓實度在97.8%～100.9%，平均值為為98.8%。

試驗結(jié)果表明，土料鋪厚30～35 cm，采用26 t凸塊碾碾壓10遍，料源處土料的含水率控制在wop+0.7%～wop+1.7%，土料全料壓實度可滿足98%的設(shè)計要求。復(fù)核場碾壓試驗表明，上述所選定的碾壓參數(shù)對本工程防滲土料的碾壓是合適的。

碾壓后，采用大型切割機對碾壓體進行切面觀察（見圖5）。從切面照片可以看出，土體致密堅實，土中礫石分布較均勻，礫石被細粒料緊密包裹，礫石棱角分明，未見明顯的顆粒破碎現(xiàn)象，表明壓實效果良好。

圖5 壓實土體切面照片

4 不同碾壓方式對比研究

針對振動平碾和振動凸塊碾兩種不同碾壓方式對土料壓實度的影響，現(xiàn)場開展了對比試驗研究。采用重新配制的符合設(shè)計要求的土料，鋪厚分別為25 cm、30 cm、35 cm，在平碾靜碾2 遍后，分別采用平碾振動碾壓和凸塊碾振動碾壓8 遍、10 遍、12遍，測量不同碾壓方式下土料的壓實度，試驗結(jié)果見表4，不同碾壓方式下鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與干密度、壓實度的關(guān)系見圖6、圖7。

圖6 不同碾壓方式下鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系

圖7 不同碾壓方式下鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系

表4 不同碾壓方式壓實效果對比

從試驗結(jié)果可見，相同鋪土厚度、相同碾壓遍數(shù)條件下，采用振動平碾所得到的干密度和壓實度總是高于振動凸塊碾。鋪土厚度為25 cm，碾壓8 遍、10 遍、12遍，振動平碾干密度比凸塊碾平均高0.100 g/cm3，壓實度平均高4.5%；鋪土厚度為30 cm，碾壓8 遍、10 遍、12遍，振動平碾干密度比凸塊碾平均高0.047 g/cm3，壓實度平均高2.1%；鋪土厚度為35 cm，碾壓8 遍、10 遍、12遍，振動平碾干密度比凸塊碾平均高0.023 g/cm3，壓實度平均高1.0%。羅文廣[15]曾開展過平碾與凸塊碾碾壓試驗對比研究，結(jié)論為：對于鋪土厚度為30～40 cm 的土料，分別采用自重同為26 t 的平碾與凸塊碾碾壓8 遍后，平碾比凸塊碾的壓實度高2%～3%，與本文結(jié)論基本相符。

采用振動平碾壓實，鋪土厚度越薄，干密度和壓實度越大。而采用振動凸塊碾壓實，當(dāng)鋪料厚度較薄時反而不容易壓實，因此鋪料厚度越薄，平碾和凸塊碾干密度和壓實度差值越大。采用振動平碾壓實，碾壓遍數(shù)越多，干密度和壓實度越大，而采用振動凸塊碾壓，鋪料厚度較薄時，碾壓遍數(shù)越多，干密度和壓實度反而越小。凸塊碾自帶的凸塊高度約10 cm 左右，工作時是靠振動及凸塊的強制擠壓作用使土料壓實，而當(dāng)土料攤鋪厚度較薄時，凸塊對土料內(nèi)部的擾動效果甚于壓實作用，因此會出現(xiàn)碾壓遍數(shù)越多、壓實效果反而越差的現(xiàn)象，特別是本工程中黏粒含量較低、塑性較差的防滲土料尤其明顯。

5 結(jié)論

（1）參數(shù)選擇碾壓試驗結(jié)果表明，碾壓遍數(shù)相同情況下，土料鋪填厚度為35 cm 時可以取得較好的壓實效果；當(dāng)鋪土厚度為35 cm時，26 t 振動碾碾壓8 遍即可達到設(shè)計壓實度要求。綜合考慮土料壓實度設(shè)計指標(biāo)與碾壓施工的可靠性及經(jīng)濟性，建議本工程防滲土料的碾壓參數(shù)為：鋪土厚度為30～35 cm、碾壓設(shè)備為26 t 自行式振動碾壓機、碾壓遍數(shù)為10 遍。

（2）變含水率碾壓試驗結(jié)果表明，碾壓前土料的含水率在wop+1%以上時，土料不能被碾壓到98%的設(shè)計壓實度。由于本工程土料具有失水較快的特點，含水率宜控制在最優(yōu)含水率的濕側(cè)而非干側(cè)，因此至少應(yīng)保證碾壓時土料的含水率為最優(yōu)含水率，考慮到運輸及攤鋪階段含水率損失為0.7%，本工程防滲土料成品料含水率宜控制在wop+0.7%～wop+1.7%，以滿足碾前含水率不超過wop+1%的要求。實際施工中還應(yīng)根據(jù)料場、壩址相應(yīng)的時間、空間、氣候條件，對土料的含水率進行相應(yīng)調(diào)整。

（3）碾壓方式對比試驗表明，相同條件下，振動平碾碾壓所獲得的的壓實度要高于振動凸塊碾。但出于施工工藝、施工成本等因素考慮，多數(shù)工程在實際施工中仍然采用振動凸塊碾進行防滲土料的碾壓。