土坝坝体填筑主要压实指标及常见问题探析

魏兴增 周水林

（深圳市水务工程质量监督站，深圳市 518055）

土坝是水利水电工程中的一种重要坝体形式，其历史最为悠久，同时也是当今世界坝工建设中应用最为广泛的一种坝型。土坝具有可以就地、就近取材，适应各种不同地形、地质和气候条件的优点。顾名思义，土坝坝体主要就是由土料填筑起来的，所以，坝体填筑质量的优劣将直接决定了坝体的整体质量。在坝体填筑实践中出现的压实度超1是否正常的疑问长期困扰着水利工程建设者；而在坝体填筑施工出现的压实度达不到设计要求、弹簧土等质量问题影响了工程的施工质量和进度。笔者结合个人从事坝体施工质量管理的一些经历，简要的对土坝填筑施工中的一些疑问、常见问题及处理方法谈一谈体会，以供探讨。

1 坝体填筑的主要质量控制指标

由于土是由固体颗粒、液态自由水和气体组成的三相体，具有一定的塑形，以土为骨架，水、气占据一定空间充填孔隙。通常，对土体进行夯实或碾压使大小土块、土颗粒重新排列和靠近，使小颗粒充填大颗粒之间的孔隙，而排除部分的水和空气，从而使单位体积的质量增大，减小孔隙率，这也就是土体的压实。一般情况下，对于土体来说，土的密实程度愈大，土体的强度愈高，压缩性愈小，其工程特性愈好。压实土体的目的主要是通过人工或机械作用来提高土体的密实度，降低土体的透水性，从而达到提高土基的强度和稳定性。

1.1 粘性土的压实度ω

对于粘性土或含砾、砂的粘性土，工程上一般用压实度或密实度衡量土的填筑压实程度。所谓的压实度ω就是土体经压实后的实测干密度（ρd）与该土料在一定击实功能作用下所能达到的最大干密度（ρdmax）的比值。

式中：ω为压实度，ρd为土体经压实后的现场实测干密度，ρdmax为一定击实功能作用下的最大干密度。

通过实验，我们了解到粘性土在相同击实功作用下，其密实程度随含水率的增大首先提高达到一个峰值后逐步降低，在这一过程中的峰值所对应的含水率就叫做该击实功下的最优含水率，该峰值所对应的干密度即为该击实功下的最大干密度。土料的最大干密度通过击实试验确定。《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）中规定：击实试验分为轻型击实和重型击实。轻型击实试验适用于粒径小于 5mm的粘性土，重型击实试验适应于粒径小于20mm的土。

1.2 无粘性土的相对密度Dr

通常情况下，在工程上用相对密度Dr（相对密实度）或直接用设计干密度作为无粘性土填筑密实程度的质量控制指标。相对密度Dr是以该无粘性土自身最松散和最密实两种极限状态下的一种相对值作为判别标准的。

式1：Dr为相对密度，emax为无粘性土在最松状态时的孔隙比，emin为无粘性土在最密实状态时的孔隙比，e0为无粘性土实测的孔隙比。式 2：ρdmax为无粘性土的最大干密度，ρdmin为无粘性土的最小干密度，ρd为实测干密度。

一般情况下，设计上要求砂砾石相对密度不小于0.75，砂和反滤料不小于0.7。由于无粘性土的相对密度 Dr需要首先通过试验测定该无粘性土的最大和最小干密度，所以，在实际工程运用中，多采用公式2计算无粘性土的相对密度。为方便施工控制，有时设计单位也会根据填筑选用的无粘性土料的特性直接提出设计干密度作为控制指标。

对于无粘性土，含水率对土料压实性能的影响没有粘性土那么敏感，无粘性土在含水率较高时具有较高的干密度。因此，在实际填筑施工中，通常采用水密法使无粘性土在较高含水率下进行夯实或压实。实践中，无粘性土只要合理的控制含水率，一般是不难达到设计控制指标的。

2 坝体填筑质量控制要点

2.1 土料控制

一般意义上，土坝对填筑土料的要求并不高，几乎所有的土料均可筑坝，但针对具体的坝体，由于在设计阶段已结合现实可选取料场的土料进行的设计计算分析，因此施工阶段的坝体填筑土料就不再是任何土料均适宜用于填筑的了。

用于坝体填筑的土料首先应满足设计要求，剔除土料中掺杂的树根、草皮、淤泥、建筑垃圾等杂物，并尽量做到土质均匀。当遇到土料变化时，应重新进行检测，确定其相应的试验参数。

2.2 碾压试验及碾压参数的确定

坝体填筑施工首先需要通过碾压试验确定其压实参数，主要包括碾压设备、土料的含水率、铺土厚度、碾压遍数及碾压机械行走的速率和振动频率的组合等。

（1）碾压设备：根据设计要求的压实标准、坝料类别、施工强度、气候等，结合经验及可取得的设备选取。

（2）含水率：粘性土料碾压试验可以该土料的塑限为基础，选取ωp+2%、ωp和ωp-2% 三种含水率进行试验。

（3）碾压参数的确定：通过碾压试验，选取不同的铺土厚度，在不同的碾压遍数下，测定相应的含水率和干密度（或密实度），做出对应的关系曲线，再按铺土厚度、压实遍数和最优含水率、最大干密度进行整理并绘制相应的曲线，根据设计干密度或密实度，从曲线上查出不同铺土厚度所对应的碾压遍数和对应的最优含水率。最后再分别进行经济比较分析，以技术上有效可行，经济上合理为依据确定各参数。在此过程中也可综合考虑机械的行走速率、振动组合等参数进行确定。

2.3 层面结合处理

对于汽车上坝或采用光面振动碾压实的土层，在下一层铺土之前，对上一层经压实后形成的光面采取措施进行刨毛，刨毛深度一般为3～5cm。当气候干燥、土层表面水分蒸发较快，层与层之间铺料前还应适当的洒水湿润。如需长时间停工，应铺设保护层对已碾压的坝体予以保护。

2.4 结合部位处理

（1）碾压相邻作业面碾迹：相邻作业面的碾迹应彼此搭接，垂直碾压方向搭接带宽度不小于0.3～0.5m；顺碾压方向搭接带宽度为1～1.5m。

（2）接头处理：填筑层与层之间分段接头所形成的分段条带应与坝轴线平行布置，并错开一定距离，不宜形成过大的高差。接坡坡比一般应缓于1:3。

（3）多种坝料结合部位：粘性土料与无粘性土料应平起填筑，跨缝碾压。多种坝料填筑施工应根据设计要求进行施工布置。如粘土料与反滤料接触填筑，一般多采用先填筑反滤料后填粘性土料的平起填筑法施工。

（4）坝体与混凝土结构物的结合：填土前，混凝土表面乳皮、粉尘及其附着杂物应清除，在混凝土或岩面上应洒水湿润，并边涂刷浓泥浆、边铺土、边夯实，泥浆涂刷高度必须与铺土厚度一致，并应下部土层衔接。为保护结构物，压实机具应选用小型碾压机具如振动夯、蛙夯或小型振动碾等。填土碾压时，应注意结构物两侧均衡填料压实，以免产生过大的侧向压力。

3 坝体填筑施工中常见问题及处理

3.1 压实度达不到设计要求

坝体填筑施工中常遇到局部压实度达不到设计要求的情况。此时应结合实际情况进行分析出现问题的原因，然后根据产生问题的原因，采取相应的处理措施一般就可达到设计要求。

表1 常见压实度达不到设计要求的原因及处理方法

3.2 压实度超1

实践中也经常遇到压实度超 1（也就是现场干密度大于击实试验的最大干密度）的情况，我们也看到多个专家、学者针对该问题的论述，认为主要是由于土料的不对应所引起的。我个人认为土料的不对应是出现该现象的一种可能性，另一种可能性土料即便是一致的，压实度依然可能会超 1。按照目前的施工水平，现场压实度超1也是正常的。

我们知道压实度ω是现场实测干密度（ρd）与土料最大干密度（ρdmax）的比值。而土料最大干密度通过击实试验得出，击实试验分为轻型击实和重型击实。

图1 某种土料最优含水量与最大干密度随击实功能变化曲线

通过实验，我们了解到对于同一种粘性土，压实的功能小，其能达到的最大干密度也小，反之，压实功能大，其所能达到的最大干密度也大。所以，土料的最大干密度与击实功的大小有关，在实验室中我们以击锤的击数来反映击实功能，轻型击实单位体积击实功能为592.2kJ/m3；重型击实单位体积击实功能为 2684.9kJ/m3。重型击实试验击实功能约为轻型击实试验击实功能的4.5倍，而随着施工水平的不断提高，实践中使用的碾压机械的吨位越来越大，远远超过了试验室重型击实试验模拟的12～15t压路机所能提供的压实功能，因此在施工过程中, 经常会出现压实度超过100% 的情况。

3.3 弹簧土

坝体填筑中还会遇到这样一种现象：填筑土料经碾压或夯实后，表面形成一层硬壳阻止水分的渗透和散发，填筑的土料受压发生颤动，受压处下陷，四周鼓起，形成软塑状态，而体积并没有压缩，人踩上去有颤动的感觉。这种现象就是所谓的弹簧土。出现弹簧土的主要原因有：（1）填筑土料中粘土或粉质粘土、淤泥质土、腐殖土等含粘量大的土料较多，且土料含水率偏大；（2）在填筑施工过程中，原状土被扰动，颗粒之间的毛细孔受到破坏，水分不能畅通的渗透和散发，以至于在碾压过程中，填筑土层的表面土料相互粘结在填筑层表面形成一层硬壳，阻止了内部水分的散发。

弹簧土成片的出现将使地基的承载力降低，变形加大，地基长时间不能得到稳定。这种土埋藏越深，水分散发越慢，长时间散发不出去，将造成填筑基础长时间得不到稳定。弹簧土不仅影响该填筑层的施工质量，还进一步的影响到下一填筑层的施工质量，导致下一填筑层在碾压或夯实中，受压处下陷，四周鼓起，不能得到有效的压实。

出现弹簧土后，首先应确定出现弹簧土的位置和深度，采取措施将弹簧土挖除，翻松、晾晒、风干至最优含水量控制范围，然后将土料翻松，再行铺土碾压。为了预防弹簧土的出现，铺土时，应严格控制土料的含水率，避免含水率过大的粘土、粉质粘土、淤泥质土、腐殖土等原状土上坝。工地现场简单判别方法：可采用将上坝土料以手握成团，置于腰间自由落地，土料落地开花而不粘结在一起为宜。填筑部位如有地表水，应及时将积水排除。

4 结 论

据统计，我国已建成水库共有8万多座，水库总库容近 5000亿m3。大批水库大坝的兴建，气到了灌溉、治涝、发电等作用，解决了居民和工、农业用水等问题，另外一方面水库犹如“头顶一盆水”，一旦失事，后果十分严重。今年 8月份由于台风带来的强降雨引起的浙江省岱山县沈家坑水库垮坝事故，造成了 11人死亡。溃坝事故的再次发生向我们拉响水库大坝安全的警报。

作为当今应用最为广泛的一种坝型，研究土坝的施工质量控制对确保我国水库大坝的安全具有重要的意义。本文通过对土坝施工中的主要技术指标的阐述分析，通过理论和实践阐明了土坝施工中长期困扰水利建设者的一些疑问，并对土坝施工中的常见问题进行分析，提出了解决的方法和措施。期望能够给土坝的施工质量管理工作提供一定的参考，共同做好坝体的质量管理工作，确保水库大坝的安全。

[1] 土工试验方法标准.GB/T 50123—1999

[2] 碾压式土石坝施工规范.DL/T 5129—2001

[3] 林卫民.不同压实功能下最大干密度及最佳含水量研究.公路与汽运.2008年7月

[4] 尹继瑶.振动压路机的振动功率与装机功率.建筑机械化.2007年第08期