新疆恰甫其海工程粘土心墙坝防渗体土料施工特性

李旨强

（新疆水利水电工程建设监理中心，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆恰甫其海水利枢纽工程是以灌溉为主，兼有发电防洪等综合利用功能的大（I）型一等工程，水库总库容17.70亿m3，控制灌溉面34.95万hm2，电站总装机容量320万kW。拦河大坝为粘土心墙坝，最大坝高108 m，坝顶长362 m，坝顶宽度12 m，心墙底宽67.8 m，大坝上游坡比1∶2.5，下游坡比1∶1.7。土料场分为T1-1土料场和T3-1土料场。T1-1土料场位于小吉尔格尕朗河左岸五（V）级阶地前缘，距坝址约4.0 km；T3-1土料场位于小吉尔格尕朗河左岸三（III）级阶地前缘斜坡上，距坝址约3.5 km。土料主要由第四系上更新统风积物组成。

2 防渗体土料的特性试验

2.1 料场勘察

2.1.1 T1-1土料

通过颗粒分析试验及流塑限试验，定名为低液限粉土～低液限粘土。具体物理力学性能检测情况如表1所示。

2.1.2 T3-1土料

具体物理力学性能检测情况如表2所示。

2.2 料场复查

用标准击实试验测定土料最大干密度与其对应的最优含水率。按土的塑性图分类，两料场土料绝大部分为低液限粘土，个别探井的土料为低液限粉土。T1-1，T3-1土料的基本物理性质见表3、图1，物理力学性能见表4。

2.3 碾压试验

2.3.1 碾压试验概况

T1-1料场的土料为填筑心墙的主要料源，碾压试验选用主料场T1-1的土料，试验用土料与料场复查土样资料相比，两者基本是一致的，碾压试验采用的土料是反映T1-1土料场土料性质的。

2.3.2 试验组合及碾压机具的选择

设计技术要求：“心墙防渗土料应以最优含水率压实，含水率偏差范围为-2%～+3%，要求压实度P=1。”在标准击实功能下T1-1土料的平均最优含水量为15.4%，允许含水率偏差为-2%～+3%，故碾压试验控制含水率应为：13.4%～18.4%。在碾压试验前，进行了标准击实和重型击实的对比试验，来论证最优含水率与击实功能的关系，具体结果见表 5、图 2。

从以上论证结果及以往工程经验来看，最优含水量的变化随击实功能的增加而降低。而碾压机具的压实功能大于标准击实功能，所以在土料含水量的选择上，取最优含水量的干侧，铺料厚度和碾压遍数的选择根据以往施工经验而定。选择了含水量11%，13%，15%，17%，铺料厚度25 cm，30 cm，35 cm，碾压遍数6遍、8遍、10遍三者的参数进行组合、试验。

表2 T3-1土料物理力学性能检测表

表3 T1-1，T3-1土料基本物理性质表

图1 料场土料级配曲线图

根据长期的施工经验和室内实验结果，结合投入设备的组合，确定了土料施工工艺流程为：17 t自卸车运输进占法铺料，220 hPa推土机平料，16 t振动凸块碾碾压，碾压方法为前后错距法，然后取样、刨毛洒水。碾压速度为2.5 km/h，振动油门为中油门。

表4 T1-1，T3-1土料的物理力学性能检测表

表5 标准击实与重型击实结果对比表

图2 T1-1土料标准击与重型击实对比曲线

2.3.3 试验过程及工艺的调整

土料碾压试验共进行3次，试验目的：确定含水量、铺料厚度、碾压遍数等施工参数外，对碾压机具、土料压实情况、层间结合情况、及刨毛深度等工艺是否可行进行验证。

第一次试验分两层共36+9个组合进行，通过第一次试验基本确定了施工含水率、铺料厚度和碾压遍数的合理组合。当含水率低于12%时，压实干密度较低，无法满足设计指标；当含水率高于15%时，土料中易出现弹簧土和剪切破坏现象，所以施工含水率范围宜定为12.5%～14.5%。铺料厚度为25～30 cm，振动碾压遍数为10遍。含水率与压实干密度的关系见图3，含水率、碾压遍数、干密度之间的关系见图4。

在取样检查中发现，土料碾压后存在以下问题：1）由于土料粘粒含量低，凸块碾压实后表面有一层11～13 cm厚的松土层，土料的有效压实厚度太薄，不利于机械的合理利用，对施工进度影响很大；2）土层结合部位压实密度较低，无法达到设计指标，渗透系数偏大；3）土层中自然层面、光面较多；4）凸块碾碾压面不刨毛则在结合面的凸块底部有虚土存在，若刨毛深度要达到13 cm才能起作用，既不合理，也不经济。

图4 铺土厚度30 cm含水量、碾压遍数与干密度关系曲线

针对以上问题调整碾压机具进行了第二次试验，采用16 t凸块碾先振碾8遍，然后用平碾封面碾压2遍的工艺。平碾选用了16 t振动平碾静压和14 t气胎碾两种，目的在于消除表面松土层，提高结合部位的压实密度，减小刨毛深度，增加土料有效的压实厚度。从试验结果来看16 t振动平碾为刚性体，静碾后土料表层产生明显的破坏，该机械组合不可取；14 t气胎碾碾压效果较好，但第一层与第二层土料结合部位的压实密度略低，同时土层中的层面、光面未得到消除。

随之对机具组合和碾压方法组合进行了研究和调整，根据土料的成因和矿物组成分析，该土料中主要成土矿物质，形状呈片状，成土的地质年代较短，气候干燥，片状相对要大些。在碾压试验中，只用凸块碾振碾，片状的矿物在激振力的作用下，容易成为水平向的排列，故往往出现自然状的水平向层面。相反，先用凸块振动碾静压，片状的矿物在静力作用下，相互拥挤，成水平向排列的现象相对要少，再振动碾压，自然层面就会少些。试验表明，先静碾再振碾，不仅土层上、下部压实效果好，而且自然层面少于只振碾的方法。在研究中，曾设想，恢复80年代羊脚碾与气胎碾联合碾压的组合方式。但根据施工实践和对碾压机具工况分析，凸块碾质量较羊脚碾大，压强比羊脚碾大；目前国内外普遍淘汰了羊脚碾，采用凸块碾静碾优于羊脚碾。所以决定用凸块碾先静压、再振压，然后用气胎碾碾压收面的方法进行第三次试验，试验机具和碾压方式组合采用了16 t凸块碾先静压4遍再振压6遍然后用气胎碾碾压2遍收面的方法。从试验结果和探坑检查情况来看，结合部位压实干密度满足设计要求，渗透系数符合要求，层面比以前试验明显减少，无明显的光面出现，基本解决了以前土料试验中存在的问题。3次试验成果见表6。

表6 铺料厚度30、碾压10遍含水量13%±1%条件下3次试验结果汇总

3 防渗体土料施工特性分析

3.1 土料基本特性

土料为低液限粉土～低液限粘土，标准击实功能测得的土料最大干密度为控制密度，测定两料场土料的压缩和渗透性能。T1-1土料场的土料，属低～中压缩性土，T3-1土料场的土料，则属低压缩性土；土料的渗透系数均小于1×10-5cm/s。

通过对土样采用蒸馏水和河水进行针孔试验、土块试验等结果，该土样采用分散性综合评价应为非分散性土。

3.2 土料的施工特性及施工参数的确定

3.2.1 土料的施工特性

1）土料采用重型击实仪进行试验，该土料在低含水率下有较高的压实性，干密度可达1.85 g/cm3以上；与标准击实仪结果比较，干密度可提高8%，说明该土随击实击数的增加，最大干密度增大而最优含水量减小，土样有较高的强度，较低的压缩性及渗透性能。

2）土料适于碾压机械施工的含水率在标准击实试验的干侧，并且适宜范围较窄，在12.5%～13.5%。

3）土料通过标准击实与重型击实，及标准击实与碾压机械压实土层的对比观察发现：在过大的击实功能下，容易产生层间或层内层面。

4）土料在碾压机械碾压后，有较高的强度，适应坝体变形的能力较低，故需含水率控制在合适的范围，保证土的可塑性，使土料能够适应坝体变形。

5）渗透临界比降值偏低，略低于一般粘性土。使土料的抗冲蚀能力低于粘性土。反滤层的防护是保护好渗流出口，提高土料的抗冲能力，有效地防止渗流破坏的最有效最直接的措施。根据土料及反滤料的特性进行了关于渗流破坏的试验研究，其实际情况结论如下：

①对防渗土料在无反滤层保护下的渗透破坏试验，土层厚8 cm，出口反滤为20～40 mm砾石，它的破坏比降为60。

②防渗土料在反滤层保护下的渗透试验，试验密度控制为1.75 g/cm3，土层厚为20 cm时，作用水力比降为80，渗流4个月之久，试样无渗透破坏痕迹，若施工时采用低含水压实提高干密度，抗渗比降还可以提高。

③假定防渗体产生裂缝进行室内模拟试验，采用渗变仪φ30 cm测试，在土样内设宽5 mm、长18 cm、高30 cm一条狭缝渗流通道，作用水头40.0 kPa下渗流，10 min在内峡缝处很快湿化崩解愈合，细颗粒很快充填反滤层孔隙空间，提高水头至1200 cm，渗透系数仍保持有n×10-5cm/sec。说明该土料产生裂缝自愈性能较好，在高水头作用下也有较好的抗冲蚀性能。

3.2.2 施工参数的确定

1）心墙土料的压实采用16 t拖式振动凸块碾，行驶速度2～5 km/h（1档中油门）。先静碾4遍后，再以相同的行驶速度振动碾压6～8遍，平行碾压方向搭接宽度为1/10碾筒长度（20 cm）；再用 25～30 t气胎碾以 2～5 km/h的行驶速度碾压2遍，以消除凸块碾碾压所形成的松土层。

2）土料含水率不小于12%，控制在最优含水率的干侧碾压。

3）铺土厚度30 cm左右，进占法卸料。

4）铺土前，对下一层压实土表面先刨毛洒水，再用17 t自卸汽车进占法上土，220 HP推土机摊铺。

5）上、下游反滤料与心墙土料填筑方法，采用“先砂后土”法，每填两层土，用16 t光面振动碾骑缝振碾4～6遍，保证心墙填筑断面尺寸符合设计要求，土砂结合部位密实。

3.3 施工参数的调整

3.3.1 土料的制备及上坝前后的施工过程

土料制备采用高坡溜土，人工洒水，堆土牛的制备工艺。土牛高度15 m；土料含水率控制范围12.5%～13.5%，小于最优含水率1%～2%；接触性土料含水率14%。

粘土心墙坝工程土料对水敏感，土料施工含水范围窄小，为满足土料填筑要求，开采时利用推土机积料，按不同季节、温度、湿度、气象条件对土料进行二次制备堆存使用。上坝前，由专人负责对土料的含水率进行检测，符合要求方可。采用装载机立面开采，15 t自卸车水平运输上坝。

心墙土料填筑分为3个阶段：895～921 m高程用“自卸车+皮带机”运输土料上坝，土料主要是采用皮带机系统将土料从围堰后930 m平台垂直运输至心墙基坑。921～955 m从上游围堰930 m平台修一条施工道路至上游的砂砾石区，采用自卸车直接上坝。955～985 m从上游围堰度汛955 m断面起坡，至985 m高程贴上游坡修一条施工道路，采用自卸车直接上坝。985 m高程以上土料从下游制备场取料，采用自卸车直接上坝。

3.3.2 施工过程参数的调整

2004年5月28日，在粘土心墙施工的联合检测过程中，发现每铺土层之间存在结合面结合不良的现象。分析主要原因：施工单位购置了1台新16 t拖式凸块碾，据有关资料显示，新凸块碾的中油门相当于旧凸块碾的中高油门。同等油门下，无形地增加了其碾压的激振力所造成。土料本身的特性不易改变，为了解决此问题，只能从施工参数上进行调整解决。在施工现场选择了几种组合做了小区域施工参数改进试验。具体选用组合及质量检测情况见表7所示。

表7 试验性生产情况汇总表

通过4种组合试验对比分析决定：将原来的心墙土料施工参数改进为第4种组合的施工参数。通过改进后的心墙土料联合检测发现层间结合得到改善。

3.3.3 施工质量检测

1）心墙土料填筑取样4166组，干密度最大值1.88 g/cm3、最小值 1.75 g/cm3、平均值 1.79 g/cm3、标准差 0.02、离差系数0.01，干密度离差系数小于0.1，强度保证率98.3%,均满足要求。

2）填筑土料的颗粒级配如图5所示。

图5 心墙土样联合检测颗粒分析曲线

通过土样的颗粒级配曲线看出：整个粘土心墙填筑过程土料级配的变化不大，施工控制情况良好。

[1]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].

[2]SDJ213-83，碾压式土石坝施工规范[S].

[3]SL237-1999，土工试验规程[S].

[4]新疆伊犁恰甫其海水利枢纽工程筑坝料试验报告（施工阶段、优选勘察）[R].

[5]新疆恰甫其海工程土料场复查报告[R].

[6]新疆恰甫其海工程土料碾压试验报告[R].