大梁水库主坝黄土碾压施工参数的选择

张 莉

（山西省临汾市水利勘测设计院，山西临汾，041000）

1 工程概况

山西省万家寨引黄工程北干线是解决山西省朔州市和大同市工业及城市生活用水的大型引水工程，是万家寨引黄工程的重要组成部分。大梁水库是北干线的调节水库，总库容2 260万m3，调节库容1 748万m3，水库设计洪水位1 399.61 m，死水位1 385.00 m。水库主要建筑物由主坝、进水塔、放空洞、库岸护坡及交通桥等组成。主坝为黄土心墙砂砾料混合坝，主坝坝顶高程1 401.00 m，最大坝高26.0 m，坝顶长1 145 m。

坝址附近广泛分布有第四纪黄土，储量丰富，是本工程唯一可选择的天然防渗土料。大坝填筑土料由于地质、水文、气候等条件的影响，很难同时满足设计和施工要求，为此必须在大坝填筑前对土场现有土料进行较详细的取样探测，以便掌握其规律，从而采取相应措施对坝料进行加工处理，再通过现场碾压试验确定压实机具、铺料方法、铺料厚度、压实方法、碾压遍数、加水量和有效压实厚度等施工方法与参数，保证施工质量。

2 黄土填筑料的特性

2.1 土料场

土料场位于大梁水库西北大梁村与东洼村之间的黄土山梁斜坡地带，距大梁水库约1.3 km。有用层调查储量822万m3。土料呈层状分布，上层为第四系上更新统风坡积Q3黄土，下层为中更新统Q2黄土，Q2土层以下为第三系N2粘土或石炭系太原组（C3t）砂页岩、泥岩等。

Q3黄土土层最大厚度15 m，最小厚度3.3 m，平均厚6.68 m。土质以轻粉质壤土为主，夹有重粉质壤土和壤土透镜体。

Q2黄土土层勘察揭露厚度1.05～18.00 m，平均厚度10.72 m。土质以壤土和重砂壤土为主。其中壤土呈浅棕色和棕黄色，结构稍密实，局部含姜石。重砂壤土呈透镜状，厚2.10～21.50 m，

2.2 土料含水量

本地区干旱少雨，蒸发量大，地下水位在取土范围以下。土料天然含水量随着埋深和土质不同而变化。Q3土层位于上部，含粘粒较少，保水性差，水下渗和蒸发速度快，含水量低，一般在8%～14%之间，最低在6.9%。地表以下7 m普遍需加水处理。Q2土层位于下部，含粘粒和含水量都高，大部分在14%～17%之间。

2.3 土料击实特性

为了确定合适的填筑含水量和设计干密度，设计做了大量野外试验和室内试验。由于土料场主要为Q3、Q2黄土，土料成因和颗粒组成不同，击实指标存在差异。

Q3黄土击实后最大干密度平均值为1.79 g/cm3，最优含水量平均值为14.3%。Q2黄土击实后最大干密度平均值为1.80 g/cm3，最优含水量平均值为14.7%。压实度采用98%，计算设计干密度为1.70～1.75 g/cm3。

2.4 土料的渗透性

筑坝土料的渗透系数、允许渗透比降是防渗土体设计的重要指标。为满足防渗体防渗要求，规范规定均质土坝渗透系数不大于1×10-4cm/s，心墙坝防渗体渗透系数不大于1×10-5cm/s。根据试验，按Q3黄土、Q2黄土各50%混合制样，控制干密度1.70 g/cm3、含水量为14%～16%进行渗透试验，试验结果小值平均为1.09×10-5cm/s，大值平均值为4.21×10-5cm/s，平均值为2.27×10-5cm/s，满足坝体填筑料要求，但作为心墙防渗土料，渗透系数偏大。

3 土料设计指标

根据目前国内施工机械水平，在土料强度、渗透性、变形性等指标基本满足工程要求的前提下，尽量方便施工，以降低造价，设计干密度按1.70 g/cm3控制，填筑含水量按13.8%～16%控制。施工时土层表面水分蒸发较快，很难满足设计要求的最优含水率，施工过程中应采取低含水土料加水的处理措施。

根据工程等级及室内试验，设计采用防渗土料压实指标为：最大干容重取1.76 g/cm3，压实度不小于98%，相应设计干密度按1.70 g/cm3控制，填筑含水量按13.8%～16%控制。

4 现场碾压试验

由于黄土含水量偏低，黄土压实性能较差，施工时土层表面水分蒸发较快，现场填筑和室内击实试验在压实机械、施工方法和气候方面存在差异，压实土的物理力学指标不尽相同。为保证工程施工满足设计要求，通过现场碾压试验，确定合理的黄土填筑施工方法和施工参数是必要的。

4.1 黄土碾压试验场地选定

碾压试验场地位于坝址下游，黄土碾压试验场地为15 m×30 m（有效试验场地为6 m×18 m），基底为碎石，平整振动碾压8遍。

4.2 黄土碾压试验机械

通过试验确定的平场设备为T140推土机，挖运设备为PC300反铲配25T自卸汽车，碾压设备为自行式振动平碾SR218S和凸块振动碾LG520B两种。自行式振动平碾SR218S的主要特性参数见表1，凸块振动碾LG520B的主要特性参数见表2。

4.3 试验方案和现场碾压试验成果

平碾试验：选用18 t自行式振动平碾，原土含水率为13%、15%和17%，虚铺厚度分别为30 cm、40 cm和50 cm，碾压遍数为4遍、6遍和8遍。

凸碾试验：采用20 t自行式凸块碾LG520B碾压，试验黄土含水率按15%控制，虚铺厚度为40 cm，碾压遍数为6遍。

各场次试验结果见表3。根据对比分析，初步确定碾压参数如下：铺土厚度40 cm，碾压遍数6遍，行车速度0.597 m/s，错车方式为进退错距法碾压，碾压错距0.35 m。

表1 SR218S振动碾工作特性参数Table 1 Main characteristic parameters of SR218S vibratory roller

表2 LG520B振动碾工作特性参数Table 2 Main characteristic parameters of LG520B vibratory roller

表3 现场碾压试验成果表Table 3 Results of site roller compaction testing

4.4 碾压试验成果分析

根据施工机械和技术水平，现场碾压试验模拟筑坝真实情况进行。试验就不同含水率、不同碾压机械和不同土厚度进行了组合。根据试验成果分析如下：

（1）含水率在13.8%～17%之间，土体干密度大于1.7 g/cm3时，平整后18 t振动平碾碾压6遍和20 t振动凸块碾碾压6遍，经现场取样，干密度、压实度均满足要求。但凸块碾较平碾渗透系数低，故选用20 t振动凸块碾碾压6遍较合理。

（2）填筑含水量对土料的碾压性能影响较大，实际施工中建议控制含水率在最优含水率到最优含水率+2%之间较为合理。

（3）黄土作为防渗土层，压实指标容易满足，但作为心墙防渗土料，渗透系数偏大是控制压实的主要参考指标。建议适当增加心墙厚度，放宽渗透系数允许值，做好心墙前后的反滤是关键。根据大梁水库的实际经验，指标提高到5×10-5cm/s，坝体渗漏增量不会超过1%。

（4）根据现代碾压设备的发展，大型化和高压实强度机械成为首选。

5 结语

压实是控制碾压式土石坝施工质量的关键工序。由于黄土土料的特性，现场填筑和室内击实试验在压实机械、施工方法和气候方面存在差异，压实土的物理力学指标不尽相同。为保证工程施工满足设计要求，通过现场碾压试验，确定合理的黄土填筑施工方法和施工参数是必要的。