高标准免管护新型材料淤地坝施工工艺关键参数试验研究

宋海印 张书磊 杨帆

［关键词］ 免管护淤地坝；施工工艺；关键参数；试验

［摘 要］ 高标准免管护新型材料淤地壩为解决淤地坝坝身过流技术难题提供了一种全新方案，但是对于现有施工工艺中关键施工参数对施工的影响研究仍处于探索阶段。基于陕西省某新型材料试验淤地坝项目，围绕高标准免管护新型材料淤地坝施工工艺中的拌和、摊铺、碾压工序中的关键参数开展试验研究。试验结果表明：拌和时间对黄土固化剂混合料的均匀度有着显著影响，并存在最佳拌和时间阈值；静-振结合的碾压方式碾压效果优于静压和振压的碾压方式；最优黄土固化剂混合料摊铺厚度约为30 cm；在实际施工中应综合考虑质量、时间和成本等综合因素，从而合理选择碾压速度。

［中图分类号］ TV62；TV882.1  [文献标识码] A  DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.01.017

淤地坝作为黄土高原地区三大亮点工程之一，在治理水土流失、改善生态环境和发展渔农产业等方面发挥了重要作用，生态和社会效益显著[1-2]。早期建设的淤地坝设计标准较低，受制于均质土坝坝身不能过流等，存在溃决风险高、管护压力大、拦沙不充分等问题[3-5]。针对这些问题，王博[6]对黄土高原淤积程度、减沙机理，以及淤地坝设计和施工管理方面进行了研究；张幸幸等[7]研发了一种新型复合PET材料，并采取淤地坝柔性溢洪道布置形式；王亮等[8]提出了淤地坝蓄水加固改造方案；张金良等[4]研发了黄土固化新材料，并基于小流域水文计算方法设计了新型淤地坝坝型结构（结构示意见图1），构建了高标准免管护淤地坝理论技术体系，并在陕西、内蒙古等省（区）开展了试验，但目前仍缺乏成熟的工艺技术支撑。因此，迫切需要开展黄土固化防护工程施工工艺研究，为高标准免管护新型淤地坝理论技术体系应用提供技术支撑，以充分发挥淤地坝的生态保护、修复效益，进而推进黄河流域生态保护和高质量发展[9-11]。本研究针对施工过程中拌和、摊铺、碾压相关参数开展试验研究，以期为高标准免管护新型淤地坝技术的优化改进和推广应用提供理论和技术依据。

1 淤地坝工程地质概况

陕西省某新型材料淤地坝位于延安富县某村境内，坝址位于109°20′38.51″E、36°2′33.26″N，属黄土丘陵沟壑区、北洛河流域。流域内梁峁相间，地形破碎，植被覆盖条件较好。坝址处于典型的U形河谷中，沟道宽15～80 m，控制流域面积3.42 km2，坝址以上沟道长2.43 km，沟道平均比降4.71%。坝址附近有1座以防洪、灌溉、供水功能为主的小（1）型水库，承担着县城区5万余人口的生产生活用水和下游村庄、县城区北教场区域的防洪任务。

坝址区域阶地堆积二元结构明显，上部为黄土、黄土状壤土，下部为砂砾石。高程970 m以上为黄土斜坡，坡度30°～40°，以下为基岩斜坡。坝基为砂砾层，左右坝肩主要为上更新统风积黄土，坝址河床处无岩石出露。沟道两岸结构完整，覆盖着深厚的黄土，为沟壑纵横、支离破碎的黄土丘陵梁、峁、沟地形，主要为粉质壤土，表层为砂壤土。工程区为单斜地层，岩性主要为第四系上更新统黄土，整个库坝区断裂、褶皱不发育。地下水按含水层岩性分为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，其中第四系孔隙潜水的含水层为壤土、砂壤土和砂砾石，基岩裂隙水的含水层为强-弱风化砂岩。地下水补给来源为大气降水，补排条件较好，为低矿化度的淡水，水质良好。

该新型材料淤地坝为开展免管护黄土固化防护工程施工工艺关键参数试验研究提供了优良的试验场地。

2 施工工艺关键参数试验

2.1 试验目的

本试验目的是分析试验工况下拌和时间对黄土固化剂混合料试样抗压强度、碾压方式对黄土固化剂混合料压实度、摊铺厚度对黄土固化剂混合料压实度、碾压速度对黄土固化剂混合料压实度的影响规律，从而为淤地坝施工选择合适的参数。

2.2 试验设备

1）拌和设备。采用HBH-02组合式拌和设备，生产厂家为郑州东方重型机械有限公司。主要技术参数：单仓最大容积5 m3，电动机总功率75 kW，生产能力≥20 m3/h。

2）摊铺设备。采用ZTP-03斜坡自平衡摊铺设备，动力为牵引行走。主要技术参数：容积4 m3，质量2 756 kg，摊铺厚度0～40 cm，摊铺宽度2.3 m。

3）碾压设备。采用NY-3500斜坡振动碾，生产厂家为福瑞得机械有限公司。主要技术参数：滚筒尺寸φ1 100 mm，振动频率45～50 Hz，振动方式为液压马达，整机质量3 500 kg，工作面坡度0～34°，启动、熄火、转速、振动均采用遥控控制。

4）牵引设备。采用QT-8000型牵引台车，生产厂家为福瑞德机械有限公司。主要技术参数：质量8 000 kg，液压绞盘拉力150 kN，出绳量50 m，绳速0～10 m/min，牵引平板角度范围18°～35°，液压绞盘拉力150 kN等。

5）主要试验指标检测设备。主要检测设备有50 mL酸式滴定管、环刀和核子密度仪、HDH-2岩土点荷载试验仪等。

主要试验设备实物见图2。

2.3 试验材料

本试验选用的黄土为中粉质壤土，相关物理力学参数见表1。试验选用的黄土固化剂相关物理力学参数见表2。

2.4 试验方案

本次试验共设计4组试验方案。试验一：拌和时间对黄土固化剂混合料试样抗压强度的影响试验。配置7块相同掺量（固化剂与黄土质量比1∶9）的黄土固化剂混合料试样，分别搅拌10、15、20、25、30、35、40 min，采用滴定法测定拌和后的黄土固化剂混合料的均匀度，再将不同均匀度的黄土固化剂混合料制成10 cm×10 cm×10 cm、压实度94%（误差控制在5%以内）的正方体试样，最后将试样分别养护至7、14、28 d，检测不同均匀度试样的抗压强度（平行试验设置5组）。

试验二：碾压方式对黄土固化剂混合料试样压实度的影响试验。制作并拌和黄土固化剂混合料（固化剂与黄土质量比1∶9），摊铺后制成3块5.00 m×3.50 m×0.25 m（长、宽、高）的长方体试样，选用静压6遍、振压6遍、静-振结合（静压1遍、振压5遍）3种碾压方式分别碾压，检测不同碾压方式试样的压实度（平行试验不少于5组）。

试验三：摊铺厚度对黄土固化剂混合料试样压实度的影响试验。制作并拌和黄土固化剂混合料（固化剂与黄土质量比1∶9），摊铺后制成3块尺寸（长、宽、高）分别为5.00 m×3.50 m×0.20 m、5.00 m×3.50 m×0.25 m、5.00 m×3.50 m×0.30 m的长方体试样，选用静-振结合的碾压方式（静压1遍、振压5遍）碾压，检测不同摊铺厚度试样的压实度（平行试验设置5组）。

试验四：碾压速度对黄土固化剂混合料试样压实度的影响试验。制作并拌和黄土固化剂混合料（固化剂与黄土质量比1∶9），摊铺后制成3块长、宽、高分别为5.00 m×3.50 m×0.25 m的长方体试样，选用静-振结合的碾压方式（静压1遍、振压5遍）分别以1、3、6 m/min速度碾压，检测7、14、28 d后各试样在碾压1、2、3、4、5、6、7、8遍后的压实度（平行试验不少于5组）。

3 试验结果及分析

3.1 拌和时间对黄土固化剂混合料试样抗压强度影响分析

对于固体颗粒混合料而言，拌和时间越长，意味着混合料拌和得越均匀，利用混合料制成的试样抗压强度指标越优越[12-13]。图3为不同拌和时间的黄土固化剂混合料试样在7、14、28 d时的无侧限抗压强度曲线。试验结果显示：在拌和时间10～25 min时，随着拌和时间增加，试样的7、14、28 d无侧限抗压强度均逐渐增加，但是增加幅度逐渐减小；在拌和时间25～40 min时，随着拌和时间增加，不同拌和时间的混合料制成的试样间无侧限抗压强度差异性弱。这说明本试验条件下，拌和25 min能将黄土固化剂混合料拌和均匀，即最佳拌和时间在25 min左右。

3.2 碾压方式对黄土固化剂混合料试样压实度的影响分析

压实是稳定土石材料的一种方法，能提高土石材料的力学性质、抗渗能力[14]。振动压实是压实方法中的一种，可以通过振动作用减小土体石材内部的摩擦阻力，提高压实效果[15-16]。图4是3种辗压方式碾压6遍后，黄土固化剂混合料试样压实度柱状图。采用静压、静-振结合和振压碾压方式分别碾压6遍后，试样的平均压实度分别为69.8%、95.6%、95.7%。试验结果显示，采用静-振结合和振压的碾压效果明显优于静压。但是静-振结合的碾压方式碾压后的碾压面平整度要优于振压。这主要是采用静-振结合的碾压方式作业时，先采用静碾的方式用较小的压力碾压一遍，碾子对下方黄土固化剂混合料虚铺层产生的前后向的挤压力小，压实面平整度好，为后续振动碾压作业奠定了基础。

3.3 摊铺厚度对黄土固化剂混合料试样压实度的影响分析

图5为静-振结合的碾压方式下不同摊铺厚度的黄土固化剂混合料试样碾压6遍后压实层底部的压实度柱状图。试验结果显示，在摊铺厚度20、25、30 cm时，试样压实度平均值分别为95.2%、95.0%、94.6%，均满足设计标准要求（94%）；在摊铺厚度35、40 cm时，试样压实度平均值分别为93.6%、92.0%，不满足压实度设计标准要求。因此，得到本次试验最优黄土固化剂混合料摊铺厚度约为单次摊铺30 cm。

3.4 碾压速度对黄土固化剂混合料试样压实度的影响分析

图6为不同碾压速度工况下，黄土固化剂混合料试样压实度与碾压遍数的关系曲线。试验结果显示，碾压速度分别为1、3、6 m/min时，试样压实度均随碾压遍数的增加而增加，且增加幅度逐渐减小。在碾压相同遍数的情况下，振动碾行走速度越慢，碾压效果越好。在1 m/min的速度下，碾压5遍即可满足设计要求，即压实度94%；在3 m/min的工况下，碾压6遍即可满足设计要求；在6 m/min的工况下，碾压7遍即可满足设计要求。尽管振动碾行走速度越慢，压实度越好，但是综合考虑施工效率，还是选择6 m/min的速度，以提高施工速度。

4 结论

通过现场试验，制作黄土固化剂混合料试样，研究拌和时间对抗压强度、碾压方式对压实度、碾压速度对压实度、摊铺厚度对压实度的影响，得出主要结论如下：

1）拌和时间对试样的无侧限抗压强度影响显著。在拌和时间10～25 min范围内，拌和时间越长，试样的无侧限抗压强度越大；拌和时间超过25 min后，采用不同拌和时间混合料制成的试样的7、14、28 d无侧限抗压强度差别不明显。

2）静-振结合的碾压方式碾压效果优于静压和振压。碾压6遍后，采用静压、静-振结合、振压碾压方式试样的平均壓实度分别为69.8%、95.6%、95.7%，静-振结合、振压碾压方式均达到压实度要求，但是静-振结合碾压成的试样压实面平整度较好。

3）在静-振结合的碾压方式下，存在最优黄土固化剂混合料摊铺厚度，约为单次摊铺30 cm。

4）尽管碾压速度不同，但是随着碾压遍数的增加，黄土固化剂混合料试样的压实度逐渐增加，只是增加幅度逐渐减小。碾压速度对压实效果影响非常明显，速度越小，单遍碾压效果越好。但是较低的碾压速度会影响工期，也会产生混合料“过压”现象，因此在实际施工中应综合考虑质量、时间和成本等综合因素来选择碾压速度。

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