粉质粘土与卵砾石土掺合料填筑大坝技术研究

高治宇 1 李晓强 2 马飞亚 3

1. 身份证号码：61272819840301****；

2. 身份证号码：41018219890710****；

3.身份证号码：41282619900820****

【摘要】龙潭河水库工程大坝设计为均质土坝，均质土坝填筑是本项目施工的重点。通过对“粉质粘土与卵砾石土”掺合料填筑大坝施工技术研究，探索出均质土坝在料场质量和料源数量不满足施工要求情况下的新型可替代材料，掌握使用掺合料填筑大坝控制要点，总结出一套科学合理、先进实用的掺合料填筑大坝施工技术。

【关键词】均质土坝、粉质粘土、卵砾石土、掺合料、填筑大坝、技术研究

1工程概况

龙潭河水库工程位于安徽省六安市金安区横塘岗乡杨岩村境内，距横塘岗乡中心镇区约6.5km，属于金安区丰乐河支流张家店河上游，工程等别为IV等，主要功能以供水、灌溉为主，兼顾防洪、改善生态环境等综合利用。

2研究背景

施工过程中，为进一步查清库区内可利用的天然建材，对库区内工程所需的土料天然建筑材料进行了施工勘察。根据土料场的分布、开采及运输条件，圈定出库区土层相对较厚的土料场，分别为永久征地线内A、C、D、E、F、G、I土料场，永久征地外B、J、K、H、L土料场，同时对库区内卵（砾）石土料进行了勘查。工程区周边有用粘土储量约为58.2万m3，永久征地线内粘土料场储量为38.9万m³，永久征地线外粘土料场储量为19.3万m³，占地约189亩；卵（砾）石土料储量约为30.5万 m3，均在永久征地范围内。

原大坝采用均质粉质粘土，大坝填筑总量约43万m³。永久征地线内粘土料储量不满足施工需求，需额外增加征地189亩。

3研究的技术经济指标

3.1技术指标

通过对“粉质粘土与卵砾石土”掺合料填筑大坝施工技术研究，探索出均质土坝在料场质量和料源数量不满足施工要求情况下的新型可替代材料，掌握使用掺合料填筑大坝控制要点，了解填筑过程中常见问题及处理方法，总结出一套科学合理、先进实用的掺合料填筑大坝施工技术。

3.2经济指标

通过本课题研究，减少征地189亩，同时有效解决大坝填筑土料来源问题，减少施工成本投入，降低施工难度，保证本项目按期、保质、保量完成施工任务。

4掺合料填筑的研究成果

4.1粉质粘土与卵砾石土掺合料室内土工试验

通过试验室对扰动土样进行了室内物理性及力学性试验，具体试验项目：(1）液限、塑限及颗粒分析试验；（2）编号为 Q2-9、D-5、Q4-4、D-4、E-6、C-5、E-4、Q2-10的土样进行重型击实试验及掺合料（Ql-3掺Ql-4、E-7掺Q4-6）按掺合比例 1: 1、1:2进行重型击实试验；（3）编号为Q2-9、D-5、Q4-4、D-4、E-6、C-5、E-4、Q2-10的土样按重型击实试验峰值点后做渗透试验和固结快剪试验，掺合料（Ql-3掺Ql-4、E-7掺Q4-6）按重型击实试验后压实度0.96的要求下进行渗透试验和固结快剪试验。

（1）颗粒分析试验成果

按《土工试验规程》CSL237-1999）的要求，采用筛析法和密度计法对土样进行颗粒分析试验，其中对掺合料按粘性土与砾石土的掺合比例（重量比）分别为 1:2、l:1进行掺合后再取样做颗分试验，试验成果详见表4.1-1。

表4.1-1 砾石土防渗料颗分试验结果分析表

土样编号	试验编号	>5mm颗粒含量	颗粒含量	黏粒含量（占＜ 5mm的颗粒含量）	评价指标	结论
		%	%	%
E-5	201810-TG003	63.0	17.1	19.6	>5mm颗 粒含量以 20%-50% 为宜，＜ 0.075nun 颗粒含量 应大于等 于15%，黏 粒含量占 小于5nun 颗粒的15%-40%	不满足要求
Q4-1	201810-TG004	71.0	8.9	8.2		不满足要求
Q4-5	201810-TG005	56.5	18.1	14.6		不满足要求
C-4	201810-TG006	62.8	12.6	11.3		不满足要求
Q2-9	201810-7	60.5	14.0	14.5		不满足要求
D-5	201810-8	59.5	20.4	24.7		不满足要求
Q4-4	201810-9	58.2	15.3	18.2		不满足要求
E-4	201810-13	59.4	14.2	11.4		不满足要求
Q2-10	201810-14	63.4	15.8	14.3		不满足要求
Ql-3掺Ql-4 (Ql-3:Ql-4=1:1)	201810-15-3	37.0	34.2	15.9		满足要求
Ql-3掺Ql-4 (Ql-3:Ql-4=1:2 )	201810-15-4	46.8	24.4	12.6		不满足要求
E-7掺Q4-6 (E-7:Q4-6=1:1)	201810-16-3	37.9	41.2	25.7		满足要求
E-7掺Q4-6 (E-7:Q4-6=1:2)	201810-16-4	50.2	29.6	22.3		不满足要求

（2）重型击实试验成果

按《土工试验规程》（SL237-1999）的要求，对土样编号为Q2-9、D-5、Q4-4、D-4、E-6、C-5、E-4、Q2-10的土中粒径大于20mm颗粒剔除，再做重型击实试验，对掺合料按粘性土与砾石土的掺合比例（重量比）分别为1:2、1:1进行掺合后将土中粒径大于20mm颗粒剔除，再做重型击实试验，由重型击实试验得出最大干密度和最优含水量指标，其中土样编号为Q2-9、D-5、Q4-4、D-4、E-6、C-5、E-4、Q2-10的渗透性指标和固结快剪指标是重型击实试验峰值点所对应的指标，掺合料（Ql-3 掺Ql-4、E-7掺Q4-6）的渗透性指标和固结快剪指标是重型击实试验后按压实度为0.96的要求下所对应的指标，具体指标详见表4.1-2。

表4.1-2 重型击实试验成果表

土样编号	样品编号	重型击实试验成果		渗透性（击实后)		固结快剪
		最大 干密度	最优 含水量	水平方向	垂直方向	凝聚 力	内摩 擦角
		ρdmax	Wop	K20	K20	c	φ
		g/cm3	%	cm/s	cm/s	kPa	度
Q2-9	201810JS007	2.18	5.5	3.86×10-5	2.37×10-5	18.0	24.2
D-5	201810JS008	2.16	7.3	4.25×10-5	3.17×10-5	22.0	21.3
Q4-4	201810JS009	2.19	6.8	4.37×10-5	3.97×10-5	18.0	25.2
D-4	201810JS010	1.88	14.0	7.98×10-8	7.20×10-8	32.0	23.3
E-6	201810JS011	2.00	11.0	2.43×10-5	3.65×10-7	36.0	21.8
C-5	201810JS012	2.08	9.0	1.39×10-5	2.39×10-5	40.0	24.7
E-4	201810JS013	2.20	6.5	3.64×10-5	1.42×10-5	14.0	25.6
Q2-10	201810JS014	2.23	7.3	6.51×10-5	4.04×10-5	20.0	21.8
Ql-3掺Ql-4 (Ql-3:Ql-4=1:1)	201810JS015-1	2.10	10.3	3.15×10-6	1.73×10-6	16.0	22.8
Ql-3掺Ql-4 (Ql-3:Ql-4=1:2)	201810JS015-2	2.15	7.5	4.89×10-5	1.16×10-5	20.0	24.7
E-7掺Q4-6 (E-7:Q4-6=1:1)	201810JS016-1	2.12	8.9	5.64×10-6	4.43×10-6	18.0	23.7
E-7掺Q4-6 (E-7:Q4-6=1:2)	201810JS016-2	2.15	7.5	5.09×10-5	1.69×10-5	22.0	26.6

根据室内对卵（砾）石层各项试验结果，参照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL251-2015）及设计提出的技术要求，在卵（砾）石掺合粘性土1:2（重量比）不能满足坝基填筑料质量要求，卵（砾）石掺合粘性土1:1（重量比）满足设计要求。一般土防渗料和砾石土防渗料击实后的水平方向及垂直方向渗透系数均小于等于1×10-5cm/s，满足《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》( SL251-2015）的要求。

根据掺合料试验成果显示，卵砾石土掺合粘性土≤1：1（重量比）满足大坝填筑规范和设计要求，采用粉质粘土与卵砾石土掺合料填筑大坝是切实可行的。

4.2大坝填筑施工方案

根据掺合料的试验成果，卵砾石土掺合粘性土≤1:1（重量比）满足规范和设计要求。根据清基后的测量图，计算坝体填筑量，统筹考虑各类土的储量，对大坝分区填筑进行优化设计。

大坝分区填筑料：大坝68.5高程以下以及坝体中心采用均质粘土填筑，填筑量约13.15万m³；68.5m～80m高程采用粘土与卵砾石配比为1：0.75掺合料填筑，填筑量约为16.55万m³；80m～92.1m高程采用粘土与卵砾石土配比为1：1掺合料填筑，填筑量约为10.0万m³。

总填筑量约39.7万m³，其中粘土总量为27.7万m³，卵砾石土总量为12万m³；自然方粉质粘土总量为32.7万m³，自然方卵砾石土总量为14.16万m³。所需粘土小于永久征地线内粘土料场储量和卵砾石土料储量，满足筑坝要求。详见图4.2-1大坝填分区填筑断面图。

图4.2-1 大坝分区填筑断面图

4.3生产性碾压试验

4.3.1碾压试验的目的

（1）了解库区料场土料、土料和卵砾石土掺合料（土料：砾石土=1:0.75；土料：砾石土=1:1）的压实性能，确定土料和掺合料压实达到设计要求的压实度时，土料和参合料的含水量和干密度变化范围。

（2）确定经济合理的铺料厚度、压实遍数、行车速度等施工压实参数。

（3）确定压实机械的碾重，检验选用的填筑压实机械的实用性及其性能的可靠性。

（4）确定有关质量控制技术要求和检测方法，现场安全控制措施。

4.3.2设计要求

（1）均一粉质粘土：填筑土压实度不小于0.96，渗透系数不大于10-4cm/s。

（2）1:0.75砾石土掺合料、1:1砾石土掺合料：填筑掺合料压实度不小于0.96，渗透系数不大于10-4cm/s。粒径＞5mm颗粒含量20%～50%，＜0.075mm颗粒含量应大于等于15%，黏粒含量占小于5mm颗粒的15%～40%。最大粒径铺土厚度的2/3，同时填筑时不得发生粗料集中架空现象。

4.3.3碾压试验过程

（1）试验参数及参数组合：

包括机械参数和施工参数，机械参数为碾压设备参数，施工参数:铺土厚度、碾压遍数、碾压方法、行车速度、含水量控制。

铺土厚度：22cm、24cm、26cm、28cm、30cm；

碾压方法：先静碾2遍后进行振动碾压；

碾压遍数：6遍、8遍、10遍(单程)；

行车速度：不超过2km/h，匀速前进；

含水量拟定：14.5%、16.5%、18.5%；

试验组合采用淘汰法：每次变动一个参数，固定其他参数，通过试验求该参数的适宜值。

层厚（cm） 碾压遍数 含水率	22	24	26	28	30
14.5%	6	6	6	6	6
	8	8	8	8	8
	10	10	10	10	10
16.5%	6	6	6	6	6
	8	8	8	8	8
	10	10	10	10	10
18.5%	6	6	6	6	6
	8	8	8	8	8
	10	10	10	10	10

表4.3.3-1 试验组合表

（2）填筑碾压试验基本工序

在试验场地平整后，试验开始前，先用试验料在地基上铺压10cm基层，找平、压实后测量高程，再在上面进行试验。

碾压场进料（进占法）→推平→静碾→碾前含水量检测→层厚测量→洒水（晾晒）→碾压过程的沉降测量（6、8、10遍）→密度、含水量等检测→回填试坑→整场碾压密实→层面处理→下一场试验进料。

（3）现场记录：

①记录使用的运输设备、卸料方法及铺料方法；

②测量并记录碾压前后的实际土层厚度；

③检查上、下压实层的层间结合情况；

④检查碾压设备工作状况；

⑤检查有无弹簧土、起皮、龟裂及压实后剪切破坏等情况。

（4）取样试验：

①每一组合密度试验取样6个，取样点均匀分布。

②按SL237-1999及DL/T5129-2013有关规定，根据试验土料的级配情况，密度试验采用环刀法进行测定，含水率试验采用酒精燃烧法测定，采用烘干法进行校核，计算干密度及压实度。

③按试验结果确定优选参数进行一组复核试验,复核试验密度试验取样10个。

4.3.4碾压试验成果

根据设计要求，填筑土压实度不小于0.96，渗透系数不大于10-4cm/s。

经现场碾压试验后取样检测，变水头渗透试验检测结果显示土壤种类1:0.75砾石土掺合料且级配小于20mm平均渗透系数1.2×10^-5cm/s，小于设计值1.4×10^-4cm/s，符合设计要求；土壤种类1:0.75砾石土掺合料且级配小于50mm平均渗透系数3.8×10^-4cm/s，大于设计值1.4×10^-4cm/s，不符合设计要求。

现场碾压试验4遍、6遍、8遍后各取3组试样进行压实度（灌砂法）试验检测，试验结果显示如表4.3.4-1：压实度不满足设计和规范要求，土壤种类1:0.75砾石土掺合料且级配小于20mm碾压6遍，压实度合格率100%，满足设计及规范要求。

土壤种类	碾压遍数
	4		6		8
	压实度	合格率	压实度	合格率	压实度	合格率
1:0.75砾石土掺合料且级配小于20mm	96.5	66.7%	97	100%	98.5	66.7%
	90.5		96.5		92
	96.5		97.5		98.5
1:0.75砾石土掺合料且级配小于50mm	93	33.3%	98.5	66.7%	94	33.3%
	93		100.5		98
	103.9		92.5		94

表4.3.4-1 压实度试验

4.3.5碾压试验结论

通过现场生产性碾压试验得出结论 ：

①采用碎石粒径不超过50mm卵砾石土时，土料拌合极易出现分布不均匀现象，拌合功效低且拌合效果不佳。

②采用碎石粒径不超过20mm卵砾石土，铺筑厚度为12cm厚（卵砾石土）：16cm厚（粉质粘土），含水率在10%-11%时，经过6遍碾压，经现场碾压取样检测合格，满足压实度（96%）和抗渗（1*10-4cm/s）要求。

③大坝采用掺和料进行填筑这一方法切实可行，为后期大坝填筑施工提供可靠的试验依据。

5研究的结论

通过龙潭河水库工程的粉质粘土与卵砾石土掺合料填筑大坝技术研究，进一步验证和实践有关均质土坝施工的技术和参数，对以后在类似工程的施工提供有效借鉴。均质土坝填筑是本项目施工的重点，是制约工期和决定坝体稳定及运行安全的关键工序，更是质量控制的重要环节。通过对“粉质粘土与卵砾石土”掺合料填筑大坝施工技术研究，探索出均质土坝在料场质量和料源数量不满足施工要求情况下的新型可替代材料，掌握使用掺合料填筑大坝控制要点，了解填筑过程中常见问题及处理方法，总结出一套科学合理、先进实用的掺合料填筑大坝施工技术。通过本课题的研究与探索，在为本项目按期、保质、保量完成施工任务提供有效理论和技术支撑的同时，进一步提高我们在大坝主体填筑领域的技术水平，达到以技术优势拓展市场的目的。

虽然采用“粉质粘土与卵砾石土”掺合料填筑大坝这一课题研究的成果未能应用于大坝填筑施工的实践中，但从理论、设计及生产性碾压试验等方面都确定了该课题的切实可行性，为以后类似的工程项目施工打下了坚实的基础。