均质土坝填筑土料研究

均质土坝填筑土料研究
杨聚利
【摘要】王圪堵水库属已建工程,工程区地处陕北黄土高原北部,毛乌素沙漠南缘的结合部位.当地材料及其匮乏,主要筑坝材料为风积黄土,所选土料场位于无定河右岸黄土梁茆区,由于气候条件的特殊性,其填筑土料的物理力学特性也有很大的差异.均质土坝填筑过程控制至关重要,本文对王圪堵水库工程施工过程中填筑土料的特性及人干预过程进行研究,结果发现:填筑土料作为均质土坝的填筑材料,除颗粒组成满足规范与设计要求外,土料含水率、密度和压实度,碾压机具的组合等指标间的相互作用息息相关,施工期间土料的开采方法与特征对填筑指标的影响也很大,均可采用人工干预来控制,使其满足使用需求.
【期刊名称】《地下水》
【年(卷),期】2018(040)005
【总页数】4页(P223-226)
【关键词】填筑土料;土料配水;填筑特征
【作者】杨聚利
【作者单位】陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院,陕西咸阳 712000
【正文语种】中文
【中图分类】TV641.2+2
均质土坝的填筑过程控制至关重要，但材料特性是填筑质量的关键所在。

本文以王
圪堵水库为例，对干旱地区填筑土料的特性以人工干预过程进行研究，以满足类似材料水利工程的需求。

1 工程概况
王圪堵水库位于无定河中游榆林市横山县王圪堵村，工程主要功能是供水、拦沙，兼顾灌溉、发电、防洪等综合功能。

设计坝型为碾压均质土坝，最大坝高46 m，坝长949 m，总库容3.89亿 m3，属大(2)型、Ⅱ等水利工程。

枢纽由拦河大坝、溢洪道、泄洪排沙洞、放水洞和坝后电站等建筑物组成。

2 地质概况
2.1 地形地貌
工程区地处陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘，西北高、东南低，分布高程1 000～1 400 m，相对高差50～100 m。

以无定河为界，东南部为黄土梁峁、丘
陵沟壑地貌，为土料场所在位置，西北部为风积沙漠地貌。

属温带大陆性半干旱草原季风气候，降雨稀少，蒸发量大。

2.2 料场分布特征
勘察阶段选土料场共4处，分别位于坝址右岸黄土梁区，1、2号为主料场，距坝
址区1～1.5 km，备用3、4号料场距坝址区2.5～4 km，总储量1 080.4万 m3。

料场分布如图1所示。

图1 料场分布位置示意图
2.3 地层岩性
土料场岩性为第四系上更新统风积(Q32eol)黄土，灰黄～褐黄色，粉粒为主，质
地均一，硬塑～半坚硬，垂直节理发育，含零星钙质结核；夹透镜状或窝状薄层细砂，连续性差，一般厚1～2.5 m。

局部表层覆盖第四系全新统风积细沙。

如图2
所示。

图2 2号料场剖面示意图
2.4 水文地质特征
料场位于黄土梁峁区，地形切割破碎，岩层储水条件差。

区内降雨量较少而小，地下水较为匮乏，一般垂直入渗补给基岩，形成基岩裂隙水，以下降泉的形式排泄于沟谷，补给无定河。

3 勘察阶段土料的物理力学特征
3.1 物理特征
勘察阶段采用探坑结合天然露头调查法对料场进行勘察，布设探坑37个、取原状及扰动土样234组，野外及室内物理力学试验。

1#、2#土料场颗分试验统计平均值砂粒含量9.8%、粉粒含量71.2%、黏粒含量17%，3#、4#砂粒含量10.3%粉粒含量73.6%、黏粒含量16.1%。

为低液限粘土。

土料物理性指标以1、2号两场为例，统计样品33～36组，天然含水率10.0%，天然密度1.67 g/cm3，干密度1.59 g/cm3，饱和度39.8%；击实最大干密度1.80 g/cm3，，最优含水率13.3%；控制干密度为1.78 g/cm3时，渗透系数1.78×10-5c m/s。

3.2 力学特征
土料三轴压缩试验以1、2号料场为例，固结不排水剪总应力ccu=65.9 kpa，
φcu=21°，有效应力 ccu＇=15.8 kpa，φcu＇=32°。

3.3 含水率分布特征
通过对各料场土料天然含水率进行专门分析，其垂直分布特征如表1。

显示勘探深度范围内，天然含水率随深度增加而逐渐增大，介于2.0～14.9%之间，随深度变化呈正比关系(表层局部存在上大下小现象)，如图3。

分析结果认为，受当地降雨和蒸发量等客观气候条件影响较大。

表1 土料场天然含水率随深度变化统计表深度孔号含水率
TK31TK32TK33TK34TK37TK38TK39TK42TK43TK49TK50平均值0^11.92
2.056.33*1.991^22.172.755.17
3.026.755.366.065.177.268.85*
4.862^34.314. 846.06
5.784.895.933.11
6.20
7.104.93
8.55*5.323^45.073.906.006.174.536.68 4.685.147.92*5.274^55.403.504.038.016.724.865.1710.705.836.025^66.135. 6012.1*
9.25*7.889.264.868.056.966^77.9712.2*11.4*7.888.284.706.757.127
^88.6110.9*10.105.168.275.346.426.217.168^99.498.986.036.969.955.767.2 37.176.187.539^109.549.5011.007.9010.606.296.139.096.568.5110^1110.60 12.309.9311.159.958.249.076.159.6711^1211.107.6112.509.6910.2010.2212 ^1311.008.4713.1012.507.4510.5013^147.978.0013.0013.7012.5011.0314^ 158.4614.9012.9012.09
图3 土料ω～h关系曲线
4 设计要求及预浸水试验
通过上述对天然土料质量的分析，除含水率偏低外，其他指标均可符合《碾压式土石坝设计规范》要求。

土料天然含水率随枯、丰年季变化较大，故填筑前需配水后，方可满足设计需求。

4.1 设计要求
根据《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001要求，结合本工程的实际情况，设计坝体填筑碾压指标为：控制含水率(w)13.2%～13.6%，最大干密度(ρ)1.8
g/cm3，压实度(λ)0.98，渗透系数(k)1.78×10-5。

4.2 预浸水试验
4.2.1 配水试验原理及试坑布置
为满足土料的填筑需求，勘察期间对料场进行预浸水专题试验研究，在3号料场
采用试坑灌水法浸水，选用容积8 m3(4×4×0.5 m)的试坑，在坑壁铺设塑料膜以减少侧向渗流，试验是在试内保持一定水头，经过一定时间的有压渗入，然后进入无压入渗，待坑内明水消失后分别在不同天数内，在试坑不同位置及深度采取样品，
测试含水率。

依据试验原理，选取有代表性的试坑3处用于配水。

4.2.2 配水
为了最终得到合理的配水参数，分别按需要入渗4 m、6 m、8 m为三个试坑估算配水量。

配水前，在各试坑外侧打钻孔一个，每孔深度7.5 m，测得各孔内土层天然含水量平均值约为6% ，低于可研提供的8.7%，由于两次测试时间间隔较长，故视为正常值。

以实测值为参考。

试坑注水保持水头0.5 m，延续时间约30 h。

由于该区黄土呈硬塑状，客观上也
延长了注水时间，待渗期3 d。

试验期间，在坑顶搭设了防晒网以减少蒸发。

4.2.3 现场测试
待渗3天后，第4天开始造孔取样进行含水率测试，测试孔位由试坑中心向边缘
辐射状布设，各试坑每天取样3孔，按0 m、1 m、2 m各布1孔，每米取扰动
样一组，单坑每天取样36～72组，每组平行两试样进行含水量测试。

4.2.4 配水试验成果分析及评价
试验进入第27天时，入渗深度内大部分土样含水量接近13.2%，个别低于12.2%，按要求可结束试验，所得各试坑渗水后含水率变化进行分别统计和分析评价。

试坑1配水后含水率变化统计表如表2。

表2 试坑1配水后含水率变化统计表时间含水量
/%0.5m1m2.3m3m4m5m6m7m湿、干土分界深度第4天
19.3218.9016.2720.0318.118.407.857.414.9第5天
19.6817.1514.7720.7019.908.557.237.36第6天
19.2318.1913.3719.1620.3616.807.127.29第7天
21.5719.4113.6917.8018.4615.457.337.225.5第9天
18.5117.8011.6216.5915.5913.547.387.37第12天
16.6814.5810.2714.4515.3215.286.957.115.8第20天
15.9615.9711.0912.9915.5416.1514.827.726.9第23天
15.6613.1710.2312.2514.8115.2114.398.487第27天
14.8615.779.6512.6513.5714.3212.258.217
表2中，试坑1配水后的含水率变化规律：(1)配水后入渗等深度历时越长，含水
率则越低，总体呈继续下渗趋势，前期下渗速度快于后期。

配水后深度4 m以上，前9天内等深度含水率平均以每天0.2%～0.9%的速度减少(砂层以上为0.2%)，
第9天后为0.1%～0.2%；深度5 m处含水率增大到16.8%后转入下降，平均每
天下降0.1%，深度6m处含水率增加到14.8%后，以每天0.37%的速度降低；湿、干土分界线平均每天下移8～10 cm；孔底部含水率一般为7%～8%，与配水前相近。

首次测试时含水量值最大为20%，下渗效果良好。

取样中未见完全饱和现象，表明料场土层均一性好，无相对滞水层。

(2)配水后，前7天可渗入深度内含水率
大多明显高于16.2%，偏高，不宜开采。

试坑1配水后相同深度处时间与含水量
关系曲线如图4，深度与含水量变化关系曲线如图5。

表2和图4可表明，配水后第12天，渗入深度内含水率值大部分已进入阴影区(即适用的土料含水率的取值范围)，第27天时仍在阴影内，即土料有效开采期是
配水后的第12天至第28天。

表2配水后湿、干土分界深度及图5表明，开采初
期水的最大渗入深度已达5.8 m，但该处含水量值仅略大于配水前天然状态，远低于最优值。

分析认为，合理的渗入深度应为5.3 m，开采有效厚度内的平均含水率为14.4%。

在开采期内，水分仍继续下渗，末期开采深度可达6.5m，有效厚度内的平均含水量为13.3%。

虽然配水后第12天至第28天为最佳开采时段，但考虑到开采运输过程中存在含
水率的损失，故开挖时间应提前2天较为合理。

图4 配水后相同深度处时间与含水量关系曲线图
综合分析：试验中，在三个试坑采用不同的配水方量，同样的分析方法，其结果略
有不同。

试坑1配水方量为25 m3，坑底面积为16 m2。

若按试坑单位面积配水，入渗深度5.3 m时，需注水量为1.6 m3，平均每米需水0.3 m3；试坑2配水方
量为20 m3，坑底面积为16 m2。

按试坑单位面积配水，入渗深度4.3 m时，注水量为1.3 m3，平均每米需水0.3 m3；试坑3配水方量为15 m3，坑底面积为16 m2。

按试坑单位面积配水，入渗深度3.2 m时，注水量为0.94 m3，平均每
米需水0.3 m3。

经对三个配水点的综合分析比较：各试坑配水量不同，达到可上
坝土料的等待时间基本接近，开采时段长度相差稍多，深度差别较大。

其中试坑3的入渗深度为最浅，相对施工不经济，不宜采用，而试坑1、2的成果可以作为设计时采用的配水参考工艺。

取样孔揭示，孔深1.2～2.2 m为厚度不等的细砂层，其垂直及水平渗透系数均大于土层，水沿砂层水平方向渗漏严重，直接影响到土层的垂直入渗，所以试验未达到理想的入渗深度，建议清除表层的砂层及含植物根系土层，整平后分畦分期进行，配水量的多少，可根据立面开挖深度调整给，或分层进行。

图5 配水后期相同时间内深度与含水量关系曲线
5 实施过程中存在的问题
5.1 配水方法
王圪堵水库大坝于2010年3月开始预浸水工作，清表后采用40 m×10 m×1.0
m 和50 m×20 m×1.0 m渗坑，水源为无定河水，管道泵压输送至浸水现场，向试坑注水，使试坑内保持0.5 m水头持续两周后停止加水，待水完全入渗7天后
进行开挖翻倒。

开挖中观察垂直入渗深度4.8～5.5 m，水平方向影响半径1.0～1.5 m。

5.2 碾压试验
碾压试验是将料场制备好的土料运至坝址附近进行，为满足设计及规范要求，碾压填土厚度采用0.2 m、0.35 m、0.5 m，碾压变数为6、8、10遍三种不同的方法，
碾压机具为60T震动凸块碾1档碾压(1档的速度和震动频率相当于60 T/cm2，2档相当于30T/cm2)，以确定最合理的碾压参数。

结果表明，填土厚度0.35 m，1档震动碾压8遍后的压实度达到98%～100%，即为最合理的碾压参数。

为此，
依据试验结果进一步明确了实际碾压参数的合理性，于2010年7月左坝段Ⅰ区清基完成并进行填筑(见表3)。

5.3 填筑中存在的问题
在大坝填筑过程中，自检和第三方检测都存在压实度未满足设计要求，其原因不仅仅是含水量低，还存在局部含水率偏高，形成橡皮土和压实度过大引起的剪切破坏。

因而，不但碾压含水率、碾压功率和遍数关系密切，而且还与配水后土料含水率分布的均匀性息息相关。

之后，通过反复翻倒、凉晒、洒水、旋耕再碾压。

通过5
层(每层0.35 m)填筑，均存在类似问题，检测合格率仅为60%如表3。

分析认为：(1)土料料源配水后大范围开挖运至工作面后，含水率仍具有不均匀性，局部粉粒
含量较高，现场翻到均匀性较差；(2)浸水过程中，垂直入渗程度参差不齐，粉粒
含量高的部位垂直和水平入渗深度较大，开挖后含水量损失较大，且配水面积有限，不能满足填筑施工大量开采的需求；(3)运距较大，自2号料场绕包茂高速至左坝
段约2.0 km，由于当地气候干燥，蒸发量大，松散的土料在运输途中失水；(4)碾压机具功率偏小等因数。

表3 填筑Ⅰ区1～5层填土合格率统计表层数(高程)控制项目抽检组数12345678910合格率/%第一层(1008.3)第二层(1008.6)第三层(1008.9)第四层(1009.05)第五层(1009.5)含水量/%12.211.11112.912.99.7干密度
g/cm31.861.731.771.761.841.75压实度/%102.895.697.897.2101.796.7含水
量/%14.059.6913.5711.2713.5811.8210.2411.48干密度
g/cm31.791.71.811.741.861.731.771.75压实度
/%98.993.9210096.13102.7695.5898.0 96.69含水量
/%9.9714.3210.2314.4311.7214.579.4112.3211.313.7干密度
g/cm31.671.651.791.771.781.781.681.771.81.88压实度/%92.591.0 99.0
97.998.298.69398.199.2103.2含水量/%12.6914.9310.9710.6314.214.5213.46干密度g/cm31.791.811.921.711.831.771.77压实度
/%98.899.8106.294.2101.197.897.6含水量
/%11.9212.811.0814.113.5913.936.89干密度
g/cm31.831.681.71.791.681.841.54压实度
/%101.492.894.199.992.7101.585.33350605742
6 方案调整措施
鉴于填筑碾压存在上述问题，2010年9月业主会同勘察设计、监理、施工单位对料源、开采方法、配水及运输等过程进行分析达成共识，“应改善碾压机具的组合参数，增加碾压遍数，土料制备采用二次倒运现场制备，注意砂土的剥离等事项形成纪要予以实施。

”方法为现场预浸水，再运至坝区附近200～300 m范围内分
层洒水堆放10～15 d后上坝填筑。

通过多次反复碾压试验，通过合理的配水和碾压方法，该区在1 014 m高程以上基本掌握填筑土料的特性，碾压密度达1.78～1.81 g/cm3,压实度达99%以上，合格率达到98%以上，返工率大大减小。

7 结语
填筑土料根据当地自然地质条件、沉积环境的不同，其物理力学特性差异较大。

作为均质土坝的填筑材料，在它的颗粒组成满足规范与设计要求外，土料含水率、密度和压实度，碾压机具的组合等指标间的相互作用息息相关，均可采用人工干预来控制，使其满足使用需求。

解决干旱和半干旱地区当地材料匮乏的问题是可行的。

但在实施与控制中，工况条件及工作环境有所差异，应针对工程区的自然地质环境、气候条件和施工环境进行深入分析研究，以寻求最科学、最经济、且行之有效施工方法。

参考文献
【相关文献】
[1]杨聚利.王圪堵水库竣工工程(施工地质)地质报告.勘察分院.2014.
[2]水利水电工程天然建筑材料勘察规范(SL251—2000).2000.
[3]碾压式土石坝设计规范(SL274-2001).2002.。