土壩壩體填筑主要壓實指標(biāo)及常見問題探析

魏興增 周水林

（深圳市水務(wù)工程質(zhì)量監(jiān)督站，深圳市 518055）

土壩是水利水電工程中的一種重要壩體形式，其歷史最為悠久，同時也是當(dāng)今世界壩工建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種壩型。土壩具有可以就地、就近取材，適應(yīng)各種不同地形、地質(zhì)和氣候條件的優(yōu)點。顧名思義，土壩壩體主要就是由土料填筑起來的，所以，壩體填筑質(zhì)量的優(yōu)劣將直接決定了壩體的整體質(zhì)量。在壩體填筑實踐中出現(xiàn)的壓實度超1是否正常的疑問長期困擾著水利工程建設(shè)者；而在壩體填筑施工出現(xiàn)的壓實度達(dá)不到設(shè)計要求、彈簧土等質(zhì)量問題影響了工程的施工質(zhì)量和進(jìn)度。筆者結(jié)合個人從事壩體施工質(zhì)量管理的一些經(jīng)歷，簡要的對土壩填筑施工中的一些疑問、常見問題及處理方法談一談體會，以供探討。

1 壩體填筑的主要質(zhì)量控制指標(biāo)

由于土是由固體顆粒、液態(tài)自由水和氣體組成的三相體，具有一定的塑形，以土為骨架，水、氣占據(jù)一定空間充填孔隙。通常，對土體進(jìn)行夯實或碾壓使大小土塊、土顆粒重新排列和靠近，使小顆粒充填大顆粒之間的孔隙，而排除部分的水和空氣，從而使單位體積的質(zhì)量增大，減小孔隙率，這也就是土體的壓實。一般情況下，對于土體來說，土的密實程度愈大，土體的強度愈高，壓縮性愈小，其工程特性愈好。壓實土體的目的主要是通過人工或機械作用來提高土體的密實度，降低土體的透水性，從而達(dá)到提高土基的強度和穩(wěn)定性。

1.1 粘性土的壓實度ω

對于粘性土或含礫、砂的粘性土，工程上一般用壓實度或密實度衡量土的填筑壓實程度。所謂的壓實度ω就是土體經(jīng)壓實后的實測干密度（ρd）與該土料在一定擊實功能作用下所能達(dá)到的最大干密度（ρdmax）的比值。

式中：ω為壓實度，ρd為土體經(jīng)壓實后的現(xiàn)場實測干密度，ρdmax為一定擊實功能作用下的最大干密度。

通過實驗，我們了解到粘性土在相同擊實功作用下，其密實程度隨含水率的增大首先提高達(dá)到一個峰值后逐步降低，在這一過程中的峰值所對應(yīng)的含水率就叫做該擊實功下的最優(yōu)含水率，該峰值所對應(yīng)的干密度即為該擊實功下的最大干密度。土料的最大干密度通過擊實試驗確定?！锻凉ぴ囼灧椒?biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）中規(guī)定：擊實試驗分為輕型擊實和重型擊實。輕型擊實試驗適用于粒徑小于 5mm的粘性土，重型擊實試驗適應(yīng)于粒徑小于20mm的土。

1.2 無粘性土的相對密度Dr

通常情況下，在工程上用相對密度Dr（相對密實度）或直接用設(shè)計干密度作為無粘性土填筑密實程度的質(zhì)量控制指標(biāo)。相對密度Dr是以該無粘性土自身最松散和最密實兩種極限狀態(tài)下的一種相對值作為判別標(biāo)準(zhǔn)的。

式1：Dr為相對密度，emax為無粘性土在最松狀態(tài)時的孔隙比，emin為無粘性土在最密實狀態(tài)時的孔隙比，e0為無粘性土實測的孔隙比。式 2：ρdmax為無粘性土的最大干密度，ρdmin為無粘性土的最小干密度，ρd為實測干密度。

一般情況下，設(shè)計上要求砂礫石相對密度不小于0.75，砂和反濾料不小于0.7。由于無粘性土的相對密度 Dr需要首先通過試驗測定該無粘性土的最大和最小干密度，所以，在實際工程運用中，多采用公式2計算無粘性土的相對密度。為方便施工控制，有時設(shè)計單位也會根據(jù)填筑選用的無粘性土料的特性直接提出設(shè)計干密度作為控制指標(biāo)。

對于無粘性土，含水率對土料壓實性能的影響沒有粘性土那么敏感，無粘性土在含水率較高時具有較高的干密度。因此，在實際填筑施工中，通常采用水密法使無粘性土在較高含水率下進(jìn)行夯實或壓實。實踐中，無粘性土只要合理的控制含水率，一般是不難達(dá)到設(shè)計控制指標(biāo)的。

2 壩體填筑質(zhì)量控制要點

2.1 土料控制

一般意義上，土壩對填筑土料的要求并不高，幾乎所有的土料均可筑壩，但針對具體的壩體，由于在設(shè)計階段已結(jié)合現(xiàn)實可選取料場的土料進(jìn)行的設(shè)計計算分析，因此施工階段的壩體填筑土料就不再是任何土料均適宜用于填筑的了。

用于壩體填筑的土料首先應(yīng)滿足設(shè)計要求，剔除土料中摻雜的樹根、草皮、淤泥、建筑垃圾等雜物，并盡量做到土質(zhì)均勻。當(dāng)遇到土料變化時，應(yīng)重新進(jìn)行檢測，確定其相應(yīng)的試驗參數(shù)。

2.2 碾壓試驗及碾壓參數(shù)的確定

壩體填筑施工首先需要通過碾壓試驗確定其壓實參數(shù)，主要包括碾壓設(shè)備、土料的含水率、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)及碾壓機械行走的速率和振動頻率的組合等。

（1）碾壓設(shè)備：根據(jù)設(shè)計要求的壓實標(biāo)準(zhǔn)、壩料類別、施工強度、氣候等，結(jié)合經(jīng)驗及可取得的設(shè)備選取。

（2）含水率：粘性土料碾壓試驗可以該土料的塑限為基礎(chǔ)，選取ωp+2%、ωp和ωp-2% 三種含水率進(jìn)行試驗。

（3）碾壓參數(shù)的確定：通過碾壓試驗，選取不同的鋪土厚度，在不同的碾壓遍數(shù)下，測定相應(yīng)的含水率和干密度（或密實度），做出對應(yīng)的關(guān)系曲線，再按鋪土厚度、壓實遍數(shù)和最優(yōu)含水率、最大干密度進(jìn)行整理并繪制相應(yīng)的曲線，根據(jù)設(shè)計干密度或密實度，從曲線上查出不同鋪土厚度所對應(yīng)的碾壓遍數(shù)和對應(yīng)的最優(yōu)含水率。最后再分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較分析，以技術(shù)上有效可行，經(jīng)濟(jì)上合理為依據(jù)確定各參數(shù)。在此過程中也可綜合考慮機械的行走速率、振動組合等參數(shù)進(jìn)行確定。

2.3 層面結(jié)合處理

對于汽車上壩或采用光面振動碾壓實的土層，在下一層鋪土之前，對上一層經(jīng)壓實后形成的光面采取措施進(jìn)行刨毛，刨毛深度一般為3～5cm。當(dāng)氣候干燥、土層表面水分蒸發(fā)較快，層與層之間鋪料前還應(yīng)適當(dāng)?shù)臑⑺疂駶?。如需長時間停工，應(yīng)鋪設(shè)保護(hù)層對已碾壓的壩體予以保護(hù)。

2.4 結(jié)合部位處理

（1）碾壓相鄰作業(yè)面碾跡：相鄰作業(yè)面的碾跡應(yīng)彼此搭接，垂直碾壓方向搭接帶寬度不小于0.3～0.5m；順碾壓方向搭接帶寬度為1～1.5m。

（2）接頭處理：填筑層與層之間分段接頭所形成的分段條帶應(yīng)與壩軸線平行布置，并錯開一定距離，不宜形成過大的高差。接坡坡比一般應(yīng)緩于1:3。

（3）多種壩料結(jié)合部位：粘性土料與無粘性土料應(yīng)平起填筑，跨縫碾壓。多種壩料填筑施工應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行施工布置。如粘土料與反濾料接觸填筑，一般多采用先填筑反濾料后填粘性土料的平起填筑法施工。

（4）壩體與混凝土結(jié)構(gòu)物的結(jié)合：填土前，混凝土表面乳皮、粉塵及其附著雜物應(yīng)清除，在混凝土或巖面上應(yīng)灑水濕潤，并邊涂刷濃泥漿、邊鋪土、邊夯實，泥漿涂刷高度必須與鋪土厚度一致，并應(yīng)下部土層銜接。為保護(hù)結(jié)構(gòu)物，壓實機具應(yīng)選用小型碾壓機具如振動夯、蛙夯或小型振動碾等。填土碾壓時，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)物兩側(cè)均衡填料壓實，以免產(chǎn)生過大的側(cè)向壓力。

3 壩體填筑施工中常見問題及處理

3.1 壓實度達(dá)不到設(shè)計要求

壩體填筑施工中常遇到局部壓實度達(dá)不到設(shè)計要求的情況。此時應(yīng)結(jié)合實際情況進(jìn)行分析出現(xiàn)問題的原因，然后根據(jù)產(chǎn)生問題的原因，采取相應(yīng)的處理措施一般就可達(dá)到設(shè)計要求。

表1 常見壓實度達(dá)不到設(shè)計要求的原因及處理方法

3.2 壓實度超1

實踐中也經(jīng)常遇到壓實度超 1（也就是現(xiàn)場干密度大于擊實試驗的最大干密度）的情況，我們也看到多個專家、學(xué)者針對該問題的論述，認(rèn)為主要是由于土料的不對應(yīng)所引起的。我個人認(rèn)為土料的不對應(yīng)是出現(xiàn)該現(xiàn)象的一種可能性，另一種可能性土料即便是一致的，壓實度依然可能會超 1。按照目前的施工水平，現(xiàn)場壓實度超1也是正常的。

我們知道壓實度ω是現(xiàn)場實測干密度（ρd）與土料最大干密度（ρdmax）的比值。而土料最大干密度通過擊實試驗得出，擊實試驗分為輕型擊實和重型擊實。

圖1 某種土料最優(yōu)含水量與最大干密度隨擊實功能變化曲線

通過實驗，我們了解到對于同一種粘性土，壓實的功能小，其能達(dá)到的最大干密度也小，反之，壓實功能大，其所能達(dá)到的最大干密度也大。所以，土料的最大干密度與擊實功的大小有關(guān)，在實驗室中我們以擊錘的擊數(shù)來反映擊實功能，輕型擊實單位體積擊實功能為592.2kJ/m3；重型擊實單位體積擊實功能為 2684.9kJ/m3。重型擊實試驗擊實功能約為輕型擊實試驗擊實功能的4.5倍，而隨著施工水平的不斷提高，實踐中使用的碾壓機械的噸位越來越大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了試驗室重型擊實試驗?zāi)M的12～15t壓路機所能提供的壓實功能，因此在施工過程中, 經(jīng)常會出現(xiàn)壓實度超過100% 的情況。

3.3 彈簧土

壩體填筑中還會遇到這樣一種現(xiàn)象：填筑土料經(jīng)碾壓或夯實后，表面形成一層硬殼阻止水分的滲透和散發(fā)，填筑的土料受壓發(fā)生顫動，受壓處下陷，四周鼓起，形成軟塑狀態(tài)，而體積并沒有壓縮，人踩上去有顫動的感覺。這種現(xiàn)象就是所謂的彈簧土。出現(xiàn)彈簧土的主要原因有：（1）填筑土料中粘土或粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、腐殖土等含粘量大的土料較多，且土料含水率偏大；（2）在填筑施工過程中，原狀土被擾動，顆粒之間的毛細(xì)孔受到破壞，水分不能暢通的滲透和散發(fā)，以至于在碾壓過程中，填筑土層的表面土料相互粘結(jié)在填筑層表面形成一層硬殼，阻止了內(nèi)部水分的散發(fā)。

彈簧土成片的出現(xiàn)將使地基的承載力降低，變形加大，地基長時間不能得到穩(wěn)定。這種土埋藏越深，水分散發(fā)越慢，長時間散發(fā)不出去，將造成填筑基礎(chǔ)長時間得不到穩(wěn)定。彈簧土不僅影響該填筑層的施工質(zhì)量，還進(jìn)一步的影響到下一填筑層的施工質(zhì)量，導(dǎo)致下一填筑層在碾壓或夯實中，受壓處下陷，四周鼓起，不能得到有效的壓實。

出現(xiàn)彈簧土后，首先應(yīng)確定出現(xiàn)彈簧土的位置和深度，采取措施將彈簧土挖除，翻松、晾曬、風(fēng)干至最優(yōu)含水量控制范圍，然后將土料翻松，再行鋪土碾壓。為了預(yù)防彈簧土的出現(xiàn)，鋪土?xí)r，應(yīng)嚴(yán)格控制土料的含水率，避免含水率過大的粘土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)土、腐殖土等原狀土上壩。工地現(xiàn)場簡單判別方法：可采用將上壩土料以手握成團(tuán)，置于腰間自由落地，土料落地開花而不粘結(jié)在一起為宜。填筑部位如有地表水，應(yīng)及時將積水排除。

4 結(jié) 論

據(jù)統(tǒng)計，我國已建成水庫共有8萬多座，水庫總庫容近 5000億m3。大批水庫大壩的興建，氣到了灌溉、治澇、發(fā)電等作用，解決了居民和工、農(nóng)業(yè)用水等問題，另外一方面水庫猶如“頭頂一盆水”，一旦失事，后果十分嚴(yán)重。今年 8月份由于臺風(fēng)帶來的強降雨引起的浙江省岱山縣沈家坑水庫垮壩事故，造成了 11人死亡。潰壩事故的再次發(fā)生向我們拉響水庫大壩安全的警報。

作為當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的一種壩型，研究土壩的施工質(zhì)量控制對確保我國水庫大壩的安全具有重要的意義。本文通過對土壩施工中的主要技術(shù)指標(biāo)的闡述分析，通過理論和實踐闡明了土壩施工中長期困擾水利建設(shè)者的一些疑問，并對土壩施工中的常見問題進(jìn)行分析，提出了解決的方法和措施。期望能夠給土壩的施工質(zhì)量管理工作提供一定的參考，共同做好壩體的質(zhì)量管理工作，確保水庫大壩的安全。

[1] 土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn).GB/T 50123—1999

[2] 碾壓式土石壩施工規(guī)范.DL/T 5129—2001

[3] 林衛(wèi)民.不同壓實功能下最大干密度及最佳含水量研究.公路與汽運.2008年7月

[4] 尹繼瑤.振動壓路機的振動功率與裝機功率.建筑機械化.2007年第08期