苗尾水電站心墻防滲土料壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法及控制標(biāo)準(zhǔn)

李朝政，李 偉，陳 江

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科學(xué)研究分院，云南 昆明 650033）

土石壩是當(dāng)前世界上建造數(shù)量最多、高度最高的壩型之一。我國(guó)自20世紀(jì)70年代引進(jìn)土石壩技術(shù)以來(lái)，連續(xù)組織開(kāi)展了一系列科技攻關(guān)工作，獲得了豐富的研究成果，推進(jìn)了我國(guó)土石壩建設(shè)的快速發(fā)展。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，高壩采用礫質(zhì)土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢(shì)，世界上已建和在建的壩高200 m以上的高土質(zhì)心墻堆石壩基本上都是以礫質(zhì)土作為心墻防滲料的。在土質(zhì)心墻堆石壩中，心墻防滲土料的壓實(shí)性在設(shè)計(jì)和施工中至關(guān)重要。本文列舉幾種用于大壩防滲土料壓實(shí)質(zhì)量的試驗(yàn)檢測(cè)控制方法，并選擇合適的檢測(cè)方法應(yīng)用于苗尾水電站防滲土料的碾壓試驗(yàn)中。

1 礫質(zhì)土防滲料填筑質(zhì)量的檢測(cè)方法

（1）最大干密度移動(dòng)平均值檢測(cè)法。該檢測(cè)方法實(shí)質(zhì)上是填筑土體干密度指標(biāo)控制法。依據(jù)填筑土料全料的礫石含量（P5）與其最大干密度平均值的關(guān)系曲線插值求得。當(dāng)土料的料源發(fā)生較大變化時(shí)，關(guān)系曲線應(yīng)做適當(dāng)調(diào)整和數(shù)據(jù)補(bǔ)充，需要對(duì)試坑土料進(jìn)行烘干（測(cè)含水率）、水洗再烘干（測(cè)含礫量），耗時(shí)較長(zhǎng)，工作量大。

（2）全料（或其替代料）三點(diǎn)擊實(shí)法。該法現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)有較好的對(duì)應(yīng)性，土料級(jí)配及含水率等物理性指標(biāo)基本一致，也可以不經(jīng)篩分、水洗直接求得壓實(shí)度，且檢測(cè)精度較高。但是，按照DL/T 5129—2001《碾壓式土石壩施工規(guī)范》的規(guī)定，室內(nèi)試驗(yàn)工作量很大，且對(duì)填筑體也有一定的破壞。因此，該法主要用于碾壓試驗(yàn)研究和大壩施工時(shí)填筑土體壓實(shí)效果的復(fù)核性試驗(yàn)中。

（3）細(xì)料三點(diǎn)擊實(shí)法檢測(cè)壓實(shí)度。在礫質(zhì)土心墻堆石壩中，對(duì)礫質(zhì)土防滲料細(xì)料的壓實(shí)度檢測(cè)通常以5 mm和20 mm為界進(jìn)行劃分。一般土料的水分主要集中在5 mm以下的顆粒中，過(guò)篩時(shí)很多土粒成團(tuán)，很難區(qū)分是礫石還是土粒，難以計(jì)算≤5 mm顆粒的密度和所占體積，因此，該法不太適用于壓實(shí)度檢測(cè)。而以20 mm粒徑進(jìn)行分界，檢測(cè)方式可以較好地實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)工作量大大降低，且對(duì)壩體的破壞要小得多。當(dāng)大顆粒礫石含量過(guò)多時(shí)，細(xì)料若不能填滿粗料孔隙，在滲透水流的作用下，很容易產(chǎn)生滲透破壞（管涌）。此時(shí)，若細(xì)顆粒的壓實(shí)度達(dá)不到要求，則表明填筑土體的壓實(shí)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。因此，用細(xì)料的壓實(shí)度來(lái)控制填筑土體的壓實(shí)效果是符合實(shí)際的。

2 苗尾水電站礫質(zhì)土防滲料填筑質(zhì)量的檢測(cè)方法及控制標(biāo)準(zhǔn)的擬定

在苗尾水電站礫質(zhì)土防滲土料碾壓試驗(yàn)研究過(guò)程中，對(duì)土料的壓實(shí)度的測(cè)定采用三點(diǎn)擊實(shí)法，用小于20 mm粒徑細(xì)料的壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，用全料的壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核；同時(shí)，還對(duì)全料和細(xì)料壓實(shí)度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，提出了土料壓實(shí)度的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 試驗(yàn)土料特性

碾壓試驗(yàn)是對(duì)該電站的主料場(chǎng)苗尾寨土料場(chǎng)土料進(jìn)行的研究，料場(chǎng)的平均含水率在15%～18%左右，該料場(chǎng)土料的物理性質(zhì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

2.2 碾壓試驗(yàn)

碾壓試驗(yàn)采用質(zhì)量為22 t的振動(dòng)凸塊碾，進(jìn)行了3個(gè)大場(chǎng)的碾壓試驗(yàn)。

第一大場(chǎng)采用1號(hào)取料點(diǎn)的天然土料，進(jìn)行3種鋪料厚度（25、30、35 cm），3個(gè)碾壓遍數(shù)（每小場(chǎng)先靜碾2遍，再振碾6、8、10遍），共計(jì)9個(gè)小場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。從振動(dòng)凸塊碾對(duì)土料的擾動(dòng)、土料壓實(shí)度設(shè)計(jì)指標(biāo)、與其他料區(qū)鋪層厚度協(xié)調(diào)及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，并結(jié)合同類工程實(shí)例，最終選取的后續(xù)場(chǎng)次碾壓施工參數(shù)為：鋪料厚度28 cm，碾壓8遍。

第二大場(chǎng)采用1號(hào)取料點(diǎn)的土料，分6種含水率（10%、12%、14%、16%、18%、20%），每種含水率各2個(gè)小場(chǎng)，共計(jì)12個(gè)小場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。根據(jù)第二大場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2），了解土料不同含水率的壓實(shí)特性、驗(yàn)證土料最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系，初步確定土料合適的填筑含水率范圍。

表2 第二大場(chǎng)碾壓試驗(yàn)土料壓實(shí)成果

從表2可知，土料含水率從10%增加至18%時(shí)，含水率與壓實(shí)度的關(guān)系近似一條拋物線，含水率與壓實(shí)度關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。從5種含水率的壓實(shí)度成果來(lái)看，僅含水率為14%的場(chǎng)次全料平均壓實(shí)度達(dá)到大于98%的初擬設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從含水率與壓實(shí)度關(guān)系曲線來(lái)看，全料平均壓實(shí)度達(dá)到98%的含水率區(qū)間相對(duì)較窄，為14%～15%。整個(gè)苗尾寨土料含水率（平均含水率在15%～18%左右）比較難以滿足全料壓實(shí)度≥98%（擊實(shí)功能1 470 kJ/cm3）的設(shè)計(jì)初擬控制指標(biāo)。

在1號(hào)取料點(diǎn)，對(duì)應(yīng)每小場(chǎng)試驗(yàn)料進(jìn)行1組混合料含水率檢測(cè)。攤鋪前對(duì)每個(gè)小場(chǎng)試驗(yàn)料進(jìn)行3組含水率檢測(cè)；攤鋪后碾壓前對(duì)每個(gè)小場(chǎng)進(jìn)行3組含水率測(cè)試，以檢測(cè)攤鋪過(guò)程含水率的變化。土料攤鋪前至攤鋪完成，含水率損失基本在0.5%以內(nèi)。若要求全料平均壓實(shí)度達(dá)到96%時(shí)，滿足要求的碾壓土料含水率區(qū)間約為12.5%～17.0%，再考慮開(kāi)采及運(yùn)輸過(guò)程中含水率的損失，可確定苗尾寨土料場(chǎng)上壩土料的含水率約在 13.0%～17.5%。

第三大場(chǎng)為復(fù)核試驗(yàn)。在該大場(chǎng)各小場(chǎng)還分別開(kāi)展592、1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下小于20 mm細(xì)料壓實(shí)度指標(biāo)和1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下全料壓實(shí)度指標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系試驗(yàn)，初步確定土料壓實(shí)度指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)控制標(biāo)準(zhǔn)。碾壓試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表1 苗尾寨土料場(chǎng)土料物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖1 不同含水率與壓實(shí)度關(guān)系

表3 復(fù)核場(chǎng)碾壓試驗(yàn)土料壓實(shí)成果碾前

復(fù)核場(chǎng)3個(gè)取料點(diǎn)土料在全料1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下與≤20 mm細(xì)料在592 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度影響對(duì)比試驗(yàn)研究表明：≤20 mm土料在592.2 kJ/m3擊實(shí)功能下，其壓實(shí)度比全料在1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度高2%左右，比≤20 mm土料在1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度高約4%左右。

2.3 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)主要采用大型（擊實(shí)筒直徑300 mm）擊實(shí)儀進(jìn)行。試料采用濕法制樣，避免了土料經(jīng)風(fēng)干再加水后可能造成的對(duì)壓實(shí)性的不可逆影響，更符合實(shí)際情況。全料室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

表4 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果

從表4可以看出，土料最大干密度592 kJ/m3擊實(shí)功能下比1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下減小了0.11 g/cm3；2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下比1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下僅增大了0.02 g/cm3，相差不大。

2.4 壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

從室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)可知，2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下土料最大干密度比1 470 kJ/m3高約0.02 g/cm3，即壓實(shí)度高約1%。規(guī)范規(guī)定：對(duì)高壩如采用重型擊實(shí)試驗(yàn)（擊實(shí)功能2 690 kJ/m3），壓實(shí)度可適當(dāng)降低；但不得低于95%。同時(shí)，考慮設(shè)計(jì)要求，將防滲土料填筑全料壓實(shí)度控制在不低于96%（擊實(shí)功能1 470 kJ/m3下）是比較合適的。根據(jù)全料1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下與≤20 mm細(xì)料592 kJ/m3擊實(shí)功能下壓實(shí)度相差約2%可知，細(xì)料壓實(shí)度的控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于98%，同時(shí)也滿足規(guī)范要求的采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)1、2級(jí)和高壩的壓實(shí)度應(yīng)不小于98%～100%的規(guī)定。苗尾寨土料場(chǎng)土料的平均含水率在15%～18%左右，根據(jù)第二大場(chǎng)及復(fù)核場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的成果，該控制標(biāo)準(zhǔn)采用后，苗尾寨土料場(chǎng)土料的含水率基本在可上壩范圍內(nèi)。這些說(shuō)明以≤20 mm細(xì)料在592 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度不低于98%作為控制標(biāo)準(zhǔn)，1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下全料的壓實(shí)度不低于96%作為復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)是合適的。而≤20 mm細(xì)料在1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下壓實(shí)度偏低，該控制標(biāo)準(zhǔn)不予采用。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）采用粒徑小于20 mm細(xì)料的壓實(shí)度作為控制標(biāo)準(zhǔn)，全料的壓實(shí)度作為復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)是合適的。

（2）全料和細(xì)料不同擊實(shí)功能下壓實(shí)度的試驗(yàn)表明，≤20 mm細(xì)料在592 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度平均值比全料在1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下高約2%左右，比2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下全料的壓實(shí)度高約3%左右。

（3）苗尾寨土料場(chǎng)防滲土料的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)為：≤20 mm細(xì)料在592 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度不低于98%，以1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下全料的壓實(shí)度不低于96%作為復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)。

［1］趙川，劉盛乾，等.糯扎渡水電站粘土心墻壓實(shí)度檢測(cè)方法及控制標(biāo)準(zhǔn)［J］.云南水力發(fā)電，2009，25（5）:58-61.

［2］DL/T 5129—2001 碾壓式土石壩施工規(guī)范［S］.

［3］SL 237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.