黏性礫質(zhì)土防滲料壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)控制方法探討

李建國(guó)，李小泉，陳定賢

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

土石壩由于其對(duì)地基條件良好的適應(yīng)性、能就地取材和充分利用建筑物開(kāi)挖料、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國(guó)廣泛采用的壩型，尤其隨著筑壩技術(shù)及施工機(jī)械的發(fā)展，防滲土料的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，紅土、膨脹土、分散性土已在一些工程中成功使用，而黏性礫質(zhì)土，甚至風(fēng)化泥巖料、風(fēng)化頁(yè)巖料則是高心墻堆石壩的首選土料。

眾所周知，土石壩的壩坡穩(wěn)定、滲透穩(wěn)定與變形控制，取決于壩體結(jié)構(gòu)布置與材料的力學(xué)參數(shù)，施工中每填筑一層，進(jìn)行檢測(cè)力學(xué)參數(shù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不能滿足施工進(jìn)度要求，因此，施工規(guī)范選取了檢測(cè)級(jí)配、密度與含水率等物性指標(biāo)，間接地反映力學(xué)參數(shù)。防滲土料是高心墻堆石壩的核心部位，做好其壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)控制與分析評(píng)價(jià)，是土石壩施工質(zhì)量管理的重要內(nèi)容，對(duì)確保土石壩的安全有著十分重要的意義。

黏性礫質(zhì)土是一種黏性粗粒土,是土石混合料,它通常以5mm為界被分為粗料和細(xì)料兩部分,顆粒組成是決定寬級(jí)配礫質(zhì)土工程特性的主要因素。同時(shí)，密度與含水率隨著其級(jí)配的變化而變化。(DL/T 5129-2001)《碾壓式土石壩施工規(guī)范》傳統(tǒng)質(zhì)量控制統(tǒng)計(jì)分析的直方圖或管理圖法，是以材料的單一特征值為控制對(duì)象，難以對(duì)受多個(gè)特征粒徑含量因素影響的寬級(jí)配黏性礫質(zhì)土防滲料的質(zhì)量進(jìn)行控制與分析評(píng)價(jià)。 國(guó)內(nèi)已有對(duì)質(zhì)量控制的文獻(xiàn)，基本側(cè)重于壓實(shí)度的檢測(cè)與控制，未對(duì)影響防滲料性能密切相關(guān)的級(jí)配、密度(壓實(shí)度)與含水率進(jìn)行綜合分析與控制。

本文結(jié)合位于四川省黑水河，覆蓋層最大深度56m，最大壩高147m的正在施工中的毛爾蓋水電站心墻堆石壩,以大量試驗(yàn)、檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),對(duì)礫質(zhì)土防滲料的質(zhì)量檢測(cè)控制方法進(jìn)行論述探討，以供其他類似土石壩工程設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量檢測(cè)參考。

2 質(zhì)量檢測(cè)控制方法

2.1 級(jí)配檢測(cè)控制方法

毛爾蓋水電站大壩防滲心墻采用的黏性礫質(zhì)土防滲料，位于小黑水河右岸的團(tuán)結(jié)橋料場(chǎng)，按照地質(zhì)成因，為成因復(fù)雜的坡積土，從上到下分為兩層，土料的第③-1層和第③-2層往往是上下部混雜，土料分布極不均勻性，但防滲料的細(xì)料部分均為黏土，塑性指數(shù)變化較小，Ip=11.0～16.0。統(tǒng)計(jì)的級(jí)配見(jiàn)表1、2?？辈煸O(shè)計(jì)階段，經(jīng)過(guò)大量的勘探試驗(yàn)，按照施工可行，質(zhì)量可控的原則，確定了料場(chǎng)分層開(kāi)采，并在摻配場(chǎng)按照體積比③-1∶③-2=1∶1進(jìn)行施工摻合。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)5組③-1層松鋪料的干密度平均為1.80g/cm3, 實(shí)測(cè)5組③-2層松鋪料的干密度平均為1.40g/cm3,同體積③-1與③-2層的重量比為1.30，介于通常的5∶5～6∶4之間，因此，按照重量比5∶5～6∶4確定摻和后的礫質(zhì)土防滲料控制包線，綜合兩種摻比，確定的最終控制級(jí)配包線見(jiàn)表3、圖1。圖1作為施工填筑檢測(cè)級(jí)配控制圖。

表1 防滲土料③-1層級(jí)配試驗(yàn)成果 %

表2 防滲土料③-2層級(jí)配試驗(yàn)成果 %

表3 確定的防滲料控制包線 %

圖1 心墻料填筑檢測(cè)級(jí)配控制

毛爾蓋水電站大壩最低建基面高程為1 991.0m，現(xiàn)已填至高程為2 091.0m， 2010年3月份以來(lái)，除施工單位常規(guī)檢測(cè)外，業(yè)主委托質(zhì)量檢測(cè)第三方對(duì)高程1 991.0～2 078.0m進(jìn)行了6次實(shí)際填筑后的抽檢,其檢測(cè)成果見(jiàn)表4、5。

土料的壓實(shí)檢測(cè)須滿足“時(shí)效性”，由于土料的細(xì)料塑液限與碾壓無(wú)關(guān)，且是查級(jí)配控制圖的前提，為滿足快速提供檢測(cè)結(jié)果，可以在鋪料時(shí)，確定點(diǎn)位坐標(biāo)，進(jìn)行取料檢測(cè)細(xì)料塑液限指標(biāo)。毛爾蓋水電站大壩所檢測(cè)土料中的細(xì)料部分，塑性指數(shù)為Ip=12.7～14.2,變化較小，與前期試驗(yàn)較為吻合。對(duì)照?qǐng)D1，繪制的檢測(cè)對(duì)比包線見(jiàn)圖2。從圖中可以得出：

小于5mm含量統(tǒng)計(jì)：小于5mm小值含量37.44%，小于5mm大值含量74.46%，18個(gè)樣本中，小于5mm含量高于45%而位于下包線以上的有16組，占全部樣本的90%，小于5mm含量低于45%的有2組，占全部樣本的10%。而這2組樣本，處于高程2 028.0m附近。

小于0.075mm細(xì)粒含量統(tǒng)計(jì)：小于0.075mm細(xì)料小值含量22.26%，小于0.075mm細(xì)粒大值含量59.10%，18個(gè)樣本中，小于0.075mm細(xì)粒含量位于下包線以上有15組，占全部樣本的78%，有3組位于下包線以下，且處于高程2 028.0m附近。但其小于0.075mm含量仍高于15%，滿足小于0.075mm含量高于15%的要求。

小于0.005mm黏粒含量統(tǒng)計(jì)：小于0.005mm黏粒小值含量8.72%，小于0.005mm黏粒大值含量20.17%，18個(gè)樣本中，小于0.005mm黏粒含量位于下包線以上的有18組，占全部樣本的100%，且全部滿足不宜低于8%的設(shè)計(jì)要求。

表4 檢測(cè)物理性質(zhì)試驗(yàn)成果

表5 檢測(cè)物理性質(zhì)試驗(yàn)成果 %

圖2 心墻料填筑檢測(cè)級(jí)配對(duì)比

2.2 壓實(shí)度與含水率檢測(cè)控制方法

依據(jù)前期勘探的級(jí)配資料，通過(guò)對(duì)不同擊實(shí)功能比較，最終選取的室內(nèi)2 000kJ/m3系列擊實(shí)成果見(jiàn)表6，通過(guò)擊實(shí)成果，繪制的P5～ρdmax～mρdmax～Wop壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)圖3。

由于碾壓前后，土料的含水率相差小，為滿足快速提供檢測(cè)結(jié)果，在取料檢測(cè)細(xì)料塑液限指標(biāo)的同時(shí)，可分別取料測(cè)定大于5mm粗料與小于5mm細(xì)料的含水率。對(duì)照填筑檢測(cè)壓實(shí)度控制曲線圖，繪制的檢測(cè)對(duì)比見(jiàn)圖4與表7。從圖表中可以得出：

填筑含水率統(tǒng)計(jì)：18個(gè)樣本中，填筑最小含水率5.7%，填筑最大含水率11.2%，全料含水率在Wop-2.9%≤Wf≤Wop+1.5%之間，部分土料略為偏干，但總體滿足設(shè)計(jì)要求。

填筑干密度統(tǒng)計(jì)：最小干密度1.98g/cm3，最大干密度2.14g/cm3，最低壓實(shí)度97%，最高壓實(shí)度100%，18個(gè)樣本中，壓實(shí)度大于98%的有16組，滿足合格率不小于90%的要求，且不合格壓實(shí)度97%，滿足不低于設(shè)計(jì)壓實(shí)度98%的要求。

一般情況下，“級(jí)配控制圖”“壓實(shí)度控制圖”，“兩圖”就可以對(duì)防滲料是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)控制與分析。對(duì)于料場(chǎng)中存在含不同塑液限細(xì)料的黏性礫質(zhì)土防滲料，可以制定不同的"兩圖"進(jìn)行分別控制，同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜變化的料場(chǎng)，其級(jí)配或壓實(shí)度，不一定都能滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)于特殊情況，須根據(jù)具體情況決定是否挖出或進(jìn)行力學(xué)論證。

表6 礫質(zhì)土心墻料全料壓實(shí)控制參數(shù)

圖3 心墻料壓實(shí)度控制

土樣編號(hào)<5mm/%粗粒含量/%ρd/g·cm-3Wf/%ρdmax/g·cm-3Wop/%壓實(shí)度DWf-Wop/%M1X 0+181.062.3137.692.0010.12.089.60.970.5M1X 0+120.053.9446.062.108.32.118.91.00-0.6M1X 0+160.058.3941.612.067.12.099.20.99-2.1M2X 0+175.046.2853.722.117.72.138.00.99-0.3M2X 0+118.037.4462.562.145.72.167.10.99-1.4M2X 0+310.037.5862.422.116.92.166.90.980.0M3X 0+305.063.5036.502.039.32.079.60.98-0.3M3X 0+185.064.7835.222.0311.22.079.70.981.5M3X 0+115.065.7634.242.0211.02.0610.10.980.9M4X 0+120.074.4625.541.989.12.0210.60.98-1.5M4X 0+350.059.1440.862.039.22.089.30.98-0.1M4X 0+225.060.9939.012.0210.22.079.60.980.7M5X 0+230.057.6542.352.068.82.099.20.99-0.4M5X 0+310.051.6348.372.097.52.118.90.99-1.4M5X 0+285.059.8240.182.0310.82.089.60.981.2M6X 0+74.061.7838.222.048.22.079.70.99-1.5M6X 0+122.057.1842.822.046.72.099.10.98-2.5M6X 0+281.057.7142.292.036.32.099.20.97-2.9

圖4 心墻料壓實(shí)曲線

2.3 力學(xué)參數(shù)檢測(cè)控制方法

毛爾蓋水電站大壩，采用根據(jù)前期勘探試驗(yàn)，并作為壩體結(jié)構(gòu)計(jì)算依據(jù)的黏性礫質(zhì)土防滲料力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表8。其作為施工期防滲料力學(xué)驗(yàn)證參數(shù)控制表。

設(shè)計(jì)級(jí)配控制包線，是在(DL/T 5395-2007)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)防滲料的質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合開(kāi)采、摻和的施工可行性與質(zhì)量可控性條件下制定的，由于團(tuán)結(jié)土料場(chǎng)開(kāi)采的復(fù)雜性，以及③-1、③-2層現(xiàn)場(chǎng)施工摻和較難控制，致使高程2 028.0m附近的礫質(zhì)土防滲料位于下包線以下，是采用挖除，還是進(jìn)行論證其關(guān)鍵的力學(xué)參數(shù)，需根據(jù)挖出與回填碾壓的方量、施工工期、料場(chǎng)防滲料的儲(chǔ)量、檢測(cè)的指標(biāo)等因素綜合考慮。毛爾蓋水電站大壩高程2 028.0m防滲料，其小于5mm含量低于45%，但其小于0.075mm的顆粒含量大于15%，小于0.005mm黏粒含量大于8%，存在滿足防滲性能要求的可能，因此，需采用質(zhì)量動(dòng)態(tài)控制的思路進(jìn)行專題論證。對(duì)樁號(hào)0+175.0斷面土料、樁號(hào)0+118.0斷面土料共進(jìn)行了2組滲透變形試驗(yàn)。試驗(yàn)成果見(jiàn)表9。

從表9試驗(yàn)成果可以看出，樁號(hào)0+175.0斷面土料其破壞坡降if值為10.8，滲透系數(shù)k為3.29×10-7；樁號(hào)0+118.0斷面土料其破壞坡降if值為8.3，滲透系數(shù)k為2.11×10-6；均具有極弱透水性，屬流土破壞，滿足原設(shè)計(jì)滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s，抗?jié)B透變形的破壞坡降應(yīng)大于7的要求。

表8 防滲料試驗(yàn)參數(shù)控制

3 結(jié) 語(yǔ)

寬級(jí)配黏性礫石土防滲料，其顆粒組成是決定寬級(jí)配礫質(zhì)土工程特性的主要因素。密度與含水率隨著其級(jí)配的變化而變化，同時(shí)，土料因其地質(zhì)成因的不同而又有諸多的變化，僅側(cè)重壓實(shí)度的檢測(cè)控制是不全面的，需對(duì)影響防滲料性能密切相關(guān)的級(jí)配、密度(壓實(shí)度)與含水率進(jìn)行綜合分析與控制。

針對(duì)細(xì)料塑性指數(shù)變化較小的寬級(jí)配黏性礫質(zhì)土防滲料，依據(jù)“級(jí)配控制圖”“壓實(shí)度控制圖”進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)與控制， 特殊情況下，還需增加“力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)表”，采取動(dòng)態(tài)的質(zhì)量控制思路，是寬級(jí)配黏性礫質(zhì)土防滲料壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)與控制重要而有效的措施。

表9 滲透變形試驗(yàn)成果