羅賽雷斯土石壩填筑料物的替代方法

彭　明，　趙　鵬

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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羅賽雷斯土石壩填筑料物的替代方法

彭明，趙鵬

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：由于羅賽雷斯土石壩中的一設(shè)計(jì)料物在工程所在地附近沒有適合可供大規(guī)模開采的料源而無法滿足土石壩的填筑質(zhì)量和進(jìn)度要求，承包商對工程周邊可能存在的備選料物進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)后，確定了一種替代料物以滿足工程的需要。對這一替代料物的選擇和確認(rèn)過程進(jìn)行了描述與分析，總結(jié)了土石壩施工過程中料物替代的一般方法。

關(guān)鍵詞：羅賽雷斯土石壩；填筑料物；替代；方法

1工程概述

羅賽雷斯大壩座落在青尼羅河上，位于蘇丹首都喀土穆東南550km處的青尼羅河州首府達(dá)瑪津市。大壩加高工程是在原有大壩基礎(chǔ)上加高10m，并向左右岸延長和向下游加寬。加高后的壩體全長從原來的13.5km增加至25.1km。

該土石壩為粘土心墻壩，加高后的土石壩全長24.1km，總填筑量為1 746.6萬m3，壩頂高程495.3m，庫區(qū)正常蓄水位高程493.02m。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，粘土心墻頂高程493.8m以上的料物依次為90cm厚的3.1區(qū)料(臟砂料，DirtySand)、30cm厚的壩頂公路底基層料、15cm厚的下基層料、15cm厚的上基層料以及部分壩段的瀝青路面，上述料物的上游側(cè)為護(hù)坡料(包括砂礫料和拋石料)，下游側(cè)依次為反濾料(凈砂料)和護(hù)坡料(砂礫料)。

2設(shè)計(jì)料物3.1區(qū)料的主要工程性質(zhì)

2.1設(shè)計(jì)料物3.1區(qū)料的主要工程性質(zhì)

3.1區(qū)料為新增料物，設(shè)計(jì)工程量17.94萬m3。工程師將3.1區(qū)料命名為臟砂料，以GB/T50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》為判定基礎(chǔ)。參考設(shè)計(jì)級配曲線(圖1)可知：

(1)該料物土顆粒最大粒徑不大于13.2mm；

(2)巨粒組含量為0%；粗粒組含量為60%～81%，大于50%；細(xì)粒組含量為19%～40%，小于50%且不小于15%。其中，粗粒組中礫粒組含量為0%～20%，小于砂粒組的含量(約80%～100%)。

在對業(yè)主移交的料源進(jìn)行勘探和試驗(yàn)后得知：該料物細(xì)粒組中粉粒含量為14.7%～17.6%，不大于50%。綜上判斷該料物在土的工程分類中的土類名稱是粘土質(zhì)砂，土類編號(hào)為SC。

2.2設(shè)計(jì)料物3.1區(qū)料存在的問題

3.1區(qū)料(SC)具備不透水性、抗剪強(qiáng)度好、可塑性低等工程性質(zhì)，適宜筑壩。然而，由于工程所在地料源的3.1區(qū)料本身特性(含泥量)變化較大，不同料源不同含泥量的3.1區(qū)料對應(yīng)不同的最優(yōu)含水率，致使含水率無法控制。既使針對料場某區(qū)域內(nèi)的料源進(jìn)行取樣，也不能反映該區(qū)域3.1區(qū)料的實(shí)際情況，僅能代表取樣探坑周圍小區(qū)域的情況。即：3.1區(qū)料的料源不具備大規(guī)模開采條件且現(xiàn)場施工的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一，該料物無法進(jìn)行開采使用，因此，尋找合適的替代料物勢在必行。

3替代料物3.2區(qū)料的主要工程性質(zhì)

通過對工程所在地附近料源進(jìn)行初步勘察，我們認(rèn)為右岸Azaza村莊的一種紅土料可能會(huì)滿足工程需求，隨即進(jìn)行了相關(guān)的取樣和試驗(yàn)工作。

3.1外觀

該料物分布在地面以下1～6m，分布較均勻。料物本身為淺紅色，松散，天然含水率較低，粗粒形狀為圓形或次圓形且含中砂和粗砂以及較多的紅粘土，初步判斷為礫石土。

3.2料源取樣室內(nèi)試驗(yàn)

從三個(gè)暫存料堆(SP1、SP2、SP3)分別取樣，在主試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行粒徑分析、阿太堡三限、普氏擊實(shí)、滲透性及干縮性等試驗(yàn)。

(1) 粒徑分析試驗(yàn)。

圖1　設(shè)計(jì)單位提供的3.1區(qū)料級配曲線圖

根據(jù)英國規(guī)范《BS1377-2:1990 土工試驗(yàn)方法-常規(guī)試驗(yàn)》進(jìn)行粒徑分析試驗(yàn)，其結(jié)果見表1。

表1　天然3.2區(qū)料粒徑分布(篩分)表

從表1可知：該料物最大粒徑不大于75mm，巨粒組含量小于10%，粗粒組含量大于50%，細(xì)粒組含量為20%左右。其中，粗粒組中礫粒組含量約為70%，大于砂粒組的含量(約5%)。對于小于0.075mm粒徑的土料進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)后得知：該料物細(xì)粒組中粉粒含量為9.5%～13%，不大于50%。

綜上所述，根據(jù)GB/T50145-2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》判斷該料物在土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)中的土類名稱是粘土質(zhì)礫，土類編號(hào)為GC。

(2) 阿太堡三限試驗(yàn)。

根據(jù)英國規(guī)范《BS1377-2:1990 土工試驗(yàn)方法-常規(guī)試驗(yàn)》進(jìn)行粒徑分析試驗(yàn)，其結(jié)果為：①樣本1：液限48，塑限21，塑性指數(shù)27；②樣本2：液限49，塑限19，塑性指數(shù)30；③樣本3：液限48，塑限21，塑性指數(shù)27。三種指數(shù)變化不大，反映出該料物本身特性比較穩(wěn)定。

(3) 普氏擊實(shí)試驗(yàn)。

根據(jù)英國規(guī)范《BS1377-4:1990 土工試驗(yàn)方法-壓實(shí)及其相關(guān)試驗(yàn)》，采用24h烘箱的方式進(jìn)行普氏擊實(shí)試驗(yàn)，其結(jié)果如下：①樣本1：最大干密度2.15g/cm3，最優(yōu)含水率8.9%；②樣本2：最大干密度2.05g/cm3，最優(yōu)含水率10%；③樣本3：最大干密度2.18g/cm3，最優(yōu)含水率8.7%。

(4) 滲透性試驗(yàn)。

根據(jù)英國規(guī)范《BS1377-5:1990 土工試驗(yàn)方法-可壓縮、滲透性和耐久性試驗(yàn)》進(jìn)行滲透性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示三個(gè)料堆料物的滲透率Kf<1～6×10-7m/s，表明該紅土料具備不透水性。工程師也以此標(biāo)準(zhǔn)要求現(xiàn)場滲透性試驗(yàn)需滿足此滲透率。

(5) 干縮性試驗(yàn)。

根據(jù)英國規(guī)范《BS 1377-2:1990 土工試驗(yàn)方法-常規(guī)試驗(yàn)》中的線性干縮法進(jìn)行該料物的干縮特性試驗(yàn)，結(jié)果顯示其線性干縮的百分比范圍為11.12%～13.02%，干縮性低。

3.3室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析及結(jié)論

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知：該種粘土質(zhì)礫料物(GC)較穩(wěn)定，具備不透水性，干縮性低，可塑性低，可滿足替代原設(shè)計(jì)料物3.1區(qū)料的要求。同時(shí)，該料物料源充足，可進(jìn)行大規(guī)模開采，滿足現(xiàn)場施工需要。

工程師在現(xiàn)場勘察、旁站相關(guān)試驗(yàn)、審閱勘探報(bào)告和試驗(yàn)報(bào)告后批準(zhǔn)了使用該種料物用以替代原3.1區(qū)料，并將其命名為紅土礫石料(Red Soil Gravel，3.2區(qū)料)。至此，3.1區(qū)料替代料物的確認(rèn)工作已成功完成。

4替代料物3.2區(qū)料的施工參數(shù)確定

在確定使用紅土礫石料后需進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗(yàn)以確定填筑碾壓參數(shù)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場使用SP2暫存料堆的料物進(jìn)行了以下試驗(yàn)。

4.1含水率調(diào)整

由于3.2區(qū)料的天然含水率較低且不均勻，變化范圍為2.6%～6.3%且小于最優(yōu)含水率10%，需在含水率調(diào)整后再進(jìn)行上壩填筑。

灌水試驗(yàn)在SP2暫存料堆進(jìn)行，采用筑畦灌水法。灌水并靜置30 h后在料堆不同深度位置取樣并進(jìn)行含水率試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：3.2區(qū)料在料堆不同深度或是全斷面的含水率都比較均勻，樣本含水率范圍為10.3%～11.4%，平均含水率大于最優(yōu)含水率0.8%左右，可以滿足上壩填筑要求。

4.2填筑碾壓試驗(yàn)

(1) 第一次填筑碾壓試驗(yàn)。

本次填筑碾壓試驗(yàn)采用未調(diào)整含水率的3.2區(qū)料，在壩面進(jìn)行刨毛灑水調(diào)整料物含水率，用19 t光面碾按不同攤鋪厚度(35 cm，50 cm，60 cm)和不同碾壓遍數(shù)(4遍，6遍)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)工程師要求，該試驗(yàn)取樣后僅進(jìn)行干密度、含水率和滲透性試驗(yàn)，使用這三個(gè)參數(shù)確定碾壓參數(shù)。

①干密度和含水率試驗(yàn)。

由于19 t光面碾振動(dòng)碾壓4遍后的試驗(yàn)結(jié)果較差，表2僅反映出碾壓6遍后分層取樣干密度和含水率的試驗(yàn)結(jié)果。從該結(jié)果可以看出：a.在壩面刨毛灑水進(jìn)行含水率調(diào)整沒有實(shí)質(zhì)性影響，測得的含水率不均勻且與最優(yōu)含水率10%的偏差較大，最大時(shí)低于最優(yōu)含水率約4%～6%。b.本次試驗(yàn)中松鋪50 cm厚的壓實(shí)度最大(95%)，松鋪60 cm厚時(shí)的壓實(shí)度最小(最大僅為92%)，對此進(jìn)行分析后不難看出，松鋪35 cm和松鋪50 cm壓實(shí)度比較接近，說明在使用19 t光面碾碾壓的情況下，有效碾壓厚度應(yīng)不大于50 cm。

表2　最大干密度為2.05、最優(yōu)含水率為10%時(shí)的19 t光面碾振動(dòng)碾壓6遍分層取樣干密度和含水率試驗(yàn)結(jié)果表

②現(xiàn)場滲透試驗(yàn)。

在松鋪50 cm和60 cm兩種情況下進(jìn)行現(xiàn)場滲透試驗(yàn)，其結(jié)果為：松鋪50 cm時(shí)Kf=1.89×10-7m/s，松鋪60cm時(shí)Kf=2.45×10-7m/s，均滿足工程師確定的滲透性要求。

(2) 第二次填筑碾壓試驗(yàn)。

鑒于第一次填筑碾壓試驗(yàn)中壓實(shí)度無法滿足設(shè)計(jì)要求以及含水率不均勻且與OMC偏差較大的問題，我們在現(xiàn)場又進(jìn)行了第二次填筑碾壓試驗(yàn)。根據(jù)前次試驗(yàn)所得出的結(jié)論，本次填筑碾壓試驗(yàn)使用調(diào)整含水率后的3.2區(qū)料在暫存料場進(jìn)行筑畦灌水；料物松鋪厚度選擇為50 cm，碾壓6遍，但增加了19 t凸塊碾作為對比，以確定碾壓設(shè)備。

①干密度和含水率試驗(yàn)(表3)。

表3　最大干密度為2.05,最優(yōu)含水率為10%時(shí)的19 t振動(dòng)碾壓6遍分層取樣干密度和含水率試驗(yàn)結(jié)果表

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：a.在3.2區(qū)料含水率調(diào)整合適之后，松鋪厚度為50 cm，使用平碾或凸碾碾壓后的壓實(shí)度基本一致。b.壓實(shí)度較前次試驗(yàn)有所提高，平均壓實(shí)度為98.1%，最小壓實(shí)度為95%；含水率較前次試驗(yàn)有很大程度地提高且比較均勻，含水率范圍為7.9%～10.8%，與OMC偏差范圍為0.8%～2.1%。

②現(xiàn)場滲透試驗(yàn)。

取樣兩個(gè)進(jìn)行現(xiàn)場滲透試驗(yàn)，其結(jié)果分別為：Kf=1.05×10-7m/s和Kf=3.83×10-8m/s，可以滿足工程師確定的滲透性要求，即Kf<1～6×10-7m/s。

4.3填筑碾壓參數(shù)的確定

根據(jù)填筑碾壓試驗(yàn)結(jié)果并與工程師討論后，確認(rèn)了以下填筑碾壓參數(shù)：

(1) 填筑3.2區(qū)料時(shí)松鋪厚度為50cm；

(2) 使用19t光面碾或凸塊碾碾壓6遍；

(3) 3.2區(qū)料在運(yùn)輸至壩面前需在暫存料場進(jìn)行含水率調(diào)整。

同時(shí)，確定了以下質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：

(1) 暫存料場料物含水率調(diào)整后的范圍：9%～12%；

(2) 壩面碾壓后含水率與最優(yōu)含水率差值范圍：-2%～+2%；

(3) 壓實(shí)度(現(xiàn)場干密度/最大干密度)：≥96%。

5土石壩料物替代方法小結(jié)

根據(jù)上述實(shí)例，筆者對土石壩填筑料物替代方法總結(jié)如下：

(1) 設(shè)計(jì)料物的工程性質(zhì)。

進(jìn)行筑壩料物的替代選擇，首先要確定原設(shè)計(jì)料物本身的工程性質(zhì)及其在土石壩結(jié)構(gòu)中所起的作用，這是尋找替代料物的標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)。

(2) 該設(shè)計(jì)料物的料源無法用于筑壩的原因可以從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩個(gè)角度進(jìn)行分析，說明應(yīng)有理有據(jù)。本實(shí)例中主要為技術(shù)原因，即料源本身的不均勻性無法滿足現(xiàn)場大規(guī)模開采的需要。

(3) 替代料物的工程性質(zhì)。

首先應(yīng)依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和料物外觀進(jìn)行初步判斷，認(rèn)為其可能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)立即對料源進(jìn)行勘探取樣并進(jìn)行相關(guān)土工試驗(yàn)，新料物的工程性質(zhì)應(yīng)參考原設(shè)計(jì)料物的主要工程性質(zhì)，應(yīng)滿足其在土石壩結(jié)構(gòu)中的功能性要求和結(jié)構(gòu)性要求。

(4) 替代料物的現(xiàn)場填筑試驗(yàn)。

當(dāng)該料物滿足工程性質(zhì)要求后，還需進(jìn)行現(xiàn)場填筑試驗(yàn)，以確定其碾壓參數(shù)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場填筑試驗(yàn)應(yīng)考慮不同碾壓設(shè)備、不同攤鋪厚度、填筑料物是否進(jìn)行含水率調(diào)整等多方面因素，從中擇優(yōu)選擇。

彭明(1977-)，男，四川南部人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

趙鵬(1985-)，男，山西長治人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0032-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV7;TV52；TV4；TV641

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