金峰水庫(kù)極軟砂巖筑壩施工技術(shù)

葉沙鋒，田中濤，郭建軍

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

金峰水庫(kù)是四川省武都引水二期灌區(qū)工程的一座囤蓄水庫(kù)，總庫(kù)容0.98億m3，庫(kù)址位于四川省綿陽(yáng)市鹽亭縣金安鄉(xiāng)西北1.5 km西河支流鳳鳴河上源王家溝，水庫(kù)集雨面積8.38 km2，當(dāng)?shù)貜搅鬏^小，主要依靠西梓干渠向水庫(kù)充水。

大壩為瀝青混凝土心墻石渣壩，大壩頂長(zhǎng)454.87 m、寬8 m、最大壩高88 m。壩體從上游至下游分別為上游石渣料區(qū)、上游過(guò)渡料區(qū)，瀝青混凝土心墻料區(qū)、下游過(guò)渡料區(qū)、下游石渣料區(qū)及排水帶。壩殼料源采用庫(kù)區(qū)上游炮臺(tái)咀料場(chǎng)開(kāi)采的砂巖料，該砂巖料為白堊系下統(tǒng)劍門關(guān)組(K1j)的砂巖與粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層，局部夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、砂巖，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，細(xì)～粉粒結(jié)構(gòu)，孔隙式膠結(jié)，具有巖相變化大、巖石強(qiáng)度低等特點(diǎn)?？碧劫Y料顯示，該區(qū)段料源屬于K1j風(fēng)化砂巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為3.53～23.2 MPa；平均值11.4 MPa，軟化系數(shù)0.09～0.57，平均值0.28。軟化系數(shù)試驗(yàn)過(guò)程中，巖石浸泡24 h后大多崩解，無(wú)法取得軟化系數(shù)，具有極軟砂巖的特性[1]。

現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)表明，石渣料極軟砂巖具有易碎(碾壓后破碎率高，大塊少)、高孔隙率(28%～31%)、不易壓實(shí)的特殊特性。設(shè)計(jì)初設(shè)指標(biāo)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)仍無(wú)法滿足，需要結(jié)合生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)綜合研究極軟砂巖的特性及其在工程中的應(yīng)用。

2 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

2.1 設(shè)備選型

砂巖在較高激振力作用下可能會(huì)過(guò)度破碎，但考慮到最佳壓實(shí)效果，通過(guò)對(duì)比類似工程不同噸位振動(dòng)碾的破碎率綜合考慮后，振動(dòng)碾選用22 t自行式振動(dòng)碾，激振力為230、395 kN。試驗(yàn)前期先采用激振力為230 kN的弱振，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓實(shí)效果較差，將激振力調(diào)整為395 kN的強(qiáng)振，振動(dòng)碾壓行車速度選用低速擋2.55 km/h[2]。

2.2 試驗(yàn)組合

根據(jù)類似壩體填筑料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究和填筑施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地條件，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最終形成了3種鋪土厚度、5場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的組合。碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合見(jiàn)表1。

表1 碾壓試驗(yàn)參數(shù)組合

第1場(chǎng)振動(dòng)碾激振力采用230 kN弱振。由于壓實(shí)效果不明顯，挖坑后坑壁較為松散，壓實(shí)質(zhì)量與設(shè)計(jì)要求差異較大，故未進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。后續(xù)激振力調(diào)整為395 kN重新進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，以下數(shù)據(jù)為后5種組合的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[3]。

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，通過(guò)控制最大粒徑方法在取料場(chǎng)對(duì)試驗(yàn)料進(jìn)行顆粒分析，確定試驗(yàn)材料原級(jí)配，并選取具有代表性的巖石樣品進(jìn)行顆粒密度試驗(yàn)，室內(nèi)分別采用振動(dòng)臺(tái)法和擊實(shí)法進(jìn)行最大干密度試驗(yàn)。填筑時(shí)，采用后退法卸料及攤鋪。碾壓時(shí)，采用進(jìn)退錯(cuò)距法振動(dòng)碾壓；沉降測(cè)量采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程測(cè)量；采用試坑灌水法進(jìn)行干密度檢測(cè)并進(jìn)行碾壓前后顆粒分析，采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行表面沉降測(cè)量[4]。

3 極軟砂巖指標(biāo)

為深入研究極軟砂巖特性，在碾壓試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了多種指標(biāo)的綜合性研究。

(1)顆粒密度試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行碾壓試驗(yàn)的同時(shí)，在室內(nèi)進(jìn)行了顆粒密度試驗(yàn)，共計(jì)18組。試驗(yàn)成果表明，顆粒密度范圍在2.52～2.69 g/cm3之間，該料源巖性不均，孔隙率計(jì)算時(shí)，存在一定的波動(dòng)范圍。顆粒密度試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

(2)巖塊天然干密度。為進(jìn)一步論證極軟砂巖的工程特性，對(duì)巖塊天然干密度進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)期間取樣巖塊天然干密度分別為2.12 g/cm3和2.15 g/cm3，隨巖石新鮮程度變化而變化。

(3)最大密度。分別采用振動(dòng)臺(tái)法和擊實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)。采用振動(dòng)臺(tái)法進(jìn)行試驗(yàn)后觀察發(fā)現(xiàn)，容器內(nèi)風(fēng)化砂巖的表層處于松散狀態(tài)，不密實(shí)，試驗(yàn)最大干密度分別為1.65 g/cm3和1.61 g/cm3，數(shù)值變化較大。分別用擊實(shí)功為592、2 688 kJ/m3和592 kJ/m3進(jìn)行了5組擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。從表3可知，軟砂巖最大干密度數(shù)據(jù)穩(wěn)定，具有土料的類似特性。

表2 極軟砂巖渣料顆粒密度 g/cm3

表3 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果

(4)沉降。不同鋪料厚度、不同碾壓遍數(shù)下的表面沉降量見(jiàn)圖1。從圖1可知，在同一鋪料厚度的條件下，隨著碾壓遍數(shù)的增加，沉降整體趨勢(shì)增大，且無(wú)明顯收斂趨勢(shì)。

圖1 表面沉降量

(5)干密度。不同鋪料厚度、碾壓遍數(shù)下的干密度曲線見(jiàn)圖2。從圖2可知，在同一碾壓遍數(shù)下，壓實(shí)干密度隨鋪土厚度的減小而增加。鋪土厚度從80 cm減小到60 cm時(shí)，干密度的增加幅度較鋪土厚度從100 cm減小到80 cm時(shí)明顯，說(shuō)明鋪土厚度的減小顯著提高了壓實(shí)干密度。在同一鋪料厚度下，壓實(shí)干密度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，趨勢(shì)較為明顯，說(shuō)明增加碾壓遍數(shù)將顯著提高壓實(shí)干密度。鋪料厚度80 cm加水碾壓后的干密度反而最低，且隨著碾壓遍數(shù)的增加而降低。其原因?yàn)椋杭铀?，表層含水量較高，振動(dòng)碾碾輪表面粘有一層較細(xì)的石渣料，影響其壓實(shí)效果，加水后碾壓效果較差。復(fù)核試驗(yàn)時(shí)，采用鋪土厚度60 cm、碾壓14遍、不加水工況下的施工參數(shù)，取得了較好效果。

圖2 干密度試驗(yàn)成果

(6)孔隙率?？紫堵食晒€見(jiàn)圖3。從圖3可知，在相同碾壓遍數(shù)下，孔隙率隨鋪土厚度的減小而減小。在同一鋪料厚度下，孔隙率未隨碾壓遍數(shù)增加而減小。其原因?yàn)椋河捎诹显磶r性不均，顆粒密度存在波動(dòng)，影響孔隙率計(jì)算結(jié)果，孔隙率對(duì)極軟砂巖渣料碾壓遍數(shù)變化的評(píng)價(jià)分析存在不確定性。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)孔隙率整體較大，是該類極軟砂巖母材天然孔隙率較大所致。通過(guò)孔隙率試驗(yàn)成果分析，鋪土厚度越薄，孔隙率越容易降低，符合設(shè)計(jì)期望的最優(yōu)壓實(shí)效果。結(jié)合其他施工參數(shù)，極軟砂巖渣料鋪料厚度采用60 cm工況下的施工參數(shù)較為合理。

圖3 孔隙率試驗(yàn)成果

(7)顆分試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)顆分試驗(yàn)成果分析，填筑前粒徑小于5 mm顆粒含量平均值為29.1%，碾壓后粒徑小于5 mm顆粒含量平均值為38.9%，粒徑小于0.075 mm顆粒含量碾壓前后無(wú)明顯變化。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析，極軟砂巖在運(yùn)輸、攤鋪、碾壓過(guò)程中均存在一定程度的破碎，碾壓后級(jí)配會(huì)超出傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)包線范圍，宜采用料場(chǎng)爆破后上壩前的級(jí)配進(jìn)行控制。

(8)滲透試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)，滲透系數(shù)成果曲線見(jiàn)圖4。從圖4可知，在同一鋪料厚度的條件下，滲透系數(shù)與碾壓遍數(shù)成反比，即隨著碾壓遍數(shù)的增加滲透系數(shù)減小。隨著鋪料厚度的減小，滲透系數(shù)有降低的趨勢(shì)。滲透系數(shù)總體偏小，分析認(rèn)為，碾壓后表面存在一層5～10 cm的破碎板結(jié)層，影響其垂直滲透。

圖4 滲透系數(shù)試驗(yàn)成果

4 極軟砂巖填筑施工

(1)設(shè)計(jì)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究成果，結(jié)合壩體協(xié)調(diào)變形和穩(wěn)定需要，最終確定壩體石渣料技術(shù)要求為：碾壓后壓實(shí)干密度不小于1.90 g/cm3，干密度檢查合格率為100%；上壩前石渣料粒徑小于5 mm顆粒含量不宜超過(guò)30%，最大粒徑不超過(guò)碾壓層厚，中間級(jí)配應(yīng)連續(xù)，鋪料應(yīng)避免粗細(xì)顆粒集中攤鋪，不能有架空或集中凸起。施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制施工參數(shù)，過(guò)程施工參數(shù)記錄作為質(zhì)量是否合格的評(píng)判依據(jù)[5]。

(2)施工參數(shù)。在分析試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性，確定了極軟砂巖筑壩材料的碾壓施工參數(shù)：碾壓設(shè)備采用22 t自行式振動(dòng)平碾，激振力為395 kN，振動(dòng)碾壓行駛速度為2.55 km/h，碾壓遍數(shù)為14遍，鋪料厚度為60 cm。利用石渣料極軟砂巖天然含水率進(jìn)行填筑，該料天然含水量在5.6%～9.8%之間，相對(duì)較高，能夠取得較好的壓實(shí)效果[6]。

(3)施工質(zhì)量。根據(jù)確定的設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，嚴(yán)格按照施工參數(shù)進(jìn)行石渣料填筑施工，完成了112層石渣料填筑，共計(jì)完成石渣料填筑約81.78萬(wàn)m3。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)，壓實(shí)后干密度為1.90～2.07 g/cm3(部分夾雜有難以剔除的泥巖部位檢測(cè)干密度偏大)，平均1.96 g/cm3，滿足設(shè)計(jì)干密度指標(biāo)要求。上壩前，顆分檢測(cè)粒徑小于5 mm顆粒含量在13.3%～29.6%之間，平均22.5%，級(jí)配連續(xù)，滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求。碾壓后，顆分檢測(cè)粒徑小于5 mm顆粒含量在18.7%～39.2%之間，平均29.8%。試坑觀察，坑壁結(jié)合緊密，粗細(xì)顆粒分布均勻，無(wú)架空。施工過(guò)程嚴(yán)格按照碾壓試驗(yàn)確定的施工參數(shù)實(shí)施，并嚴(yán)格過(guò)程控制，在壩區(qū)設(shè)置了監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行全過(guò)程錄像監(jiān)控，并刻盤保存?zhèn)洳?。根?jù)檢測(cè)結(jié)果和過(guò)程參數(shù)控制記錄，已填筑石渣料施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 檢測(cè)指標(biāo)探討

傳統(tǒng)的壩料檢測(cè)指標(biāo)多采用孔隙率或干密度。由于石渣料極軟砂巖局部性質(zhì)變化大、風(fēng)化程度不均一、巖石內(nèi)部組成變化大，采用傳統(tǒng)檢測(cè)指標(biāo)難以準(zhǔn)確判定其施工質(zhì)量。結(jié)合本工程碾壓試驗(yàn)和施工檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，極軟砂巖渣料質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法存在一定的不確定性。

(1)干密度。結(jié)合壩體填筑檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，在填筑石渣料中出現(xiàn)有泥巖或相對(duì)強(qiáng)度較高的軟砂巖時(shí)，其干密度檢測(cè)指標(biāo)遠(yuǎn)大于通過(guò)前期碾壓試驗(yàn)選定的1.90 g/cm3設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，干密度在1.90～2.07 g/cm3，變化范圍大，無(wú)法有效對(duì)極軟砂巖渣料填筑質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

(2)孔隙率。根據(jù)試驗(yàn)成果，極軟砂巖渣料孔隙率為28%～31%，明顯高于已有土石壩工程壩殼料的孔隙率為20%～28%的經(jīng)驗(yàn)值控制指標(biāo)。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試坑觀察，碾壓后的壩料已較為密實(shí)。極軟砂巖巖性不均，顆粒密度存在一定的波動(dòng)，難以準(zhǔn)確確定其孔隙率指標(biāo)。由于檢測(cè)孔隙率數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)情況的差異以及數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，孔隙率指標(biāo)難以對(duì)極軟砂巖渣料填筑質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)要求干密度為1.9 g/cm3，按巖石顆粒密度評(píng)價(jià)孔隙率為30%，按巖石密度評(píng)價(jià)孔隙率為12%。施工填筑平均干密度為1.96 g/cm3，按巖石顆粒密度評(píng)價(jià)孔隙率為27%，按巖石密度評(píng)價(jià)孔隙率為10%。這說(shuō)明極軟砂巖組成顆粒大小較為均勻，巖塊天然結(jié)構(gòu)孔隙率大，巖塊形成的石渣料壓實(shí)難度大，導(dǎo)致孔隙率無(wú)法有效進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(3)相對(duì)密度。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和壩面填筑檢測(cè)結(jié)果分析，室內(nèi)試驗(yàn)最大干密度結(jié)果偏低，遠(yuǎn)低于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械壓實(shí)干密度。同時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)變化大，數(shù)據(jù)無(wú)法統(tǒng)一。因此，相對(duì)密度不適宜作為極軟砂巖渣料的填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(4)壓實(shí)度。根據(jù)試驗(yàn)成果，在不同壓實(shí)功下取得的最大干密度數(shù)值較為穩(wěn)定，采用壓實(shí)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值上會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，但需要確定擊實(shí)功的標(biāo)準(zhǔn)。按已施工填筑檢測(cè)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)評(píng)價(jià)壓實(shí)度平均為108.3% ；采用重型擊實(shí)評(píng)價(jià)壓實(shí)度平均為98.8%。因此，壓實(shí)度作為極軟砂巖渣料的填筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在指標(biāo)上可行，但在標(biāo)準(zhǔn)上還需深入研究。目前，國(guó)內(nèi)300 m以上超高土石壩心墻土料使用壓實(shí)度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，要求現(xiàn)場(chǎng)干密度控制標(biāo)準(zhǔn)為重型擊實(shí)室內(nèi)最大干密度的98%。本工程使用22 t碾，重型擊實(shí)實(shí)際控制達(dá)到98%以上。

6 結(jié) 語(yǔ)

金峰水庫(kù)工程極軟砂巖渣料具有其特殊性，給設(shè)計(jì)施工帶來(lái)了新的課題。在工程應(yīng)用中，通過(guò)碾壓試驗(yàn)與室內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)，確定了施工設(shè)備、施工參數(shù)與工藝、施工檢測(cè)指標(biāo)與方法等。同時(shí)，在施工質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法上也進(jìn)行了綜合研究，以科學(xué)指導(dǎo)極軟砂巖渣料的施工。

[1] 蔣濤, 付軍, 周小文. 軟巖筑面板堆石壩技術(shù)[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社, 2010．

[2] DL/T 5116—2000 水利水電工程碾壓式土石壩施工組織設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S]．

[3] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S]．

[4] SL 237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[5] SL 274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[6] 水利電力部水利水電建設(shè)總局主編.水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社, 2001．