礫石土擊實(shí)特性影響因素及現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制研究

李 朝 政

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概述

粘土作為土石壩防滲料具有悠久的歷史。在我國(guó)土石壩筑壩歷史中，從當(dāng)初亞洲第一的云南會(huì)澤縣毛家村土石壩到糯扎渡超高心墻堆石壩[1]防滲土料經(jīng)歷了很大的變化：20世紀(jì)60年代～70年代以防滲良好的細(xì)粒粘土為代表，到現(xiàn)在以礫石粘土或摻礫粘土為代表，礫石粘土作為防滲土料得到廣泛的應(yīng)用并繼續(xù)發(fā)展[2，3]。粗粒礫質(zhì)土作為防滲體有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)[4，5]，因此得到快速發(fā)展和推廣。

堆石壩施工中，摻礫粘土作為心墻防滲體一般以室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果作為參考，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定碾壓參數(shù)，以此控制工程施工質(zhì)量。關(guān)于礫石類土擊實(shí)特性相關(guān)的研究較多[6-8]，在前人研究的基礎(chǔ)上，本文擬以兩河口水電站為工程背景研究擊實(shí)沖量、擊實(shí)儀器尺寸、粒徑、擊實(shí)功能等因素影響，并為現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)械選擇和控制提供參考。

2 研究背景及試驗(yàn)過(guò)程

2.1 工程介紹

兩河口水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段。電站裝機(jī)容量300萬(wàn)kW，多年平均年發(fā)電量為110×108kW·h。樞紐主要建筑物包括礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞，工程為一等大(1)型工程。

礫石土心墻堆石壩最大壩高295 m，壩頂高程2 875 m，屬超高型大壩，其中礫石土心墻防滲料填筑量約441.14×104m3。礫石土心墻料主要采用西地、蘋果園、亞中、瓜里、普巴絨等土料場(chǎng)作為土料來(lái)源，其料源分散，性狀不均一，實(shí)際上壩施工中需要根據(jù)料場(chǎng)P5含量不同而摻礫改性[9]。

2.2 試驗(yàn)礫石土

擊實(shí)研究的礫石土取自兩河口心墻土料場(chǎng)，土粒比重試驗(yàn)采用虹吸桶+比重瓶法，顆粒分析采用篩析法+密度計(jì)法完成，摻礫土料物理性試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)以往研究，擊實(shí)成果主要受擊實(shí)功能、顆粒級(jí)配、含水率等影響，而對(duì)于擊實(shí)儀器尺寸、擊錘沖量、顆粒最大粒徑與儀器相互關(guān)系等研究較少，鑒于此，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10-12]和研究目的，采用擊實(shí)儀規(guī)格及擬定試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表1 料場(chǎng)土料物理性試驗(yàn)成果

表2 擊實(shí)儀規(guī)格及礫石土擊實(shí)試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)成果

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)性擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)成果如表3，表4所示。

表3 <5 mm及<20 mm顆粒土料擊實(shí)試驗(yàn)成果

表4 <60 mm土料擊實(shí)試驗(yàn)成果

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)成果，可知：

分別對(duì)應(yīng)<5 mm和<20 mm顆粒的擊實(shí)土料，φ300 mm擊實(shí)儀，在同一擊實(shí)功能下，雖沖量不同(3 kN·s/m2和7 kN·s/m2，下同)，但擊實(shí)最大干密度一致。φ102 mm,φ152 mm的擊實(shí)儀成果比較看，在同一擊實(shí)功能下，雖沖量和儀器尺寸不同，但擊實(shí)最大干密度基本相同。在595 kJ/m3擊實(shí)功能下，擊實(shí)筒尺寸為φ300 mm比φ102 mm,φ152 mm的最大擊實(shí)干密度增加約2%～3%。在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，三種規(guī)格的擊實(shí)筒、不同沖量下，擊實(shí)最大干密度基本一致。

對(duì)于<60 mm擊實(shí)土料，φ300 mm擊實(shí)儀，在同一擊實(shí)功能下，雖沖量不同，但擊實(shí)最大干密度基本一致。

綜合表3,表4試驗(yàn)成果，相同擊實(shí)功能下，隨著擊實(shí)土最大粒徑(即礫石含量)增大，干密度隨之增加。同一擊實(shí)功能下、同一直徑擊實(shí)筒，雖沖量不同，但擊實(shí)最大干密度基本一致。在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，各種擊實(shí)儀下的最大干密度基本一致，尺寸效應(yīng)對(duì)成果影響未體現(xiàn)。在595 kJ/m3擊實(shí)功能下，同一種擊實(shí)料，大尺寸的擊實(shí)儀比小尺寸的擊實(shí)儀所得最大干密度反而增大2%～3%，即隨著擊錘底徑的增加，干密度反而有所增加。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

施工碾壓采用26 t振動(dòng)凸塊碾，碾壓遍數(shù)10遍，碾壓檢測(cè)采用灌水法在填筑壩體上進(jìn)行?，F(xiàn)場(chǎng)共檢測(cè)93個(gè)點(diǎn)，檢測(cè)點(diǎn)內(nèi)土料物理性試驗(yàn)成果均值見(jiàn)表5。

表5 93個(gè)碾壓檢測(cè)點(diǎn)密度及顆粒含量統(tǒng)計(jì)

4 討論

4.1 擊實(shí)功能影響

擊實(shí)功能對(duì)干密度影響最明顯。從<5 mm土料至<60 mm土料，不同粒徑土料，不同擊實(shí)儀器內(nèi)徑，隨著擊實(shí)功能增加擊實(shí)干密度均顯著增加。

4.2 擊實(shí)沖量影響

根據(jù)試驗(yàn)方案完成了兩種不同沖量的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，<5 mm土料，<20 mm土料，<60 mm土料，擊實(shí)功能相同時(shí)，沖量的大小并不影響土料的擊實(shí)干密度。

4.3 擊實(shí)儀尺寸影響

在595 kJ/m3擊實(shí)功能下，隨著擊錘底直徑的增大，擊實(shí)干密度增大；隨著擊實(shí)功能提高到2 690 kJ/m3，則儀器尺寸的影響基本不大。從整個(gè)試驗(yàn)成果看，儀器尺寸效應(yīng)未對(duì)最大干密度體現(xiàn)明顯影響。原因可能在于：擊實(shí)儀內(nèi)徑小時(shí)，土料顆粒也較小(<5 mm),當(dāng)土顆粒粒徑較大時(shí)，擊實(shí)儀內(nèi)徑與顆粒粒徑比值也在5以上，同時(shí)較大的擊實(shí)功能足以克服顆粒之間的咬合阻力。

4.4 上壩礫石土壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)及快速檢測(cè)

根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果，擊實(shí)沖量并不影響擊實(shí)干密度，其主要與接受的壓實(shí)能量有關(guān)。對(duì)于施工中采用不同噸位的碾壓機(jī)械，在碾壓機(jī)械足以對(duì)所鋪厚度土傳導(dǎo)能量的情況下，噸位大小并不占主要作用。不同噸位機(jī)械控制好總的碾壓能量，小噸位碾壓機(jī)械增加碾壓遍數(shù)依然可以達(dá)到相同效果。

從現(xiàn)場(chǎng)上壩礫石土碾壓試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果看，全料干密度范圍2.11 g/cm3～2.25 g/cm3，均值2.19 g/cm3，<20 mm土料部分干密度范圍1.95 g/cm3～2.10 g/cm3，均值2.04 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓檢測(cè)成果與室內(nèi)采用<20 mm土料相應(yīng)的擊實(shí)成果最為接近，從方便快速檢測(cè)和保證工程質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，采用<20 mm土料的擊實(shí)成果作為碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)最佳。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)較為系統(tǒng)性的室內(nèi)擊實(shí)比對(duì)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)碾壓檢測(cè)，總結(jié)出以下觀點(diǎn)：

1)土料擊實(shí)干密度主要受擊實(shí)功能影響，不同儀器尺寸、不同沖量、不同粒徑土料都表明擊實(shí)能量的吸收極大地影響擊實(shí)干密度。

2)低擊實(shí)功能的情況下，擊實(shí)儀內(nèi)徑尺寸的大小一定程度上影響擊實(shí)干密度，隨著擊錘底徑的增大，干密度有所增大。當(dāng)提高擊實(shí)功能后，擊實(shí)儀內(nèi)徑尺寸對(duì)干密度基本無(wú)影響；為更好研究相關(guān)關(guān)系，在下步工作中還需增加其他擊實(shí)功能的擊實(shí)成果。

3)擊實(shí)沖量并不影響擊實(shí)干密度，其主要受壓實(shí)能量影響。因此，施工中采用不同噸位的碾壓機(jī)械，在碾壓機(jī)械足以對(duì)所鋪厚度土傳導(dǎo)能量的情況下，不同噸位碾壓機(jī)械控制好總的碾壓能量，小噸位碾壓機(jī)械增加碾壓遍數(shù)依然可以達(dá)到相同效果。

4)現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)中，現(xiàn)場(chǎng)碾壓檢測(cè)成果與室內(nèi)采用<20 mm土料相應(yīng)的擊實(shí)成果最為接近，采用<20 mm土料的擊實(shí)成果作為碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)最佳。

5)關(guān)于采用設(shè)備型號(hào)：規(guī)范中要求擊實(shí)筒內(nèi)徑102 mm用于粒徑小于5 mm的粘性土，且擊實(shí)功約為595 kJ/m3；擊實(shí)筒內(nèi)徑152 mm用于粒徑小于20 mm的土，且擊實(shí)功約為2 690 kJ/m3。但目前很多工程上采用以小于20 mm的土在擊實(shí)功能595 kJ/m3下的室內(nèi)最大干密度為基礎(chǔ)控制現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果，雖從試驗(yàn)成果來(lái)看，擊實(shí)筒內(nèi)徑102 mm和152 mm，在擊實(shí)功能595 kJ/m3下，最大干密度基本一致，但從規(guī)范中擊實(shí)儀尺寸對(duì)應(yīng)最大粒徑的要求方面考慮，本文建議采用內(nèi)徑152 mm的擊實(shí)筒。

而設(shè)計(jì)采用全料在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下進(jìn)行復(fù)核，本文建議按規(guī)范采用擊實(shí)筒內(nèi)徑300 mm，擊錘質(zhì)量為35.2 kg的試驗(yàn)設(shè)備，與規(guī)范統(tǒng)一。

6)以上成果是在目前的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)組數(shù)基礎(chǔ)上總結(jié)的，為更好地通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工，特別是在高土石壩填筑過(guò)程中快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)還需更多的努力。