采砂擾動(dòng)砂礫料筑壩質(zhì)量控制探討

楊青杰，段媛媛，李陸明，張兆省，皇甫澤華

（1.河南科光工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，河南 鄭州 450003；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；4.河南省前坪水庫(kù)建設(shè)管理局，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

河南省前坪水庫(kù)是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的172項(xiàng)水利工程之一，位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、洛陽(yáng)市汝陽(yáng)縣城以西9 km的前坪村。水庫(kù)以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，并兼顧發(fā)電，總庫(kù)容5.84億m3，控制流域面積1325 km2，為大（2）型水庫(kù)。主壩采用黏土心墻砂礫（卵）石壩，最大壩高90.3 m。壩殼料設(shè)計(jì)為天然級(jí)配砂礫（卵）石料，砂礫料填筑方量為1300萬(wàn)m3。但由于當(dāng)?shù)厝斯げ缮拜^普遍，導(dǎo)致原規(guī)劃料料場(chǎng)上層砂礫（卵）石料細(xì)顆粒缺失，改變了料場(chǎng)砂礫（卵）石料天然級(jí)配曲線、物理力學(xué)參數(shù)、開采條件等，產(chǎn)生了約700萬(wàn)m3的采砂擾動(dòng)砂礫料。

對(duì)于采砂擾動(dòng)料，原料場(chǎng)設(shè)計(jì)包線、開采條件、壩的填筑控制標(biāo)準(zhǔn)和碾壓施工參數(shù)均發(fā)生變化。開展筑壩質(zhì)量控制工作時(shí)，如何針對(duì)這種人工采砂條件下的采砂擾動(dòng)砂礫料，開展有效的質(zhì)量控制工作，是值得探討的問題［1］。本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范［2］、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)，重點(diǎn)從壩料級(jí)配控制和壓實(shí)質(zhì)量控制兩個(gè)方面較系統(tǒng)的對(duì)采砂擾動(dòng)砂礫料筑壩質(zhì)量控制進(jìn)行探討，可供類似工程質(zhì)量控制參考使用。

2 料場(chǎng)的級(jí)配特點(diǎn)

2012年可研勘察時(shí)，對(duì)西溝-鴨蘭溝、前坪-上店、上店-汝河橋3個(gè)砂礫料場(chǎng)（包括13個(gè)砂礫料區(qū)）進(jìn)行了詳查精度的地質(zhì)勘察，查明砂礫料儲(chǔ)量共計(jì)1404萬(wàn)m3，滿足工程需要。但由于河道常年采砂，尤其是2015年6月份以后，河槽采砂尤為嚴(yán)重。河槽內(nèi)采砂場(chǎng)多數(shù)采用篩選和破碎兩種方式開采，篩選開采主要對(duì)料場(chǎng)內(nèi)砂礫料中細(xì)粒組進(jìn)行，破碎方式開采則對(duì)整個(gè)料區(qū)進(jìn)行了開挖。因?yàn)榇笠?guī)模的采砂活動(dòng)，造成砂礫料場(chǎng)原級(jí)配料儲(chǔ)量大幅減少，對(duì)工程用料產(chǎn)生嚴(yán)重影響。這種背景下，勘察單位2016年3月份又對(duì)原規(guī)劃料場(chǎng)進(jìn)行了復(fù)核，共布置勘探點(diǎn)79個(gè)，主要查明人工擾動(dòng)料分布范圍及深度，每個(gè)勘探點(diǎn)均進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)顆分試驗(yàn)，料場(chǎng)篩分級(jí)配見圖1所示。

圖1 料場(chǎng)級(jí)配

由篩分結(jié)果可知，人工開采擾動(dòng)后部分料粒徑級(jí)配曲線坡度較陡，甚至出現(xiàn)水平段，呈現(xiàn)缺少細(xì)粒組現(xiàn)象，近半數(shù)為級(jí)配不良砂礫料，且離散性較大。尤其是上游部分砂礫料場(chǎng)與下游砂礫料場(chǎng)大部分區(qū)域的人工擾動(dòng)料顆粒較粗，一般為4 cm以上，缺失細(xì)顆粒粒徑組。

3 采砂擾動(dòng)砂礫料筑壩質(zhì)量控制

根據(jù)前坪水庫(kù)料場(chǎng)砂礫料的級(jí)配特點(diǎn)，筑壩質(zhì)量控制重點(diǎn)從壩料質(zhì)量控制和碾壓質(zhì)量控制兩方面進(jìn)行。在料場(chǎng)開采環(huán)節(jié)，采用合適的開采工藝，嚴(yán)格控制級(jí)配指標(biāo)。在上壩碾壓環(huán)節(jié)，對(duì)攤鋪工藝和碾壓施工工藝及碾壓參數(shù)進(jìn)行控制，并依照規(guī)范對(duì)碾壓層進(jìn)行干密度檢測(cè)，對(duì)壓實(shí)效果進(jìn)行評(píng)估。

3.1壩料質(zhì)量控制對(duì)于上壩砂礫料，按圖2所示的級(jí)配包線進(jìn)行控制，保證上壩砂礫料級(jí)配在圖2所示的級(jí)配包線范圍之內(nèi)。在開采壩料時(shí)，首先要確保開采區(qū)域在勘察單位提供的料場(chǎng)復(fù)核及開采區(qū)域內(nèi)［3-5］。對(duì)于各開采區(qū)域，在開采施工前進(jìn)行料場(chǎng)級(jí)配復(fù)核，確定開采區(qū)域內(nèi)天然級(jí)配料及人工擾動(dòng)料的部位，做好現(xiàn)場(chǎng)開采規(guī)劃。開采過程中現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制人員加強(qiáng)對(duì)料場(chǎng)的動(dòng)態(tài)控制，開采時(shí)首先使用推土機(jī)及挖掘機(jī)清除料場(chǎng)表層的雜物，再按照料場(chǎng)規(guī)劃要求統(tǒng)一堆放在規(guī)定的位置，并注意開采區(qū)域泥土夾層的清理［6-8］。

圖2 原設(shè)計(jì)級(jí)配包線與料場(chǎng)

天然級(jí)配料的開采采用立面混合方式，以利于各料層摻混，使開采料能達(dá)到較合理的級(jí)配［8-9］。人工擾動(dòng)料采用平鋪立采或混合開采的方式，以保證不同粒組含量比例合理。開采過程中部分?jǐn)_動(dòng)料含砂量過少，采用粗、細(xì)砂礫料混合裝車，現(xiàn)場(chǎng)卸料過后再進(jìn)行混摻，以保證砂礫料級(jí)配合理。對(duì)于超徑顆?；蛏暗[料大粒徑過于集中問題，在裝運(yùn)過程中利用挖掘機(jī)進(jìn)行排除或調(diào)整處理。

總的來說，在料場(chǎng)的開采過程中，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制人員的全過程監(jiān)控，砂礫料開采質(zhì)量基本能滿足設(shè)計(jì)級(jí)配要求，對(duì)于不符合設(shè)計(jì)要求的砂礫料，及時(shí)采取了處理措施。

3.2壓實(shí)質(zhì)量控制壓實(shí)質(zhì)量控制主要包含施工工藝及碾壓參數(shù)控制和壓實(shí)檢測(cè)結(jié)果控制兩個(gè)環(huán)節(jié)［10］。施工工藝和碾壓參數(shù)控制以現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)得到的碾壓參數(shù)及建議的碾壓工藝為依據(jù)，壓實(shí)檢測(cè)控制則以設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。在正式上壩碾壓之前，首先對(duì)計(jì)劃上壩砂礫料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)和相對(duì)密度試驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定的碾壓施工參數(shù)為：鋪料厚度為80 cm，并按照體積控制灑水10%飽和，用26 t自行式振動(dòng)碾，開強(qiáng)震檔，控制行車速度在3 km/h以內(nèi)。通過相對(duì)密度試驗(yàn)確定相應(yīng)料場(chǎng)級(jí)配包線范圍內(nèi)不同含礫量級(jí)配對(duì)應(yīng)的最大、最小干密度，并進(jìn)一步確定設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的施工質(zhì)量控制干密度。為了能更好的反映施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)采用大型密度桶法確定了砂礫料的最大、最小干密度，據(jù)此給出了設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度為0.8（原設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度為0.75）時(shí)的施工質(zhì)量控制干密度，見表1和圖3所示。

表1 不同含礫量砂礫料筑壩質(zhì)量控制干密度 （單位：g/cm3）

圖3 筑壩質(zhì)量控制干密度與含礫量關(guān)系

（1）碾壓施工工藝及碾壓參數(shù)控制。碾壓施工工藝和碾壓參數(shù)控制主要涉及兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是在卸料和攤鋪過程中發(fā)生粗、細(xì)分離時(shí)采取處理措施，避免由于粗、細(xì)分離而造成碾壓不合格的情況出現(xiàn)。二是確保碾壓參數(shù)能夠完全落實(shí)，包括鋪料厚度、振動(dòng)碾噸位、行駛速度、振動(dòng)強(qiáng)度，碾壓遍數(shù)和搭接寬度等?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)表明，砂礫料壓實(shí)效果受含水狀態(tài)影響很大，灑水與不灑水相比，灑水對(duì)保證壓實(shí)效果的作用非常明顯。因此，在砂礫料碾壓施工中，按照施工碾壓工藝建議的10%的體積含水率進(jìn)行充分灑水，保證灑水量和灑水的均勻性十分重要。

大壩施工碾壓過程的控制，是整個(gè)大壩建設(shè)管理的難題。采用常規(guī)的大壩碾壓施工現(xiàn)場(chǎng)管理模式，很難保證大壩施工嚴(yán)格按照推薦的碾壓參數(shù)和碾壓工藝進(jìn)行，容易發(fā)生錯(cuò)碾、漏碾等問題，相應(yīng)的難以保證大壩填筑質(zhì)量［11-14］。隨著高精度衛(wèi)星定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合土石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和填筑施工組織設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行大壩填筑施工管理，確保嚴(yán)格按照推薦的碾壓參數(shù)和碾壓工藝進(jìn)行大壩填筑碾壓施工，對(duì)保證大壩填筑質(zhì)量十分關(guān)鍵［15-17］。在施工過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，將碾壓機(jī)械的施工坐標(biāo)點(diǎn)、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓振動(dòng)頻率、鋪料厚度以及壩料實(shí)時(shí)壓實(shí)特征，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端以圖形的方式展示給工程建設(shè)管理人員，為大壩填筑施工管理、施工質(zhì)量控制以及施工現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度提供了重要的技術(shù)手段。

（2）壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)及評(píng)估。壩面碾壓之后，對(duì)碾壓層進(jìn)行試坑開挖，采用灌水法檢測(cè)碾壓層干密度。由于直接測(cè)得的指標(biāo)是開挖砂礫料的質(zhì)量、灌水的體積以及砂礫料的含水率，干密度是間接換算得到的參數(shù)，其準(zhǔn)確性受直接測(cè)試指標(biāo)的影響，尤其是灌水測(cè)量體積時(shí)最容易引入試驗(yàn)誤差。現(xiàn)場(chǎng)干密度檢測(cè)采用的鋼環(huán)直徑為150 m、高度為20 cm。試坑開挖點(diǎn)選擇相對(duì)平整的區(qū)域，檢測(cè)過程中保證剛環(huán)固定。試坑開挖直徑不小于設(shè)計(jì)級(jí)配最大粒徑的3～5倍，開挖深度與碾壓層厚度相當(dāng)。前坪水庫(kù)設(shè)計(jì)級(jí)配最大粒徑為200～400 mm，試坑開挖直徑不能小于1.2 m，開挖深度約為70 cm。試坑坑底及坑壁浮土可能導(dǎo)致測(cè)量的試坑體積小于實(shí)際值，因此注意坑壁和坑底浮土的清理和壓實(shí)平整。灌水采用的塑料薄膜有較好的柔韌度，以保證塑料薄膜在水壓力作用下與鋼環(huán)內(nèi)壁和試坑壁貼合緊密，較準(zhǔn)確的測(cè)得試坑體積。

將某碾壓層試坑開挖檢測(cè)干密度與相應(yīng)級(jí)配含礫量點(diǎn)繪于圖3，可得圖4設(shè)計(jì)壓實(shí)干密度與試坑檢測(cè)干密度相對(duì)位置關(guān)系。由圖4可見，試坑開挖檢測(cè)干密度均在設(shè)計(jì)填筑干密度質(zhì)量控制線以上。說明在建議的碾壓施工工藝和施工參數(shù)下，碾壓干密度能滿足填筑質(zhì)量控制的要求。大壩原設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度為0.75，且采用室內(nèi)試驗(yàn)確定的最優(yōu)級(jí)配下的最大干密度為2.20 g/cm3。在新的料場(chǎng)條件下，為了更好地控制填筑質(zhì)量，將設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高到0.80，且采用現(xiàn)場(chǎng)大型相對(duì)密度試驗(yàn)，得到最優(yōu)級(jí)配下最大干密度為2.398 g/cm3，顯著大于室內(nèi)試驗(yàn)值?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)表明，采用合適的碾壓參數(shù)，能夠經(jīng)濟(jì)高效的達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度0.80的要求。大壩沉降監(jiān)測(cè)資料表明，大壩施工期最大沉降量為47 cm，約為壩高的0.5%，與設(shè)防烈度為7度及以下的同等規(guī)模黏土心墻砂礫石壩相比，前坪水庫(kù)大壩沉降控制效果較理想，說明大壩填筑質(zhì)量較好。

圖4 填筑質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

前坪水庫(kù)筑壩砂礫料為采砂擾動(dòng)料，級(jí)配變化范圍大，甚至有細(xì)料缺失。針對(duì)采砂擾動(dòng)砂礫料的特點(diǎn)，質(zhì)量控制工作強(qiáng)調(diào)料場(chǎng)級(jí)配復(fù)核，并在開采時(shí)采用合適的開采方式，使壩料級(jí)配滿足要求。填筑碾壓施工時(shí)，采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行大壩填筑施工管理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩填筑施工過程中鋪料厚度、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓振動(dòng)頻率以及壩料實(shí)時(shí)壓實(shí)特征的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證大壩碾壓施工質(zhì)量。干密度檢測(cè)結(jié)果表明，在嚴(yán)格控制壩料質(zhì)量，且碾壓施工工藝和碾壓參數(shù)落實(shí)到位的情況下，碾壓效果能夠滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

大壩填筑壓實(shí)質(zhì)量良好，與在現(xiàn)場(chǎng)采用實(shí)際上壩料確定其最大、最小干密度有直接關(guān)系，也與筑壩填筑時(shí)良好的質(zhì)量控制密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)填筑相對(duì)密度指標(biāo)下，推薦采用現(xiàn)場(chǎng)大型相對(duì)密度桶法代替室內(nèi)試驗(yàn)方法，確定可反映施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的砂礫料質(zhì)量控制干密度，對(duì)保障大壩壓實(shí)質(zhì)量十分關(guān)鍵。采取合適的開采工藝，控制上壩料質(zhì)量，并通過不同鋪厚、不同碾壓遍數(shù)及不同含水狀態(tài)的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)組合，推薦合理的碾壓施工參數(shù)和施工工藝很有必要。采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行大壩填筑施工管理，嚴(yán)格按照推薦的碾壓參數(shù)和碾壓工藝進(jìn)行大壩填筑碾壓施工，是施工環(huán)節(jié)保證大壩填筑質(zhì)量的重要技術(shù)手段，對(duì)土石壩填筑質(zhì)量控制具有普遍意義。