面板堆石壩含特細(xì)砂砂礫石填筑料碾壓特性研究

張 芳 軍

(中國水利水電第五工程局有限公司 中心試驗(yàn)室,四川 成都 610066)

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐工程被譽(yù)為新疆的三峽工程,其大壩工程具有“三高一深(600 m級(jí)高邊坡、164.8 m高壩、9度設(shè)防高地震烈度帶、壩基百米級(jí)深厚覆蓋層)”的特點(diǎn),擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩,壩頂寬度為12 m,壩長795 m。主堆石區(qū)填筑以砂礫石料為主,大壩砂礫石料填筑量達(dá)1 227萬m3。該壩的砂礫石料填筑設(shè)計(jì)控制指標(biāo)要求其相對密度控制指標(biāo)≥0.90。在大壩填筑施工過程中,如何控制好施工填筑碾壓質(zhì)量、減小大壩變形成為其重點(diǎn)問題。為保證大壩填筑施工質(zhì)量,研究分析并細(xì)化質(zhì)量控制方法,優(yōu)化試驗(yàn)檢測質(zhì)量控制技術(shù),做好施工過程的質(zhì)量控制成為項(xiàng)目部面臨的重大課題。對此,項(xiàng)目部技術(shù)人員進(jìn)行了深入研究。

阿爾塔什水利樞紐大壩主堆石區(qū)填筑砂礫石料的開采料場主要為 C3 河灘天然砂礫石料。開采前,項(xiàng)目部按相關(guān)規(guī)范要求對C3料場進(jìn)行了儲(chǔ)量及料源質(zhì)量的復(fù)勘調(diào)查以及砂礫料顆粒級(jí)配分析試驗(yàn),共布置了98個(gè)探坑,進(jìn)行顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)98組。從顆粒級(jí)配分析試驗(yàn)成果看,粒徑<5 mm的顆粒含量為11.6%～37.2%,平均值為19.7%;粒徑<0.075 mm的顆粒含量為0.5%～5.2%,平均值為1.2%;不均勻系數(shù)Cu為11～532,平均值為274;曲率系數(shù)Cc為0.1～80.9,平均值為31.0,為不良級(jí)配;最大粒徑為169～392 mm,平均值為263 mm。砂礫石料料場復(fù)勘試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 砂礫石料料場復(fù)勘試驗(yàn)結(jié)果表

對料場復(fù)勘成果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知:該地區(qū)河灘砂礫石料顆粒級(jí)配中的砂為特細(xì)砂,具有缺少中粗砂、級(jí)配不連續(xù)、保水性較差、級(jí)配變化趨勢較大、均勻性較差等特殊性級(jí)配料的特點(diǎn),碾壓過程中勢必會(huì)影響碾壓的壓實(shí)效果,不利于對壩體填筑質(zhì)量進(jìn)行精確控制。通常情況下勢必會(huì)采取棄料的方式或進(jìn)行摻配后薄層攤鋪、增加施工碾壓遍數(shù)等措施保證質(zhì)量要求。但這種通常的做法會(huì)造成碾壓時(shí)間延長、施工進(jìn)度減緩,不但會(huì)造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi),而且會(huì)造成工期的延長,碾壓成本的增加及工程投資的增加。對此,必須認(rèn)真對待并予以解決。C3料場砂礫石料區(qū)復(fù)勘顆粒級(jí)配大小分布曲線匯總情況見圖1。

圖1 C3料場砂礫石料區(qū)復(fù)勘顆粒級(jí)配大小分布曲線匯總圖

2 碾壓施工的技術(shù)分析

在面板堆石壩堆石料填筑過程中,采用含特細(xì)砂砂礫石料填筑時(shí),重點(diǎn)是碾壓參數(shù)的選定以及填筑過程中的質(zhì)量控制措施。其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是控制加水量、鋪料厚度以及碾壓機(jī)械的選用參數(shù)等,需要通過室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)找出最佳的施工碾壓參數(shù)。因此,壩體填筑中含特細(xì)砂砂礫石料填筑技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究是解決這些問題的核心。項(xiàng)目部技術(shù)人員結(jié)合料源質(zhì)量控制、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場大型原型級(jí)配試驗(yàn)、現(xiàn)場施工填筑質(zhì)量控制檢測試驗(yàn)等進(jìn)行了多方面考慮,將鋪料厚度從原定的60 cm提高到80 cm,找出了最佳加水量,采用重型碾壓設(shè)備加大壓實(shí)功,減少了碾壓遍數(shù),提高了施工效率。采用現(xiàn)場大型原型級(jí)配相對密度試驗(yàn)的方法提高了高壩質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),使壩體沉降值降為最小值。

2.1 最佳加水量的確定

(1)室內(nèi)試驗(yàn)方法的確定。通過室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)最大干密度、最優(yōu)含水率試驗(yàn)[2],比對分析了含特細(xì)砂砂石礫料與人工摻配良好級(jí)配砂礫料在不同含水率情況下密度變化的特性。不同含水率與密度變化關(guān)系試驗(yàn)成果見表2。

表2 不同含水率與密度變化關(guān)系試驗(yàn)成果表

試驗(yàn)結(jié)果表明:含特細(xì)砂砂礫石料的干密度隨含水率的增大而增大。含水率為6%時(shí),干密度的變化基本穩(wěn)定;含水率為8%時(shí),為最優(yōu)含水率;良好的級(jí)配砂礫石料干密度亦隨著含水率的增大而增大;含水率為6%時(shí),干密度為最大干密度,且6%時(shí)為最優(yōu)含水率。

通過試驗(yàn)分析研究得知:含水率的變化對含特細(xì)砂砂礫石料碾壓效果的影響較大。良好級(jí)配的砂礫石料相比含特細(xì)砂砂礫石料的最優(yōu)含水率要小一些,干密度要大一些。因此,在施工過程中應(yīng)采取與之相對應(yīng)的措施重點(diǎn)控制填筑料的加水量。

(2)現(xiàn)場試驗(yàn)方法的確定。現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)的加水量選擇了0%、5%、10%、15%四種方案進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)對碾壓試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析得知:不加水(砂礫石料天然含水率為0.5%～0.9%)時(shí),鋪料厚度為60 cm,采用32 t自行式振動(dòng)碾碾壓,并將行車速度控制在2.0 km/h,激振碾壓12遍才能夠滿足設(shè)計(jì)相對密度≥0.90的指標(biāo)要求。灑水10%,鋪料厚度為80 cm,32 t自行式振動(dòng)碾激振碾壓8遍,將行車速度控制在2.0 km/h時(shí)能夠滿足設(shè)計(jì)相對密度≥0.90的指標(biāo)要求。加水量為15%與加水量為10%相比其相對密度變化不大;加水量小于10%時(shí)只有增加碾壓遍數(shù)其相對密度才能夠達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。根據(jù)對碾壓成本與加水量成本對比分析得知:加水量為10%時(shí)碾壓遍數(shù)為最優(yōu)。

2.2 鋪料厚度

根據(jù)對以往砂礫石料填筑施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得知:砂礫石料填筑的攤鋪厚度正常時(shí)應(yīng)采用60 cm及以下,而阿爾塔什水利樞紐工程擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩,其主堆石料以砂礫石料為主,大壩砂礫石料填筑量達(dá)1 227萬m3。大方量的填筑量采用薄層碾壓減緩了施工進(jìn)度,對在規(guī)定工期內(nèi)順利完成填筑任務(wù)增加了難度。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果論證:在控制好碾壓參數(shù)的前提下,輔料厚度為80 cm能夠滿足施工質(zhì)量控制要求,其鋪料厚度的控制誤差不能超過10%的設(shè)計(jì)厚度[3]。鋪料時(shí),采用移動(dòng)標(biāo)桿控制推土機(jī)的平料厚度。

2.3 碾壓設(shè)備

現(xiàn)場試驗(yàn)過程中,碾壓機(jī)械選擇了26 t和32 t兩種振動(dòng)平碾,對碾壓機(jī)械的行駛速度采用了2.0 km/h、2.3 km/h、2.5 km/h、2.8 km/h、3.0 km/h五種方案進(jìn)行試驗(yàn)。從碾壓試驗(yàn)成果看:采用26 t振動(dòng)碾碾壓遍數(shù)較多,且針對含特細(xì)砂砂礫石料難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)指標(biāo),導(dǎo)致碾壓成本太高。因此,最終選擇32 t自行式重型振動(dòng)碾壓設(shè)備,加大了壓實(shí)功并進(jìn)行了試驗(yàn)論證。

2.4 碾壓遍數(shù)

對于碾壓遍數(shù),26 t振動(dòng)碾采用了6、8、10、12、14、16遍六種方案,32 t振動(dòng)碾采用了6、8、10、12遍四種方案。

2.5 施工參數(shù)的確定

通過對現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得知:含特細(xì)砂砂礫石料碾壓施工采用26 t振動(dòng)碾時(shí),鋪料厚度為60 cm、灑水量為10%、激振碾壓10遍、將行車速度控制在2.0 km/h時(shí)能夠滿足相對密度≥0.90的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;鋪料厚度為80 cm、灑水量為10%、32 t自行式振動(dòng)碾激振碾壓8遍、將行車速度控制在2.0 km/h時(shí)能夠滿足相對密度≥0.90的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。因此,根據(jù)對施工成本、工程進(jìn)度安排及含特細(xì)砂砂礫石料碾壓特性進(jìn)行的分析,最終決定對大壩砂礫石料填筑采用32 t振動(dòng)碾加大壓實(shí)功進(jìn)行施工。

2.6 施工質(zhì)量控制方法的確定

從以往工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)看:砂礫石料相對密度的計(jì)算均采用室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)取得的最大干密度、最小干密度值[4]。在現(xiàn)場填筑施工質(zhì)量控制試驗(yàn)檢測過程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)檢測到的相對密度大于1.0的數(shù)值,即現(xiàn)場檢測密度存在大于室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)最大干密度的情況。因此,在本課題研究過程中,我們采用了現(xiàn)場大型原型級(jí)配的方法取得最大干密度與最小干密度值,模擬現(xiàn)場施工工藝的實(shí)際情況取得最大干密度、最小干密度值,能夠較真實(shí)地找出實(shí)際規(guī)律,更好地指導(dǎo)現(xiàn)場填筑施工、更好地控制填筑質(zhì)量,有利于大壩均勻沉降。

3 施工質(zhì)量控制的主要措施

3.1 加強(qiáng)對料場的質(zhì)量控制

對于大壩填筑用的各種料源,在其上壩前均進(jìn)行了顆粒級(jí)配抽樣檢測,尤其是對于目視級(jí)配變化大的料源加強(qiáng)了控制。料場開采裝車采用立采和水上水下相結(jié)合的方式,已達(dá)到料場裝車級(jí)配料形成初次摻配的效果。從檢測結(jié)果看:部分填筑料料源存在級(jí)配不滿足設(shè)計(jì)級(jí)配指標(biāo)要求的情況。因此,通過料場試驗(yàn)檢測進(jìn)行控制,從料場源頭方面有效地控制了不合格料的上壩。

3.2 加水量的過程控制

試驗(yàn)結(jié)果表明:該含特細(xì)砂砂礫石料在含水率為6%～8%時(shí)其干密度達(dá)到了穩(wěn)定值,再增加加水量其干密度幾乎不再增加。但因該地區(qū)的蒸發(fā)量較大及砂礫石料具有吸水性較小的特性,現(xiàn)場填筑施工需要提高加水量,且現(xiàn)場灑水后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行碾壓,以免水分蒸發(fā)及大量流失而影響碾壓效果。在現(xiàn)場碾壓過程中,含水率的變化對碾壓效果的影響非常大,尤其是處于干燥、蒸發(fā)量大的氣候區(qū)時(shí),控制好該含特細(xì)砂砂礫石料的加水量既能夠控制好填筑碾壓質(zhì)量,又能夠節(jié)約施工成本。最終根據(jù)碾壓試驗(yàn)參數(shù)確定:現(xiàn)場填筑碾壓時(shí)加水量為15%時(shí)與加水量為10%時(shí)相比其相對密度變化不大;加水量小于10%時(shí),需要增加碾壓遍數(shù)才能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密實(shí)度。從碾壓成本與加水量成本對比看:加水量為10%時(shí)其碾壓遍數(shù)最優(yōu)。從現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看:加水量的變化在很大程度上影響著碾壓密實(shí)度的大小。因此,對于填筑料,不但在其上壩前要控制好加水量,而且在碾壓前還應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充灑水。

3.3 碾壓施工過程中的質(zhì)量控制

在填筑施工質(zhì)量控制中重點(diǎn)控制鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、振動(dòng)碾行進(jìn)速度與激振力等施工參數(shù)的前提下,采用試坑灌水法檢測的結(jié)果用于評(píng)價(jià)填筑施工質(zhì)量以保證填筑壓實(shí)質(zhì)量。鋪料采用進(jìn)占法,推土機(jī)平整后靜壓一遍測量其鋪料厚度,其誤差范圍以不大于10%為限。

砂礫石料現(xiàn)場填筑碾壓后,按照1次/(1 000～5 000 m3)且每層測點(diǎn)不小于10點(diǎn)檢測其干密度、相對密度、顆粒級(jí)配等指標(biāo)進(jìn)行控制。取樣測得的干密度其平均值不小于設(shè)計(jì)值,標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.05 g/cm3。當(dāng)樣本數(shù)小于20組時(shí),應(yīng)按合格率不小于90%、不合格點(diǎn)的干密度不低于設(shè)計(jì)干密度的95%進(jìn)行控制。

4 施工質(zhì)量控制技術(shù)的創(chuàng)新探索

通過對碾壓試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知:砂礫石料碾壓后其干密度值與礫石含量密切相關(guān)。干密度值隨著P5含量的變化而變化,且P5含量在一定范圍內(nèi)碾壓后對應(yīng)的相對密度為最大值,而同樣的碾壓參數(shù)、不同P5含量的顆粒級(jí)配料碾壓后的干密度卻不同。研究采用設(shè)計(jì)平均線級(jí)配、上包線級(jí)配、下包線級(jí)配、上平均線級(jí)配、下平均線級(jí)配等5個(gè)不同礫石含量配料進(jìn)行了現(xiàn)場原型級(jí)配相對密度試驗(yàn)[5]。在現(xiàn)場填筑過程中,根據(jù)不同的顆粒級(jí)配進(jìn)行了相對密度質(zhì)量控制結(jié)果分析驗(yàn)證,進(jìn)而更有利于不同顆粒級(jí)配砂礫石料的合理利用,旨在控制好現(xiàn)場填筑碾壓密實(shí)度的均勻性。因此,該含特細(xì)砂砂礫石料在設(shè)計(jì)控制指標(biāo)時(shí)不能單純考慮以干密度值進(jìn)行控制,而應(yīng)以相對密度指標(biāo)進(jìn)行控制。根據(jù)不同的P5含量、結(jié)合現(xiàn)場大型原型級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)分別計(jì)算不同的相對密度,可以有效控制碾壓質(zhì)量,使碾壓后的壩體填筑體的相對密度一致、壩體能夠均勻沉降,進(jìn)而有利于壩體的穩(wěn)定發(fā)展。

5 現(xiàn)場填筑質(zhì)量控制成效分析

筆者通過對大壩填筑料碾壓后的試驗(yàn)檢測情況進(jìn)行分析得知:碾壓后的砂礫石料相對密度存在個(gè)別不滿足設(shè)計(jì)相對密度Dr≥0.9的控制指標(biāo)要求。對此,項(xiàng)目部對不合格區(qū)域的周邊加倍進(jìn)行了抽檢,檢測后及時(shí)報(bào)告給項(xiàng)目質(zhì)量部,對不滿足設(shè)計(jì)要求的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)壓處理并至復(fù)檢合格為止,有效的控制了壩體填筑料的填筑壓實(shí)質(zhì)量。

大壩大方量砂礫石料填筑后,經(jīng)對填筑取樣相對密度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得知:砂礫石料填筑1 524.82萬m3,碾壓質(zhì)量試驗(yàn)檢測3 303組,所檢測到的干密度最小值為2.28 g/cm3,最大值為2.42 g/cm3,平均值為2.37 g/cm3,標(biāo)準(zhǔn)差為0.03 g/cm3,符合標(biāo)準(zhǔn) “取樣所測定的干密度其平均值不小于設(shè)計(jì)值,標(biāo)準(zhǔn)差不宜大于0.05 g/cm3;當(dāng)樣本數(shù)小于20組時(shí),應(yīng)按合格率不小于90%、不合格點(diǎn)的干密度不低于設(shè)計(jì)干密度的95%控制”的要求,所檢測到的相對密度最小值為0.90,最大值為0.98,平均值為0.94,一次合格率達(dá)99%。

通過相關(guān)技術(shù)研究,加強(qiáng)了對壩料填筑碾壓質(zhì)量試驗(yàn)檢測控制的管理,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析,其結(jié)果表明:經(jīng)對含特細(xì)砂砂礫石料碾壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,為大壩碾壓施工的質(zhì)量提供了可靠參數(shù),達(dá)到了課題研究的預(yù)期目標(biāo),解決了含特細(xì)砂砂礫石料碾壓不密實(shí)的缺陷,使含特細(xì)砂砂礫石料得到了合理的利用。

6 結(jié) 語

通過對含特細(xì)砂砂礫石料碾壓特性進(jìn)行深入研究,在料場開采施工過程中,根據(jù)砂礫石料場自然形成的河灘砂礫石料自身?xiàng)l件,對不同級(jí)配類別的填筑料制定了切實(shí)可行的控制措施和合理的控制參數(shù),對施工人員進(jìn)行了必要的培訓(xùn)和交底,加強(qiáng)了對施工過程的控制并采取了較好的預(yù)控措施,同時(shí)針對料場出現(xiàn)的不同類別級(jí)配料的情況進(jìn)行了不同級(jí)配類型的相對密度試驗(yàn),以控制其最大干密度和最小干密度,使不同顆粒級(jí)配的砂礫石料在大壩填筑中得到了合理的利用,很好地控制了壩體填筑質(zhì)量?，F(xiàn)階段監(jiān)測成果表明:填筑壩體的沉降率很小,說明在填筑過程中實(shí)施的質(zhì)量控制措施可行且有效。該研究成果對縮短高強(qiáng)度填筑時(shí)間、保證填筑質(zhì)量及壩體穩(wěn)定等方面起到了極大的作用;同時(shí),課題組取得的研究成果將對后續(xù)開工建設(shè)的同類型工程施工控制方法的制定具有重要的指導(dǎo)意義,為形成含特細(xì)砂砂礫石料填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)、工法提供了科學(xué)的理論依據(jù)和實(shí)踐數(shù)據(jù),對行業(yè)中類似工程的施工具有極大的推動(dòng)作用。