羅賽雷斯大壩加高工程“臟砂”質量控制

楊玉才

(中國水利水電第七工程局有限公司 海外事業部,四川成都 611730)

1 工程概述

羅賽雷斯(Roseires)大壩靠近蘇丹共和國青尼羅省省會達瑪津(DAMAZIN)城,位于尼羅河支流青尼羅河上,距首都喀土穆約 500km,具有灌溉、發電等多種功能。電站裝機 7臺,總裝機容量280MW。羅賽雷斯大壩始建于 20世紀 60年代,加高后的土石壩總長約 24.1km,其中右岸土石壩長 8.6km,左岸土石壩長 15.5km,土石方工程量約 1700萬 m3。

羅賽雷斯壩所處地區屬季節性氣候,夏季(6～9月)潮濕多雨,其它月份基本無雨。

2 臟砂的質量要求

臟砂(DirtySand)按美國土壤統一分類體系(USCS)屬粘土砂或粉土砂,組名為 SC或 SM。按填筑部位的不同又分為兩種:一種稱 3區料,填筑于下游與基礎接觸部位薄層,以增加與基礎的摩擦力和提高抗剪及抗滑穩定性,另一個部位臨近下游坡面,主要起配重作用;另一種稱 3.1區料,填筑在煙囪排水體上的壩頂部位,以減小壩體干縮裂縫。

臟砂的粒徑級配范圍:3區料最大粒徑為37.5mm,粒徑 ＜0.075mm的顆粒含量在 12%～50%之間;3.1區料最大粒徑為 19mm,粒徑 ＜0.075mm的顆粒含量在 19%～40%之間。

作為壩料,羅賽雷斯大壩加高工程的規范要求有機質和可溶鹽含量均應小于 1%。臟砂的現場填筑質量控制標準為:現場壓實后密度均值不小于標準普氏擊實最大干密度的 98%,單值不小于標準普氏擊實最大干密度的 95%;含水在標準普氏擊實最優含水 -1%和最優含水 +3%之間。

3 影響臟砂質量控制的因素

(1)土料料場分布不均。

從業主移交的幾個料場的勘探資料看,各個料場都有數量不等的臟砂,但空間分布極不均勻,有的料場(如ⅣB和Ⅴ號)地勢起伏較大。各個料場的臟砂基本上都在粘土層下,粘土層的厚度不一,淺的不到 1.0m,深的則達 4.0～5.0m。粘土與臟砂的分界不明顯,憑肉眼很難判定。臟砂層同樣亦厚薄不一,薄的不到 1.0m,厚的為 3.0～4.0m,而且粗細不均,粒徑 ＜0.075mm的細粒含量(以下簡稱細粒含量)空間分布也不均勻。這就給開采帶來了難題,很難開采出均一的土料,因而不能采用統一的填筑標準。

(2)含水量調節不到位。

由于羅賽雷斯大壩壩址處為季節性氣候,降雨量集中在 6月到 9月,其中 6月、9月多年月平均降雨量約 120mm,7、8月多年平均月降雨量約180mm。受其影響,雨季末期臟砂含水量接近最優含水量;但在旱季后期,臟砂的含水量低很多。由于臟砂的細粒含量沿深度分布不均,含水量沿深度分布也不均勻,導致細粒含量高的臟砂含水量高,反之則低。因此,要將上壩土料碾壓后的含水量控制在最優含水的 -1%和 +3%間非常困難。

(3)土料開采方式不當。

土料的開采通常為平采和立采兩種:平采采用推土機水平集料,裝載機或挖掘機裝料;立采采用挖掘機立面開挖,可直接裝料或適當拌合后再裝料。由于該工程臟砂沿深度方向分布不均,采用平采方式很難使運至同一填筑面的土料均勻,因此采用立采的開采方式。但立采同樣面臨水平分布不均、厚度不一的情況。

4 臟砂質量控制措施

4.1 料場控制

針對料場起伏大、土料分布不均勻的情況,把料場采用劃分為小區域,筑畦灌水進行含水量調節。灌水前,在灌水區開挖探坑,檢查臟砂層厚并取樣檢測天然含水、細粒含量并進行標準普氏擊實試驗等,確定臟砂的最大干密度和最優含水。考慮到裝車、運輸過程中的蒸發損失,筑畦灌水量比現場填筑要求含水量高 2%～3%。上壩前用微波爐快速檢測含水,對于含水量比填筑要求含水量高 4%以上的土料暫不使用;對于含水量比填筑要求含水量高 2%～4%的土料先裝車上壩攤鋪,曬 3～4h后再碾壓;對于含水量比填筑要求含水量低的土料,在開挖過程中用高壓噴霧狀水摻拌后再裝車上壩。

4.2 現場控制

現場按碾壓試驗確定的碾壓方式碾壓后,用環刀法取樣檢測其密度和含水量。為了加速試驗進度,采用微波爐快速測定含水量,計算壓實后的干密度,并與料場對應灌水區域的微波爐法測定的最大干密度和最優含水量進行比較,計算壓實度和含水率是否滿足合同規范要求。對于密度或含水量檢測不合格的工作面,首先手感判斷含水是否合適:對手捏成團、搓揉成散粒的土料說明其含水是適中的;不能捏成團的說明含水偏低;捏成團后搓揉不散的則含水偏高。對密度或含水檢測不合格的工作面的處理方法通常有:

(1)密度低,補充碾壓;

(2)含水低,用帶齒的推土機或平地機深翻松,灑水,然后碾壓;

(3)含水高,用帶齒的推土機或平地機深翻曬,然后碾壓。

5 壓實標準引用不當的快速解決辦法

對采取以上措施進行碾壓但仍不合格的工作面就要考慮是否是引用的擊實標準不當,或土料發生變化所致。如前所述,羅賽雷斯大壩加高工程的土料場空間分布不均,盡管劃分了很小區域,但開采時為了便于下層土料處理,盡量開挖至同一高程,加之摻拌也不能保證其絕對均勻,從而導致與灌水前開挖探坑的土料存在差異,因此,最優含水和最大干密度也必然不同。對這類情況通常采用的快速解決辦法是單點擊實,但這種方法在夜間和陰雨天受到限制。在統計分析大量篩分與擊實試驗結果的基礎上,發現擊實最大干密度、最優含水與顆粒粒徑分布存在線性關系,為快速解決土料的壓實標準發現了另一途徑,姑且稱之為數學模型法。筆者對這兩種方法逐一介紹并著重介紹數學模型法。

5.1 單點擊實法

單點擊實是在已有大量擊實結果的基礎上的簡化方法。取不合格點附近的土樣 5kg左右,分成兩份,一份風干或曬干至估計最優含水低 2%～3%,另一份低 4%～5%。然后按標準擊實程序進行擊實,用微波爐快速檢測含水,計算對應的干密度。把這兩個干密度與含水值點到擊實曲線匯總圖上,以已有的擊實曲線為參照,繪制單點擊實曲線,從而得出最大干密度和最優含水值,如圖1中的黑點和粗線所示。

5.2 數學模型法

5.2.1 數學模型的建立

在試驗中我們發現擊實最大干密度和最優含水與土料的粒徑級配有一定的關系:通常體現為細粒含量多,擊實的最大干密度小,最優含水率高;細粒含量少則最大干密度大,最優含水率低。因此,我們把料場和填筑現場土料的擊實和篩分試驗結果進行統計回歸分析,發現它們之間存在線性關系,建立的多元線性回歸數學模型如下:式中 Y是最大干密度或最優含水;X1、X2、…、Xm是某個篩徑間的土顆粒質量百分含量,如土樣總質量為 200g,過 1.18mm篩,留在 0.3mm篩上的土粒質量為 40g,則 X=20%;ε為誤差。

在篩分試驗中,我們使用的是英國標準的方孔篩,篩孔尺寸為 5mm、3.35mm、2mm、1.18 mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和 0.075mm。為了在現場進行質量控制,在回歸分析過程中多次剔除、引入或變換因子,最后得出的多元回歸方程如下:

ρdmax=2.1069-0.0018P1.18～0.3mm-0.0030 P0.3～0.075mm-0.0070P＜0.075mm(2)

圖 1 單點擊實示例

ωOP=3.5456+0.0544P1.18～0.3mm+0.0864 P0.3～0.075mm+0.2391P＜0.075mm(3)式中 ρdmax為普氏標準擊實的最大干密度;ωOP為普氏標準擊實的最優含水率;P1.18～0.3mm、P0.3～0.075mm、P＜0.075mm分別為 1.18～0.3mm、0.3～0.075mm和 ＜0.075mm粒徑土顆粒的質量百分含量。

分別對以上回歸方程和回歸系數的相關性進行顯著性檢驗,檢驗結果見表 1。

從表 1可以看出,回歸方程和回歸系數的相關性都是顯著的,說明采用以上對應方程是可行的。

表 1 回歸方程和回歸系數顯著性檢驗結果表

5.2.2 數學模型的物理意義

從式(2)和式(3)的系數我們可以看出它們的物理意義:式(2)說明要達到土料的最大干密度,需要克服細顆粒間的阻力;土料越細,需要克服的粒間阻力越大。換句話講,在相同擊實功下,土料越細,最大干密度就越小;式(3)說明是土料達到標準擊實功下的最大干密度,需要增加土料的含水量,土顆粒越細,需要增加越多的水分來減小粒間阻力。從回歸系數相關的顯著性差別也可以看出這一點。當然,這并不說明其它粒徑的土顆粒對土料標準擊實的最大干密度不產生影響,只是說明它們的影響非常小。為便于工程中運用,對其忽略不計。

5.2.3 數學模型檢驗

數學模型建立起來后,在現場檢測中進行檢驗。一方面用常規試驗進行檢驗,由于該工程中常規試驗頻率非常高,每填筑 1000m3土料就要進行 1次標準擊實和篩分等,這對檢驗模型的是否適用比較便利。另一方面,對判斷為擊實引用標準不當的質量問題,從環刀內四分后取土樣200g左右,用微波爐快速烘干,稱重后進行濕篩,篩子孔徑采用 1.18mm、0.3mm和 0.075mm,然后對留在篩上的土樣再用微波爐烘干稱重,計算留在 0.3mm和 0.075mm篩上和通過 0.075mm篩各自的質量百分比,最后按數學模型計算最大干密度和最優含水率。整個流程用時在半小時左右,相當快捷,而且效果不錯。

采用數學模型法與室內標準擊實結果進行比較后可以看出,數學模型法模擬值與實測值的差值的概率滿足正態分布。對于最大干密度,室內標準擊實最大干密度在 1.65～1.99g/cm3間,模擬值與實測結果差值的標準偏差約為 0.05g/cm3,約為干密度的 5%,相對較好;對于最優含水,室內標準擊實最優含水在 9.2%～21.4%間,模擬值與實測結果差值的標準偏差約為 1.7%,相對較差。

5.2.4 數學模型的適用范圍

由于數學模型是建立在粒徑 ＜0.075mm、細粒含量在 12%～50%間的土樣標準擊實試驗和篩分試驗結果之上的,所以,對于土樣粒徑 ＜0.075mm的細粒含量不在此范圍內的不一定適用。羅賽雷斯大壩加高工程中的土料相對較細,粒徑 ＞5mm的粗顆粒不多,最大干密度和最優含水沒有進行超徑修正,因此,對含超徑較多的土樣須進一步驗證。另外,取樣的代表性相當關鍵,建議采用現場檢測密度環刀內的土樣四分后進行濕篩法篩分,使之更接近真實值。

6 結 語

綜上所述,羅賽雷斯大壩加高工程中,針對粘土砂或粉土砂填筑的質量控制有以下幾點值得注意:料場控制是關鍵。只有在料場把土料的含水和均勻性控制好,現場填筑與檢測才能順利進行;現場控制經驗非常重要,有經驗才能在質量控制過程中快速找到癥結所在,從而有針對性地解決問題;數學模型法為修正壓實引用標準提供了另一條捷徑。

[1] 李鴻吉.VisualBasic6.0數理統計實用算法[M].北京,科學出版社,2003.