旁多水利樞紐砂礫石壩殼料現場碾壓質量控制曲線

向尚君,趙興安,邱熾興,吳 濤,林光躍

(中國人民武裝警察部隊水電第三總隊,四川 成都 610036)

旁多水利樞紐地處西藏自治區拉薩河的中游,位于林周縣旁多鄉下游1.5km處,距下游拉薩市直線距離約為63km,是一座以灌溉、發電為主,兼顧防洪和供水的水利樞紐。水庫庫容為12.3億m3,電站裝機容量為160MW,工程規模為Ⅰ等,大(1)型水庫,地震基本烈度為Ⅷ度,為西藏自治區“十一五”期間重點建設項目。大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩,砂礫石壩殼料填筑量約為950萬m3,來源于距壩址上游1.5km的旁多砂礫石料場。

砂礫石壩殼料填筑的壓實標準以相對密度為控制條件,施工前先通過試驗確定填筑料的最大干密度和最小干密度,但確定砂礫石壩殼料的最大干密度還沒有一個完整、成熟的確定方法。《土工試驗規程》[1]中規定了粒徑小于60mm的粗粒土的相對密度試驗方法,該方法雖然對粒徑大于60mm的土料提出可采用剔除法、等量代替法、相似級配法、混合法等方法進行試驗,但同時也指出這幾種方法各有一定的局限性,要求在使用時應根據土料性質和試驗項目來決定采用何種方法。工程實踐證明,這些方法確有不足之處,難以滿足工程實際的需要[2-5]。

旁多水利樞紐采用旁多砂礫石料場的砂礫石料直接上壩,礫石直徑5～300mm,根據料場復勘資料,60mm以上的礫石達35%～59%,如按《土工試驗規程》用振動臺法進行試驗,將剔除60mm以上的礫石,致使試驗砂礫石料缺乏代表性,試驗成果偏小,無法滿足施工要求。通過各種試驗方法測定并與現場實際情況比較,最終確定采用砂礫石料松鋪80cm厚并用20t振動碾強振20遍時的壓實干密度作為最大干密度,通過數理分析找出最大干密度與礫石質量分數的關系,進而確定砂礫石壩殼料現場碾壓質量控制曲線。

1 試驗方法

1.1 砂礫石壩殼料的最大干密度

將旁多砂礫石料場所開挖的砂礫石料直接上壩,采用推土機平料,20 t自行式振動平碾強振緩行壓實,以碾壓20遍時的砂礫石壩殼料的壓實干密度作為最大干密度。根據振動壓實理論,強振(低頻高振幅振動)具有很強的穿透能力,影響深度大,最有利于結構層中間到底層的壓實;弱振(高頻振動)具有較高的能量,一般最有利于結構層中間到表面的壓實。振動使被壓實材料內產生振動沖擊,被壓實材料在振動沖擊的作用下由靜止的初始狀態過渡到運動狀態,壓實材料之間的摩擦力也由初始的靜摩擦力逐步變為動摩擦力。同時,由于材料中水分的離析作用,使材料顆粒的外層包圍1層水膜,形成了顆粒運動的潤滑劑,為顆粒的運動提供了十分有利的條件[2-3]。被壓實材料顆粒在非密實狀態下存在許多大小不等的間隙,在振動沖擊作用下,其顆粒出現了相互填充現象,即較大顆粒形成的間隙由較小顆粒來填充,較小顆粒的間隙由水分或空氣來填充。被壓實材料顆粒間隙的減小意味著密實度的增加,經過振動碾的20遍振動,不同粒徑的砂礫石壩殼料之間相互填充密實,孔隙率趨于最小,而壓實干密度趨于最大。

現場壓實干密度采用灌水法得到,試驗時加設套環并灌水2次以保證體積量測精度。最小干密度采用固定體積法測得。進行最大、最小干密度試驗的同時進行每個試坑的顆粒分析試驗和含水率的測定。為得到真實的試樣含水率,采用全料法烘干。

1.2 顆粒級配分析

土的力學性質是由其顆粒組成、顆粒形狀、礦物成分所決定的,而顆粒組成則是影響土的力學性質的主要因素。土的級配良好,則壓實性能好,可以得到較大的干密度和抗剪強度。通常認為不均勻系數Cu≥5、曲率系數Cc=1～3時的砂礫石料為級配良好礫。進行了52組全級配顆粒分析試驗,含砂量(質量分數)在5%～40%之間,Cu均大于5,只有5組試驗的Cc在1～3之間。由此可見,只有極少數砂礫石料屬于級配良好礫,絕大部分砂礫石料都屬級配不良礫。

2 試驗結果分析

現場試驗時,采用同一試坑中的砂礫石壩殼料分別進行最大干密度、最小干密度和顆粒分析試驗,為使試驗數據更符合統計規律,每種試驗分別進行52組。根據試驗結果分別繪制最大干密度、最小干密度與礫石質量分數的關系曲線(圖1、圖2),采用MATLAB數學分析軟件中的cftool數據擬合工具進行數理分析(分析過程中剔除部分較離散的點),擬合出最大干密度、最小干密度與礫石質量分數的關系曲線表達式分別為

式中:x為礫石的質量分數,%;ρmax為最大干密度,g/cm3;ρmin為最小干密度,g/cm3。

圖1 最大干密度與礫石質量分數的關系曲線

圖2 最小干密度與礫石質量分數的關系曲線

將現場實測壓實干密度和由式(1)、式(2)中計算出的最大干密度和最小干密度代入式(3)可以得到相對密度:

式中:D r為相對密度;ρ0為現場實測壓實干密度,g/cm3。

3 現場碾壓質量控制曲線

旁多水利樞紐砂礫石壩殼料碾壓設計質量控制指標為水上相對密度0.8和水下相對密度0.85,一般現場檢測時試驗成果為壓實干密度,根據相對密度可以得到現場壓實干密度的計算公式:

將式(1)、式(2)代入式(4),可以得到相對密度為0.8和0.85時現場碾壓質量控制曲線(圖3),其表達式分別為式(5)、式(6):

圖3 砂礫石壩殼料現場碾壓質量控制曲線

現場進行壓實干密度檢測時,可以根據每次檢測的礫石質量分數查出對應的控制壓實干密度,經與實測壓實干密度比較,可比較直觀地得出實測壓實干密度是否滿足設計要求。

4 結 語

通過對砂礫石壩殼料現場松鋪80cm厚并采用20 t振動碾強振20遍時的壓實干密度進行數理分析,分別得出最大干密度和最小干密度與礫石質量分數的關系曲線。根據設計相對密度控制指標,得出現場碾壓質量控制曲線,為現場砂礫石壩殼料填筑碾壓試驗檢測提供了更為直接的依據。值得注意的是,現場試驗是根據旁多砂礫石料場特有的砂礫石壩殼料進行的,試驗數據及結論只適用于旁多水利樞紐壩體填筑工程中砂礫石壩殼料填筑碾壓的質量控制,試驗方法可供類似工程參考。為確保質量控制的連續性和一致性,大壩實際填筑碾壓施工過程中一直使用現場試驗時使用的振動壓實設備。此外,若砂礫石壩殼料級配發生變化,相應的最大、最小干密度也會發生變化。因此,施工過程中要對壓實干密度、最大干密度和最小干密度等施工參數進行動態控制,一般每填筑30萬m3對施工參數進行1次復核。當料場填筑料級配發生變化或在施工檢測過程中出現較高頻率的異常情況時,隨時復核控制標準,以準確、真實地反映填料的實際壓實效果。

[1]SL237—1999 土工試驗規程[S].

[2]李祥年.老龍口土石壩壩殼料相對密度曲線確定試驗[J].水利水電技術,2008,39(12):25-26.

[3]季慧峰,金學哲,高瑞德.老龍口土石壩砂礫石填料現場碾壓試驗[J].水利水電施工,2007(增刊):12-13.

[4]曹社堂.超大粒徑砂礫石壩料填筑標準的近似確定[J].陜西水力發電,1999,15(4):1-5.

[5]章天長.黃河積石峽水電站面板堆石壩砂礫料最大干密度確定方法試驗研究[J].中國科技博覽,2009(16):122-123.