300 m級超高堆石壩礫石土料質量控制標準研究

田中濤，江萬紅，車維斌

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 引 言

目前，我國已建、在建的超高心墻堆石壩水電工程中，糯扎渡、長河壩已經建成，兩河口正在進行大壩填筑，雙江口尚未進行主體工程施工。超高心墻堆石壩壩高一般大于200 m，技術難度大，我國在建高土石壩已完成200 m向300 m的跨越。就超高心墻堆石壩核心技術——礫石土的質量控制標準而言，盡管瀑布溝、糯扎渡、長河壩、兩河口等水電工程取得了一定的工程實踐經驗，但因需要專題研究的技術問題多，現行技術規范無法有效涵蓋，尚未形成統一的行業標準與方法。

礫石土作為心墻防滲料，糯扎渡、兩河口、雙江口工程為人工摻和礫石土料，長河壩工程為人工剔除大于150 mm天然礫石土料，礫石土最大粒徑一般為120～150 mm。由于施工設備與工作量的限制，常規的三點擊實法[1]無法快速有效地進行施工質量檢測。因此，礫石土心墻料的檢測方法與標準是超高心墻土石壩的技術難題與核心技術問題，工程技術人員一直試圖從礫石土心墻料全、細料壓實度關系找到理論依據與突破口，以期科學解決這一問題。

DL/T 5129—2013《碾壓式土石壩施工規范》[2]推薦的礫石土施工質量檢測方法為三點擊實法和碎(礫)石土最大干密度擬合法。三點擊實法是能適應復雜土料填筑質量的快速檢測方法，點對點實測，可針對性地反映現場實際情況，但受限于最大粒徑要求和試驗儀器的制約，且只能夠反映測量點的情況，在宏觀上無法對料源做評價。最大干密度擬合法源自設計研究階段，采用試驗得到的最大干密度與礫石含量關系曲線，通過現場試坑法取樣，實測干密度、礫石含量等，比擬最大干密度曲線計算壓實度的試驗檢測方法，可在總體把握料源的前提下做出評判。

目前，國內超高土石壩都是在基礎研究上提出各自的質量標準，不同工程不盡一致，但都嚴格遵循于現行的規范標準。自瀑布溝工程始，行業內就對礫石土料的檢測方法與評價標準進行了深入的研究，目前這一研究仍在進行中。本文總結和分析近年來在建、已建的高、超高心墻堆石壩礫石土料的研究成果，提出了礫石土料的質量控制標準，為在建和擬建的超高堆石壩礫石土料的質量控制提供依據。

表1 國內已建、在建工程全料、細料壓實度關系 %

注：P5、P20分別為粒徑大于5、20 mm顆粒含量；瀑布溝、長河壩采用P5細料標準，糯扎渡、兩河口采用P20細料標準；全料擊實能為2 688 kJ/m3，細料為592 kJ/m3。

表2 細料與全料壓實度驗證結果

1 全料壓實度與細料壓實度關系

1.1 理論計算

對國內已建、在建高心墻土石壩工程的全料、細料壓實度關系進行理論計算，計算成果見表1。

從表1可知：①全料壓實度與細料壓實度之間存在相關性，相同的細料含量下，全料壓實度越高，細料壓實度越大；相同的全料壓實度下，礫石含量越高，細料壓實度越小。②土料的性質不同，其全料壓實度與細料壓實度間關系也不同，不易壓實的土料需要提高全料壓實度來保證細料壓實度，如長河壩工程中的偏細料和兩河口蘋果園土料。③理論分析表明，近年來建設的超高心墻壩礫石土全料與細料的標準之間總體上遵循了全料壓實度如滿足要求，則細料壓實度也可滿足要求這一規律，體現了以細料為控制首要因素的超高礫石土心墻壩壓實度控制的基本原則。

1.2 施工驗證

為驗證現場施工實際碾壓效果對細料的壓實與室內擊實理論計算關系的接近程度，分別在長河壩、兩河口工程碾壓試驗階段和填筑期間進行驗證，驗證結果見表2。近年來，國內建設工程相關統計資料見表3。

表3 細料壓實度與理論計算值 %

從表2、3可以看出，施工現場碾壓作業方式對礫石土料壓實效果達不到室內擊實效果。這種差異主要是由于碾壓設備壓實功能、礫石土料的填筑分層、做功方式等差異性引起的。除了增大全料壓實度外，需要深入研究在全料壓實度相同的情況下，增加細料的壓實度的碾壓作業方式及其經濟性。

2 細料控制標準

研究成果表明，細料100%的壓實度是可以達到的。但根據目前行業現狀，細料現場檢測有以5 mm和20 mm這2種粒徑作為控制標準。我國傳統的土石壩是以5 mm作為細料控制粒徑[3]，而考慮試驗工作難易程度，糯扎渡工程以20 mm作為細料控制粒徑[4]。根據GB/T 50145—2007，5 mm和20 mm粒徑都屬于礫石類，5 mm屬于細礫，20 mm為中礫。這兩者之間關系如何，哪個作為標準更有利保證質量，需要深入分析研究。

2.1 試驗研究

楊凌云等針對兩河口工程亞中土料場，對不同P5含量下的5、20 mm粒徑在不同壓實度下的數值進行了理論和實測研究，主要成果見表4。從表4可以看出，小于20 mm的細料壓實度數值上均大于小于5 mm的細料壓實度，理論分析數值差異為1%～4%；在全料100%壓實度時，一般情況下，細料理論推求數值大于實測數值，差值小于1%，一般情況下小于0.5%。對比研究表明，理論分析值與實測值的相關性較好。楊凌云等的研究是在同一條件下進行的，由于施工現場碾壓機具的壓實功與擊實標準間的差異，理論推求數值大于實測數值，且這種差值還會增大。同時，現場壓實度的檢測方法一般采用現場三點擊實法快速檢測[5]，會造成這種關系的不確定性。

2.2 碾壓試驗驗證

在不同P5含量的全料相同狀態下，分別在長河壩、兩河口工程進行了5、20 mm細料現場實測研究。按不同全料壓實度下，對5、20 mm細料進行統計，長河壩工程細料壓實度成果見表5。從表5可以看出，無論是灌水法還是三點擊實法，細料相同、全料壓實度下，粒徑小于20 mm壓實度比粒徑小于5 mm壓實度數值大。采用灌水法時，大1%～2%，平均1.47%；采用現場三點擊實法時，大1%～4%，平均1.98%[6]。

表4 兩河口工程亞中土料現場擊實成果

注：表中細料壓實度正體數值為實測數據，斜體為理論推求值。

表5 長河壩工程偏細土料壓實度成果

兩河口工程在完成750組全料、細料對比后，現場開始以細料為主進行檢測，根據已有數據進行細料實測壓實度差值統計(見表6)。從表6可知，在現場225組數據中，出現41%左右的P5大于P20的概率，但平均偏大數值為0.54%，兩者相等為8%，而出現P20大于P5的概率為51%，P5和P20的數據統計差值根據理論計算在相當條件下為1.54，比較接近現場實測統計值1.244。分析原因，三點擊實法本身存在誤差，隨機性大，但總體上反映的趨勢仍為P5小于P20。

表6 兩河口工程細料壓實度

表7 32 t凸塊碾碾壓遍數與全料、細料壓實度

表8 國內高土石壩礫石土心墻料設計標準理論值與工程檢測值對比

注：全料為重型擊實標準，細料為標準普氏標準；部分數據為理論推求值。

3 設備對壓實度影響研究

為研究不同噸位的碾壓設備作用效果，在長河壩工程中，與廠家研制32 t凸塊碾進行試驗，試驗成果見表7。從表7可知，32 t重型碾確實可以增加全料、細料的壓實效果，但由于其對礫石土壓實破碎效果比26 t碾好[7]，但經進一步分析，在超高礫石土心墻壩中不推薦采取如此大噸位的壓實設備，26 t碾可以滿足施工建設需要。通過計算，32 t重型碾加大了礫石土破碎的2%～3%，這種破碎率的增加可以直接以P5減小表示，從而從數值上導致最大干密度減小，引起全料壓實度虛增1%左右。同時，這種超大的破碎率比例(比26 t碾增大2～3倍)會導致土料性質的改變。因此，選擇25～26 t凸塊碾可以滿足現階段條件下超高礫石土心墻壩建設的要求，在300 m級超級工程中使用32 t凸塊碾需進一步研究。

4 超高壩礫石土質量標準

根據統計資料，國內超高壩心墻礫石土料設計全料壓實度指標一般比實際施工能夠達到的能力小2%左右，細料小1%～2%，這表明目前的壓實能力能夠滿足要求，超高心墻壩的心墻壓實指標還可以提高。從上述的研究結果可以看出，細料的壓實度仍是土料壓實質量控制的關鍵，無改性天然土和級配均勻性差的土不容易壓實。國內高土石壩工程礫石土心墻料設計標準理論值與工程檢測對比見表8。

綜上，超高壩細料100%的壓實度是質量保證的需要，且與現行規范標準取高值情況一致，也真正滿足超高壩質量標準要求。超高壩細料以5 mm作為控制標準更有利于保證質量，且與現行規范標準一致，建議5 mm作為超高壩細料控制標準。全料控制標準根據理論計算和工程驗證控制標準為：人工摻和料壓實度為98%，細料不易壓實的天然礫石土料為99%，特殊情況下經研究可在1%范圍內調整(增大或者減小)。工程實踐證明，超高礫石土心墻壩礫石土細料達到100%的壓實度是完全可行的，細料標準5 mm相對于20 mm嚴格，全料壓實度在特殊情況下可在1%范圍內調整(增大或者減小)。

5 結 語

目前，國內在建、已建的超高礫石土心墻堆石壩工程非常重視工程質量標準，施工檢測質量標準均超過設計標準，表明目前設備能力滿足需要，且施工過程一直都貫徹高標準的質量目標要求。雙江口工程壩高312 m，是300 m級超高礫石土心墻壩最具代表性的工程。工程礫石土心墻料采用摻和料加工工藝生產。經研究分析，其設計指標為全料≥98%，細料(≤5 mm)≥100%是合適的，與本文分析結果一致。但如果出現所摻配的土料細料級配不均勻，則全料壓實度可能需要提高1%，達到99%，以保證細料100%壓實。

[1] 郭慶國, 蔡長治. 土石壩建設實用技術研究及應用[M]. 鄭州： 黃河水利出版社, 2004. 10．

[2] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規范[S]．

[3] DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設計規范[S]．

[4] 張宗亮. 200 m級以上高心墻堆石壩關鍵技術研究及工程應用[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2011．

[5] 周先運, 姚亞軍, 郭敏敏, 等. 糯扎渡水電站心墻摻礫土料壓實度快速檢測方法探究[J]. 中國科技信息, 2012(8)： 70, 72．

[6] 陳江, 李朝政, 李偉. 基于三點擊實法的壓實度評估方法[J]. 巖土工程技術, 2011, 25(3)： 109- 112．

[7] 羅文廣. 礫石土料碾壓設備適應性研究分析[J]. 四川水力發電, 2013, 32(5)： 101- 102．