超高壩心墻礫石土質(zhì)量檢測(cè)方法的研究

田中濤，江萬(wàn)紅，車(chē)維斌

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 概 述

土料的檢測(cè)方法與其檢測(cè)指標(biāo)相關(guān)。心墻土石壩發(fā)展的核心是心墻筑壩材料的發(fā)展。心墻防滲材料從均質(zhì)土料(粘土、壤土)到風(fēng)化巖、礫石土；設(shè)計(jì)檢測(cè)指標(biāo)從干密度到壓實(shí)度；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法從試坑灌水法發(fā)展出三點(diǎn)擊實(shí)法、擬合曲線法。礫石土料為高堆石壩的心墻首選材料，其質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法一直是行業(yè)關(guān)注的核心技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)深入研究，在超高心墻土石壩確立了以有利于保證工程質(zhì)量和施工進(jìn)度的細(xì)料為主、全料復(fù)核為理念的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)；及以三點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)為主，全料室內(nèi)平行復(fù)核為輔檢測(cè)方法。

近20年來(lái)，我國(guó)心墻高土石壩的發(fā)展取得了跨越式發(fā)展，連續(xù)實(shí)現(xiàn)了由100 m級(jí)向200 m級(jí)、200 m級(jí)向300 m級(jí)的兩次飛躍[1-2]。始建于20世紀(jì)50年代的大伙房水庫(kù)工程49.8 m高的粘土心墻壩是我國(guó)“一五”期間重點(diǎn)水利工程提出的土料填筑干容重指標(biāo)控制方法，至今仍在沿用；建于20世紀(jì)80年代魯布革水電站工程103 m高風(fēng)化料心墻壩提出的土料填筑壓實(shí)度指標(biāo)控制方法，成為國(guó)內(nèi)土料質(zhì)量控制的主流方法；建成于21世紀(jì)的瀑布溝水電站工程186 m高的礫石土心墻壩提出的細(xì)料為主的控制方法，為目前國(guó)內(nèi)高土石壩礫石土料質(zhì)量控制普遍采納的方法；已建成的糯扎渡水電站工程261.5 m高礫石土心墻壩提出的三點(diǎn)快速擊實(shí)的礫石土質(zhì)量控制方法，較為有效地解決了礫石土質(zhì)量控制技術(shù)難題；剛建成的長(zhǎng)河壩工程240 m高礫石土心墻壩提出的最大干密度擬合曲線法的礫石土質(zhì)量控制方法，拓展了礫石土質(zhì)量控制方法。

受限于施工設(shè)備與工作量，常規(guī)的三點(diǎn)擊實(shí)法無(wú)法快速有效的進(jìn)行施工質(zhì)量檢測(cè)，因礫石土最大粒徑一般選用120～150 mm；DL/T5129—2013《碾壓式土石壩施工規(guī)范》[3]推薦礫石土施工質(zhì)量檢測(cè)方法為三點(diǎn)擊實(shí)法和碎(礫)石土最大干密度擬合法。三點(diǎn)擊實(shí)法能夠適應(yīng)復(fù)雜土料填筑質(zhì)量快速檢測(cè)方法，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)測(cè)，可針對(duì)性地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，但試驗(yàn)控制最大粒徑只能夠反映測(cè)量點(diǎn)的情況，在宏觀上無(wú)法對(duì)料源做評(píng)價(jià)；最大干密度擬合法源自設(shè)計(jì)研究階段的方法，能夠在總體把握料源的條件下做出評(píng)判。三點(diǎn)擊實(shí)法檢測(cè)細(xì)料壓實(shí)度的理念是基于細(xì)料與全料匹配對(duì)應(yīng)關(guān)系，無(wú)法匹配對(duì)應(yīng)全料壓實(shí)度數(shù)據(jù)；而碎(礫)石土最大干密度擬合法是以傳統(tǒng)的試坑灌水法測(cè)試干密度為基礎(chǔ)的，可同時(shí)計(jì)算細(xì)料、全料壓實(shí)度；但會(huì)因料源的變化而變化。

本文通過(guò)對(duì)三點(diǎn)擊實(shí)法、碎(礫)石土最大干密度擬合法進(jìn)行深入研究分析[3- 4]，提出基于全料壓實(shí)度、細(xì)料壓實(shí)度檢測(cè)的礫石土料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法理念與方法，有利于保證工程質(zhì)量和施工進(jìn)度。

1 三點(diǎn)擊實(shí)法及其研究

三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，不需測(cè)定土的含水量，僅在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定土的濕容重后，用與其相同土樣進(jìn)行三種含水量擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定三個(gè)擊實(shí)濕容重，通過(guò)變換求出最大縱距的濕容重值，以此來(lái)確定填土的壓實(shí)度以及最優(yōu)含水量與填土含水量差值。細(xì)料的現(xiàn)場(chǎng)三點(diǎn)擊實(shí)快速檢測(cè)方法是現(xiàn)場(chǎng)研究解決礫石土料快速檢測(cè)的最為有效的方法。國(guó)內(nèi)不斷有人針對(duì)三點(diǎn)擊實(shí)快速檢測(cè)方法進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。

1.1 小浪底水利樞紐工程的研究

在小浪底水利樞紐工程中，為了驗(yàn)證三點(diǎn)快速擊實(shí)法精度采用不同土料進(jìn)行了13組實(shí)驗(yàn)，并用相應(yīng)土料由承包商和業(yè)主兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室同時(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，烘干法測(cè)定含水率。兩種方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： ①最大濕密度，承包商資料中的差值在0～0.042 t/m3之間，平均為0.006 t/m3；業(yè)主資料中的差值為0.001～0.09 t/m3，平均為0.010 t/m3。②最大干密度，承包商資料的差值在-0.008～0.026 t/m3之間，平均為-0.001 t/m3；業(yè)主資料差值在-0.004～0.038 t/m3之間，平均為0.010 t/m3。

結(jié)果表明：兩種方法差值小，絕大多數(shù)在允許誤差范圍內(nèi)，三點(diǎn)快速擊實(shí)方法是一種滿足精度要求的方法，能夠快速、及時(shí)地做出質(zhì)評(píng)結(jié)果，以其進(jìn)行質(zhì)量控制是可行的。

1.2 昆明院的主要研究成果

三點(diǎn)擊實(shí)法假定：用于三點(diǎn)擊實(shí)的三個(gè)試樣的初始含水率相等且與碾壓現(xiàn)場(chǎng)含水率相同。由于土體材料本身的分散性，土料含水率也存在一定的離散性，則原先對(duì)于濕重相同的三點(diǎn)擊實(shí)試樣的干重相同的假定不成立；因此，其求得的壓實(shí)度是近似性的。昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陳江、李朝政、李偉等在文獻(xiàn)[5]中考慮了擊實(shí)試樣與碾壓現(xiàn)場(chǎng)含水率之間的誤差，提出了壓實(shí)度的評(píng)估方法。

研究過(guò)程考慮了擊實(shí)試樣初始含水率與碾壓現(xiàn)場(chǎng)含水率的誤差，得到不同誤差組合下的真實(shí)壓實(shí)度，并由此得到真實(shí)壓實(shí)度的取值范圍、真實(shí)壓實(shí)度大于某個(gè)臨界值或設(shè)計(jì)指標(biāo)的概率及近似壓實(shí)度相比于真實(shí)壓實(shí)度偏大或偏小的概率。該方法可獲得壓實(shí)度更加詳細(xì)的信息，利于對(duì)施工質(zhì)量做出準(zhǔn)確判斷。

研究者根據(jù)推求的公式對(duì)《土石料壓實(shí)和質(zhì)量控制》[6]中圖3-11的兩個(gè)算例進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果為：假定現(xiàn)場(chǎng)含水率為12%，含水率偏差∈(-1.0%，1.0%)，土的濕密度限值取2.24 g/cm3。誤差組合計(jì)算結(jié)果為：

算例a，近似壓實(shí)度D=100.87%；真實(shí)壓實(shí)度D的取值范圍為(97.05%，101.70%)，真實(shí)壓實(shí)度D大于98%的概率為98.88%；近似壓實(shí)度D相比于真實(shí)壓實(shí)度D偏大的概率為 76.36%，偏小的概率為23.64%。

算例b，近似壓實(shí)度D=98.52%；真實(shí)壓實(shí)度D的取值范圍為(94.99%，99.35%)；真實(shí)壓實(shí)度大于98%的概率為59.96%；近似壓實(shí)度相比于真實(shí)壓實(shí)度偏大的概率為76.50%，偏小的概率為23.50%。

1.3 兩河口水電站工程不同擊實(shí)儀器的影響

為評(píng)價(jià)不同擊實(shí)儀器對(duì)現(xiàn)行檢測(cè)方法的影響，在兩河口水電站工程施工中對(duì)不同壓實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平行試驗(yàn)(見(jiàn)表1、2)。

表1 兩河口工程超大型、大型與小型三點(diǎn)擊實(shí)平行試驗(yàn)成果 %

表2 兩河口工程大型與小型三點(diǎn)擊實(shí)平行試驗(yàn)成果 %

試驗(yàn)表明：現(xiàn)行的全料φ300重型擊實(shí)替代試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)是可行的，其標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)φ800全料試驗(yàn)結(jié)果偏嚴(yán)格，對(duì)工程質(zhì)量有保證；細(xì)料φ152標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)也是可行的。

表3 長(zhǎng)河壩礫石土三點(diǎn)擊實(shí)與常規(guī)法對(duì)比(一) %

表4 長(zhǎng)河壩礫石土三點(diǎn)擊實(shí)與常規(guī)方法對(duì)比(二) %

注：P5為粒徑大于5 mm顆粒含量。

1.4 礫石土三點(diǎn)擊實(shí)法誤差分析

為研究試坑灌水法與三點(diǎn)擊實(shí)法的偏差，長(zhǎng)河壩水電站工程建設(shè)中進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)，其試驗(yàn)成果見(jiàn)表3、表4。現(xiàn)場(chǎng)不同場(chǎng)次碾壓試驗(yàn)進(jìn)行全料與細(xì)料、不同細(xì)料不同檢測(cè)方法研究，由于需要現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)研究，每個(gè)部位試坑取樣量大，規(guī)劃了2 m的大坑方完成了上述研究檢測(cè)項(xiàng)目。通過(guò)分析可知：

(1)細(xì)料20 mm現(xiàn)場(chǎng)三點(diǎn)擊實(shí)法與灌水法細(xì)料計(jì)算壓實(shí)度數(shù)值大1%～3%，平均1.80%；細(xì)料5 mm 現(xiàn)場(chǎng)三點(diǎn)擊實(shí)法與灌水法細(xì)料計(jì)算壓實(shí)度大1%～2%，平均1.29%。

(2)細(xì)料灌水法全料與細(xì)料的關(guān)系比三點(diǎn)擊實(shí)法更接近理論推求的關(guān)系數(shù)值。

(3)P20(粒徑大于20 mm顆粒含量)與P5(粒徑大于5 mm顆粒含量)的差值三點(diǎn)擊實(shí)法較理論推求偏差較大(全料較小壓實(shí)度下偏大，全料較大壓實(shí)度下偏小)，灌水法更接近理論推求的關(guān)系數(shù)值。分析還表明，灌水法整體可靠性高于三點(diǎn)擊實(shí)法，可作為驗(yàn)證三點(diǎn)法的依據(jù)和基礎(chǔ)。

2 細(xì)料粒徑標(biāo)準(zhǔn)

目前行業(yè)的細(xì)料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)有以5 mm和20 mm粒徑兩種控制標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)傳統(tǒng)的土石壩以5 mm作為細(xì)料控制粒徑；而考慮試驗(yàn)工作難易程度，糯扎渡水電站工程以20 mm作為細(xì)料控制粒徑。通過(guò)理論分析可以確定，5 mm標(biāo)準(zhǔn)比20 mm嚴(yán)格。但現(xiàn)場(chǎng)兩者之間關(guān)系如何，哪個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)更有利保證質(zhì)量，需要深入分析研究。

2.1 試驗(yàn)研究

成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院楊凌云等針對(duì)亞中土料場(chǎng)對(duì)不同P5含量下的5、20 mm在不同壓實(shí)度下的數(shù)值進(jìn)行了理論和實(shí)測(cè)綜合性研究，主要成果見(jiàn)表5。

表5 兩河口工程亞中土料現(xiàn)場(chǎng)擊實(shí)P20、P5成果 %

表6 長(zhǎng)河壩礫石土料現(xiàn)場(chǎng)不同方法下細(xì)料P20、P5壓實(shí)度差值

根據(jù)楊凌云等的研究成果可以看出：P20壓實(shí)度數(shù)值上均大于P5，理論分析數(shù)值差異1%～4%；在全料100%壓實(shí)度時(shí)，一般情況下細(xì)料理論推求數(shù)值大于實(shí)測(cè)數(shù)值，其差值小于1%，一般情況下小于0.5%。研究表明理論計(jì)算的關(guān)系均成立。該研究是在同一條件下進(jìn)行的。施工現(xiàn)場(chǎng)由于碾壓機(jī)具的壓實(shí)功與擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)間的差異(選擇設(shè)備碾壓功與重型擊實(shí)功間的差)，理論推求數(shù)值大于實(shí)測(cè)數(shù)值這種差值還會(huì)增大；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度的檢測(cè)一般采用三點(diǎn)擊實(shí)法快速檢測(cè)，會(huì)造成不確定性。

2.2 碾壓試驗(yàn)驗(yàn)證

不同P5下的全料相同狀態(tài)下，分別在長(zhǎng)河壩、兩河口水電站工程進(jìn)行了5、20 mm壓實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究。按照不同全料壓實(shí)度，細(xì)料P20、P5壓實(shí)度數(shù)值差進(jìn)行資料分析統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表6、表7)。

可以看出：無(wú)論是灌水法還是三點(diǎn)擊實(shí)法，相同全料壓實(shí)度下，細(xì)料20 mm的壓實(shí)度比5 mm大；采用灌水法時(shí)大1%～2%，平均1.47%；采用現(xiàn)場(chǎng)三點(diǎn)擊實(shí)法時(shí)大1%～4%，平均1.98%。

兩河口水電站工程在完成750組全料、細(xì)料對(duì)照后，開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)以細(xì)料進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)已有225組數(shù)據(jù)進(jìn)行P20、P5實(shí)測(cè)差值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表7。該大壩工程已填筑取樣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均為：全料壓實(shí)度99.65%，≤20 mm壓實(shí)度102.7%，≤5 mm壓實(shí)度102.2%。表6說(shuō)明，三點(diǎn)擊實(shí)法本身存在誤差隨機(jī)性大，但總體上反映的趨勢(shì)仍為P20大于P5。

表7 兩河口礫石土料現(xiàn)場(chǎng)三點(diǎn)擊實(shí)法下細(xì)料P20、P5壓實(shí)度差值統(tǒng)計(jì)匯總

3 最大干密度擬合曲線法與三點(diǎn)擊實(shí)法

在超大擊實(shí)(800 mm)驗(yàn)證了大擊實(shí)(300 mm)應(yīng)用于工程控制結(jié)果對(duì)施工質(zhì)量有保證的基礎(chǔ)上，在兩河口大壩工程進(jìn)行了全料的三點(diǎn)大擊實(shí)與最大干密度擬合曲線法的對(duì)比研究，結(jié)果表明在用于全料時(shí)兩者精度一致。

3.1 最大干密度擬合曲線法

最大干密度-礫石含量線性擬合法是采用對(duì)不同礫石含量的礫石土進(jìn)行控制粒徑(5 mm或20 mm)以下基質(zhì)土的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能試驗(yàn)，得到其最大干密度與礫石含量關(guān)系曲線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)干密度、含水率和礫石含量，比擬最大干密度線性關(guān)系用以計(jì)算土樣壓實(shí)度以及填土含水率與最優(yōu)含水率差值的試驗(yàn)檢測(cè)方法。

該方法可適應(yīng)于全細(xì)料，基礎(chǔ)是試坑灌水法，依據(jù)是室內(nèi)擊實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，在糯扎渡水電站被稱(chēng)為“預(yù)控線法”[7]，新施工規(guī)范修訂時(shí)正式定名為最大干密度——礫石含量線性擬合法。

3.2 擬合法與三點(diǎn)擊實(shí)法檢測(cè)比較

兩河口工程中采用了全料室內(nèi)三點(diǎn)大擊實(shí)法，同步根據(jù)擬合曲線進(jìn)行全料壓實(shí)度計(jì)算比較(見(jiàn)表8)。

表8 兩河口工程全料大擊實(shí)與擬合法對(duì)比

由表8可以看出：全料三點(diǎn)大擊實(shí)計(jì)算壓實(shí)度與擬合法計(jì)算壓實(shí)度誤差很小，兩者方法精度相當(dāng)，兩個(gè)方法均可使用；但三點(diǎn)法用于全料的誤差尚有待分析。

4 已建高土石壩檢測(cè)方法

國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段在建高土石壩礫石土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已統(tǒng)一到全料、細(xì)料雙控制的要求；而檢測(cè)方法從瀑布溝工程的細(xì)料為主到糯扎渡水電站三點(diǎn)擊實(shí)為主[7- 8]，再到長(zhǎng)河壩的全細(xì)料雙控，體現(xiàn)的是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法的高標(biāo)準(zhǔn)和高質(zhì)量要求。國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段在建、已建的高土石壩質(zhì)量檢測(cè)方法見(jiàn)表9。

表9 在建、已建高礫石土心墻壩工程礫石土料檢測(cè)方法

由表9可以看出，高土石壩礫石土質(zhì)量檢測(cè)基本都采用了細(xì)料三點(diǎn)擊實(shí)法為主控、全料定期取樣復(fù)核的方法。綜上所述，三點(diǎn)擊實(shí)法用于礫石土存在偏大的概率高，只能反映檢測(cè)土樣狀態(tài)，需要綜合分析研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)超高壩心墻礫石土料按照全料、細(xì)料分別控制的思路進(jìn)行檢測(cè)方法的制定，細(xì)料為主、全料定期平行取樣復(fù)核。細(xì)料為主的目的在于保證施工過(guò)程的作業(yè)質(zhì)量，全料定期平行取樣復(fù)核的目的在于保證料源的質(zhì)量與性質(zhì)穩(wěn)定。

(2)超高壩心墻礫石土料細(xì)料質(zhì)量控制是關(guān)鍵，制定考慮細(xì)料為主的檢測(cè)方法有利于保證工程質(zhì)量；同時(shí)，三點(diǎn)擊實(shí)法快速檢測(cè)方法也有利于保證工程施工進(jìn)度。考慮三點(diǎn)擊實(shí)法存在的誤差偏高概率，為保證三點(diǎn)法對(duì)礫石土料的質(zhì)量檢測(cè)成果的可靠性，施工過(guò)程中可抽樣采用試坑灌水法、細(xì)料的壓實(shí)度按高程進(jìn)行平行復(fù)核檢測(cè)，復(fù)測(cè)細(xì)料最大干密度參照采用瀑布溝“移動(dòng)平均法”確定。

(3)在填筑過(guò)程中，全料壓實(shí)度同步試坑灌水?dāng)M合曲線法按填筑層平行檢測(cè)，以掌握料源質(zhì)量變化情況，綜合細(xì)料含量、含水率、干密度等指標(biāo)對(duì)土料整體質(zhì)量管控和提供工程質(zhì)量控制驗(yàn)收基礎(chǔ)資料；結(jié)合抽樣，按高程平行對(duì)全料壓實(shí)度進(jìn)行大擊實(shí)復(fù)核以定期評(píng)價(jià)擬合曲線法的偏差，可及時(shí)修正全料最大干密度礫石含量關(guān)系曲線。

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