金峰水庫極軟砂巖筑壩施工技術

葉沙鋒，田中濤，郭建軍

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

金峰水庫是四川省武都引水二期灌區工程的一座囤蓄水庫，總庫容0.98億m3，庫址位于四川省綿陽市鹽亭縣金安鄉西北1.5 km西河支流鳳鳴河上源王家溝，水庫集雨面積8.38 km2，當地徑流較小，主要依靠西梓干渠向水庫充水。

大壩為瀝青混凝土心墻石渣壩，大壩頂長454.87 m、寬8 m、最大壩高88 m。壩體從上游至下游分別為上游石渣料區、上游過渡料區，瀝青混凝土心墻料區、下游過渡料區、下游石渣料區及排水帶。壩殼料源采用庫區上游炮臺咀料場開采的砂巖料，該砂巖料為白堊系下統劍門關組(K1j)的砂巖與粉砂質泥巖不等厚互層，局部夾薄層泥質粉砂巖、砂巖，鈣泥質膠結，細～粉粒結構，孔隙式膠結，具有巖相變化大、巖石強度低等特點。勘探資料顯示，該區段料源屬于K1j風化砂巖，巖石飽和抗壓強度為3.53～23.2 MPa；平均值11.4 MPa，軟化系數0.09～0.57，平均值0.28。軟化系數試驗過程中，巖石浸泡24 h后大多崩解，無法取得軟化系數，具有極軟砂巖的特性[1]。

現場碾壓試驗表明，石渣料極軟砂巖具有易碎(碾壓后破碎率高，大塊少)、高孔隙率(28%～31%)、不易壓實的特殊特性。設計初設指標經過多次試驗仍無法滿足，需要結合生產性碾壓試驗綜合研究極軟砂巖的特性及其在工程中的應用。

2 現場碾壓試驗

2.1 設備選型

砂巖在較高激振力作用下可能會過度破碎，但考慮到最佳壓實效果，通過對比類似工程不同噸位振動碾的破碎率綜合考慮后，振動碾選用22 t自行式振動碾，激振力為230、395 kN。試驗前期先采用激振力為230 kN的弱振，現場試驗發現壓實效果較差，將激振力調整為395 kN的強振，振動碾壓行車速度選用低速擋2.55 km/h[2]。

2.2 試驗組合

根據類似壩體填筑料現場碾壓試驗研究和填筑施工經驗，并結合現場試驗場地條件，現場試驗最終形成了3種鋪土厚度、5場碾壓試驗的組合。碾壓試驗參數組合見表1。

表1 碾壓試驗參數組合

第1場振動碾激振力采用230 kN弱振。由于壓實效果不明顯，挖坑后坑壁較為松散，壓實質量與設計要求差異較大，故未進行數據采集。后續激振力調整為395 kN重新進行了現場碾壓試驗，以下數據為后5種組合的試驗數據[3]。

2.3 試驗方法

試驗前，通過控制最大粒徑方法在取料場對試驗料進行顆粒分析，確定試驗材料原級配，并選取具有代表性的巖石樣品進行顆粒密度試驗，室內分別采用振動臺法和擊實法進行最大干密度試驗。填筑時，采用后退法卸料及攤鋪。碾壓時，采用進退錯距法振動碾壓；沉降測量采用水準儀進行高程測量；采用試坑灌水法進行干密度檢測并進行碾壓前后顆粒分析，采用水準儀進行表面沉降測量[4]。

3 極軟砂巖指標

為深入研究極軟砂巖特性，在碾壓試驗過程中對其進行了多種指標的綜合性研究。

(1)顆粒密度試驗。在現場進行碾壓試驗的同時，在室內進行了顆粒密度試驗，共計18組。試驗成果表明，顆粒密度范圍在2.52～2.69 g/cm3之間，該料源巖性不均，孔隙率計算時，存在一定的波動范圍。顆粒密度試驗成果見表2。

(2)巖塊天然干密度。為進一步論證極軟砂巖的工程特性，對巖塊天然干密度進行試驗。試驗期間取樣巖塊天然干密度分別為2.12 g/cm3和2.15 g/cm3，隨巖石新鮮程度變化而變化。

(3)最大密度。分別采用振動臺法和擊實法進行試驗。采用振動臺法進行試驗后觀察發現，容器內風化砂巖的表層處于松散狀態，不密實，試驗最大干密度分別為1.65 g/cm3和1.61 g/cm3，數值變化較大。分別用擊實功為592、2 688 kJ/m3和592 kJ/m3進行了5組擊實試驗，試驗成果見表3。從表3可知，軟砂巖最大干密度數據穩定，具有土料的類似特性。

表2 極軟砂巖渣料顆粒密度 g/cm3

表3 室內擊實試驗成果

(4)沉降。不同鋪料厚度、不同碾壓遍數下的表面沉降量見圖1。從圖1可知，在同一鋪料厚度的條件下，隨著碾壓遍數的增加，沉降整體趨勢增大，且無明顯收斂趨勢。

圖1 表面沉降量

(5)干密度。不同鋪料厚度、碾壓遍數下的干密度曲線見圖2。從圖2可知，在同一碾壓遍數下，壓實干密度隨鋪土厚度的減小而增加。鋪土厚度從80 cm減小到60 cm時，干密度的增加幅度較鋪土厚度從100 cm減小到80 cm時明顯，說明鋪土厚度的減小顯著提高了壓實干密度。在同一鋪料厚度下，壓實干密度隨著碾壓遍數的增加而增加，趨勢較為明顯，說明增加碾壓遍數將顯著提高壓實干密度。鋪料厚度80 cm加水碾壓后的干密度反而最低，且隨著碾壓遍數的增加而降低。其原因為：加水后，表層含水量較高，振動碾碾輪表面粘有一層較細的石渣料，影響其壓實效果，加水后碾壓效果較差。復核試驗時，采用鋪土厚度60 cm、碾壓14遍、不加水工況下的施工參數，取得了較好效果。

圖2 干密度試驗成果

(6)孔隙率。孔隙率成果曲線見圖3。從圖3可知，在相同碾壓遍數下，孔隙率隨鋪土厚度的減小而減小。在同一鋪料厚度下，孔隙率未隨碾壓遍數增加而減小。其原因為：由于料源巖性不均，顆粒密度存在波動，影響孔隙率計算結果，孔隙率對極軟砂巖渣料碾壓遍數變化的評價分析存在不確定性。現場試驗孔隙率整體較大，是該類極軟砂巖母材天然孔隙率較大所致。通過孔隙率試驗成果分析，鋪土厚度越薄，孔隙率越容易降低，符合設計期望的最優壓實效果。結合其他施工參數，極軟砂巖渣料鋪料厚度采用60 cm工況下的施工參數較為合理。

圖3 孔隙率試驗成果

(7)顆分試驗。根據現場顆分試驗成果分析，填筑前粒徑小于5 mm顆粒含量平均值為29.1%，碾壓后粒徑小于5 mm顆粒含量平均值為38.9%，粒徑小于0.075 mm顆粒含量碾壓前后無明顯變化。結合現場情況分析，極軟砂巖在運輸、攤鋪、碾壓過程中均存在一定程度的破碎，碾壓后級配會超出傳統經驗包線范圍，宜采用料場爆破后上壩前的級配進行控制。

(8)滲透試驗。根據現場原位滲透試驗，滲透系數成果曲線見圖4。從圖4可知，在同一鋪料厚度的條件下，滲透系數與碾壓遍數成反比，即隨著碾壓遍數的增加滲透系數減小。隨著鋪料厚度的減小，滲透系數有降低的趨勢。滲透系數總體偏小，分析認為，碾壓后表面存在一層5～10 cm的破碎板結層，影響其垂直滲透。

圖4 滲透系數試驗成果

4 極軟砂巖填筑施工

(1)設計指標。根據現場碾壓試驗研究成果，結合壩體協調變形和穩定需要，最終確定壩體石渣料技術要求為：碾壓后壓實干密度不小于1.90 g/cm3，干密度檢查合格率為100%；上壩前石渣料粒徑小于5 mm顆粒含量不宜超過30%，最大粒徑不超過碾壓層厚，中間級配應連續，鋪料應避免粗細顆粒集中攤鋪，不能有架空或集中凸起。施工時，應嚴格控制施工參數，過程施工參數記錄作為質量是否合格的評判依據[5]。

(2)施工參數。在分析試驗成果的基礎上，結合設計指標要求，綜合考慮經濟性，確定了極軟砂巖筑壩材料的碾壓施工參數：碾壓設備采用22 t自行式振動平碾，激振力為395 kN，振動碾壓行駛速度為2.55 km/h，碾壓遍數為14遍，鋪料厚度為60 cm。利用石渣料極軟砂巖天然含水率進行填筑，該料天然含水量在5.6%～9.8%之間，相對較高，能夠取得較好的壓實效果[6]。

(3)施工質量。根據確定的設計指標的要求，嚴格按照施工參數進行石渣料填筑施工，完成了112層石渣料填筑，共計完成石渣料填筑約81.78萬m3。經現場質量檢測，壓實后干密度為1.90～2.07 g/cm3(部分夾雜有難以剔除的泥巖部位檢測干密度偏大)，平均1.96 g/cm3，滿足設計干密度指標要求。上壩前，顆分檢測粒徑小于5 mm顆粒含量在13.3%～29.6%之間，平均22.5%，級配連續，滿足設計級配要求。碾壓后，顆分檢測粒徑小于5 mm顆粒含量在18.7%～39.2%之間，平均29.8%。試坑觀察，坑壁結合緊密，粗細顆粒分布均勻，無架空。施工過程嚴格按照碾壓試驗確定的施工參數實施，并嚴格過程控制，在壩區設置了監控系統，對施工過程進行全過程錄像監控，并刻盤保存備查。根據檢測結果和過程參數控制記錄，已填筑石渣料施工質量滿足設計指標要求。

5 檢測指標探討

傳統的壩料檢測指標多采用孔隙率或干密度。由于石渣料極軟砂巖局部性質變化大、風化程度不均一、巖石內部組成變化大，采用傳統檢測指標難以準確判定其施工質量。結合本工程碾壓試驗和施工檢測數據分析，極軟砂巖渣料質量檢測指標和評價方法存在一定的不確定性。

(1)干密度。結合壩體填筑檢測數據分析，在填筑石渣料中出現有泥巖或相對強度較高的軟砂巖時，其干密度檢測指標遠大于通過前期碾壓試驗選定的1.90 g/cm3設計控制指標，干密度在1.90～2.07 g/cm3，變化范圍大，無法有效對極軟砂巖渣料填筑質量進行準確評價。

(2)孔隙率。根據試驗成果，極軟砂巖渣料孔隙率為28%～31%，明顯高于已有土石壩工程壩殼料的孔隙率為20%～28%的經驗值控制指標。但根據現場試坑觀察，碾壓后的壩料已較為密實。極軟砂巖巖性不均，顆粒密度存在一定的波動，難以準確確定其孔隙率指標。由于檢測孔隙率數據與現場情況的差異以及數據的波動性，孔隙率指標難以對極軟砂巖渣料填筑質量進行準確評價。設計要求干密度為1.9 g/cm3，按巖石顆粒密度評價孔隙率為30%，按巖石密度評價孔隙率為12%。施工填筑平均干密度為1.96 g/cm3，按巖石顆粒密度評價孔隙率為27%，按巖石密度評價孔隙率為10%。這說明極軟砂巖組成顆粒大小較為均勻，巖塊天然結構孔隙率大，巖塊形成的石渣料壓實難度大，導致孔隙率無法有效進行評價。

(3)相對密度。結合試驗結果和壩面填筑檢測結果分析，室內試驗最大干密度結果偏低，遠低于現場機械壓實干密度。同時，檢測數據變化大，數據無法統一。因此，相對密度不適宜作為極軟砂巖渣料的填筑質量評價指標。

(4)壓實度。根據試驗成果，在不同壓實功下取得的最大干密度數值較為穩定，采用壓實度作為評價指標數值上會相對穩定，但需要確定擊實功的標準。按已施工填筑檢測成果進行評價，采用標準擊實評價壓實度平均為108.3% ；采用重型擊實評價壓實度平均為98.8%。因此，壓實度作為極軟砂巖渣料的填筑評價標準在指標上可行，但在標準上還需深入研究。目前，國內300 m以上超高土石壩心墻土料使用壓實度作為評價標準，要求現場干密度控制標準為重型擊實室內最大干密度的98%。本工程使用22 t碾，重型擊實實際控制達到98%以上。

6 結 語

金峰水庫工程極軟砂巖渣料具有其特殊性，給設計施工帶來了新的課題。在工程應用中，通過碾壓試驗與室內相關試驗，確定了施工設備、施工參數與工藝、施工檢測指標與方法等。同時，在施工質量檢測指標與評價方法上也進行了綜合研究，以科學指導極軟砂巖渣料的施工。

[1] 蔣濤, 付軍, 周小文. 軟巖筑面板堆石壩技術[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2010．

[2] DL/T 5116—2000 水利水電工程碾壓式土石壩施工組織設計導則[S]．

[3] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規范[S]．

[4] SL 237—1999 土工試驗規程[S].

[5] SL 274—2001 碾壓式土石壩設計規范[S]．

[6] 水利電力部水利水電建設總局主編.水利水電工程施工組織設計手冊[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2001．