筑壩砂礫料現場大型相對密度試驗應用研究

歷從實 張耀中 皇甫澤華 楊玉生

（1.河南省前坪水庫建設管理局 鄭州 450003 2.中國水利水電科學研究院 北京 100038）

1 引言

前坪水庫是國務院批準的172項重大水利節水供水工程之一，位于淮河流域沙潁河主要支流北汝河上游洛陽市汝陽縣，是一座的以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發電的大（2）型水利樞紐工程，總庫容5.84億m3，主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等。主壩采用粘土心墻砂礫（卵）石壩，壩頂長818m，最大壩高90.3m。

壩殼料設計為天然級配砂礫（卵）石料，由于近年來人工采砂現象嚴重，導致料場上層砂礫（卵）石料細顆粒缺失，改變了料場砂礫（卵）石料天然級配曲線、物理力學參數、開采條件等。

砂礫料筑壩材料設計填筑標準一般按相對密度進行控制，目前室內相對密度試驗由于試驗設備尺寸限制，只能采用經過縮尺處理的模擬級配材料進行試驗，試驗結果不能完全反映實際情況。特別是現在大型機械設備在水利工程應用廣泛，在工程質量檢測中經常出現相對密度大于100%的情況，說明原來的方法得到的最大干密度并不是真實的最大干密度，需要在現場對原級配砂礫料筑壩材料進行大型相對密度試驗（包括最大干密度試驗和最小干密度試驗），校核和論證設計填筑標準的合理性，根據試驗結果，優化設計方案，復核和確定設計參數和施工參數，為設計和施工提供科學依據。因此，合理確定砂礫料的最大干密度非常關鍵，對于合理確定大壩填筑標準質量控制指標，保證大壩施工建設和長期運行安全有重要意義。

2 試驗研究方案及內容

2.1 試驗方案

由于當地采砂私開亂挖，對前坪水庫砂礫料場造成了嚴重擾動，打亂了天然砂礫料自然形成的賦存條件和分布規律，使得料場不同位置或不同深度的砂礫料級配變化大，離散性大，級配變化無規律。研究不可能考慮所有料場的級配變化情況，只能作為示范，對選定料場的代表性級配進行試驗。

2.2 試驗內容

（1）在現場采用直徑120cm密度桶，按級配人工配料，分別對根據《河南省前坪水庫砂礫料場儲量復核地質說明》，并經設計認可選定的代表性級配平均線、上包線、下包線、上平均線、下平均線的5個不同礫石含量的砂礫料，進行現場大型相對密度試驗（包括最大干密度試驗和最小干密度試驗），并對試驗確定的最優砂礫料含量進行校核試驗。

（2）在進行挖坑干密度檢測時，根據灑水和不灑水兩種工況共4個試驗區近100個試坑挖出砂礫料的顆粒級配篩分結果，整理出了現場碾壓試驗最大粒徑最大達到300～400mm的砂礫料級配包絡線，又據此進行了現場碾壓試驗全級配砂礫料相對密度試驗。

3 試驗研究方法

3.1 主要試驗設備

密度桶：帶底無蓋鋼桶，直徑1200mm，高800mm，壁厚12mm。試驗前對相對密度桶進行了體積校正。

振動碾：26t自行式振動碾。

3.2 密度桶布置

在選定試驗場地用挖掘機挖一個寬約2.6m，長約15m，深0.8m的溝槽。在桶底碾壓體表面均勻鋪一層厚度為5cm左右的細砂，靜碾2遍，溝槽底部找平并采用26t振動碾壓實，在槽內一次布置5個密度桶。密度桶布置好后再用砂礫料將溝槽填平，將其中心點位置對應標識在試驗場外。

3.3 最小干密度試驗

在進行振動碾壓至最大干密度之前，先進行最小干密度試驗。最小干密度試驗采用人工松填法。

（1）首先按試驗級配和用料總量稱量出各粒組的土，將稱量出的各粒組的土攤鋪在試驗場地旁的彩條布上，采用四分法拌均勻。

針對污染情況比較嚴重的城市水環境，僅依靠水流自身的凈化功能顯然無法徹底改善污染問題，在此情況下，需要應用人工生態處理技術。人工生態技術處理即借助于各種人工生態技術對城市河流中的微生態加以改善，對河流中的污染物與其他污染源等物體進行處理，并且不會對河流造成二次污染，是一種安全有效的河流處理方法[2]。但是，該處理技術應用成本較高，并非所有城市河流都適用，為此，應選擇已經污染或問題比較嚴重的河流進行治理，促使其快速恢復到原有生態結構。

圖1 現場碾壓試驗試坑篩分砂礫料級配包線圖

圖2 前坪水庫現場碾壓試驗砂礫料原級配Pd-P5-Dr三因素相關圖

表1 原定代表性級配級配包線（最大粒徑200mm）相對密度試驗結果及不同含礫量在相對密度Dr=0.8和0.75時所對應的干密度表（單位：g/cm3）

表2 現場碾壓試驗砂礫料全級配（最大粒徑400mm）相對密度試驗結果及不同含礫量在相對密度Dr=0.8和0.75時所對應的干密度表（單位：g/cm3）

（2）將拌均勻的砂礫料稱重后均勻松填于密度桶中，裝填時將試樣輕輕放入桶內，防止沖擊和振動，試驗過程中禁止場地附近振動碾和卡車活動。

（3）填至桶頂后，采用平直工具將桶的頂面找平。

根據裝填的總土重和密度桶的體積計算最小干密度。

3.4 最大干密度試驗

最大干密度試驗是在最小干密度試驗完成后進行，步驟如下：

（1）將其中心點位置對應標識在試驗場外。再將余下的土料裝填并高出桶頂20cm左右，用類型和級配大致相同的砂礫料鋪填密度桶四周，高度與試驗料平齊。

（2）將選定的振動碾在場外按預定轉速、振幅與頻率起動，行駛速度小于3km/h，振動碾壓26遍后，在每個密度桶范圍內微動進退振動碾壓15min。在碾壓過程中，根據試驗料及周邊料的沉降情況，及時補充料源，使振動碾不與密度桶直接接觸。

（4）將桶內試料全部挖出，并稱量密度桶內砂礫料質量，進行顆粒分析。

根據裝填的總土重和密度桶的體積計算最小干密度。

4 試驗研究成果

（1）根據《河南省前坪水庫砂礫料場儲量復核地質說明》，并經設計院認可，確定部分上壩砂礫料代表性級配包線，并據此進行了6個礫石含量級配的最大、最小干密度試驗，試驗結果見表1。

從表中的試驗結果可以看出，在細料含量2%～24.5%范圍內，最大干密度在2.152～2.346g/cm3之間變化，礫石含量在78%時其干密度達到最大值2.346g/cm3。

（2）由于現場碾壓試驗上料的最大粒徑最大達到300～400mm，超出了原計劃代表性級配包線的范圍（最大粒徑不超過200mm），結合挖坑干密度檢測時，灑水和不灑水兩種工況共4個試驗區近100個試坑挖出砂礫料的顆粒級配篩分結果，整理出了現場碾壓試驗最大粒徑達到300～400mm級配包線（見圖1）。

（3）補充了一組現場碾壓試驗料的相對密度試驗，試驗結果見表2。

由表2可知，現場碾壓試驗原級配料情況下，細料含量在6.9%～24.5%范圍內，最大干密度在2.283～2.398g/cm3之間變化。試驗結果表明，在現場碾壓試驗砂礫料全級配包線范圍之內，含礫量對最大干密度有一定影響，在含礫量80%附近左右達到最優，最大干密度為2.398 g/cm3。

（4）根據試驗結果繪制現場碾壓試驗上壩料原級配情況下Pd-P5-Dr三因素相關圖（見圖2）。

（5）根據設計要求，前坪水庫大壩和戧堤填筑標準是相對密度分別為0.80和0.75，據此可換算出不同礫石含量下滿足填筑標準時所對應的最小干密度和壓實度，分別列于表1和表2中。

5 試驗研究成果應用

前坪水庫砂礫石料區因當地群眾近年無序開采，部分料場細顆粒缺失，含石量變化較大，級配不良，質量不易控制。通過對設計院認可選定的代表性級配包線和實際挖坑篩分獲得的現場碾壓試驗砂礫料全級配包線進行的相對密度試驗，得出了相應的最小、最大干密度試驗結果，可作為相應級配情況下上壩砂礫料評價碾壓試驗成果和大壩碾壓施工質量檢測的依據。

對其他與本試驗研究級配相差較大的上壩砂礫料，也可參照本試驗研究方法進行相對密度試驗，作為確定碾壓試驗成果評價和大壩碾壓施工質量檢測的標準■