砂礫石料含水率快速檢測技術的探析及應用

趙 紅 梅

(中國水利水電第五工程局有限公司 中心試驗室,四川 成都 610066)

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐工程是葉爾羌河干流山區下游河段的控制性水利樞紐工程,為葉爾羌河干流梯級規劃“兩庫十四級”中的第十一個梯級,在保證向塔里木河生態供水和灌溉用水的前提下,具有滿足防洪、發電等綜合利用功能。水庫總庫容為22.49億m3,正常蓄水位高程為1 820.00 m,最大壩高為164.8 m,電站裝機容量為755 MW。其擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩,壩頂寬度為12 m,壩長795 m。壩體填筑分區從上游至下游分別為上游蓋重區1B、上游鋪蓋區1A、混凝土面板、墊層料區2A、特殊墊層區2B、過渡料區3A、砂礫石料區3B、爆破料區3C、水平排水料區3D,大壩填筑總量約為2 494萬m3。其中上游主堆石區采用砂礫石料,填筑量達1 227.8萬m3。

眾所周知,在水利水電工程施工過程中,大方量的填筑需要各個環節緊密銜接。填筑碾壓后,其質量控制試驗檢測環節成為控制施工填筑碾壓質量、減小大壩變形的重要前提。為保證大壩填筑施工質量的可靠性,研究分析并細化質量控制方法,優化試驗檢測質量控制技術,做好施工過程的質量控制成為其關鍵的一環。然而,采用傳統的試坑法檢測大壩填筑質量存在工作量大、檢測效率低、對施工干擾大的不足;而填筑碾壓后的密實度檢測試坑法則是由人工完成,一個試坑檢測的全程需要花費約三個多小時,試驗周期較長,嚴重制約著現場填筑施工進度。施工單位的技術人員力求突破常規限制,不斷開拓創新,探索新的技術手段,創新了不少先進技術,如采用碾壓參數過程控制和坑檢法相結合的質量雙控方法,但至今仍無法突破常規檢測方法的局限,依然采用坑檢法控制填筑料碾壓密實度的質量。

2 含水率快速檢測的意義及目的

隨著現代化機械設備的發展,碾壓機械設備亦隨之更新換代,目前大型水利工程已采用重型碾壓設備(32 t級自行式碾壓設備)施工,從而大大提高了大壩填筑施工進度。然而,傳統的填筑質量控制試驗檢測坑檢法已嚴重制約著現場施工進度,因此,提高檢測速度已成為試驗檢測技術人員研究的重要課題。目前,坑檢法已得到有效的改進,含水率的快速檢測已通過各種各樣的現代化電子設備進行了試驗論證,但其準確度仍然不高。為了解決這一問題,在阿爾塔什水利樞紐工程大壩填筑施工過程中,試驗檢測技術人員通過對大壩填筑主堆石料中的砂礫石料進行了重點研究探索,對試驗細節和過程處理方面進行了分析研究,經過試驗論證,總結出一套較為完整且有效的含水率快速檢測技術,具體敘述于后。

2.1 砂礫石料含水率快速檢測方法

目前,對于含水率試驗,其試驗方法主要有烘干法、酒精燃燒法、比重法、炒干法等。烘干法為室內試驗的標準方法;酒精燃燒法則適用于簡易測定細粒土含水率;比重法適用于砂類土[1];炒干法則適用于最大粒徑不大于60 mm的粗顆粒土[2]。在大壩填筑過程中,各種填筑料的粒徑均不同。在阿爾塔什工程中,砂礫石料的最大粒徑為600 mm。然而,現有的試驗規程僅適用于粒徑不大于60 mm的粗顆粒土。但僅取粒徑不大于60 mm的顆粒土進行含水率試驗其試驗結果不能代表坑檢全料的含水率,而只測細顆粒土含水率時其試驗結果值偏大。為研究出砂礫石料含水率的快速檢測方法,項目部技術人員進行了大量的試驗研究,將濕試樣篩分至粒徑為5 mm,按d<5 mm、d>5 mm測定其各自的含水率(d為粒徑),按級配加權平均計算出試坑全試樣的含水率代表值。

2.2 粒徑小于5 mm顆粒的含水率試驗

對于粒徑小于5 mm的顆粒,其各類土含水率試驗主要采用烘干法、酒精燃燒法、炒干法進行[3]。而烘干法對于砂類土而言按相關規程要求不少于6 h,且烘干后還要放入干燥器內冷卻至室溫后方可稱量質量,其不適用于快速檢測要求。一般情況下,采用炒干法進行含水率試驗可以滿足快速檢測的要求。根據試驗對比分析,炒干法試驗結果的差值離散性較小,試驗速度快,其精度能夠滿足規范要求,在大壩各類填筑料質量控制密度試驗中,為粒徑小于5 mm各類土的含水率試驗快速檢測的首選。

2.3 粒徑大于5 mm顆粒的含水率試驗

該堆石壩砂礫石料為河灘自然堆積形成的天然級配料。經檢測,其鵝卵石的吸水率為0.2～0.4,砂礫石料填筑施工參數確定的加水量體積比為10%。經填筑碾壓后進行檢測得知:砂礫石料中的粗顆粒基本處于飽和面干狀態,粗顆粒含水率變化不大。因此,在填筑過程中,砂礫石料的料源比較固定。為了減少每次試驗所用試樣的數量、加快試驗速度,在大壩填筑施工前,通過測定粗顆粒土表面吸著含水率平均值,在現場填筑質量控制密度檢測過程中,僅需檢測粒徑小于5 mm土的含水率。通過現場坑檢全料顆粒級配分析試驗,根據各粒徑級顆粒含量百分數按加權法計算出坑檢全料的總含水率[4]。粗顆粒按照粒徑>100 mm、100～80 mm、80～60 mm、60～40 mm、40～20 mm、20～10 mm、10～5 mm分組[5]分別進行含水率試驗。砂礫石料粗顆粒含水率試驗檢測成果分析見表1。

表1 砂礫石料粗顆粒含水率試驗檢測成果分析表

試驗結果表明:砂礫石料粗顆粒含水率變化不大,粗顆粒基本處于飽和面干狀態,各粒徑級含水率平均值為0.5%。在施工質量控制過程中,根據坑檢全料顆粒級配分析試驗結果計算其加權平均含水率。

3 砂礫石料含水率快速檢測成果分析

根據設計指標及現行規范要求,項目部技術人員對阿爾塔什大壩壩體填筑碾壓壓實質量進行了系統的試驗檢測質量控制,對砂礫石料填筑檢測了4 131組,檢測出的含水率最大值為3.3%,最小值為1.0%,平均值為2.0%。從填筑試驗檢測成果分析數據看:含水率快速檢測方法在施工中的應用可行。砂礫石料現場填筑質量控制過程中含水率試驗檢測成果分析見表2。

表2 砂礫石料現場填筑質量控制含水率試驗檢測成果分析表

由表2可知:在砂礫石料現場填筑施工質量控制過程中,通過含水率快速檢測方法判斷出砂礫石料粗顆粒含水率變化不大,其含水率變化主要是由顆粒級配中細料含量的多少及細料含水率和粗顆粒表面含水率的大小決定。細顆粒吸著含水率較大,粗顆粒吸著含水率較小,當細顆粒含量較多時,加權平均含水率亦隨之偏大,而粗顆粒吸著含水率較小,基本處于飽和面干狀態。

4 應用效果分析

鑒于阿爾塔什工程大壩填筑施工控制指標要求高、填筑量大、施工工期緊張,壩體填筑高峰期月填筑量達171.51萬m3,且因面板壩壩體填筑質量的好壞直接關系到壩體的安全運行,故該工程質量控制壓力大。為了不影響工程進度安排,項目部技術人員從技術創新的角度出發,探索出含水率快速檢測方法并予以應用,為現場施工節約了時間。

(1)通過對大壩施工過程中砂礫石料填筑碾壓質量控制試驗檢測成果數據進行分析得知所檢測的各項結果均滿足設計和相關規范要求。一次驗收合格率達到100%。在工期緊張、高強度施工過程中,所研制出的砂礫石料含水率快速檢測技術起到了重要作用。大壩砂礫石料填筑碾壓質量試驗檢測成果見表3。

表3 大壩砂礫石料填筑碾壓質量試驗檢測成果匯總表

備注:取樣所測定的干密度其平均值不小于設計值,標準差不宜大于0.05 g/cm3。當樣本數小于20組時,應按合格率不小于90%、不合格點的干密度不低于設計干密度的95%控制。

(2)從壩體整體沉降變形分析出發對同一高程(橫向)進行比較得知:中部測點沉降量最大,兩側測點沉降量逐漸減小;對不同高程(縱向)進行比較得知:高程越低,沉降量越大。總體來看,壩體內部沉降呈連續漸變變化,縱、橫向分布基本協調,各測點沉降量與上覆堆石體厚度有關壩基、壩體各測點沉降量分布規律性較好,符合土石壩沉降變形分布的一般規律;與同等類型工程類比,該工程目前的沉降量略偏小。大壩沉降量分布情況見圖1。

圖1 大壩沉降量分布示意圖

(3)從大壩施工質量檢測數據及壩體沉降數據來看,其各項指標均在設計控制范圍以內。本次結合傳統質量控制經驗與方法、通過對砂礫石料含水率快速檢測技術進行探索建立的一套完整、有效、準確、快速的質量控制體系在阿爾塔什水利樞紐工程大壩填筑中得到了有效應用,加快了施工進度,強有力地保障了大壩高強度的填筑施工,保障了施工進度計劃,同時亦保障了對大壩填筑施工質量的有效控制,保障了大壩穩定安全運行。

5 結 語

通過對砂礫石料含水率快速檢測技術進行的研究與應用,該檢測方法為現場連續施工起到了良好的推動作用。根據對試驗成果進行分析得知:砂礫石料含水率快速檢測方法在大壩填筑質量控制中可行且有效,該研究成果對縮短高強度填筑時間、保證壩體填筑質量及壩體穩定等方面起到了重要作用,所取得的經驗對同類型的填筑料起到了很好的借鑒作用,同時,試驗成果對后續開工建設的同類工程施工控制方法的選擇具有重要的指導意義。