陶益民，剛永才

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072;2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 礫石土概述

礫石土在自然界分布廣泛、儲(chǔ)量豐富，是一種由粗細(xì)土顆粒組成的非均質(zhì)土。它可自然生成，如坡積、洪積、冰水沉積物等;也可以人工形成，如各種巖石的風(fēng)化層經(jīng)開挖而成;特殊情況下還可以人工配置，如細(xì)礫土與砂礫混合。我國DL/T5395－2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)礫石土定義為:粒徑大于5mm顆粒的質(zhì)量占總質(zhì)量的20%～60%的寬級(jí)配礫類土。在工程施工中，礫石土是一種粗細(xì)顆?；旌系奶烊煌潦?，顆粒組成以5mm為界分為粗料和細(xì)料兩部分，大于5mm(P5)顆粒含量一般在20%以上，并含有一定數(shù)量的粉粒和黏粒的土料。

2 大壩及土料概況

毛爾蓋水電站攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，大壩壩頂高程為2 138.00m，河床部位心墻底高程1 991.00m，壩頂寬12.0m，壩頂長513.77m，最大壩高147.00m，上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.8。壩體采用礫石土心墻防滲，心墻上、下游分別設(shè)反濾料、過渡料和堆石料。

防滲土料來自壩址上游11km的團(tuán)結(jié)橋料場。從物理性質(zhì)判斷，料場第③層黃～灰黃色含塊礫石土基本能滿足筑壩防滲土料的要求。該礫石土料源料(第③層平均)在0.1～0.2MPa壓力下，壓縮系數(shù)為0.037MPa－1，壓縮模量為 37.8MPa，屬于低 ～ 中壓縮性土;抗剪指標(biāo)凝聚力c值為20kPa，內(nèi)摩擦角φ 值為 21.8°。滲透系數(shù)為 1.09 ×10－7cm/s，滿足DL/T5395－2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》不大于1.0×10－5cm/s的要求。擊實(shí)試驗(yàn)最大干密度為1.72～2.07 g/cm3，最優(yōu)含水率為8.6% ～18.3%，天然含水率平均為3.0% ～9.8%，天然含水率低于最優(yōu)含水率。因該料場礫石土料場料源的質(zhì)量分布極不均勻，故進(jìn)行了相關(guān)特性研究分析。

3 礫石土的壓實(shí)性能研究

作為土石壩的心墻防滲料，除了滲透性和抗剪強(qiáng)度外，其壓實(shí)特性(壓實(shí)度)也是關(guān)注的焦點(diǎn)。壩體填筑的礫石土料的壓實(shí)性是決定填筑體尺寸的重要因素，因而在工程實(shí)際中需要將礫石土壓實(shí)至一定的密度(以干密度表示)，使礫石土的力學(xué)性能滿足相關(guān)要求。開展礫石土室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，取得礫石土最優(yōu)含水量和最大干密度，從而研究礫石土的壓實(shí)度與其顆粒組成、含水量、壓實(shí)功能之間的關(guān)系和規(guī)律，以選定適合工程需要的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

本工程采用重型擊實(shí)，擊實(shí)參數(shù)見表1。

通過擊實(shí)試驗(yàn)，得到礫石土最大干密度、最優(yōu)含水率與P5含量關(guān)系曲線(見圖1)。

由圖1得出不同P5含量時(shí)最優(yōu)含水率與相應(yīng)的最大干密度，有利于施工組織管理和質(zhì)量控制。

表1 重型擊實(shí)試驗(yàn)參數(shù)

圖1 礫石土最大干密度、最優(yōu)含水率與P5含量關(guān)系曲線

3.2 壓實(shí)特性

礫石土由細(xì)粒黏土和粒徑大于5mm的粗粒礫石組成，級(jí)配范圍較寬。有很多因素影響礫石土的壓實(shí)特性，主要因素有土料的含水量、礫石含量等。

(1)含水量影響。擊實(shí)試驗(yàn)表明，在同一擊實(shí)功能下，干密度與含水率之間呈拋物線形的變化規(guī)律，即當(dāng)含水低時(shí)，壓實(shí)干密度隨含水量的增加而增大，當(dāng)含水率增值某值時(shí)，壓實(shí)干密度達(dá)到最大值，再進(jìn)一步增大含水量，壓實(shí)干密度反而隨含水量的增大而減小。密度的最大值即是最大干密度，相應(yīng)的含水率即為最優(yōu)含水率。

(2)礫石含量影響。從擊實(shí)試驗(yàn)成果可以看出，當(dāng)粗粒含量為某一定值時(shí)，含水率與干密度關(guān)系呈拋物線形，出現(xiàn)最大干密度和最優(yōu)含水率，并且最大干密度隨粗粒含量的增大而增大，最優(yōu)含水率隨粗粒含量的增大而減小。

4 礫石土的滲透性及穩(wěn)定性研究

隨著施工碾壓過程，對(duì)心墻料礫石土的滲透特性進(jìn)行了研究。在不同填筑高程取樣若干組采用注水法進(jìn)行現(xiàn)場滲透試驗(yàn)。

為了保護(hù)土體，避免在邊界面上發(fā)生管涌、流土、沖刷等滲透破壞現(xiàn)象，常采用反濾層保護(hù)，既能使?jié)B透水自由流出，又不致將土粒帶走，從而提高土體的滲透穩(wěn)定性。

基于毛爾蓋水電站大壩心墻料的復(fù)雜性，選取上包線、平均線、下包線對(duì)應(yīng)級(jí)配、密度作為室內(nèi)試驗(yàn)控制條件進(jìn)行相關(guān)的滲透試驗(yàn)。防滲料試驗(yàn)控制參數(shù)見表2，級(jí)配曲線見圖2。從圖表可以看出，心墻料的級(jí)配處于設(shè)計(jì)包線范圍。

表2 檢測(cè)的防滲料物理性質(zhì)試驗(yàn)成果

室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)成果見表3(上包線、平均線、下包線的試驗(yàn)編號(hào)分別為X1、X2、X3)。

從以上試驗(yàn)圖表可知，防滲料上、平、下線，在反濾保護(hù)下，滲透系數(shù)為 i×10－7～i×10－8cm/s，臨界坡降大于50.0，為弱透水性，流土破壞;在反濾保護(hù)下，心墻料抗?jié)B坡降較高，反濾層對(duì)心墻料保護(hù)效果好。

5 礫石土的強(qiáng)度特性研究

圖2 防滲料試驗(yàn)控制級(jí)配曲線

針對(duì)毛爾蓋水電站大壩工程的實(shí)際情況，對(duì)心墻料的抗剪強(qiáng)度采取了三軸壓縮試驗(yàn)，成果見表4～7、圖3～4。

通過三軸試驗(yàn)和以上統(tǒng)計(jì)圖表可知，三軸CD剪切試驗(yàn)?zāi)Ａ縆分別為254～387，Kb為210～212，飽和固結(jié)排水剪φ大于29°，礫石土防滲料具有較高的抗剪強(qiáng)度與低壓縮性的工程性質(zhì)。

6 質(zhì)量控制

表3 防滲料室內(nèi)力學(xué)性試驗(yàn)成果

表4 防滲料高壓大三軸試驗(yàn)成果

表5 防滲料高壓大三軸試驗(yàn)成果

表6 三軸(固結(jié)不排水剪CU)試驗(yàn)成果

表7 三軸(非飽和UU)試驗(yàn)成果

6.1 組織機(jī)構(gòu)及質(zhì)量管理制度

在工程建設(shè)過程中，施工和監(jiān)理單位分別建立健全了大壩填筑質(zhì)量控制管理組織機(jī)構(gòu)(見圖5、6)，分工負(fù)責(zé)，各司其職，全面管控料源及大壩填筑施工質(zhì)量。同時(shí)，施工和監(jiān)理分別制定了《大壩填筑施工質(zhì)量管理辦法》、《大壩填筑施工質(zhì)量管理實(shí)施細(xì)則》和《礫石土心墻堆石壩填筑質(zhì)量監(jiān)理工作現(xiàn)場管控機(jī)制》，經(jīng)2009年8月14日建設(shè)四方專題會(huì)議討論通過。特別明確了各級(jí)各部門崗位職責(zé)、值班制度、工作程序及運(yùn)作機(jī)制，以及大壩填筑質(zhì)量問題分類、處罰項(xiàng)目及其方法、標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)施工過程實(shí)行全面、全過程跟蹤控制，進(jìn)行當(dāng)班評(píng)價(jià)、獎(jiǎng)勵(lì)與處罰并舉，并定期召開大壩填筑施工質(zhì)量階段總結(jié)會(huì)議。

6.2 施工過程質(zhì)量控制

6.2.1 土料料源質(zhì)量控制

圖3 X1 CD試驗(yàn)應(yīng)力－應(yīng)變曲線

料源是壩體填筑質(zhì)量控制的源頭，土料場控制項(xiàng)目主要包括含水量和礫石含量。施工和監(jiān)理分別安排專人對(duì)料場開采、悶水、摻配等進(jìn)行檢測(cè)和控制，尤其對(duì)開采面、層間高度、料質(zhì)組織四方現(xiàn)場進(jìn)行鑒定，以保證上壩土料質(zhì)量。土料場開采程序見圖7。

圖4 X1 CD強(qiáng)度包線

圖5 施工質(zhì)量管理機(jī)構(gòu)框圖

圖6 監(jiān)理質(zhì)量管理機(jī)構(gòu)框圖

圖7 土料場開采程序

6.2.1.1 礫石土料摻配

由于土料場不可避免地會(huì)出現(xiàn)因地質(zhì)條件變化導(dǎo)致礫石分布不均等情況，若直接立采或者混采，上壩防滲土料質(zhì)量難以保證。經(jīng)試驗(yàn)論證和建設(shè)四方專題研究確定，由專門摻配場進(jìn)行摻配方案的試驗(yàn)。

為了確定團(tuán)結(jié)橋土料場的礫石土(③－1層)和黏土(③－2層)兩種土料的摻配比例，以其天然級(jí)配中小于5mm、小于0.075mm和小于0.005mm的控制粒徑的含量(最大值、最小值和平均值)為依據(jù)，分別按 3∶7、4∶6、5∶5、5.5∶4.5、6∶4和 7∶3共 5 種摻配比例進(jìn)行了試配計(jì)算。根據(jù)不同摻配比例的試驗(yàn)計(jì)算數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，確定礫石土和黏土按5.5∶4.5比例摻配時(shí)合格率最高。并在摻配場采取一層黏土一層礫石土按比例逐層大面積攤鋪、多層高堆筑的大規(guī)模土料摻配方案。

6.2.1.2 含水量調(diào)整

主要采取分層攤鋪摻配時(shí)分層挖溝加水的方法。在試驗(yàn)室測(cè)定③－1礫石土和③－2純黏土的天然含水率及其混合料的最優(yōu)含水率，由此確定攤鋪混合料的加水率，進(jìn)而計(jì)算每層料單位面積的加水量(黏土層的加水量按總量的70%計(jì)算)。

6.2.2 心墻壩面質(zhì)量控制

礫石土心墻壩面質(zhì)量控制主要包括:填筑厚度及邊線、層面平整度、接縫施工、跨心墻施工道路保護(hù)措施、工序控制等。

針對(duì)土料特性和顆粒級(jí)配，按照設(shè)計(jì)碾壓試驗(yàn)技術(shù)要求，分別按照35cm、40cm攤鋪厚度和18t自行式凸塊振動(dòng)碾碾壓8、10、12遍進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，經(jīng)對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，最終選擇了攤鋪35cm、碾壓12遍的施工參數(shù)，取得滿足設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度和干密度。實(shí)施過程中，運(yùn)用GPS碾壓監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)理工程師巡查、人工記錄及抽檢、第三方檢測(cè)等相結(jié)合的綜合質(zhì)量控制系統(tǒng)，使施工質(zhì)量始終受控。

除此而外，本工程屬高海拔、高寒地區(qū)，每年6～9月為雨季，12～2月為嚴(yán)寒冬季，為實(shí)現(xiàn)冬雨季連續(xù)施工，通過研究土料在特定氣溫條件下的凍結(jié)特性，尋求經(jīng)濟(jì)合理的輔助保溫措施，盡量減少雨季和冬季低溫時(shí)段對(duì)土料填筑施工的影響。

(1)根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和局地氣候，做好預(yù)案和超前準(zhǔn)備。下雨前迅速將壩面心墻土料采用自行平碾靜壓(不激震)成光面;鋪設(shè)彩條布(或軍用帆布)覆蓋，防止雨水下滲;雨后排干彩條布上的積水，并將彩條布掀走。

(2)一般將心墻和兩側(cè)反濾料、過渡料及部分堆石料適當(dāng)填高，下雨時(shí)繼續(xù)填筑堆石料，保持壩面穩(wěn)定上升。

(3)適當(dāng)縮短流水作業(yè)長度，礫石土料及時(shí)平整壓實(shí)。

(4)心墻填筑面應(yīng)略向上、下游傾斜，以利于排除積水。

(5)下雨或雨后不許踩踏心墻壩面，嚴(yán)禁車輛通行。復(fù)工前應(yīng)清除表面稀泥，或經(jīng)晾曬、翻曬處理，使土料含水率調(diào)節(jié)至合理范圍內(nèi)，經(jīng)監(jiān)理工程師檢查合格后，方可復(fù)工。

(6)冬季上午10點(diǎn)至下午6點(diǎn)正溫時(shí)段，正常填筑土料，并縮短分塊、填筑區(qū)。

(7)嚴(yán)寒夜晚用軍用棉被或軍用帆布覆蓋，早上氣溫升高時(shí)采用凸塊碾快速碾壓，以快速解凍。

(8)冬季連續(xù)數(shù)日不施工時(shí)，一般鋪設(shè)50cm左右厚的低含水量土料對(duì)已填筑心墻保溫，在恢復(fù)施工時(shí)予以清除。

7 質(zhì)量管理成果

按照規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)施工過程中采集的大量檢測(cè)數(shù)據(jù)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)1 824組礫石土的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了最大值、最小值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析，檢測(cè)結(jié)果見表8。

表8 礫石土檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)

通過以上統(tǒng)計(jì)分析只能反映礫石土料的檢測(cè)指標(biāo)是否滿足相關(guān)的技術(shù)要求，不能反映壓實(shí)質(zhì)量的好壞和施工工藝的保證能力。為此，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)美國科學(xué)家休哈特(Walter A·Shewhart)提出的產(chǎn)品質(zhì)量過程能力評(píng)價(jià)方式(見表9)，對(duì)礫石土的壓實(shí)度和P5含量的施工過程能力進(jìn)行全面分析(見表10、11)。

表9 過程能力指數(shù)Cp值及評(píng)價(jià)參考

表10 礫石土壓實(shí)度施工控制過程能力分析

表11 礫石土P5含量施工控制過程能力分析

通過過程能力分析表明，礫石土填筑的壓實(shí)度質(zhì)量和P5含量控制較好，工藝保證能力較強(qiáng)，施工質(zhì)量穩(wěn)定、持續(xù)受控。

8 結(jié)束語

毛爾蓋水電站大壩礫石土心墻于2009年12月開始填筑，月平均上升7.8m，月最高上升16m，月平均強(qiáng)度10.2萬m3，月最大強(qiáng)度17.9萬m3。實(shí)現(xiàn)了2011年3月較合同工期提前8個(gè)月汛前下閘蓄水的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)，監(jiān)測(cè)成果反映大壩變形、滲流符合土石壩變形和滲流場基本規(guī)律，大壩運(yùn)行正常。

通過分析和研究表明，顆粒組成是決定礫石土工程特性的主要因素，以5mm粒徑為界將礫石土分為粗、細(xì)兩部分。礫石土的最大干密度隨壓實(shí)功能的增大而增大，滲透系數(shù)隨壓實(shí)功能的增大而減小。

工程實(shí)踐證明，礫石土料經(jīng)壓實(shí)后具有較高抗剪強(qiáng)度、較低壓縮性及良好的施工性能等優(yōu)點(diǎn)，作為一種天然的填筑材料被廣泛應(yīng)用于水電水利工程中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國外高100m以上的高土石壩中，采用礫石土料作為防滲材料的土石壩占總數(shù)70%。在我國近年已完工和開工的高土石壩中，大部分采用了礫石土作為心墻防滲料，除本文的毛爾蓋水電站大壩外，還有瀑布溝、糯扎渡、水牛家、云鵬、獅子坪、磽磧、長河壩等水電站大壩。因此，礫石土作為大壩心墻防滲料具有較高使用價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］林昭.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003.

［2］郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998.

［3］郭慶國，等.土石壩建設(shè)實(shí)用技術(shù)研究及應(yīng)用［M］.鄭州:黃河水利出版社，2004.

［4］安炳淑.質(zhì)量專業(yè)理論與實(shí)務(wù)［M］.北京:中國人事出版社，2002.