何強(qiáng)強(qiáng)，王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

淺談蘇丹碾壓式土石壩質(zhì)量控制方法

何強(qiáng)強(qiáng)，王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

[摘要]土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制是土石壩施工中的重點(diǎn)問題。從土的壓實(shí)機(jī)理出發(fā)，選取正確的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，通過擊實(shí)、碾壓試驗(yàn)，確定壓實(shí)度和最大干密度及碾壓參數(shù)，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)，依據(jù)施工質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，控制壓實(shí)質(zhì)量。以蘇丹El Marwa碾壓土石壩填筑施工為例，對(duì)土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制中的步驟和存在的問題進(jìn)行分析。正確地應(yīng)用壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，合理操作試驗(yàn)規(guī)程，分析試驗(yàn)結(jié)果，確保工程質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]碾壓式土石壩；壓實(shí)質(zhì)量

土石壩工程，施工簡(jiǎn)便、就地取材、料源豐富、地質(zhì)條件要求低、造價(jià)便宜、因其諸多優(yōu)勢(shì)，成建數(shù)量極多，是水利水電工程中極為重要的、應(yīng)用最廣的一種壩型。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，今天的土石壩工程，涵蓋了土料防滲、混凝土面板防滲、瀝青混凝土防滲、土工膜防滲等土石壩工程。但是，無(wú)論哪種種類型的土石壩，控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序均是對(duì)壩體土石料的分層填筑壓實(shí)效果的控制。本文以蘇丹共和國(guó)El Marwa碾壓式均質(zhì)土石壩填筑施工為例，對(duì)土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制中需要注意的問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述分析。

1工程概況

蘇丹共和國(guó)位于非洲紅海沿岸、撒哈拉沙漠東端。政府計(jì)劃在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)一系列土石壩蓄水工程，El Marwa土石壩就是其中之一。El Marwa土石壩位于蘇丹Nile州及Northern州交界地帶，該壩址區(qū)位于2008年當(dāng)?shù)卣藿ǖ耐潦瘔闻f址，舊土石壩由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量控制不到位，導(dǎo)致壩體左側(cè)在當(dāng)年雨季中被沖毀。為了解決當(dāng)?shù)仫嬎畣栴}，政府決定重建此壩。

El Marwa水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為3 142萬(wàn) m3，按《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)規(guī)定屬中型水利工程，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級(jí)，次要建筑物為4級(jí)。擬建大壩壩高12 m，壩長(zhǎng)203 m，為碾壓式均質(zhì)土壩，壩身設(shè)置放空洞。溢洪道采用天然埡口，與壩體分開布置。主壩體橫斷面圖見圖1。

圖1　主壩體橫斷面圖

2土的壓實(shí)機(jī)理及壓實(shí)質(zhì)量的影響因素

土的壓實(shí)是指土體在壓實(shí)能量作用下產(chǎn)生壓縮變形、土體孔隙減少，密度增加。土的壓縮變形主要是由于孔隙中的水和氣體被排出，土粒相互移動(dòng)靠攏，封閉氣泡的體積被擠壓變小，致使土的孔隙體積減小而引起的，土粒與水本身的微小變形可忽略不計(jì)。將土的壓實(shí)機(jī)理應(yīng)用到碾壓式土石壩的設(shè)計(jì)和施工中，可知道影響土料壓實(shí)效果的因素主要有：含水率、擊實(shí)功能、土的種類和級(jí)配以及粗粒含量等。土料壓實(shí)效果的控制應(yīng)從這些因素的了解和控制入手。

2.1含水率的影響

土石料的壓實(shí)程度隨含水率而變化。同一種土料在不同的含水率下用同一擊數(shù)將它們分層擊實(shí)，可以得到一條含水率與干密度的關(guān)系曲線。曲線上干密度的最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度，與它對(duì)應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。

2.2擊實(shí)功能的影響

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擊實(shí)功能用擊數(shù)反映。同一種土料在不同含水率下分別用不同擊數(shù)進(jìn)行擊數(shù)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，可以得到一組隨擊數(shù)而異的含水率與干密度關(guān)系曲線。 最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大，反之，最優(yōu)含水率逐漸減小。然而，增大或減少的速率是遞減的，因此，僅靠增加擊實(shí)功能來(lái)提高土的最大干密度是有限度的。

2.3土類和級(jí)配的影響

在相同擊實(shí)功能下，黏性土的黏粒含量愈高或塑性指數(shù)愈大，壓實(shí)越困難，最大干密度越小，最有含水率越大。在同一土類中，土的級(jí)配對(duì)它的壓實(shí)性影響很大。級(jí)配均勻的壓實(shí)干密度比不均勻的低，因?yàn)樵诩?jí)配均勻的土內(nèi)較粗土粒形成的孔隙很少有細(xì)土粒充填，而級(jí)配不均勻的土則相反，有足夠的細(xì)土粒去充填，因而能獲得較高的干密度。

2.4粗粒含量的影響

在輕型擊實(shí)試驗(yàn)中，允許試樣的最大粒徑不大于5 mm。當(dāng)土內(nèi)含有大于5 mm的土粒時(shí)，常剔除后進(jìn)行試驗(yàn)。這樣，由試驗(yàn)測(cè)得的最大干密度和最有含水率與實(shí)際土料在相同擊實(shí)功能下的值不同。因此，輕型擊實(shí)試驗(yàn)中，當(dāng)粒徑大于5 mm的顆粒的顆粒含量小于30%時(shí)，應(yīng)按式(1)計(jì)算校正后的最大干密度：

(1)

校正后最有含水率：

(2)

El Marwa土石壩的土料場(chǎng)為黏性土，依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)，依據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，土料場(chǎng)土料平均最大干密度ρdmax為1.91 g/cm3，平均最優(yōu)含水量ωop為11.97%，平均有機(jī)質(zhì)含量1.69%，直剪快剪平均黏聚力25.6 kPa，平均摩擦角28.3°。施工過程中應(yīng)對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行適時(shí)檢測(cè)，測(cè)定其干密度、含水量是否發(fā)生變化，發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。

3土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)指標(biāo)

當(dāng)填筑的土石料較為均勻時(shí)，性質(zhì)比較穩(wěn)定，在同一壓實(shí)條件下干密度接近常數(shù)值，這時(shí)可用某一干密度作為設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際的天然土石料，即使是同一料場(chǎng)，往往土顆粒組成、礦化成分、成因不同，其性質(zhì)是不均勻的，在同一壓實(shí)條件下，干密度指標(biāo)不同。若繼續(xù)用某一干密度作為設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，必然出現(xiàn)對(duì)易于壓實(shí)的土石料壓實(shí)后的干密度容易達(dá)到，而壓實(shí)結(jié)果是偏松的，對(duì)不易壓實(shí)的土石料，壓實(shí)干密度不易達(dá)到，而壓實(shí)結(jié)果是偏緊密的。這樣形成不均勻土石料在同一壓實(shí)條件下，緊密程度不同，容易發(fā)生不均勻變形，危及壩體安全。

鑒于上述情況，根據(jù)我國(guó)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)的相關(guān)規(guī)定，含礫和不含礫的黏性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，砂礫石和砂的填筑標(biāo)準(zhǔn)以相對(duì)密度作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，堆石的填筑標(biāo)準(zhǔn)以孔隙率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。其中，黏性土壓實(shí)度：

D=ρd/ρdmax

(3)

式中：D為壓實(shí)度，ρd為干密度；ρdmax為最大干密度。

壓實(shí)度D是干密度與最大干密度的比值，無(wú)量綱，反映土料壓實(shí)后相對(duì)緊密程度。其值大小是依據(jù)土石壩的規(guī)模、重要性、工程等級(jí)由規(guī)范確定，對(duì)具體工程而言，是一個(gè)固定值，代表該土石壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。ρd是土料壓實(shí)后測(cè)出的干密度，反映了壓實(shí)效果的指標(biāo)值。ρdmax是標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)條件下的最大干密度指標(biāo)，反映土料的壓實(shí)特性指標(biāo)值。即ρd和ρdmax為同一種土料在2種壓實(shí)條件下的2個(gè)密度指標(biāo)值。

按照式(3)關(guān)系，只要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得壓實(shí)后的干密度滿足式(4)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，則壓實(shí)合格，否則需要進(jìn)行補(bǔ)壓處理，直到滿足為止。

ρd≥ρdmax

(4)

El Marwa土石壩工程等別為III等，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，其黏性土壓實(shí)度D依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)可取值96%，前述土料場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)平均最大干密度ρdmax=1.91 g/cm3，平均最優(yōu)含水量ωop為11.97%，則主壩填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為ρd≥Dρdmax=96%×1.91=1.83 g/cm3。壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用壓實(shí)度作為控制指標(biāo)，可保證該土料性質(zhì)變化，適時(shí)調(diào)整最大干密度值，則壓實(shí)后測(cè)得的干密度值雖然不同，但達(dá)到同一壓實(shí)度反映出壓實(shí)后緊密程度是相同的。

4土料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)及碾壓試驗(yàn)

土石壩施工過程中對(duì)壩體土石料的分層填筑壓實(shí)，壓實(shí)效果用測(cè)得的干密度ρd反映。土料壓實(shí)后干密度的檢測(cè)方法主要有灌砂法、灌水法、環(huán)刀法、核子射線法等，前2種方法主要適用于礫類土，后2種方法主要使用與細(xì)粒土。

在土石壩正式填筑施工之前，必須進(jìn)行符合規(guī)范的碾壓試驗(yàn)，已核實(shí)填壩材料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的和理性，充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實(shí)機(jī)械等)和填筑效果(如土的密實(shí)度)的關(guān)系，確定達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)方法，包括選擇壓實(shí)機(jī)械類型和型號(hào)，確定相應(yīng)的碾壓參數(shù)(如壓實(shí)遍數(shù)、速度及鋪土層厚)，優(yōu)化施工工藝。

El Marwa土石壩碾壓試驗(yàn)在主壩A0+135～A0+235段開挖完畢、結(jié)合生產(chǎn)、經(jīng)過監(jiān)理驗(yàn)收的壩基填土區(qū)域上進(jìn)行，分場(chǎng)地選擇在占地面積3 480 m2。為確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地基礎(chǔ)平整、堅(jiān)實(shí)，在規(guī)劃的場(chǎng)地范圍內(nèi)對(duì)原基礎(chǔ)振壓6～8遍后，在其上鋪土(合格的填筑土料)20～30 cm找平，采用振動(dòng)碾靜壓2遍，振壓8遍，將這層作為基層，然后在其上進(jìn)行碾壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地分為I、II、III三個(gè)區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn)，依次分別鋪虛土厚度35 cm、40 cm、45 cm，并將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域，劃分為(1.5×1.5)m方格網(wǎng)，確定取樣點(diǎn)，測(cè)定取樣點(diǎn)高程。碾壓機(jī)械采用輪胎式壓路機(jī)(靜壓力11.5 t，振動(dòng)壓力18 t)，采用前進(jìn)-后退法先靜壓2遍，再以小于4 km/h的速度依次在三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域振動(dòng)碾壓6遍后取三組土樣，取樣深度均為挖除表層土約10 cm后再采用環(huán)刀法進(jìn)行干密度檢測(cè)。檢測(cè)完成后繼續(xù)在三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域振動(dòng)碾壓，每碾壓一遍取三組土樣，直到振動(dòng)碾壓達(dá)到8遍。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1，鋪土厚度不同時(shí)碾壓遍數(shù)與沉降量、壓實(shí)度及干密度的關(guān)系分別見圖2、圖3、圖4。

圖2　碾壓遍數(shù)-沉降量關(guān)系曲線

圖3　碾壓遍數(shù)-壓實(shí)度關(guān)系曲線

圖4　碾壓遍數(shù)-干密度關(guān)系曲線

從圖1中可以看出，鋪土厚度40 cm、45 cm，沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，鋪土厚度35 cm，碾壓遍數(shù)小于7遍時(shí)，隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，碾壓遍數(shù)大于7遍時(shí)，沉降量基本不變；從圖2中可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實(shí)度增大，當(dāng)碾壓遍數(shù)大于7遍時(shí)，壓實(shí)度增幅明顯減??；從圖3中可以看出，隨著碾壓遍數(shù)的增加，干密度逐漸增大，當(dāng)碾壓遍數(shù)大于7遍時(shí)，干密度的增幅明顯減小。綜合分析，建議碾壓時(shí)鋪土厚度為45 cm，碾壓遍數(shù)靜壓2遍，振動(dòng)碾壓7遍(一去一回為一遍)，碾壓機(jī)械為輪胎式振動(dòng)碾壓機(jī)(靜壓力11.5 t，振動(dòng)壓力18 t)。

表1　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5應(yīng)用中的矛盾及解決途徑

如上所述，應(yīng)用的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)中，壓實(shí)度對(duì)某一具體工程而言，為一具體常數(shù)，但它涉及的同一土石料的密實(shí)度指標(biāo)值ρd和ρdmax，是隨土石料性質(zhì)的不同而不同，都需要通過實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定。如黏性土，用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法測(cè)得壓實(shí)后的密實(shí)度，以反映壓實(shí)效果的密度指標(biāo)，同時(shí)需要對(duì)該土用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得其最大干密度值，以反映壓實(shí)特性的密度指標(biāo)，有了這2種試驗(yàn)資料，才能按式(5)做出質(zhì)量評(píng)價(jià)。

ρd/ρdmax≥D

(5)

為正確地做出質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得壓實(shí)干密度后，還需要對(duì)該土料采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得其最大干密度值，這就出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)工作量增大，時(shí)間、質(zhì)量的矛盾突顯，尤其是機(jī)械施工水平愈高，這一矛盾越突出。ρd和ρdmax必須是同一土料，否則會(huì)影響質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

為了解決上述時(shí)間、質(zhì)量矛盾，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，提出了一些有益的方法。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)證實(shí)，其中西樂夫(Hlif)兩點(diǎn)擊實(shí)法較好，擊實(shí)試驗(yàn)仍然是標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實(shí)法，該方法測(cè)含水率快速，原理合理，一般約2 h即可以出成果，時(shí)間上可以滿足要求，目前在國(guó)外較為流行，故很適合在此土石壩中使用。

已知最大濕密度：

ρωmax=ρdmax(1+ωop)

(6)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得濕密度：

ρω=ρd(1+ωf)

(7)

若式(6)除以(1+ωop)/(1+ωf)，得出換算最大濕密度：

(8)

將式(7)和式(8)相比：

(9)

可以看出式(9)和式(5)相同，即可獲得質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果：

(10)

(11)

式中：ρd為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后干密度；ρω為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后濕密度；ρdmax為最大干密度；ρωmax為最大濕密度；ωf為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)土含水量；ωop為最優(yōu)含水量；D為壓實(shí)度；ωop-ωf為最優(yōu)含水量與現(xiàn)場(chǎng)含水量之差。

采用該種辦法，不但解決了ρd、ρdmax是同一土料的密度指標(biāo)，又能較快地做出是否滿足壓實(shí)度、含水量與最優(yōu)含水量差值的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。

6結(jié)語(yǔ)

(1) 壓實(shí)度D是碾壓式土石壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，既體現(xiàn)了土石壩工程的規(guī)模、重要性、等級(jí)，又保證了壩體壓實(shí)緊密度的一致性、均勻性。

(2) 以壓實(shí)度D作為施工質(zhì)量控制的基礎(chǔ)，產(chǎn)生施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)：ρd/ρdmax≥D。

(3) 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中的ρd和ρdmax必須是同一土石料不同壓實(shí)條件下的密度指標(biāo)值，否則會(huì)影響質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。

(4) 采用西樂夫(Hlif)二點(diǎn)擊實(shí)法可以較好地解決時(shí)間、質(zhì)量的矛盾問題。

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[收稿日期]2016-02-01

[作者簡(jiǎn)介]何強(qiáng)強(qiáng)(1988-)，男，甘肅鎮(zhèn)原人，助理工程師，主要從事巖土工程勘察工作。

[中圖分類號(hào)]TV641.2+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0177-03