何強強，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

何強強，王亞明

(華北有色工程勘察院有限公司，河北 石家莊 050021)

[摘要]土石壩壓實質(zhì)量控制是土石壩施工中的重點問題。從土的壓實機理出發(fā)，選取正確的壓實標準，通過擊實、碾壓試驗，確定壓實度和最大干密度及碾壓參數(shù)，經(jīng)對現(xiàn)場壓實質(zhì)量實時檢測，依據(jù)施工質(zhì)量評價標準，控制壓實質(zhì)量。以蘇丹El Marwa碾壓土石壩填筑施工為例，對土石壩壓實質(zhì)量控制中的步驟和存在的問題進行分析。正確地應(yīng)用壓實標準，合理操作試驗規(guī)程，分析試驗結(jié)果，確保工程質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]碾壓式土石壩；壓實質(zhì)量

土石壩工程，施工簡便、就地取材、料源豐富、地質(zhì)條件要求低、造價便宜、因其諸多優(yōu)勢，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)鍵工序均是對壩體土石料的分層填筑壓實效果的控制。本文以蘇丹共和國El Marwa碾壓式均質(zhì)土石壩填筑施工為例，對土石壩壓實質(zhì)量控制中需要注意的問題進行了簡要論述分析。

1工程概況

蘇丹共和國位于非洲紅海沿岸、撒哈拉沙漠東端。政府計劃在全國范圍內(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?shù)卣藿ǖ耐潦瘔闻f址，舊土石壩由于當時設(shè)計不合理、施工質(zhì)量控制不到位，導(dǎo)致壩體左側(cè)在當年雨季中被沖毀。為了解決當?shù)仫嬎畣栴}，政府決定重建此壩。

El Marwa水庫設(shè)計總庫容為3 142萬 m3，按《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(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，次要建筑物為4級。擬建大壩壩高12 m，壩長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土的壓實機理及壓實質(zhì)量的影響因素

土的壓實是指土體在壓實能量作用下產(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。將土的壓實機理應(yīng)用到碾壓式土石壩的設(shè)計和施工中，可知道影響土料壓實效果的因素主要有：含水率、擊實功能、土的種類和級配以及粗粒含量等。土料壓實效果的控制應(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，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，與它對應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。

2.2擊實功能的影響

實驗室內(nèi)擊實功能用擊數(shù)反映。同一種土料在不同含水率下分別用不同擊數(shù)進行擊數(shù)進行擊實試驗，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，僅靠增加擊實功能來提高土的最大干密度是有限度的。

2.3土類和級配的影響

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

2.4粗粒含量的影響

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

(1)

校正后最有含水率：

(2)

El Marwa土石壩的土料場為黏性土，依據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237-1999)采用標準輕型擊實試驗，依據(jù)土工試驗結(jié)果，土料場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)對料場進行適時檢測，測定其干密度、含水量是否發(fā)生變化，發(fā)生變化時應(yīng)及時調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。

3土的壓實標準及有關(guān)指標

當填筑的土石料較為均勻時，性質(zhì)比較穩(wěn)定，在同一壓實條件下干密度接近常數(shù)值，這時可用某一干密度作為設(shè)計和施工質(zhì)量控制標準。但實際的天然土石料，即使是同一料場，往往土顆粒組成、礦化成分、成因不同，其性質(zhì)是不均勻的，在同一壓實條件下，干密度指標不同。若繼續(xù)用某一干密度作為設(shè)計和施工質(zhì)量控制標準，必然出現(xiàn)對易于壓實的土石料壓實后的干密度容易達到，而壓實結(jié)果是偏松的，對不易壓實的土石料，壓實干密度不易達到，而壓實結(jié)果是偏緊密的。這樣形成不均勻土石料在同一壓實條件下，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《碾壓式土石壩設(shè)計規(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準應(yīng)以壓實度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計控制指標，砂礫石和砂的填筑標準以相對密度作為設(shè)計控制指標，堆石的填筑標準以孔隙率作為設(shè)計控制指標。其中，黏性土壓實度：

D=ρd/ρdmax

(3)

式中：D為壓實度，ρd為干密度；ρdmax為最大干密度。

壓實度D是干密度與最大干密度的比值，無量綱，反映土料壓實后相對緊密程度。其值大小是依據(jù)土石壩的規(guī)模、重要性、工程等級由規(guī)范確定，對具體工程而言，是一個固定值，代表該土石壩的設(shè)計標準。ρd是土料壓實后測出的干密度，反映了壓實效果的指標值。ρdmax是標準擊實條件下的最大干密度指標，反映土料的壓實特性指標值。即ρd和ρdmax為同一種土料在2種壓實條件下的2個密度指標值。

按照式(3)關(guān)系，只要現(xiàn)場測得壓實后的干密度滿足式(4)的質(zhì)量控制標準，則壓實合格，否則需要進行補壓處理，直到滿足為止。

ρd≥ρdmax

(4)

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

4土料現(xiàn)場壓實質(zhì)量檢測及碾壓試驗

土石壩施工過程中對壩體土石料的分層填筑壓實，壓實效果用測得的干密度ρd反映。土料壓實后干密度的檢測方法主要有灌砂法、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粒土。

在土石壩正式填筑施工之前，必須進行符合規(guī)范的碾壓試驗，已核實填壩材料設(shè)計填筑標準的和理性，充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實機械等)和填筑效果(如土的密實度)的關(guān)系，確定達到設(shè)計填筑標準的壓實方法，包括選擇壓實機械類型和型號，確定相應(yīng)的碾壓參數(shù)(如壓實遍數(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)理驗收的壩基填土區(qū)域上進行，分場地選擇在占地面積3 480 m2。為確保實驗場地基礎(chǔ)平整、堅實，在規(guī)劃的場地范圍內(nèi)對原基礎(chǔ)振壓6～8遍后，在其上鋪土(合格的填筑土料)20～30 cm找平，采用振動碾靜壓2遍，振壓8遍，將這層作為基層，然后在其上進行碾壓實驗。實驗場地分為I、II、III三個區(qū)域進行試驗，依次分別鋪虛土厚度35 cm、40 cm、45 cm，并將每一個實驗區(qū)域，劃分為(1.5×1.5)m方格網(wǎng)，確定取樣點，測定取樣點高程。碾壓機械采用輪胎式壓路機(靜壓力11.5 t，振動壓力18 t)，采用前進-后退法先靜壓2遍，再以小于4 km/h的速度依次在三個試驗區(qū)域振動碾壓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)刀法進行干密度檢測。檢測完成后繼續(xù)在三個試驗區(qū)域振動碾壓，每碾壓一遍取三組土樣，直到振動碾壓達到8遍。檢測數(shù)據(jù)見表1，鋪土厚度不同時碾壓遍數(shù)與沉降量、壓實度及干密度的關(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，隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，碾壓遍數(shù)大于7遍時，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，壓實度增大，當碾壓遍數(shù)大于7遍時，壓實度增幅明顯減小；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，當碾壓遍數(shù)大于7遍時，干密度的增幅明顯減小。綜合分析，建議碾壓時鋪土厚度為45 cm，碾壓遍數(shù)靜壓2遍，振動碾壓7遍(一去一回為一遍)，碾壓機械為輪胎式振動碾壓機(靜壓力11.5 t，振動壓力18 t)。

表1　現(xiàn)場試驗檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

5應(yīng)用中的矛盾及解決途徑

如上所述，應(yīng)用的壓實標準中，壓實度對某一具體工程而言，為一具體常數(shù)，但它涉及的同一土石料的密實度指標值ρd和ρdmax，是隨土石料性質(zhì)的不同而不同，都需要通過實際試驗測定。如黏性土，用現(xiàn)場試驗方法測得壓實后的密實度，以反映壓實效果的密度指標，同時需要對該土用標準試驗方法測得其最大干密度值，以反映壓實特性的密度指標，有了這2種試驗資料，才能按式(5)做出質(zhì)量評價。

ρd/ρdmax≥D

(5)

為正確地做出質(zhì)量評價結(jié)果，在現(xiàn)場測得壓實干密度后，還需要對該土料采用標準試驗方法測得其最大干密度值，這就出現(xiàn)了實驗工作量增大，時間、質(zhì)量的矛盾突顯，尤其是機械施工水平愈高，這一矛盾越突出。ρd和ρdmax必須是同一土料，否則會影響質(zhì)量評價結(jié)果的可靠性。

為了解決上述時間、質(zhì)量矛盾，許多學(xué)者進行了研究，提出了一些有益的方法。經(jīng)實踐檢驗證實，其中西樂夫(Hlif)兩點擊實法較好，擊實試驗仍然是標準普氏擊實法，該方法測含水率快速，原理合理，一般約2 h即可以出成果，時間上可以滿足要求，目前在國外較為流行，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)場測得濕密度：

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)量評價結(jié)果：

(10)

(11)

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

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

6結(jié)語

(1) 壓實度D是碾壓式土石壩的設(shè)計標準，既體現(xiàn)了土石壩工程的規(guī)模、重要性、等級，又保證了壩體壓實緊密度的一致性、均勻性。

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

(3) 施工質(zhì)量控制標準中的ρd和ρdmax必須是同一土石料不同壓實條件下的密度指標值，否則會影響質(zhì)量評價結(jié)果的可靠性。

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

參考文獻

[1]王伯樂.中國當代土石壩工程[M].中國水利水電出版社.2004.9.

[2]華北有色工程勘察院有限公司.蘇丹El Marwa土石壩碾壓試驗報告[R].2013.

[3]SL274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].

[4]SL237-1999.土工試驗規(guī)程[S].

[5]DL/T5129-2001.碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].

[6]高大釗.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1998.

[7]徐順嶺.現(xiàn)場干密度推算最大干密度方法的研究[D].湖南大學(xué).2002.

[收稿日期]2016-02-01

[作者簡介]何強強(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]TV641.2+1

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)03-0177-03