田中濤，江萬紅，車維斌

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 引 言

目前，我國已建、在建的超高心墻堆石壩水電工程中，糯扎渡、長河壩已經(jīng)建成，兩河口正在進(jìn)行大壩填筑，雙江口尚未進(jìn)行主體工程施工。超高心墻堆石壩壩高一般大于200 m，技術(shù)難度大，我國在建高土石壩已完成200 m向300 m的跨越。就超高心墻堆石壩核心技術(shù)——礫石土的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)而言，盡管瀑布溝、糯扎渡、長河壩、兩河口等水電工程取得了一定的工程實踐經(jīng)驗，但因需要專題研究的技術(shù)問題多，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范無法有效涵蓋，尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與方法。

礫石土作為心墻防滲料，糯扎渡、兩河口、雙江口工程為人工摻和礫石土料，長河壩工程為人工剔除大于150 mm天然礫石土料，礫石土最大粒徑一般為120～150 mm。由于施工設(shè)備與工作量的限制，常規(guī)的三點擊實法[1]無法快速有效地進(jìn)行施工質(zhì)量檢測。因此，礫石土心墻料的檢測方法與標(biāo)準(zhǔn)是超高心墻土石壩的技術(shù)難題與核心技術(shù)問題，工程技術(shù)人員一直試圖從礫石土心墻料全、細(xì)料壓實度關(guān)系找到理論依據(jù)與突破口，以期科學(xué)解決這一問題。

DL/T 5129—2013《碾壓式土石壩施工規(guī)范》[2]推薦的礫石土施工質(zhì)量檢測方法為三點擊實法和碎(礫)石土最大干密度擬合法。三點擊實法是能適應(yīng)復(fù)雜土料填筑質(zhì)量的快速檢測方法，點對點實測，可針對性地反映現(xiàn)場實際情況，但受限于最大粒徑要求和試驗儀器的制約，且只能夠反映測量點的情況，在宏觀上無法對料源做評價。最大干密度擬合法源自設(shè)計研究階段，采用試驗得到的最大干密度與礫石含量關(guān)系曲線，通過現(xiàn)場試坑法取樣，實測干密度、礫石含量等，比擬最大干密度曲線計算壓實度的試驗檢測方法，可在總體把握料源的前提下做出評判。

目前，國內(nèi)超高土石壩都是在基礎(chǔ)研究上提出各自的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不同工程不盡一致，但都嚴(yán)格遵循于現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。自瀑布溝工程始，行業(yè)內(nèi)就對礫石土料的檢測方法與評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了深入的研究，目前這一研究仍在進(jìn)行中。本文總結(jié)和分析近年來在建、已建的高、超高心墻堆石壩礫石土料的研究成果，提出了礫石土料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，為在建和擬建的超高堆石壩礫石土料的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

表1 國內(nèi)已建、在建工程全料、細(xì)料壓實度關(guān)系 %

注：P5、P20分別為粒徑大于5、20 mm顆粒含量；瀑布溝、長河壩采用P5細(xì)料標(biāo)準(zhǔn)，糯扎渡、兩河口采用P20細(xì)料標(biāo)準(zhǔn)；全料擊實能為2 688 kJ/m3，細(xì)料為592 kJ/m3。

表2 細(xì)料與全料壓實度驗證結(jié)果

1 全料壓實度與細(xì)料壓實度關(guān)系

1.1 理論計算

對國內(nèi)已建、在建高心墻土石壩工程的全料、細(xì)料壓實度關(guān)系進(jìn)行理論計算，計算成果見表1。

從表1可知：①全料壓實度與細(xì)料壓實度之間存在相關(guān)性，相同的細(xì)料含量下，全料壓實度越高，細(xì)料壓實度越大；相同的全料壓實度下，礫石含量越高，細(xì)料壓實度越小。②土料的性質(zhì)不同，其全料壓實度與細(xì)料壓實度間關(guān)系也不同，不易壓實的土料需要提高全料壓實度來保證細(xì)料壓實度，如長河壩工程中的偏細(xì)料和兩河口蘋果園土料。③理論分析表明，近年來建設(shè)的超高心墻壩礫石土全料與細(xì)料的標(biāo)準(zhǔn)之間總體上遵循了全料壓實度如滿足要求，則細(xì)料壓實度也可滿足要求這一規(guī)律，體現(xiàn)了以細(xì)料為控制首要因素的超高礫石土心墻壩壓實度控制的基本原則。

1.2 施工驗證

為驗證現(xiàn)場施工實際碾壓效果對細(xì)料的壓實與室內(nèi)擊實理論計算關(guān)系的接近程度，分別在長河壩、兩河口工程碾壓試驗階段和填筑期間進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果見表2。近年來，國內(nèi)建設(shè)工程相關(guān)統(tǒng)計資料見表3。

表3 細(xì)料壓實度與理論計算值 %

從表2、3可以看出，施工現(xiàn)場碾壓作業(yè)方式對礫石土料壓實效果達(dá)不到室內(nèi)擊實效果。這種差異主要是由于碾壓設(shè)備壓實功能、礫石土料的填筑分層、做功方式等差異性引起的。除了增大全料壓實度外，需要深入研究在全料壓實度相同的情況下，增加細(xì)料的壓實度的碾壓作業(yè)方式及其經(jīng)濟(jì)性。

2 細(xì)料控制標(biāo)準(zhǔn)

研究成果表明，細(xì)料100%的壓實度是可以達(dá)到的。但根據(jù)目前行業(yè)現(xiàn)狀，細(xì)料現(xiàn)場檢測有以5 mm和20 mm這2種粒徑作為控制標(biāo)準(zhǔn)。我國傳統(tǒng)的土石壩是以5 mm作為細(xì)料控制粒徑[3]，而考慮試驗工作難易程度，糯扎渡工程以20 mm作為細(xì)料控制粒徑[4]。根據(jù)GB/T 50145—2007，5 mm和20 mm粒徑都屬于礫石類，5 mm屬于細(xì)礫，20 mm為中礫。這兩者之間關(guān)系如何，哪個作為標(biāo)準(zhǔn)更有利保證質(zhì)量，需要深入分析研究。

2.1 試驗研究

楊凌云等針對兩河口工程亞中土料場，對不同P5含量下的5、20 mm粒徑在不同壓實度下的數(shù)值進(jìn)行了理論和實測研究，主要成果見表4。從表4可以看出，小于20 mm的細(xì)料壓實度數(shù)值上均大于小于5 mm的細(xì)料壓實度，理論分析數(shù)值差異為1%～4%；在全料100%壓實度時，一般情況下，細(xì)料理論推求數(shù)值大于實測數(shù)值，差值小于1%，一般情況下小于0.5%。對比研究表明，理論分析值與實測值的相關(guān)性較好。楊凌云等的研究是在同一條件下進(jìn)行的，由于施工現(xiàn)場碾壓機(jī)具的壓實功與擊實標(biāo)準(zhǔn)間的差異，理論推求數(shù)值大于實測數(shù)值，且這種差值還會增大。同時，現(xiàn)場壓實度的檢測方法一般采用現(xiàn)場三點擊實法快速檢測[5]，會造成這種關(guān)系的不確定性。

2.2 碾壓試驗驗證

在不同P5含量的全料相同狀態(tài)下，分別在長河壩、兩河口工程進(jìn)行了5、20 mm細(xì)料現(xiàn)場實測研究。按不同全料壓實度下，對5、20 mm細(xì)料進(jìn)行統(tǒng)計，長河壩工程細(xì)料壓實度成果見表5。從表5可以看出，無論是灌水法還是三點擊實法，細(xì)料相同、全料壓實度下，粒徑小于20 mm壓實度比粒徑小于5 mm壓實度數(shù)值大。采用灌水法時，大1%～2%，平均1.47%；采用現(xiàn)場三點擊實法時，大1%～4%，平均1.98%[6]。

表4 兩河口工程亞中土料現(xiàn)場擊實成果

注：表中細(xì)料壓實度正體數(shù)值為實測數(shù)據(jù)，斜體為理論推求值。

表5 長河壩工程偏細(xì)土料壓實度成果

兩河口工程在完成750組全料、細(xì)料對比后，現(xiàn)場開始以細(xì)料為主進(jìn)行檢測，根據(jù)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)料實測壓實度差值統(tǒng)計(見表6)。從表6可知，在現(xiàn)場225組數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)41%左右的P5大于P20的概率，但平均偏大數(shù)值為0.54%，兩者相等為8%，而出現(xiàn)P20大于P5的概率為51%，P5和P20的數(shù)據(jù)統(tǒng)計差值根據(jù)理論計算在相當(dāng)條件下為1.54，比較接近現(xiàn)場實測統(tǒng)計值1.244。分析原因，三點擊實法本身存在誤差，隨機(jī)性大，但總體上反映的趨勢仍為P5小于P20。

表6 兩河口工程細(xì)料壓實度

表7 32 t凸塊碾碾壓遍數(shù)與全料、細(xì)料壓實度

表8 國內(nèi)高土石壩礫石土心墻料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)理論值與工程檢測值對比

注：全料為重型擊實標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)料為標(biāo)準(zhǔn)普氏標(biāo)準(zhǔn)；部分?jǐn)?shù)據(jù)為理論推求值。

3 設(shè)備對壓實度影響研究

為研究不同噸位的碾壓設(shè)備作用效果，在長河壩工程中，與廠家研制32 t凸塊碾進(jìn)行試驗，試驗成果見表7。從表7可知，32 t重型碾確實可以增加全料、細(xì)料的壓實效果，但由于其對礫石土壓實破碎效果比26 t碾好[7]，但經(jīng)進(jìn)一步分析，在超高礫石土心墻壩中不推薦采取如此大噸位的壓實設(shè)備，26 t碾可以滿足施工建設(shè)需要。通過計算，32 t重型碾加大了礫石土破碎的2%～3%，這種破碎率的增加可以直接以P5減小表示，從而從數(shù)值上導(dǎo)致最大干密度減小，引起全料壓實度虛增1%左右。同時，這種超大的破碎率比例(比26 t碾增大2～3倍)會導(dǎo)致土料性質(zhì)的改變。因此，選擇25～26 t凸塊碾可以滿足現(xiàn)階段條件下超高礫石土心墻壩建設(shè)的要求，在300 m級超級工程中使用32 t凸塊碾需進(jìn)一步研究。

4 超高壩礫石土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)統(tǒng)計資料，國內(nèi)超高壩心墻礫石土料設(shè)計全料壓實度指標(biāo)一般比實際施工能夠達(dá)到的能力小2%左右，細(xì)料小1%～2%，這表明目前的壓實能力能夠滿足要求，超高心墻壩的心墻壓實指標(biāo)還可以提高。從上述的研究結(jié)果可以看出，細(xì)料的壓實度仍是土料壓實質(zhì)量控制的關(guān)鍵，無改性天然土和級配均勻性差的土不容易壓實。國內(nèi)高土石壩工程礫石土心墻料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)理論值與工程檢測對比見表8。

綜上，超高壩細(xì)料100%的壓實度是質(zhì)量保證的需要，且與現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)取高值情況一致，也真正滿足超高壩質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。超高壩細(xì)料以5 mm作為控制標(biāo)準(zhǔn)更有利于保證質(zhì)量，且與現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)一致，建議5 mm作為超高壩細(xì)料控制標(biāo)準(zhǔn)。全料控制標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)理論計算和工程驗證控制標(biāo)準(zhǔn)為：人工摻和料壓實度為98%，細(xì)料不易壓實的天然礫石土料為99%，特殊情況下經(jīng)研究可在1%范圍內(nèi)調(diào)整(增大或者減小)。工程實踐證明，超高礫石土心墻壩礫石土細(xì)料達(dá)到100%的壓實度是完全可行的，細(xì)料標(biāo)準(zhǔn)5 mm相對于20 mm嚴(yán)格，全料壓實度在特殊情況下可在1%范圍內(nèi)調(diào)整(增大或者減小)。

5 結(jié) 語

目前，國內(nèi)在建、已建的超高礫石土心墻堆石壩工程非常重視工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，施工檢測質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)均超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，表明目前設(shè)備能力滿足需要，且施工過程一直都貫徹高標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量目標(biāo)要求。雙江口工程壩高312 m，是300 m級超高礫石土心墻壩最具代表性的工程。工程礫石土心墻料采用摻和料加工工藝生產(chǎn)。經(jīng)研究分析，其設(shè)計指標(biāo)為全料≥98%，細(xì)料(≤5 mm)≥100%是合適的，與本文分析結(jié)果一致。但如果出現(xiàn)所摻配的土料細(xì)料級配不均勻，則全料壓實度可能需要提高1%，達(dá)到99%，以保證細(xì)料100%壓實。

[1] 郭慶國, 蔡長治. 土石壩建設(shè)實用技術(shù)研究及應(yīng)用[M]. 鄭州： 黃河水利出版社, 2004. 10．

[2] DL/T 5129—2013 碾壓式土石壩施工規(guī)范[S]．

[3] DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S]．

[4] 張宗亮. 200 m級以上高心墻堆石壩關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2011．

[5] 周先運, 姚亞軍, 郭敏敏, 等. 糯扎渡水電站心墻摻礫土料壓實度快速檢測方法探究[J]. 中國科技信息, 2012(8)： 70, 72．

[6] 陳江, 李朝政, 李偉. 基于三點擊實法的壓實度評估方法[J]. 巖土工程技術(shù), 2011, 25(3)： 109- 112．

[7] 羅文廣. 礫石土料碾壓設(shè)備適應(yīng)性研究分析[J]. 四川水力發(fā)電, 2013, 32(5)： 101- 102．