張正勇，包永俠，唐德勝

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

阿爾塔什水利樞紐工程地處昆侖山板塊的新疆葉爾羌河流域，惠及新疆南部的克州、喀什地區(qū)和和田地區(qū)，是國家172項(xiàng)重大水利工程，也是新疆最大的水利工程，由于工程在設(shè)計(jì)、施工等方面面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)專家稱為“新疆的三峽工程”。葉爾羌河流域位于新疆塔里木盆地西部，地處歐亞大陸腹地，因遠(yuǎn)離海洋，周圍又有高山阻隔，加上大沙漠的影響，流域內(nèi)呈典型的大陸性氣候，其主要特點(diǎn)是氣溫年變化較大，日溫差大，空氣干燥，日照長，蒸發(fā)強(qiáng)烈，降水量稀少。冬季天氣干燥寒冷，莎車地區(qū)12月平均氣溫為-3.9 ℃，極端惡劣天氣氣溫在-23.5 ℃。

阿爾塔什水利樞紐工程的大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂高程1 825.8 m，最大壩高164.8 m，壩頂寬12 m，壩長795 m，大壩合同填筑工程量達(dá)2 494 萬m3，其中堆石料1 033萬m3。上游主堆石區(qū)采用砂礫石料，壩坡坡度1∶1.7。下游采用爆破開采的堆石料以及邊坡、洞渣等石方開挖利用料，壩坡坡度1∶1.6。

堆石料料源自P1、P2 石料場(chǎng)爆破開采，設(shè)計(jì)級(jí)配要求為：最大粒徑dmax≤600 mm，小于5 mm含量<20%，小于0.075 mm含量<5%。設(shè)計(jì)孔隙率n≤19%，CU>25，連續(xù)級(jí)配。設(shè)計(jì)干容重γd=22.0 kN/m3。

2 料場(chǎng)巖石條件

P1爆破料場(chǎng)位于壩址上游左岸約1.7～2.5 km，料場(chǎng)儲(chǔ)量豐富，可開采儲(chǔ)量大于3 600萬m3。巖性為中下石炭統(tǒng)的中厚層灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀330°～350°SW∠71°，單層巖體厚0.2～0.5 m。但巖體裂隙發(fā)育，完整性差，爆破后塊徑多在30 cm 以下。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，料場(chǎng)巖石飽和抗壓強(qiáng)度23.3～69.2 MPa，軟化系數(shù)0.51～0.71，凍融質(zhì)量損失率0.07%～0.27%，密度為2.69～2.79 g/cm3，剝采比0.5%。

P2爆破料場(chǎng)位于壩址下游右岸，距上壩址約0.8～1.6 km，基巖裸露，巖性為薄層灰?guī)r，單層厚0.1～0.3 m，裂隙發(fā)育，巖體完整性差。表面強(qiáng)風(fēng)化層厚1.0～3.0 m，為無用層，有用層為弱～微風(fēng)化巖體。根據(jù)復(fù)勘試驗(yàn)結(jié)果，料場(chǎng)灰?guī)r和石英砂巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度均大于60 MPa，巖石堅(jiān)硬，各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足塊石料質(zhì)量要求，為有用層。但巖體中所夾頁巖飽和抗壓強(qiáng)度僅為4.5～7.2 MPa，且抗風(fēng)化能力弱，不能作為塊石料，為無用層，開采時(shí)需清除處理。料場(chǎng)順層開采有用層儲(chǔ)量大于760萬m3，滿足設(shè)計(jì)需用量，垂直層面開采無用層體積301.5萬m3，剝采比39.3%。

表2 不同試驗(yàn)級(jí)配配料參數(shù) %

3 試驗(yàn)方法

3.1 施工準(zhǔn)備

試驗(yàn)用料采用堆石料場(chǎng)開采的風(fēng)干爆破料，采用自卸車運(yùn)送至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)后，分別按照粒徑組600～400、400～200、200～100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、5～0.075 mm進(jìn)行人工篩分備料，篩料場(chǎng)地面積350 m2(長35 m、寬10 m)，各粒徑組分開堆放標(biāo)識(shí)，底部采用塑料薄膜隔離。

試驗(yàn)前用灌水法對(duì)密度桶進(jìn)行體積測(cè)定，數(shù)據(jù)精確至1 cm3。密度桶校驗(yàn)結(jié)果見表1。

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

試驗(yàn)布置5個(gè)密度桶(帶底無蓋鋼桶)，桶徑為試驗(yàn)料最大粒徑的3～5倍，本次試驗(yàn)密度桶直徑為1.8 m，深1 m。試驗(yàn)時(shí)首先在選定的密度桶埋設(shè)位置下挖25 m×5 m×1 m(長×寬×高)的布置槽；然后用選定的振動(dòng)碾按行駛速度(2.8±0.2)km/h振動(dòng)碾壓10遍后，在碾壓體表面鋪一層厚約5 cm的細(xì)砂，靜碾2遍后在預(yù)定位置安放密度桶；最后采用級(jí)配大致相同的試驗(yàn)料填充密度桶四周，并將其中心點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)標(biāo)示在試驗(yàn)場(chǎng)地外。

表1 原型級(jí)配密度桶體積校驗(yàn)結(jié)果

3.3 密度桶填裝

試驗(yàn)分別采用爆破料設(shè)計(jì)上包絡(luò)線、上平均包絡(luò)線、平均包絡(luò)線、下平均包絡(luò)線、下包絡(luò)線5種級(jí)配進(jìn)行。不同級(jí)配所對(duì)應(yīng)的P5含量分別為12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%。具體配料參數(shù)見表2。

3.4 最小干密度試驗(yàn)

最小干密度采用人工松填法進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)首先按級(jí)配要求將稱量好的不同粒徑爆破料混合均勻，然后將其均勻松填至密度桶中。裝填時(shí)將試樣輕放入密度桶中，防止沖擊和振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。裝填至低于桶口10cm左右時(shí)，采用灌水法測(cè)定料頂面至桶口的體積，利用式(1)計(jì)算出爆破料最小干密度。為確保試驗(yàn)成果準(zhǔn)確性需進(jìn)行平行試驗(yàn)，若2次試驗(yàn)干密度差值≤0.03 g/cm3，則取算術(shù)平均值作為最小干密度試驗(yàn)結(jié)果，否則需重新進(jìn)行試驗(yàn)。

(1)

式中，md為試樣質(zhì)量；Vt為密度桶體積；Vk為測(cè)定的灌水體積。

表3 碾壓后不同礫石含量顆粒級(jí)配統(tǒng)計(jì) %

3.5 最大干密度試驗(yàn)

在最小干密度試驗(yàn)完成后，繼續(xù)將試驗(yàn)料均勻松填至高出密度桶桶口約20 cm，然后采用巖性和級(jí)配大致相同的試驗(yàn)料找平密度桶四周至與試驗(yàn)料平齊，最后進(jìn)行振動(dòng)碾壓，碾壓設(shè)備選用YZ32Y2型自行式振動(dòng)平碾(工作質(zhì)量32 t，碾寬2.2 m，振動(dòng)頻率0～28 Hz，振幅1.83 mm，激振力為590 kN無級(jí)可調(diào))。將選定的振動(dòng)碾在場(chǎng)外按預(yù)定轉(zhuǎn)速、振幅和頻率啟動(dòng)，按行駛速度(2.8±0.2)km/h采用“進(jìn)退法”碾壓，碾壓遍數(shù)按“一進(jìn)一退”2遍計(jì)算，振動(dòng)碾壓26遍后，在每個(gè)密度桶范圍內(nèi)微動(dòng)進(jìn)退振動(dòng)碾壓15 min。在碾壓過程中，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)料及周邊料的沉降情況及時(shí)補(bǔ)充料源，使振動(dòng)碾不直接與密度桶接觸。碾壓完成后人工挖除桶上及桶周圍的試驗(yàn)料至低于桶口10 cm左右為止(不得擾動(dòng)下部試樣)，采用灌水法測(cè)定料頂面到桶口的體積。將桶內(nèi)試料全部挖出，稱量密度桶內(nèi)試樣質(zhì)量，并進(jìn)行顆粒分析和含水率試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)成果準(zhǔn)確性需進(jìn)行平行試驗(yàn)，若2次試驗(yàn)干密度差值≤0.03 g/cm3，則取算術(shù)平均值作為最大干密度試驗(yàn)結(jié)果，否則需重新進(jìn)行試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》，顆料級(jí)配分析試驗(yàn)采用篩析法，最大篩徑100 mm，對(duì)于粒徑>100 mm的土樣采用鋼制圓孔尺寸套環(huán)逐一測(cè)量其最寬處并記錄，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

對(duì)比分析碾壓前、后顆粒級(jí)配數(shù)據(jù)，碾壓后爆破料<5 mm含量變化幅度1.4%～6.0%，粒徑<0.075 mm含量變化幅度0.4%～0.9%。碾壓后粒徑<5 mm顆粒含量變化幅度較小，>5 mm顆粒含量變化幅度較大，尤其是10～60 mm、200～600 mm顆粒之間的破碎率較大。碾壓后爆破料顆粒級(jí)配向設(shè)計(jì)下包絡(luò)線偏移，但不同礫石含量級(jí)配曲線變化存在差異。設(shè)計(jì)上包絡(luò)線、上平均包絡(luò)線顆粒級(jí)配曲線變化較大；設(shè)計(jì)下包絡(luò)線、下平均包絡(luò)線顆粒級(jí)配曲線變化較小。

碾壓后堆石料表面出現(xiàn)壓碎層，其影響深度8～15 cm，平均為11.4 cm，不同級(jí)配壓碎層深度數(shù)值見表4。

表4 壓碎層影響深度統(tǒng)計(jì)

不同包絡(luò)線下最大、最小干密度成果見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明，爆破料在P5含量約14%時(shí)干密度達(dá)到最大為2.35 g/cm3，對(duì)應(yīng)的孔隙率最小為13.6%。當(dāng)爆破料P5含量在14%～20%時(shí)，最大干密度隨P5含量的增加而減小，所對(duì)應(yīng)的孔隙率隨之增大。

表5 最小、最大干密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 堆石料相對(duì)密度評(píng)價(jià)

分別利用現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)成果對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)填筑施工檢測(cè)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)要求孔隙率≤19%的堆石料對(duì)應(yīng)的干密度為2.202 g/cm3，相對(duì)密度如表6所示，與參考文獻(xiàn)[5]的研究成果接近。說明堆石料填筑施工盡管孔隙率小，但其相對(duì)密度數(shù)值仍有提升的空間。

阿爾塔什水利樞紐工程截至2017年底，完成大壩堆石料填筑594.58萬m3，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)163組，統(tǒng)計(jì)平均P5含量14.3%，填筑干密度平均2.23 g/cm3，孔隙率平均18.0%，相對(duì)密度0.72。

表6 不同P5含量下設(shè)計(jì)孔隙率與相對(duì)密度分析結(jié)果

6 結(jié) 語

阿爾塔什水利樞紐工程大壩堆石料細(xì)料設(shè)計(jì)指標(biāo)細(xì)料要求含量高(12%～20%)，巖石塊體強(qiáng)度較低(23.3～69.2 MPa)，軟化系數(shù)低(0.51～0.71)等特殊性是其相對(duì)密度試驗(yàn)根據(jù)NB/T 35016—2013《土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程》取得成功的主要原因。堆石料一般情況下設(shè)計(jì)要求細(xì)料為5%～10%，飽和抗壓強(qiáng)度>45 MPa，軟化系數(shù)>0.80，根據(jù)NB/T 35016—2013，試驗(yàn)時(shí)最小干密度數(shù)值可以取得真實(shí)數(shù)值，類似工程經(jīng)驗(yàn)最大干密度數(shù)值一般會(huì)失真偏小?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)說明阿爾塔什大壩堆石料相對(duì)密度設(shè)計(jì)指標(biāo)是合理的，碾壓設(shè)備的施工能力能夠滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)施工檢測(cè)數(shù)據(jù)合理，工程施工質(zhì)量滿足要求。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[2] SL 237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[3] 曾源. 砂礫料原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)在工程中的應(yīng)用[J]. 陜西水利, 2015(2)： 153- 155．

[4] 張延億, 汪小剛, 鄧剛, 等. 級(jí)配縮尺對(duì)堆石壓縮特性影響試驗(yàn)研究[J]. 水利水電技術(shù), 2017, 48(7)： 116- 122．

[5] 朱晟. 粗粒筑壩材料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J]. 水力發(fā)電, 2011, 37(12)： 22- 26, 30．