楊青杰，段媛媛，李陸明，張兆省，皇甫澤華

（1.河南科光工程建設監(jiān)理有限公司，河南 鄭州 450003；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038；3.河南省水利科學研究院，河南 鄭州 450003；4.河南省前坪水庫建設管理局，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

河南省前坪水庫是國家重點建設的172項水利工程之一，位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、洛陽市汝陽縣城以西9 km的前坪村。水庫以防洪為主，結合灌溉、供水，并兼顧發(fā)電，總庫容5.84億m3，控制流域面積1325 km2，為大（2）型水庫。主壩采用黏土心墻砂礫（卵）石壩，最大壩高90.3 m。壩殼料設計為天然級配砂礫（卵）石料，砂礫料填筑方量為1300萬m3。但由于當地人工采砂較普遍，導致原規(guī)劃料料場上層砂礫（卵）石料細顆粒缺失，改變了料場砂礫（卵）石料天然級配曲線、物理力學參數、開采條件等，產生了約700萬m3的采砂擾動砂礫料。

對于采砂擾動料，原料場設計包線、開采條件、壩的填筑控制標準和碾壓施工參數均發(fā)生變化。開展筑壩質量控制工作時，如何針對這種人工采砂條件下的采砂擾動砂礫料，開展有效的質量控制工作，是值得探討的問題［1］。本文依據相關規(guī)范［2］、設計技術參數，重點從壩料級配控制和壓實質量控制兩個方面較系統(tǒng)的對采砂擾動砂礫料筑壩質量控制進行探討，可供類似工程質量控制參考使用。

2 料場的級配特點

2012年可研勘察時，對西溝-鴨蘭溝、前坪-上店、上店-汝河橋3個砂礫料場（包括13個砂礫料區(qū)）進行了詳查精度的地質勘察，查明砂礫料儲量共計1404萬m3，滿足工程需要。但由于河道常年采砂，尤其是2015年6月份以后，河槽采砂尤為嚴重。河槽內采砂場多數采用篩選和破碎兩種方式開采，篩選開采主要對料場內砂礫料中細粒組進行，破碎方式開采則對整個料區(qū)進行了開挖。因為大規(guī)模的采砂活動，造成砂礫料場原級配料儲量大幅減少，對工程用料產生嚴重影響。這種背景下，勘察單位2016年3月份又對原規(guī)劃料場進行了復核，共布置勘探點79個，主要查明人工擾動料分布范圍及深度，每個勘探點均進行了現場顆分試驗，料場篩分級配見圖1所示。

圖1 料場級配

由篩分結果可知，人工開采擾動后部分料粒徑級配曲線坡度較陡，甚至出現水平段，呈現缺少細粒組現象，近半數為級配不良砂礫料，且離散性較大。尤其是上游部分砂礫料場與下游砂礫料場大部分區(qū)域的人工擾動料顆粒較粗，一般為4 cm以上，缺失細顆粒粒徑組。

3 采砂擾動砂礫料筑壩質量控制

根據前坪水庫料場砂礫料的級配特點，筑壩質量控制重點從壩料質量控制和碾壓質量控制兩方面進行。在料場開采環(huán)節(jié)，采用合適的開采工藝，嚴格控制級配指標。在上壩碾壓環(huán)節(jié)，對攤鋪工藝和碾壓施工工藝及碾壓參數進行控制，并依照規(guī)范對碾壓層進行干密度檢測，對壓實效果進行評估。

3.1壩料質量控制對于上壩砂礫料，按圖2所示的級配包線進行控制，保證上壩砂礫料級配在圖2所示的級配包線范圍之內。在開采壩料時，首先要確保開采區(qū)域在勘察單位提供的料場復核及開采區(qū)域內［3-5］。對于各開采區(qū)域，在開采施工前進行料場級配復核，確定開采區(qū)域內天然級配料及人工擾動料的部位，做好現場開采規(guī)劃。開采過程中現場質量控制人員加強對料場的動態(tài)控制，開采時首先使用推土機及挖掘機清除料場表層的雜物，再按照料場規(guī)劃要求統(tǒng)一堆放在規(guī)定的位置，并注意開采區(qū)域泥土夾層的清理［6-8］。

圖2 原設計級配包線與料場

天然級配料的開采采用立面混合方式，以利于各料層摻混，使開采料能達到較合理的級配［8-9］。人工擾動料采用平鋪立采或混合開采的方式，以保證不同粒組含量比例合理。開采過程中部分擾動料含砂量過少，采用粗、細砂礫料混合裝車，現場卸料過后再進行混摻，以保證砂礫料級配合理。對于超徑顆?；蛏暗[料大粒徑過于集中問題，在裝運過程中利用挖掘機進行排除或調整處理。

總的來說，在料場的開采過程中，經過現場質量控制人員的全過程監(jiān)控，砂礫料開采質量基本能滿足設計級配要求，對于不符合設計要求的砂礫料，及時采取了處理措施。

3.2壓實質量控制壓實質量控制主要包含施工工藝及碾壓參數控制和壓實檢測結果控制兩個環(huán)節(jié)［10］。施工工藝和碾壓參數控制以現場碾壓試驗得到的碾壓參數及建議的碾壓工藝為依據，壓實檢測控制則以設計填筑標準為依據。在正式上壩碾壓之前，首先對計劃上壩砂礫料進行現場碾壓試驗和相對密度試驗。通過現場碾壓試驗確定的碾壓施工參數為：鋪料厚度為80 cm，并按照體積控制灑水10%飽和，用26 t自行式振動碾，開強震檔，控制行車速度在3 km/h以內。通過相對密度試驗確定相應料場級配包線范圍內不同含礫量級配對應的最大、最小干密度，并進一步確定設計填筑標準對應的施工質量控制干密度。為了能更好的反映施工現場實際情況，在現場采用大型密度桶法確定了砂礫料的最大、最小干密度，據此給出了設計壓實標準相對密度為0.8（原設計壓實標準相對密度為0.75）時的施工質量控制干密度，見表1和圖3所示。

表1 不同含礫量砂礫料筑壩質量控制干密度 （單位：g/cm3）

圖3 筑壩質量控制干密度與含礫量關系

（1）碾壓施工工藝及碾壓參數控制。碾壓施工工藝和碾壓參數控制主要涉及兩個方面的內容，一是在卸料和攤鋪過程中發(fā)生粗、細分離時采取處理措施，避免由于粗、細分離而造成碾壓不合格的情況出現。二是確保碾壓參數能夠完全落實，包括鋪料厚度、振動碾噸位、行駛速度、振動強度，碾壓遍數和搭接寬度等?，F場碾壓試驗表明，砂礫料壓實效果受含水狀態(tài)影響很大，灑水與不灑水相比，灑水對保證壓實效果的作用非常明顯。因此，在砂礫料碾壓施工中，按照施工碾壓工藝建議的10%的體積含水率進行充分灑水，保證灑水量和灑水的均勻性十分重要。

大壩施工碾壓過程的控制，是整個大壩建設管理的難題。采用常規(guī)的大壩碾壓施工現場管理模式，很難保證大壩施工嚴格按照推薦的碾壓參數和碾壓工藝進行，容易發(fā)生錯碾、漏碾等問題，相應的難以保證大壩填筑質量［11-14］。隨著高精度衛(wèi)星定位技術、物聯網、云計算及大數據技術的發(fā)展，結合土石壩結構設計和填筑施工組織設計特點，采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行大壩填筑施工管理，確保嚴格按照推薦的碾壓參數和碾壓工藝進行大壩填筑碾壓施工，對保證大壩填筑質量十分關鍵［15-17］。在施工過程中，通過實時監(jiān)控系統(tǒng)，將碾壓機械的施工坐標點、碾壓軌跡、碾壓遍數、碾壓速度、碾壓振動頻率、鋪料厚度以及壩料實時壓實特征，傳輸到計算機終端以圖形的方式展示給工程建設管理人員，為大壩填筑施工管理、施工質量控制以及施工現場的動態(tài)調度提供了重要的技術手段。

（2）壓實質量檢測及評估。壩面碾壓之后，對碾壓層進行試坑開挖，采用灌水法檢測碾壓層干密度。由于直接測得的指標是開挖砂礫料的質量、灌水的體積以及砂礫料的含水率，干密度是間接換算得到的參數，其準確性受直接測試指標的影響，尤其是灌水測量體積時最容易引入試驗誤差?，F場干密度檢測采用的鋼環(huán)直徑為150 m、高度為20 cm。試坑開挖點選擇相對平整的區(qū)域，檢測過程中保證剛環(huán)固定。試坑開挖直徑不小于設計級配最大粒徑的3～5倍，開挖深度與碾壓層厚度相當。前坪水庫設計級配最大粒徑為200～400 mm，試坑開挖直徑不能小于1.2 m，開挖深度約為70 cm。試坑坑底及坑壁浮土可能導致測量的試坑體積小于實際值，因此注意坑壁和坑底浮土的清理和壓實平整。灌水采用的塑料薄膜有較好的柔韌度，以保證塑料薄膜在水壓力作用下與鋼環(huán)內壁和試坑壁貼合緊密，較準確的測得試坑體積。

將某碾壓層試坑開挖檢測干密度與相應級配含礫量點繪于圖3，可得圖4設計壓實干密度與試坑檢測干密度相對位置關系。由圖4可見，試坑開挖檢測干密度均在設計填筑干密度質量控制線以上。說明在建議的碾壓施工工藝和施工參數下，碾壓干密度能滿足填筑質量控制的要求。大壩原設計壓實標準相對密度為0.75，且采用室內試驗確定的最優(yōu)級配下的最大干密度為2.20 g/cm3。在新的料場條件下，為了更好地控制填筑質量，將設計壓實標準提高到0.80，且采用現場大型相對密度試驗，得到最優(yōu)級配下最大干密度為2.398 g/cm3，顯著大于室內試驗值?，F場碾壓試驗表明，采用合適的碾壓參數，能夠經濟高效的達到設計壓實標準相對密度0.80的要求。大壩沉降監(jiān)測資料表明，大壩施工期最大沉降量為47 cm，約為壩高的0.5%，與設防烈度為7度及以下的同等規(guī)模黏土心墻砂礫石壩相比，前坪水庫大壩沉降控制效果較理想，說明大壩填筑質量較好。

圖4 填筑質量檢測結果

4 結語

前坪水庫筑壩砂礫料為采砂擾動料，級配變化范圍大，甚至有細料缺失。針對采砂擾動砂礫料的特點，質量控制工作強調料場級配復核，并在開采時采用合適的開采方式，使壩料級配滿足要求。填筑碾壓施工時，采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行大壩填筑施工管理，可以實現對大壩填筑施工過程中鋪料厚度、碾壓軌跡、碾壓遍數、碾壓速度、碾壓振動頻率以及壩料實時壓實特征的動態(tài)實時監(jiān)控，保證大壩碾壓施工質量。干密度檢測結果表明，在嚴格控制壩料質量，且碾壓施工工藝和碾壓參數落實到位的情況下，碾壓效果能夠滿足設計壓實標準的要求。

大壩填筑壓實質量良好，與在現場采用實際上壩料確定其最大、最小干密度有直接關系，也與筑壩填筑時良好的質量控制密切相關。在設計填筑相對密度指標下，推薦采用現場大型相對密度桶法代替室內試驗方法，確定可反映施工現場實際的砂礫料質量控制干密度，對保障大壩壓實質量十分關鍵。采取合適的開采工藝，控制上壩料質量，并通過不同鋪厚、不同碾壓遍數及不同含水狀態(tài)的現場碾壓試驗組合，推薦合理的碾壓施工參數和施工工藝很有必要。采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行大壩填筑施工管理，嚴格按照推薦的碾壓參數和碾壓工藝進行大壩填筑碾壓施工，是施工環(huán)節(jié)保證大壩填筑質量的重要技術手段，對土石壩填筑質量控制具有普遍意義。