范穗興，涂曉霞

(中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 研究背景

現(xiàn)代土石壩往往采用建筑物開挖棄料填筑壩體，可以減少料場和渣場的征用，有利于保護生態(tài)環(huán)境、節(jié)省工程投資。在棄渣料利用的過程中，經(jīng)常遇到料性不均勻的土石混合料、礫石土、風(fēng)化土等壩料?，F(xiàn)行SL 274—2020《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)對上述壩料并無明確的壓實填筑標準和指標要求[1]，無法采用壓實度、相對密度、孔隙率等單一控制指標對壩料填筑質(zhì)量進行有效控制，致使工程難以有效利用一些棄渣料，需另設(shè)專門的料場和渣場，導(dǎo)致占用大量土地，影響生態(tài)環(huán)境[2-4]。本文結(jié)合不均勻棄渣料在大藤峽水利樞紐黔江副壩上的應(yīng)用，對不均勻的土石混合料、礫石土、風(fēng)化土等壩料的運用進行研究分析，提出控制方法和措施。

大藤峽水利樞紐為西江干流重要的防洪型水庫，工程為Ⅰ等大(1)型工程，設(shè)計洪水標準為1 000年一遇，校核洪水標準為10 000年一遇，地位十分重要。黔江副壩位于大藤峽水利樞紐左岸，全長1 073 m，最大壩高30.00 m，壩頂寬8 m，上游壩坡為1.0∶2.8，下游壩坡為1.0∶2.5，采用黏土心墻石渣壩壩型。初設(shè)階段黔江副壩壩體上、下游壩殼石渣料利用船閘上游引航道、船閘閘室及左岸廠房等一期基坑的開挖石料填筑，填筑量約104.6萬m3。初設(shè)階段上述壩殼石渣料填筑控制標準為：孔隙率25%，設(shè)計干密度2.0 g/cm3，最大粒徑800～1 000 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不超過20%，風(fēng)化嚴重的石渣料不得上壩。

圖1 黔江副壩布置

圖2 黔江副壩初設(shè)典型斷面

由于工程用地征用的困難，導(dǎo)致施工順序變化，原設(shè)計采用的船閘上游引航道、船閘閘室及左岸廠房等一期基坑開挖石料已運至棄渣場，與其他黏性土、腐殖土、淤泥質(zhì)黏土等開挖料混雜在一起，導(dǎo)致棄渣料無法滿足初步設(shè)計對壩殼料的要求。經(jīng)勘察分析，本工程棄渣場棄渣料成分主要為黏土質(zhì)礫、含礫高液限黏土、碎石混合土等，不均勻性強,物理力學(xué)性質(zhì)變化大，最大粒徑達1 m以上，部分含有淤泥、腐殖土等成分?，F(xiàn)行《規(guī)范》明確對黏性土以壓實度、砂礫石和砂以相對密度、堆石以孔隙率作為填筑設(shè)計控制指標，對土石混合料、礫石土、風(fēng)化土等并無明確的壓實填筑標準和指標要求。采用以上棄渣料填壩，存在壩料質(zhì)量控制難的問題。黔江副壩工期緊，任務(wù)重，若無合適的壩殼填筑料，將會影響工程的蓄水運用，壩料問題急待解決。

2 棄渣料的料性分析

經(jīng)勘察分析，左岸棄渣場以黏土質(zhì)礫、碎石混合土等土石混合料居多，料源含泥量高(<0.075 mm顆粒占11.2%～40.6%)，料源性質(zhì)變化大，級配、含泥量變化大，干密度及軟硬不均。

現(xiàn)場進行了多組試驗，其平均顆粒級配成果見表1。從表中可以看出，棄渣場土石混合料含泥量較高，同時含礫量也較高，缺少中間級配。如果采用壓實度指標進行控制，土料中黏粒、粉粒等細顆粒，由于礫石的骨架作用，難以得到有效壓實，無法滿足規(guī)范對一級壩98%～100%的壓實度要求。如果采用相對密度或孔隙率指標進行控制，即便在沒有進行常規(guī)碾壓下，也容易滿足規(guī)范相對密度大于等于0.75或孔隙率20%～28%的要求。本工程中，以壓實度、相對密度或孔隙率為唯一的設(shè)計控制指標無法對壩料填筑質(zhì)量進行有效控制。

表1 土石混合棄渣料碾壓前顆粒級配成果

根據(jù)《規(guī)范》要求：風(fēng)化巖石、軟巖等土石料的填筑質(zhì)量根據(jù)其物理力學(xué)性質(zhì)可采用孔隙率、壓實度或同時采用孔隙率和壓實度等設(shè)計指標進行控制。填筑標準應(yīng)根據(jù)試驗和同類母巖的工程類比結(jié)合壩體變形、應(yīng)力及抗剪強度等要求確定。當采用礫石土、風(fēng)化巖石、軟巖等性質(zhì)特殊的土石料時，對1級壩、2級壩和3級以下高壩，應(yīng)進行專門的碾壓試驗，論證其填筑標準。本工程需針對棄渣料的性狀，通過試驗分析，確定其填筑標準[5-7]。

為全面了解棄渣場土石混合料等的基本性質(zhì)，掌握其壓實性能，對土石混合料等進行不同P5含量(粒徑大于5 mm顆粒含量)下的擊實試驗，以獲得其最大干密度及最優(yōu)含水率，其試驗成果見表2。

表2 土石混合料擊實試驗成果

從上述的試驗可以看出，當含礫量在50%～54%時，其擊實后的最大干密度和最小干密度均達到最大值。而含礫量在40%～60%時，干密度已非常接近最大值，因此在棄渣場中選料時，應(yīng)優(yōu)選采用含礫量40%～60%的料源。

3 棄渣料的碾壓試驗分析

在料場選擇含礫量40%～60%的料源進行碾壓試驗，以2～3 km/h的行車速度，進行不同鋪料厚度(60、80、100 cm)和碾壓遍數(shù)(6、8、10、12遍)碾壓，共計9個組合[8-9]。

3.1 碾壓后顆粒級配成果分析

由表3，渣場土石混合料碾壓后P5含量分布在47.2%～58.3%，含泥量分布在28.3%～38.4%。對比表1，從碾壓前后的顆粒級配組成來看，土石混合料碾壓后顆粒級配總體變細，說明碾壓過程中造成了顆粒的破碎。

3.2 壓實指標成果分析

采用灌水法檢測干密度，壓實指標成果如下。

表3 土石混合料碾壓后顆粒級配成果

表4 棄渣場土石混合料碾壓試驗壓實成果(60 cm)

表5 棄渣場土石混合料碾壓試驗壓實成果(80 cm)

表6 棄渣場土石混合料碾壓試驗壓實成果(100 cm)

由表4—6可知：同一鋪料厚度下，壓實度、相對密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，其中60、80 cm鋪料厚度下，當碾壓遍數(shù)達到8～10遍時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，壓實度、相對密度變化趨于平緩；100 cm鋪料厚度下，當碾壓遍數(shù)達到10～12遍時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，其變化也趨于平緩。同一碾壓遍數(shù)下，壓實度、相對密度隨鋪料厚度的增大而減小，符合一般填筑材料的工程特性。

由表4可知：鋪料厚度60 cm時，碾壓6遍壓實度變化范圍值為95.0%～95.5%，平均值為95.3%；碾壓8遍壓實度變化范圍值為97.3%～97.7%，平均值為97.4%；碾壓10遍壓實度變化范圍值為98.2%～98.6%、平均值為98.3%。各種碾壓遍數(shù)下相對密度均遠大于0.75。

由表5可知：鋪料厚度80 cm時，碾壓6遍壓實度變化范圍值為93.6%～94.5%、平均值94.1%；碾壓8遍壓實度變化范圍值為95.5%～96.4%、平均值95.9%；碾壓10遍壓實度變化范圍值為96.4%～96.8%、平均值96.7%。各種碾壓遍數(shù)下相對密度均遠大于0.75。

由表6可知：鋪料厚度100 cm時，碾壓8遍壓實度變化范圍值為94.1%～94.5%、平均值94.2%；碾壓10遍壓實度變化范圍值為95.0%～95.9%、平均值95.5%；碾壓12遍壓實度變化范圍值為95.9%～96.4%，平均值96.2%。各種碾壓遍數(shù)下相對密度均遠大于0.75。

根據(jù)棄渣料的碾壓試驗，只有在鋪料厚度鋪料60 cm、碾壓10遍的組合下壓實度才能達到98%以上，其余組合壓實度均不能滿足規(guī)范大于98%的要求。相對密度在各種組合下均遠大于0.75的要求。試驗結(jié)果與前文對土料性狀分析的結(jié)論相符。本工程棄渣料僅以壓實度大于等于98%或相對密度大于等于0.75，均不能很好地對壩料碾壓質(zhì)量進行有效控制。

4 棄渣料的應(yīng)用與填筑質(zhì)量控制

針對黔江副壩棄渣料料性差異大、不均勻性強的特點，結(jié)合上述的成果分析，壩料設(shè)計與控制采用料性分析、壓實條件分析、填筑標準及施工參數(shù)共同控制的綜合方法[10-11]。

首先進行料性分析。要求根據(jù)不同的上壩料源分別進行取樣進行試驗，確定每種料源成分、干密度、含水量等相應(yīng)的物理力學(xué)指標。根據(jù)其巖石成分，試驗研究其碾壓后浸水沉降變形和對抗剪強度降低的影響程度，并據(jù)此對壩體分區(qū)進行優(yōu)化。

其次進行壩料顆粒級配分析，確定壩料是否具備可有效壓實的條件。本工程試驗表明，風(fēng)化料及礫石土在碾壓前后顆粒級配相差較大，在分析壩料級配時，需采用碾壓后顆粒級配。對風(fēng)化料、礫石土而言，為使得粗顆粒不產(chǎn)生骨架作用，確保粗、細顆粒可以得到有效壓實，應(yīng)優(yōu)先采用含礫量在40%～60%的料源。

最后進行碾壓試驗獲得的施工參數(shù)如碾壓機具重量、鋪填厚度、碾壓遍數(shù)等進行控制，確保壩料得到有效壓實。在此過程中，仍應(yīng)測定與該壩料相近的設(shè)計控制指標(壓實度、相對密度、孔隙率)，作為壩料是否得到有效壓實的驗證[12-15]。

根據(jù)本工程壩料的試驗，黔江副壩棄渣料采用以下應(yīng)用和控制方法。

a)壩體分區(qū)結(jié)構(gòu)調(diào)整。本工程中，設(shè)計單位根據(jù)棄渣料的料性進行分區(qū)利用，對壩體分區(qū)結(jié)構(gòu)作如下調(diào)整：①對部分強度較高、含泥量較少，不易軟化的棄渣料源，放在迎水側(cè)，同時起到邊坡穩(wěn)定作用；②對軟化系數(shù)低、不能壓碎成礫石土的風(fēng)化石料和軟巖，由于其浸水后抗剪強度明顯降低、沉降變形明顯增大，將其放在壩后干燥區(qū)域；③對部分含泥量較高，防滲性較好的棄渣料，放到心墻的上游側(cè)，起到輔助防滲的作用。為確保采用棄渣料填筑后上游壩坡的穩(wěn)定，根據(jù)計算分析，將上游坡比從原初步設(shè)計的1.0∶2.8調(diào)整成1.0∶3.0。棄渣料填筑時要求采用同層同料。

圖3 黔江副壩壩體結(jié)構(gòu)調(diào)整后典型斷面

b)土石混合料控制。黔江副壩棄渣料以土石混合料居多。根據(jù)試驗，設(shè)計要求以壓實度大于等于98%和相對密度大于等于0.85作參考，按鋪填厚度60 cm，碾壓10遍以上進行控制。對含泥量(小于0.075 mm)大于15%的土石混合料鋪填厚度建議按土的要求控制，鋪填厚度不大于40 cm。

c)軟風(fēng)化棄渣料控制。軟風(fēng)化棄渣料碾壓后基本呈土狀，主要用于壩基結(jié)合部及防滲墻部位填筑。設(shè)計要求以相對密度大于等于0.85及壓實度大于等于98%參考，以鋪填厚度60 cm、最大粒徑不大于40 cm，碾壓遍數(shù)10遍以上進行控制。

d)工程實施過程中采用動態(tài)設(shè)計，根據(jù)上壩料源不同的性狀，及時調(diào)整壩料分區(qū)，并根據(jù)碾壓試驗，確定不同壩料的施工參數(shù)和控制指標。

e)棄渣料填筑時要求同層同料，靠近心墻部位壩殼料應(yīng)與心墻及反濾料平起填筑。

5 結(jié)語

結(jié)合大藤峽黔江副壩對不均勻棄渣料應(yīng)用的探索和實踐，提出了采用料性分析、壓實條件分析、填筑標準及施工參數(shù)共同控制的綜合方法，成功將不均勻性大、料性差別大的棄渣料作為壩體填料，解決了黔江副壩無滿足初設(shè)要求壩料的情況。主要研究成果如下。

a)壩體斷面設(shè)計時應(yīng)根據(jù)壩料性狀進行分區(qū)利用。對強度較高、含泥量較少、不易軟化的棄渣料源，放在迎水側(cè)；對軟化系數(shù)低、不能壓碎成礫石土的風(fēng)化石料和軟巖，放在壩殼干燥區(qū)域；對含泥量較高、防滲性較好的棄渣料，可放到心墻的上游側(cè)，起輔助防滲作用。

b)對風(fēng)化料、礫石土進行級配分析時，P5含量對壩料是否可以有效壓實起到重要作用，P5含量較高時，礫石已起到骨架作用，細顆粒不能得到有效的壓實，在滲水作用下容易產(chǎn)生滲透破壞。為確保粗、細顆?？梢缘玫接行簩?，應(yīng)優(yōu)先采用碾壓后含礫量在40%～60%的料源。

c)土石混合料、礫石土含有較多的細顆粒，其相對密度往往較高，采用相對密度指標難以有效對壩料碾壓質(zhì)量進行控制，應(yīng)該用壓實度指標輔以控制。

d)壩料鋪填厚度不宜太大，應(yīng)控制在60 cm以內(nèi)，對含泥量(小于0.075 mm)大于15%的土石混合料，鋪填厚度應(yīng)小于40 cm。壩料碾壓遍數(shù)不宜小于10遍(2振+8靜)。

大藤峽水利樞紐目前已蓄水運行，期間水庫經(jīng)歷過多次的水位上漲和降落的過程。根據(jù)監(jiān)測資料分析，大壩滲流量遠低于設(shè)計值，壩坡處于穩(wěn)定的狀態(tài)，壩體基本無工后沉降。采用不均勻棄渣料填筑的黔江副壩運行狀態(tài)總體良好。