荷載板檢測壩料質量技術在潘口面板壩工程的應用

趙繼成 易永軍

（中國水電十五局科研設計院 陜西咸陽 712000）

1 概述

近年來，為了適應工程建設的發展要求，在沿用傳統密實度指標的同時，國內外有關行業推出了一些新的檢測技術和標準。新方法以直接檢測填筑土石料的力學性質參數（如靜、動態變形系數等）的直接法取代沿用多年的間接法（如壓實度、相對密度、質量法等）。

K30、K50值是采用圓形鋼板進行小型荷載試驗得到的地基系數值。在壩料的碾壓試驗時，在常規法檢測的基礎上，對于 6種壩料使用 K30、K50平板荷載試驗新技術，通過承載力與沉降的關系，間接檢測所檢部位壩料的填筑密實程度，取得不同壩料的壓縮模量 Es、變形模量 Eo、沉降量與荷載的對應關系，從而建立干密度與承載板的壓強關系式，最終確定該種壩料填筑時的壓實控制指標。

由于K30、K50值能夠反映地基土石料的變形、強度特性，在公伯峽、潘口面板堆石壩壩體填筑中，開展了采用 K30、K50法檢測土石壩壩料填筑質量的試驗和應用研究。

荷載試驗獲得的 P～S(壓強—沉降量)曲線上直線段與沉降(S)軸之間夾角α的 t gα值，K30=t gα=P/S（P為不大于比例極限 P0時壓板的平均壓力強度，kPa；S為 P所對應的壓板平均穩定沉降量，cm）。由上式可知，在彈性地基模式的假設下，K30值是地基產生單位沉降量所需要施加的壓力強度值，K30值的大小表明地基剛度的大小。K30值能夠提供一定地基土變形模量與允許承載力大小的力學性質的試驗數據。

根據壓實料的性質，工程中常用如下公式：

式中：P0、S0為地基土強度比例極限及對應的壓板穩定沉降量；Qmax、Sp為地基土上部建(構)筑物的最大可能接地壓力強度及對應的壓板穩定沉降量。

根據有關文獻，由 D=30cm小型荷載板試驗確定地基允許承載力 R時，R與 P0的關系為：R=P0/2，將其代入（1）式，并取S0=0.5cm，得：K30=2R/S0=4R。由此可知，K30值又是一個能夠反映地基土允許承載力大小的力學性質指標。

2 荷載板法原理

3 特點

K30、K50檢測技術具有以下特點：

（1）在面板堆石壩壩料的碾壓試驗中，采用小型荷載試驗得到的填筑層壓實系數 K30、K50值和對應測點的干密度值,與常規取樣法相比，K30、K50檢測方法具有操作簡單、可大幅度減小傳統檢測方法中挖坑的工作量、取得成果周期短的優勢；

（2）解決了傳統的挖坑灌水方法勞動強度高、取得成果的周期長、效率低、樣本少的不足，同時也避免了由于填筑量大、施工面廣的土石壩檢測結果難以全面反映壩體填筑質量，挖坑后人工回填不密實而造成質量缺陷；

（3）由于面板堆石壩的主要問題是壩體沉降量和不均勻變形對面板和止水結構的影響，小型載荷試驗法可以方便地得出碾壓密實度值及壩料變形模量，而這兩者本身就是表征壩料變形特性的物理指標。

4 適用范圍

作為一種快速、直接的檢測方法，K30、K50檢測技術在鐵路、公路、機場跑道、大型油罐基出的設計和施工質量管理中得到了普遍應用，同時也適用于水利水電工程中的堆石面板壩、黏土心墻堆石壩等類似工程。

5 試驗測試設備及操作要點

5.1 K30、K50試驗的基本測試設備

（1）荷載板：直徑30、50cm，厚25～35mm的鋼制圓形板；

（2）加載裝置：15～20t千斤頂 1臺（以推土機、壓路機作為反力支點）；

（3）測力裝置：壓力傳感器 1個，電阻應變儀1臺；

（4）測沉降量裝置：百分表 2只及相應的表架和支架（見圖1）。

圖1 K30、K50試驗的基本測試設備圖

5.2 試驗操作要點

按照荷載試驗的一般要求，試驗的影響深度為荷載板直徑的1.5～2.0倍。對于粒徑30cm以下的壩料，鋪料厚度為40cm，采用直徑30cm的荷載板能夠滿足要求，確定出 K30值；對于粒徑60cm以下的壩料，鋪料厚度為 80cm，試驗中應采用直徑≥50cm的荷載板，確定出K50值。

當荷載強度P達到預定的最大荷載強度（荷載板直徑φ=30cm時，P≤8t；φ=50cm時，P≤12t）或兩個百分表的平均沉降量≥0.6cm時，試驗結束。

6 質量檢測及結果分析

6.1 潘口混凝土面板堆石壩巖性類型

潘口河料場爆破料（用于特殊墊層 2B、墊層料 2A、過渡料 3A、主堆石料 3B2）主要為灰巖、硅質巖，硬度高,干燥狀態抗壓強度52.4～60.7MPa，飽和狀態抗壓強度42.7～50.7MPa,軟化系數0.82～0.84，粒形規格,棱角相對明顯；溢洪道正片巖 3C料整體級配變化大，干燥狀態抗壓強度 31.1～67.1MPa,飽和狀態抗壓強度13.3～19.4MPa,軟化系數 0.29～0.44；主堆石3B1主要為河床砂礫石料，巖性主要為塊狀綠泥鈉長片巖（灰巖、砂巖、硅質巖占70%）。

6.2 碾壓試驗K30、K50試驗成果分析評價

潘口河料場墊層料2A、過渡料3A、主堆石3B2爆破料、次堆石3C料正片巖碾壓試驗K30、K50試驗成果分析見表 1、圖2。經過對檢測結果的分析，確定出滿足與壩料填筑設計指標(干密度、壓實度等)要求相對應，K30、K50保證率控制標準在90%，可作為大壩填筑時的控制參考。

圖2 碾壓試驗檢測干密度與K30、K50對應關系圖

從圖 2看出，四種壩料不同巖性特性隨著碾壓遍數的增加，對應的干密度、沉降量、變形模量和壓縮模量、K30、K50值等巖性質量等級分類顯著。

表1 壩料碾壓試驗及壩體填筑檢測與荷載板試驗成果分析表

從變形模量值就可以看出，這幾種壩料為較密實狀態。由于 K30、K50值代表的是淺層低應力條件下地基料的特性，與長期固結的天然地基和實驗室內高應力固結條件下的試樣相比，新碾壓的壩料密實穩定性相對差一些。

3A過渡料級配較均一，所以沉降變形和壓實密度變化較大，但巖性較好，K值高；3B2主堆石料采用的硅質巖，巖性較好，沉降變形量較小 K值高；2A墊層為摻配料，級配不夠理想，雖然壓實密度高，但顆粒較細沉降變形大 K值低；3C次堆石料（正片巖）粒徑雖然大，但巖性較差沉降變形大K值低。

6.3 大壩填筑質量檢測與K30、K50檢測結果及分析評價

在大壩填筑施工中在常規法檢測的基礎上，對于 6種壩料開展了K30、K50檢測，取得不同壩料壓縮模量Es、變形模量Eo、沉降量、K30、K50等不同巖性力學特性的指數，為分析壩料質量及壩體填筑質量、壩體沉降變形規律具有積極的指導意義。試驗成果見表1。

（1）墊層2A料K30檢測結果及分析評價。2A爆破料軋制的硅質板巖、灰巖與天然砂現場摻配后上壩，碾壓后檢測級配良好，壓實密度均勻，沉降變形小，K30最小值 2.18 MPa/cm，遠大于碾壓試驗時的推薦指標，可滿足設計干密度指標。

（2）過度 3A料 K30檢測結果及分析評價。3A爆破料級配比碾壓試驗料有較大改進，沉降變形小，壓實密度基本均勻。K值最高，K30標準差 0.72,保證率達 95%，說明巖性較好，K30值2.90MPa/cm，可滿足設計干密度指標。

（3）主堆石砂礫石3B1料K50檢測結果及分析評價。3B1主堆石天然砂礫石料K50平均值大于2.45MPa/cm，變形模量 42.1～168MPa，變化較大，這是由于 3B1料中有相當含量的大粒徑卵石，這些卵石磨圓度好、強度高，這些點得到的K50值較高，這與常規取樣結果基本一致。K50標準差 1.16,保證率 90%，K50＞1.18MPa可滿足設計要求。砂礫石料的缺點是抗滑性能較差，沉降量及變形量略高于爆破料。

（4）主堆石3B2料K50檢測結果及分析評價。3B2主堆石爆破料巖性較好，對于這種爆破料粗細顆粒含量少，巖性強度較高，顆粒節理形狀較規格的壩料，承載后巖塊不易產生二次破碎，沉降量變化不大。K50值的一個重要指標是沉降量，這也反應了巖性的特性。從試驗結果可以看出，K50最小值為1.76MPa/cm，可滿足設計干密度要求。

（5）下游堆石區 3C料K50檢測結果及分析評價。3C下游次堆石開挖料主要采用一層灰巖，兩層正片巖，以保證壩體下游變形穩定。從壩體填筑來看，雖然正片巖巖性較差，但粒徑大、級配良好。在高接觸壓力作用下出現一定程度破碎,增加了孔隙間細顆粒的填充,提高了密實度。正片巖K50＞1.1MPa/cm，灰巖1.7MPa/cm可滿足設計干密度指標。

從各種壩料干密度檢測與 K30、K50試驗成果可以看出，堆石體的壓縮模量，是反映堆石體的壓實質量及預測變形大小的重要指標。壓縮模量值直接受母巖的性質、巖塊形狀、級配、密度及應力等條件的影響。填筑料干密度大，沉降量小,變形模量、壓縮模量高，K30、K50值大，巖性質量好。K30、K50保證率按照90%控制，做為大壩填筑時的檢測參考依據，應該能夠正確評價大壩填筑的壓實效果。

湖北潘口混凝土面板堆石壩工程，采用荷載板法檢測各種壩料質量的統計分析，得出以下壩料巖性質量等級排序為：過渡3A料、墊層2A料、主堆石爆破3B2料、主堆石砂礫石料3B1、次堆石3C料正片巖。

7 結語

（1）與常規的挖坑取樣法相比，K30、K50方法顯然具有操作簡單、取得成果周期短的優點；

（2）粗粒料含水量的高低對K30、K50值影響較大，進行K30、K50檢測時，必須考慮壩料含水量及降雨的影響，適量的灑水，能顯著的提高壓石效果；

（3）將K30、K50檢測方法與室內試驗、計算分析相結合，對于評價面板壩的變形問題，將開拓一種新思路。

面板堆石壩的施工質量，是控制壩體最終沉降變形的關鍵，荷載板法對于快速準確監控壩體填筑質量，具有廣泛的應用空間。在采用常規質量檢測的基礎上，把 K30、K50值作為一種參考指標推廣和應用，可以得出比較理想的檢測結果。