糯扎渡水電站摻礫土擊實特性及填筑質(zhì)量檢測方法研究

戴益華，李錫林

（1.華能瀾滄江水電有限公司糯扎渡水電工程建設管理局，云南 普洱 665005；2.中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

1 研究內(nèi)容

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃的第五級，屬一等大 （1）型工程。擋水建筑物為心墻堆石壩，最大壩高為261.5 m。防滲心墻土料采用由土料場開采的混合土料摻入人工碎石組成的摻礫土料，混合土料允許最大粒徑150 mm，摻礫用碎石最大粒徑120 mm，摻礫量按35%控制。設計要求心墻防滲土料全料壓實度按修正普氏2 690 kJ/m3擊實功能應達到95%以上。在國內(nèi)首次大規(guī)模采用人工摻礫技術，無規(guī)范及成熟的經(jīng)驗可借鑒。因此，對以下關系工程質(zhì)量評價及進度方面的內(nèi)容進行了現(xiàn)場研究：

（1）摻礫土料的擊實特性。糯扎渡大壩心墻摻礫土料最大粒徑為150 mm，為全面了解其擊實特性，研制了直徑為600 mm超大型擊實儀對摻礫土料進行原級配全料擊實試驗研究；同時采用直徑300 mm大型擊實儀、直徑152 mm小型擊實儀分別對摻礫土替代法全料及小于20 mm細料進行擊實試驗，比較摻礫土替代法全料與原級配全料擊實特性的差異，掌握摻礫土細料的擊實特性。

（2）心墻壓實質(zhì)量的檢測方法。壓實度檢測包括擊實試驗和現(xiàn)場密度試驗兩個過程。由于料場混合土料及摻礫碎石含量的變化，摻礫土最大干密度和最優(yōu)含水率有相當大的變化范圍。為準確評價摻礫土壓實質(zhì)量，可以通過對全料進行三點擊實試驗得到全料壓實度，但該方法存在檢測效率低的問題，實際難以操作。若考慮某一料倉的混合土經(jīng)開采、摻拌、鋪料等工序后已基本均勻，則影響摻礫土料最大干密度的主要因素是礫石含量，因此只要確定某一施工時段內(nèi)摻礫土料最大干密度與礫石含量的關系曲線 （預控線），便可根據(jù)現(xiàn)場實測干密度及礫石含量計算全料壓實度。此外，對礫石土采用細料壓實度進行質(zhì)量控制也是國內(nèi)外常用的一種方法。目前國內(nèi)對礫質(zhì)土一般以5 mm作為粗細料的分級粒徑，但實際檢測時因5 mm以下顆粒不易過篩，因此難以及時得到5 mm以下細料密度，而對摻礫土料以20 mm為粗細分級粒徑則可解決細料的過篩問題。為確定20 mm以下細料的壓實標準，需要對摻礫土全料壓實度與細料壓實度之間的對應關系進行研究。

2 摻礫土擊實特性研究

2.1 試驗參數(shù)

試驗主要依據(jù)DL/T 5355—2006《水電水利工程土工試驗規(guī)程》及DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》進行。但擊實筒直徑為152 mm，擊實功能為595 kJ/m3的小型擊實試驗，水工規(guī)范及國標對最大粒徑20 mm土料均未規(guī)定相應參數(shù)；擊實筒直徑為600 mm的超大型擊實試驗，國內(nèi)目前尚無應用，故小型和超大型擊實試驗根據(jù)擊實功能及儀器規(guī)格經(jīng)計算得出擊實參數(shù)。試驗參數(shù)見表1。對兩組混合土分別以全料摻礫量為0、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%進行試驗。

2.2 擊實特性研究成果

最大干密度、最優(yōu)含水率、擊實后P20（全料擊后粒徑大于20 mm顆粒）含量與摻礫量關系曲線見圖1、 2。

圖1 最大干密度與摻礫量關系曲線

從圖1、2可知：

（1）超大型及大型擊實時，摻礫土P20含量隨摻礫量增加而大致呈拋物線增加，由于擊實功能的增加，相同摻礫量下2 690 kJ/m3擊實功能下的P20含量小于595 kJ/m3擊實功能的。

（2）在2 690、595 kJ/m3擊實功能下，超大型、大型擊實試驗摻礫土全料最大干密度隨摻礫量的增加而呈現(xiàn)先增后降的趨勢，且峰值均出現(xiàn)在摻礫量為70%～80%附近；小型擊實試驗摻礫土細料最大干密度則隨著摻礫量的增加而持續(xù)增加，沒有明顯峰值。

（3）超大型、大型及小型擊實試驗所得最優(yōu)含水率均隨摻礫量的增加而降低。在相同擊實功能下，超大型和大型擊實試驗最優(yōu)含水率略有差別，但差別不大。

表1 擊實試驗參數(shù)

圖2 最優(yōu)含水率、P20含量與摻礫量關系曲線

（4）2 690 kJ/m3擊實功能下，當摻礫量小于30%時，超大型擊實最大干密度小于大型擊實最大干密度；當摻礫量為40%～50%時，超大型擊實最大干密度與大型擊實最大干密度差異不大；當摻礫量大于60%時，超大型擊實最大干密度大于大型擊實最大干密度。595 kJ/m3擊實功能下，當摻礫量小于30%時，超大型擊實最大干密度與大型擊實差異不明顯；當摻礫量大于40%時，超大型擊實最大干密度大于大型擊實最大干密度。相同擊實功能下隨摻礫量增加，替代法全料的骨架效應大于原級配全料的骨架效應，因此超大型擊實最大干密度與大型擊實最大干密度的差值增大。

（5）當摻礫量小于30%時，粗顆粒在土中基本處于懸浮狀態(tài)，此時摻礫土的最大干密度主要取決于混合土擊實效果。595 kJ/m3擊實功能下，三種擊實試驗最大干密度及最優(yōu)含水率相差不大；而在2 690 kJ/m3擊實功能下，則略有差異，初步分析是高擊實功能下尺寸效應更為明顯所致。

3 全料壓實度預控線法研究

3.1 試驗方法

摻礫土擊實特性研究表明，2 690 kJ/m3擊實功能下，當摻礫量小于50%時，大型擊實 （替代法全料）最大干密度總體略大于超大型擊實 （原級配全料）最大干密度，因此結合設計要求，用大型擊實試驗進行預控線法研究，同時進行了部分小型及超大型擊實復核對比試驗。主要步驟如下：

（1）選4個備料倉，每個備料倉按開采方向分3個區(qū)，各區(qū)每一層混合土料按15 m×15 m網(wǎng)格布點取樣充分拌和均勻，按摻礫量0、20%、30%、40%、50%，擊實功能2 690 kJ/m3進行大型擊實試驗，得出P20含量及對應的全料最大干密度。如此重復3個區(qū)的擊實試驗，取3組試驗結果的平均值繪制P20含量與全料最大干密度曲線 （預控線），作為該倉摻礫土料質(zhì)量控制依據(jù)。

（2）每一備料倉的摻礫土料，在碾壓前取全料進行3組 （分別對應備料倉每1分區(qū)）五點擊實試驗，復核預控線全料最大干密度的有效性。

（3）現(xiàn)場檢測每一備料倉中的摻礫土料，得到填筑密度、含水率、P20含量，根據(jù)P20含量查預控線得到全料最大干密度，進而求得全料壓實度。

3.2 試驗成果

相同摻礫量下，同倉土料全料最大干密度存在一定差異。4個備料倉預控線最大干密度與現(xiàn)場復核最大干密度差值在-0.04～0.02 g/cm3之間?？紤]最大干密度真值為2.09 g/cm3、壓實度真值為95%時，預控線全料壓實度最大誤差約為1.8%。綜合4個試驗倉的取樣試驗結果，通過預控線法得到的全料壓實度合格率為95.1%，最小值為93.6%，大于設計壓實度的98%，滿足規(guī)范要求。

混合土經(jīng)開采、摻拌、鋪料等多道工序混合后，其土性已基本均勻，同時預控線法采用3個土樣最大干密度的平均值，從方法上進一步減小壓實度的計算誤差，其檢測的壓實度一定程度上能夠反映土料性質(zhì)的變化，可實現(xiàn)對摻礫土總體壓實質(zhì)量的控制。另外，預控線法縮短了現(xiàn)場檢測時間，可以與現(xiàn)場快速施工相適應，得到的全料壓實度直接與設計指標匹配，但該方法事前需進行一系列大型擊實試驗，現(xiàn)場需快速檢測摻礫土含水率，其準確性主要依賴于混合土的均勻程度。

4 細料壓實度控制研究

4.1 試驗目的

在研究摻礫土擊實特性的基礎上，對5組代表性混合土料進行了全料摻礫量為0、20%、30%、40%、50%、60%、100%時，2 690 kJ/m3擊實功能下的替代法全料大型擊實試驗及相應2 690 kJ/m3及595 kJ/m3擊實功能下的小于20 mm細料的小型擊實試驗，以進一步了解摻礫土細料干密度及細料壓實度的變化規(guī)律。

4.2 試驗成果

與一般風化礫質(zhì)土不同，摻礫土細料部分含有風化混合土及摻礫碎石兩種性質(zhì)差異很大的土料，在粗料未成骨架時細料干密度隨摻礫量或P20含量變化而變化，并與全料最大干密度均表現(xiàn)出存在峰值的特點。

雖然摻礫土細料干密度及細料最大干密度隨粗粒含量的變化與一般礫石土有所差異，但細料壓實度的變化與一般礫石土是類似的。對于大型擊實試驗，2 690 kJ/m3擊實功能下，當P20含量小于35%時 （摻礫量約50%），由于細料干密度及細料最大干密度增加趨勢基本一致，細料壓實度隨摻礫量增加降低幅度較小。P20含量進一步增加后，細料最大干密度仍在增加，而摻礫土細料干密度已出現(xiàn)明顯下降，因此壓實度顯著降低。

各組混合土料性能雖有較大差異，但其對細料壓實度影響相對較小，P20含量在15%～35% （對應摻礫量約為20%～50%）時，相同P20含量下各組摻礫土細料壓實度差異較小，從而以細料三點擊實法進行壓實度檢測作為摻礫土填筑日常質(zhì)量控制的方法是可行的。由于細料在595 kJ/m3擊實功能工作量小，最優(yōu)含水率與料場基本接近并適合現(xiàn)場摻礫土碾壓，因此細料擊實功能宜選用595 kJ/m3。根據(jù)試驗結果可以得出，相同P20含量下，當全料壓實度為95%時，若以5組細料壓實度 （595 kJ/m3擊實功能）平均值代表該P20含量的細料壓實度，對應全料壓實度的最大誤差約為1.4%。

4.3 現(xiàn)場填筑質(zhì)量檢測

根據(jù)以上研究成果，確定糯扎渡工程摻礫土填筑質(zhì)量日?？刂茦藴蕿椋盒∮?0 mm細料595 kJ/m3擊實功能下壓實度應大于98%，最小值不低于96%，細料壓實度98%標準合格率大于90%，細料壓實度檢測方法采用三點擊實法。同時每周進行全料2 690 kJ/m3功能大型擊實壓實度復核檢測。

現(xiàn)場檢測結果表明：摻礫土細料壓實度均大于96%，98%標準合格率為96.1%，標準差為1.76%，復核全料壓實度除1組略小于95%外，其余均大于95%。摻礫土壓實度滿足設計及規(guī)范要求。

5 結論

（1）糯扎渡工程通過對摻礫土擊實特性、全料預控線法、細料壓實度法的研究，全面掌握了摻礫土的擊實特性。國內(nèi)首次對超大粒徑摻礫土料進行全料擊實試驗，首次以20 mm粒徑為粗細料分級粒徑對摻礫土料進行試驗研究，研究成果有效指導了工程設計與施工，可供其他工程參考借鑒。

（2）全料預控線檢測方法有效降低現(xiàn)場檢測時間，在土料經(jīng)各工序混合比較均勻的情況下，可以實現(xiàn)對摻礫土總體壓實質(zhì)量的控制。

（3）細料壓實度在較大程度上反映了摻礫土的滲透及力學性能。當摻礫量在20%～50%時，不同混合土相同P20含量下?lián)降[土全料壓實度與細料壓實度存在較好的對應關系，即全料2 690 kJ/m3擊實功能下，壓實度為95%時的土料細料密實度與細料595 kJ/m3擊實功能下，壓實度為98%時相當。摻礫土采用595 kJ/m3功能細料三點擊實進行質(zhì)量控制，可減少檢測時間、降低工作強度，提高工作效率，同時結果與試坑土料相對應，準確度也明顯提高。該方法在糯扎渡工程的成功應用為同類工程提供了較好的借鑒。

（4）由于摻礫土細料壓實度與摻礫碎石級配及P20含量密切相關，采用細料壓實度控制時，摻礫碎石級配、混合土超徑含量及摻礫土級配的控制顯得更為重要。

［1］ 中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.心墻堆石壩摻礫土料填筑壓實標準及填筑質(zhì)量檢測方法研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，2010.

［2］ 糯扎渡水電工程建設管理局.糯扎渡水電站樞紐蓄水安全鑒定工程建設報告［R］.普洱：糯扎渡水電工程建設管理局，2011.

［3］ 中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.糯扎渡水電站招標設計階段心墻防滲料碾壓試驗研究報告［R］.昆明：中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，2006.

［4］ 雷澤宏.瀑布溝水電站心墻防滲料工程性質(zhì)研究［J］.四川水力力電， 1994（12）.

［5］ 楊蔭華.土石料壓實和質(zhì)量控制［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［6］ 郭慶國.粗粒土的工程特性及應用［M］.鄭州：黃河水利出版社，1998.