毛爾蓋水電站大壩礫石土心墻防滲土料的特性研究及質量控制

陶益民，剛永才

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072;2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 礫石土概述

礫石土在自然界分布廣泛、儲量豐富，是一種由粗細土顆粒組成的非均質土。它可自然生成，如坡積、洪積、冰水沉積物等;也可以人工形成，如各種巖石的風化層經開挖而成;特殊情況下還可以人工配置，如細礫土與砂礫混合。我國DL/T5395－2007《碾壓式土石壩設計規范》對礫石土定義為:粒徑大于5mm顆粒的質量占總質量的20%～60%的寬級配礫類土。在工程施工中，礫石土是一種粗細顆粒混合的天然土石料，顆粒組成以5mm為界分為粗料和細料兩部分，大于5mm(P5)顆粒含量一般在20%以上，并含有一定數量的粉粒和黏粒的土料。

2 大壩及土料概況

毛爾蓋水電站攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，大壩壩頂高程為2 138.00m，河床部位心墻底高程1 991.00m，壩頂寬12.0m，壩頂長513.77m，最大壩高147.00m，上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.8。壩體采用礫石土心墻防滲，心墻上、下游分別設反濾料、過渡料和堆石料。

防滲土料來自壩址上游11km的團結橋料場。從物理性質判斷，料場第③層黃～灰黃色含塊礫石土基本能滿足筑壩防滲土料的要求。該礫石土料源料(第③層平均)在0.1～0.2MPa壓力下，壓縮系數為0.037MPa－1，壓縮模量為 37.8MPa，屬于低 ～ 中壓縮性土;抗剪指標凝聚力c值為20kPa，內摩擦角φ 值為 21.8°。滲透系數為 1.09 ×10－7cm/s，滿足DL/T5395－2007《碾壓式土石壩設計規范》不大于1.0×10－5cm/s的要求。擊實試驗最大干密度為1.72～2.07 g/cm3，最優含水率為8.6% ～18.3%，天然含水率平均為3.0% ～9.8%，天然含水率低于最優含水率。因該料場礫石土料場料源的質量分布極不均勻，故進行了相關特性研究分析。

3 礫石土的壓實性能研究

作為土石壩的心墻防滲料，除了滲透性和抗剪強度外，其壓實特性(壓實度)也是關注的焦點。壩體填筑的礫石土料的壓實性是決定填筑體尺寸的重要因素，因而在工程實際中需要將礫石土壓實至一定的密度(以干密度表示)，使礫石土的力學性能滿足相關要求。開展礫石土室內擊實試驗，取得礫石土最優含水量和最大干密度，從而研究礫石土的壓實度與其顆粒組成、含水量、壓實功能之間的關系和規律，以選定適合工程需要的壓實標準。

3.1 擊實試驗

本工程采用重型擊實，擊實參數見表1。

通過擊實試驗，得到礫石土最大干密度、最優含水率與P5含量關系曲線(見圖1)。

由圖1得出不同P5含量時最優含水率與相應的最大干密度，有利于施工組織管理和質量控制。

表1 重型擊實試驗參數

圖1 礫石土最大干密度、最優含水率與P5含量關系曲線

3.2 壓實特性

礫石土由細粒黏土和粒徑大于5mm的粗粒礫石組成，級配范圍較寬。有很多因素影響礫石土的壓實特性，主要因素有土料的含水量、礫石含量等。

(1)含水量影響。擊實試驗表明，在同一擊實功能下，干密度與含水率之間呈拋物線形的變化規律，即當含水低時，壓實干密度隨含水量的增加而增大，當含水率增值某值時，壓實干密度達到最大值，再進一步增大含水量，壓實干密度反而隨含水量的增大而減小。密度的最大值即是最大干密度，相應的含水率即為最優含水率。

(2)礫石含量影響。從擊實試驗成果可以看出，當粗粒含量為某一定值時，含水率與干密度關系呈拋物線形，出現最大干密度和最優含水率，并且最大干密度隨粗粒含量的增大而增大，最優含水率隨粗粒含量的增大而減小。

4 礫石土的滲透性及穩定性研究

隨著施工碾壓過程，對心墻料礫石土的滲透特性進行了研究。在不同填筑高程取樣若干組采用注水法進行現場滲透試驗。

為了保護土體，避免在邊界面上發生管涌、流土、沖刷等滲透破壞現象，常采用反濾層保護，既能使滲透水自由流出，又不致將土粒帶走，從而提高土體的滲透穩定性。

基于毛爾蓋水電站大壩心墻料的復雜性，選取上包線、平均線、下包線對應級配、密度作為室內試驗控制條件進行相關的滲透試驗。防滲料試驗控制參數見表2，級配曲線見圖2。從圖表可以看出，心墻料的級配處于設計包線范圍。

表2 檢測的防滲料物理性質試驗成果

室內力學試驗成果見表3(上包線、平均線、下包線的試驗編號分別為X1、X2、X3)。

從以上試驗圖表可知，防滲料上、平、下線，在反濾保護下，滲透系數為 i×10－7～i×10－8cm/s，臨界坡降大于50.0，為弱透水性，流土破壞;在反濾保護下，心墻料抗滲坡降較高，反濾層對心墻料保護效果好。

5 礫石土的強度特性研究

圖2 防滲料試驗控制級配曲線

針對毛爾蓋水電站大壩工程的實際情況，對心墻料的抗剪強度采取了三軸壓縮試驗，成果見表4～7、圖3～4。

通過三軸試驗和以上統計圖表可知，三軸CD剪切試驗模量K分別為254～387，Kb為210～212，飽和固結排水剪φ大于29°，礫石土防滲料具有較高的抗剪強度與低壓縮性的工程性質。

6 質量控制

表3 防滲料室內力學性試驗成果

表4 防滲料高壓大三軸試驗成果

表5 防滲料高壓大三軸試驗成果

表6 三軸(固結不排水剪CU)試驗成果

表7 三軸(非飽和UU)試驗成果

6.1 組織機構及質量管理制度

在工程建設過程中，施工和監理單位分別建立健全了大壩填筑質量控制管理組織機構(見圖5、6)，分工負責，各司其職，全面管控料源及大壩填筑施工質量。同時，施工和監理分別制定了《大壩填筑施工質量管理辦法》、《大壩填筑施工質量管理實施細則》和《礫石土心墻堆石壩填筑質量監理工作現場管控機制》，經2009年8月14日建設四方專題會議討論通過。特別明確了各級各部門崗位職責、值班制度、工作程序及運作機制，以及大壩填筑質量問題分類、處罰項目及其方法、標準，對施工過程實行全面、全過程跟蹤控制，進行當班評價、獎勵與處罰并舉，并定期召開大壩填筑施工質量階段總結會議。

6.2 施工過程質量控制

6.2.1 土料料源質量控制

圖3 X1 CD試驗應力－應變曲線

料源是壩體填筑質量控制的源頭，土料場控制項目主要包括含水量和礫石含量。施工和監理分別安排專人對料場開采、悶水、摻配等進行檢測和控制，尤其對開采面、層間高度、料質組織四方現場進行鑒定，以保證上壩土料質量。土料場開采程序見圖7。

圖4 X1 CD強度包線

圖5 施工質量管理機構框圖

圖6 監理質量管理機構框圖

圖7 土料場開采程序

6.2.1.1 礫石土料摻配

由于土料場不可避免地會出現因地質條件變化導致礫石分布不均等情況，若直接立采或者混采，上壩防滲土料質量難以保證。經試驗論證和建設四方專題研究確定，由專門摻配場進行摻配方案的試驗。

為了確定團結橋土料場的礫石土(③－1層)和黏土(③－2層)兩種土料的摻配比例，以其天然級配中小于5mm、小于0.075mm和小于0.005mm的控制粒徑的含量(最大值、最小值和平均值)為依據，分別按 3∶7、4∶6、5∶5、5.5∶4.5、6∶4和 7∶3共 5 種摻配比例進行了試配計算。根據不同摻配比例的試驗計算數據和分析結果，確定礫石土和黏土按5.5∶4.5比例摻配時合格率最高。并在摻配場采取一層黏土一層礫石土按比例逐層大面積攤鋪、多層高堆筑的大規模土料摻配方案。

6.2.1.2 含水量調整

主要采取分層攤鋪摻配時分層挖溝加水的方法。在試驗室測定③－1礫石土和③－2純黏土的天然含水率及其混合料的最優含水率，由此確定攤鋪混合料的加水率，進而計算每層料單位面積的加水量(黏土層的加水量按總量的70%計算)。

6.2.2 心墻壩面質量控制

礫石土心墻壩面質量控制主要包括:填筑厚度及邊線、層面平整度、接縫施工、跨心墻施工道路保護措施、工序控制等。

針對土料特性和顆粒級配，按照設計碾壓試驗技術要求，分別按照35cm、40cm攤鋪厚度和18t自行式凸塊振動碾碾壓8、10、12遍進行碾壓試驗，經對試驗檢測數據分析，最終選擇了攤鋪35cm、碾壓12遍的施工參數，取得滿足設計要求的壓實度和干密度。實施過程中，運用GPS碾壓監控系統和監理工程師巡查、人工記錄及抽檢、第三方檢測等相結合的綜合質量控制系統，使施工質量始終受控。

除此而外，本工程屬高海拔、高寒地區，每年6～9月為雨季，12～2月為嚴寒冬季，為實現冬雨季連續施工，通過研究土料在特定氣溫條件下的凍結特性，尋求經濟合理的輔助保溫措施，盡量減少雨季和冬季低溫時段對土料填筑施工的影響。

(1)根據天氣預報和局地氣候，做好預案和超前準備。下雨前迅速將壩面心墻土料采用自行平碾靜壓(不激震)成光面;鋪設彩條布(或軍用帆布)覆蓋，防止雨水下滲;雨后排干彩條布上的積水，并將彩條布掀走。

(2)一般將心墻和兩側反濾料、過渡料及部分堆石料適當填高，下雨時繼續填筑堆石料，保持壩面穩定上升。

(3)適當縮短流水作業長度，礫石土料及時平整壓實。

(4)心墻填筑面應略向上、下游傾斜，以利于排除積水。

(5)下雨或雨后不許踩踏心墻壩面，嚴禁車輛通行。復工前應清除表面稀泥，或經晾曬、翻曬處理，使土料含水率調節至合理范圍內，經監理工程師檢查合格后，方可復工。

(6)冬季上午10點至下午6點正溫時段，正常填筑土料，并縮短分塊、填筑區。

(7)嚴寒夜晚用軍用棉被或軍用帆布覆蓋，早上氣溫升高時采用凸塊碾快速碾壓，以快速解凍。

(8)冬季連續數日不施工時，一般鋪設50cm左右厚的低含水量土料對已填筑心墻保溫，在恢復施工時予以清除。

7 質量管理成果

按照規范和設計標準要求，對施工過程中采集的大量檢測數據采用數理統計方法，對1 824組礫石土的檢測項目進行了最大值、最小值、平均值及標準差的統計分析，檢測結果見表8。

表8 礫石土檢測成果統計

通過以上統計分析只能反映礫石土料的檢測指標是否滿足相關的技術要求，不能反映壓實質量的好壞和施工工藝的保證能力。為此，在數理統計分析基礎上，根據美國科學家休哈特(Walter A·Shewhart)提出的產品質量過程能力評價方式(見表9)，對礫石土的壓實度和P5含量的施工過程能力進行全面分析(見表10、11)。

表9 過程能力指數Cp值及評價參考

表10 礫石土壓實度施工控制過程能力分析

表11 礫石土P5含量施工控制過程能力分析

通過過程能力分析表明，礫石土填筑的壓實度質量和P5含量控制較好，工藝保證能力較強，施工質量穩定、持續受控。

8 結束語

毛爾蓋水電站大壩礫石土心墻于2009年12月開始填筑，月平均上升7.8m，月最高上升16m，月平均強度10.2萬m3，月最大強度17.9萬m3。實現了2011年3月較合同工期提前8個月汛前下閘蓄水的節點目標，監測成果反映大壩變形、滲流符合土石壩變形和滲流場基本規律，大壩運行正常。

通過分析和研究表明，顆粒組成是決定礫石土工程特性的主要因素，以5mm粒徑為界將礫石土分為粗、細兩部分。礫石土的最大干密度隨壓實功能的增大而增大，滲透系數隨壓實功能的增大而減小。

工程實踐證明，礫石土料經壓實后具有較高抗剪強度、較低壓縮性及良好的施工性能等優點，作為一種天然的填筑材料被廣泛應用于水電水利工程中。據統計，國外高100m以上的高土石壩中，采用礫石土料作為防滲材料的土石壩占總數70%。在我國近年已完工和開工的高土石壩中，大部分采用了礫石土作為心墻防滲料，除本文的毛爾蓋水電站大壩外，還有瀑布溝、糯扎渡、水牛家、云鵬、獅子坪、磽磧、長河壩等水電站大壩。因此，礫石土作為大壩心墻防滲料具有較高使用價值和應用前景。

［1］林昭.碾壓式土石壩設計［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003.

［2］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.

［3］郭慶國，等.土石壩建設實用技術研究及應用［M］.鄭州:黃河水利出版社，2004.

［4］安炳淑.質量專業理論與實務［M］.北京:中國人事出版社，2002.