羅賽雷斯土石壩填筑料物的替代方法

彭　明，　趙　鵬

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都　610081)

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羅賽雷斯土石壩填筑料物的替代方法

彭明，趙鵬

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都610081)

摘要：由于羅賽雷斯土石壩中的一設計料物在工程所在地附近沒有適合可供大規模開采的料源而無法滿足土石壩的填筑質量和進度要求，承包商對工程周邊可能存在的備選料物進行相關試驗后，確定了一種替代料物以滿足工程的需要。對這一替代料物的選擇和確認過程進行了描述與分析，總結了土石壩施工過程中料物替代的一般方法。

關鍵詞：羅賽雷斯土石壩；填筑料物；替代；方法

1工程概述

羅賽雷斯大壩座落在青尼羅河上，位于蘇丹首都喀土穆東南550km處的青尼羅河州首府達瑪津市。大壩加高工程是在原有大壩基礎上加高10m，并向左右岸延長和向下游加寬。加高后的壩體全長從原來的13.5km增加至25.1km。

該土石壩為粘土心墻壩，加高后的土石壩全長24.1km，總填筑量為1 746.6萬m3，壩頂高程495.3m，庫區正常蓄水位高程493.02m。根據設計圖紙，粘土心墻頂高程493.8m以上的料物依次為90cm厚的3.1區料(臟砂料，DirtySand)、30cm厚的壩頂公路底基層料、15cm厚的下基層料、15cm厚的上基層料以及部分壩段的瀝青路面，上述料物的上游側為護坡料(包括砂礫料和拋石料)，下游側依次為反濾料(凈砂料)和護坡料(砂礫料)。

2設計料物3.1區料的主要工程性質

2.1設計料物3.1區料的主要工程性質

3.1區料為新增料物，設計工程量17.94萬m3。工程師將3.1區料命名為臟砂料，以GB/T50145-2007《土的工程分類標準》為判定基礎。參考設計級配曲線(圖1)可知：

(1)該料物土顆粒最大粒徑不大于13.2mm；

(2)巨粒組含量為0%；粗粒組含量為60%～81%，大于50%；細粒組含量為19%～40%，小于50%且不小于15%。其中，粗粒組中礫粒組含量為0%～20%，小于砂粒組的含量(約80%～100%)。

在對業主移交的料源進行勘探和試驗后得知：該料物細粒組中粉粒含量為14.7%～17.6%，不大于50%。綜上判斷該料物在土的工程分類中的土類名稱是粘土質砂，土類編號為SC。

2.2設計料物3.1區料存在的問題

3.1區料(SC)具備不透水性、抗剪強度好、可塑性低等工程性質，適宜筑壩。然而，由于工程所在地料源的3.1區料本身特性(含泥量)變化較大，不同料源不同含泥量的3.1區料對應不同的最優含水率，致使含水率無法控制。既使針對料場某區域內的料源進行取樣，也不能反映該區域3.1區料的實際情況，僅能代表取樣探坑周圍小區域的情況。即：3.1區料的料源不具備大規模開采條件且現場施工的質量控制標準難以統一，該料物無法進行開采使用，因此，尋找合適的替代料物勢在必行。

3替代料物3.2區料的主要工程性質

通過對工程所在地附近料源進行初步勘察，我們認為右岸Azaza村莊的一種紅土料可能會滿足工程需求，隨即進行了相關的取樣和試驗工作。

3.1外觀

該料物分布在地面以下1～6m，分布較均勻。料物本身為淺紅色，松散，天然含水率較低，粗粒形狀為圓形或次圓形且含中砂和粗砂以及較多的紅粘土，初步判斷為礫石土。

3.2料源取樣室內試驗

從三個暫存料堆(SP1、SP2、SP3)分別取樣，在主試驗室內進行粒徑分析、阿太堡三限、普氏擊實、滲透性及干縮性等試驗。

(1) 粒徑分析試驗。

圖1　設計單位提供的3.1區料級配曲線圖

根據英國規范《BS1377-2:1990 土工試驗方法-常規試驗》進行粒徑分析試驗，其結果見表1。

表1　天然3.2區料粒徑分布(篩分)表

從表1可知：該料物最大粒徑不大于75mm，巨粒組含量小于10%，粗粒組含量大于50%，細粒組含量為20%左右。其中，粗粒組中礫粒組含量約為70%，大于砂粒組的含量(約5%)。對于小于0.075mm粒徑的土料進行顆粒分析試驗后得知：該料物細粒組中粉粒含量為9.5%～13%，不大于50%。

綜上所述，根據GB/T50145-2007《土的工程分類標準》判斷該料物在土的工程分類標準中的土類名稱是粘土質礫，土類編號為GC。

(2) 阿太堡三限試驗。

根據英國規范《BS1377-2:1990 土工試驗方法-常規試驗》進行粒徑分析試驗，其結果為：①樣本1：液限48，塑限21，塑性指數27；②樣本2：液限49，塑限19，塑性指數30；③樣本3：液限48，塑限21，塑性指數27。三種指數變化不大，反映出該料物本身特性比較穩定。

(3) 普氏擊實試驗。

根據英國規范《BS1377-4:1990 土工試驗方法-壓實及其相關試驗》，采用24h烘箱的方式進行普氏擊實試驗，其結果如下：①樣本1：最大干密度2.15g/cm3，最優含水率8.9%；②樣本2：最大干密度2.05g/cm3，最優含水率10%；③樣本3：最大干密度2.18g/cm3，最優含水率8.7%。

(4) 滲透性試驗。

根據英國規范《BS1377-5:1990 土工試驗方法-可壓縮、滲透性和耐久性試驗》進行滲透性試驗，試驗結果顯示三個料堆料物的滲透率Kf<1～6×10-7m/s，表明該紅土料具備不透水性。工程師也以此標準要求現場滲透性試驗需滿足此滲透率。

(5) 干縮性試驗。

根據英國規范《BS 1377-2:1990 土工試驗方法-常規試驗》中的線性干縮法進行該料物的干縮特性試驗，結果顯示其線性干縮的百分比范圍為11.12%～13.02%，干縮性低。

3.3室內試驗結果分析及結論

從上述試驗結果可知：該種粘土質礫料物(GC)較穩定，具備不透水性，干縮性低，可塑性低，可滿足替代原設計料物3.1區料的要求。同時，該料物料源充足，可進行大規模開采，滿足現場施工需要。

工程師在現場勘察、旁站相關試驗、審閱勘探報告和試驗報告后批準了使用該種料物用以替代原3.1區料，并將其命名為紅土礫石料(Red Soil Gravel，3.2區料)。至此，3.1區料替代料物的確認工作已成功完成。

4替代料物3.2區料的施工參數確定

在確定使用紅土礫石料后需進行現場生產性試驗以確定填筑碾壓參數和質量控制標準。現場使用SP2暫存料堆的料物進行了以下試驗。

4.1含水率調整

由于3.2區料的天然含水率較低且不均勻，變化范圍為2.6%～6.3%且小于最優含水率10%，需在含水率調整后再進行上壩填筑。

灌水試驗在SP2暫存料堆進行，采用筑畦灌水法。灌水并靜置30 h后在料堆不同深度位置取樣并進行含水率試驗，試驗結果表明：3.2區料在料堆不同深度或是全斷面的含水率都比較均勻，樣本含水率范圍為10.3%～11.4%，平均含水率大于最優含水率0.8%左右，可以滿足上壩填筑要求。

4.2填筑碾壓試驗

(1) 第一次填筑碾壓試驗。

本次填筑碾壓試驗采用未調整含水率的3.2區料，在壩面進行刨毛灑水調整料物含水率，用19 t光面碾按不同攤鋪厚度(35 cm，50 cm，60 cm)和不同碾壓遍數(4遍，6遍)進行試驗。根據工程師要求，該試驗取樣后僅進行干密度、含水率和滲透性試驗，使用這三個參數確定碾壓參數。

①干密度和含水率試驗。

由于19 t光面碾振動碾壓4遍后的試驗結果較差，表2僅反映出碾壓6遍后分層取樣干密度和含水率的試驗結果。從該結果可以看出：a.在壩面刨毛灑水進行含水率調整沒有實質性影響，測得的含水率不均勻且與最優含水率10%的偏差較大，最大時低于最優含水率約4%～6%。b.本次試驗中松鋪50 cm厚的壓實度最大(95%)，松鋪60 cm厚時的壓實度最小(最大僅為92%)，對此進行分析后不難看出，松鋪35 cm和松鋪50 cm壓實度比較接近，說明在使用19 t光面碾碾壓的情況下，有效碾壓厚度應不大于50 cm。

表2　最大干密度為2.05、最優含水率為10%時的19 t光面碾振動碾壓6遍分層取樣干密度和含水率試驗結果表

②現場滲透試驗。

在松鋪50 cm和60 cm兩種情況下進行現場滲透試驗，其結果為：松鋪50 cm時Kf=1.89×10-7m/s，松鋪60cm時Kf=2.45×10-7m/s，均滿足工程師確定的滲透性要求。

(2) 第二次填筑碾壓試驗。

鑒于第一次填筑碾壓試驗中壓實度無法滿足設計要求以及含水率不均勻且與OMC偏差較大的問題，我們在現場又進行了第二次填筑碾壓試驗。根據前次試驗所得出的結論，本次填筑碾壓試驗使用調整含水率后的3.2區料在暫存料場進行筑畦灌水；料物松鋪厚度選擇為50 cm，碾壓6遍，但增加了19 t凸塊碾作為對比，以確定碾壓設備。

①干密度和含水率試驗(表3)。

表3　最大干密度為2.05,最優含水率為10%時的19 t振動碾壓6遍分層取樣干密度和含水率試驗結果表

從以上試驗結果可以看出：a.在3.2區料含水率調整合適之后，松鋪厚度為50 cm，使用平碾或凸碾碾壓后的壓實度基本一致。b.壓實度較前次試驗有所提高，平均壓實度為98.1%，最小壓實度為95%；含水率較前次試驗有很大程度地提高且比較均勻，含水率范圍為7.9%～10.8%，與OMC偏差范圍為0.8%～2.1%。

②現場滲透試驗。

取樣兩個進行現場滲透試驗，其結果分別為：Kf=1.05×10-7m/s和Kf=3.83×10-8m/s，可以滿足工程師確定的滲透性要求，即Kf<1～6×10-7m/s。

4.3填筑碾壓參數的確定

根據填筑碾壓試驗結果并與工程師討論后，確認了以下填筑碾壓參數：

(1) 填筑3.2區料時松鋪厚度為50cm；

(2) 使用19t光面碾或凸塊碾碾壓6遍；

(3) 3.2區料在運輸至壩面前需在暫存料場進行含水率調整。

同時，確定了以下質量控制標準和現場驗收標準：

(1) 暫存料場料物含水率調整后的范圍：9%～12%；

(2) 壩面碾壓后含水率與最優含水率差值范圍：-2%～+2%；

(3) 壓實度(現場干密度/最大干密度)：≥96%。

5土石壩料物替代方法小結

根據上述實例，筆者對土石壩填筑料物替代方法總結如下：

(1) 設計料物的工程性質。

進行筑壩料物的替代選擇，首先要確定原設計料物本身的工程性質及其在土石壩結構中所起的作用，這是尋找替代料物的標準和依據。

(2) 該設計料物的料源無法用于筑壩的原因可以從技術、經濟兩個角度進行分析，說明應有理有據。本實例中主要為技術原因，即料源本身的不均勻性無法滿足現場大規模開采的需要。

(3) 替代料物的工程性質。

首先應依據工程經驗和料物外觀進行初步判斷，認為其可能滿足設計要求時立即對料源進行勘探取樣并進行相關土工試驗，新料物的工程性質應參考原設計料物的主要工程性質，應滿足其在土石壩結構中的功能性要求和結構性要求。

(4) 替代料物的現場填筑試驗。

當該料物滿足工程性質要求后，還需進行現場填筑試驗，以確定其碾壓參數和質量控制標準。現場填筑試驗應考慮不同碾壓設備、不同攤鋪厚度、填筑料物是否進行含水率調整等多方面因素，從中擇優選擇。

彭明(1977-)，男，四川南部人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

趙鵬(1985-)，男，山西長治人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-10-20

文章編號:1001-2184(2015)06-0032-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV52；TV4；TV641

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