礫質土料全料壓實度與細料壓實度關系研究

張 東 明，　方 德 揚，　劉 存 福

(雅礱江流域水電開發有限公司兩河口建設管理局，四川 雅江　627450)

礫質土料全料壓實度與細料壓實度關系研究

張 東 明，方 德 揚，劉 存 福

(雅礱江流域水電開發有限公司兩河口建設管理局，四川 雅江627450)

摘要：在全料符合設計要求的壓實度時，通過計算對應的細料理論計算干密度，發現細料干密度與P20存在區間性變化規律，對不同區間應關注關鍵控制指標，有利于礫質土料施工質量管理，更有利于礫質土料心墻防滲體填筑質量控制。

關鍵詞：礫質土；全料壓實度；細料壓實度；應用

0前言

隨著筑壩技術和施工機械的發展，土質心墻堆石壩壩高也隨之增加，并逐漸成為世界上高壩建設的主流壩型之一。隨著壩高的增加，心墻土體將承受較大的應力，單純采用粘性土作為心墻防滲土料將無法滿足強度和壓縮性的要求。國內外工程實踐經驗表明，高土石壩采用礫質土料作為防滲料已成為發展趨勢，世界上已建和在建的壩高200 m以上的高土質心墻堆石壩中，基本上都以礫質土作為心墻堆石壩；國內近年來已建和在建的高心墻堆石壩均是如此。如已建成的瀑布溝、糯扎渡，在建的兩河口以及即將建設的雙江口等水電站大壩心墻均為礫質土心墻堆石壩。

1亟待解決的問題

對于高心墻堆石壩而言，礫質土是一種良好的心墻防滲土料，其在壓實方面兼有砂礫料和粘性土料的某些性質。擊實試驗表明，當礫石含量不大于第一特征含礫量(P5Ⅰ)時，礫石土干密度隨礫石含量的增加而增加，而且，礫質土中的細料都可以壓實到最大干密度；當礫石含量由第一特征含礫量(P5Ⅰ)向第二特征含礫量(P5Ⅱ)增加時，由于礫石的骨架作用和顆粒分布等因素，礫質土的最大干密度不再與礫石的含量成比例關系；當礫石含量增加至第二特征含礫量(P5Ⅱ)，礫質土將會被擊實至最大干密度,這時礫質土中的細料干密度逐漸變小。由于礫質土這種擊實特性，如果僅用全料壓實度來控制礫質土壓實質量，那么就存在全料壓實度滿足設計要求時而礫質土中的細料并沒有得到有效的壓實，導致礫質土料防滲性能達不到設計要求，威脅大壩的安全。正因為如此，《碾壓式土石壩設計規范》(DL/T5359-2007)規定“對于礫石土應按全料試驗求取最大干密度和最優含水率，并復核細料干密度?！币虼?，礫質土料心墻防滲體壓實質量控制一般都提出了全料壓實度和細料(≤20 mm或≤5 mm)壓實度雙控指標。如糯扎渡、長河壩和兩河口等水電站礫質土防滲體，其控制指標如表1。

現在的問題是，全料壓實度與細料壓實度控制指標是否匹配，與P20存在何種聯系，在大壩心墻填筑過程中，如何抓住關鍵控制指標等問題，都亟待研究，也是本文研究的重點。下面就這些問題進行探究。

表1　礫質土防滲體壓實質量控制標準

2全料壓實度和細料壓實度關系

礫質土料在填筑過程中，為了確保碾壓質量，其含水率通常均較最優含水略偏濕，加上小于0.074 mm顆粒含量較高，致使礫質土料中粒徑小于5 mm細料常結成團狀，濕篩不易通過5 mm篩網，因此，設計提出的細料壓實質量通常采用≤20 mm顆粒的壓實度來控制，具有普遍性。如糯扎渡、兩河口等水電站礫質土防滲體細料壓實質量控制指標。因此，下文僅以細料(≤20 mm)為例，并簡稱為細料。經分析，全料壓實度和細料壓實度關系研究有以下兩種模型：

模型Ⅰ：當細料壓實度滿足設計要求情況下，研究全料干密度變化規律，進而計算全料壓實度。技術方法是通過細料干密度[為細料最大干密度×細料壓實度(D細)]計算其中對應的全料理論干密度，再通過全料擊實試驗，得出全料最大干密度，由此計算全料壓實度。詳細推算過程見圖1。

圖1　細料壓實度推算全料壓實度模型

模型Ⅱ：當全料壓實度滿足設計要求情況下，研究細料干密度變化規律，進而計算細料壓實度。技術方法是通過全料干密度【為全料最大干密度×全料壓實度(D全)】計算其中對應的細料理論計算干密度，再通過細料擊實試驗，得出細料最大干密度，由此計算細料壓實度。詳細推算過程見圖2。

模型解釋與比較。模型Ⅰ解釋為：相當于把礫石料隨機嵌入細料中，嵌入過程中沒有消耗擊實功。實際情況是礫石在礫石土料擊實過程中會發生位移或破碎而消耗擊實功，這使得計算理論全料干密度比實際全料干密度偏大，導致壓實度偏高。因此，模型Ⅰ在設計上存在一定的缺陷，與實際所受工況存在差異。模型Ⅱ是由全料推算細料，該模型考慮了礫石在礫石土料中消耗擊實功問題，與實際工況近似。因此，模型Ⅱ比模型Ⅰ優，后文應用實例采用模型Ⅱ進行推算。

3礫石土的應用

糯扎渡水電站擋水建筑物為心墻堆石壩，最大壩高為261.5 m。防滲心墻采用人工摻礫土料，設計要求見表1。

摻礫用碎石取自摻礫料加工系統，按設計摻礫碎石中間級配進行配料，摻礫碎石視比重為2.59，級配參數詳見表2；試驗用混合土料取至農場土料場開采混合土料共進行了3組混合土料顆粒級配試驗，顆分成果見表3。擊實成果見表4與圖2。

圖2　全料壓實度推算細料壓實度模型

粒徑/mm分級質量百分比/%小于某級質量百分比/%100～120510080～1007.595.060～8015.7587.540～6027.5571.7520～4021.744.210～208.022.55～104.514.5<510.010.0

表3　實測顆粒級配

表4　擊實成果及細料理論計算干密度成果表

注：表中備注欄①中數據采用公式(2)計算得出；摻礫碎石視比重為2.59。

圖3　細料(<20 mm)理論計算干密度與p20關系

圖4　細料理論計算干密度值的變化

為了敘述方便，本文定義P20Ⅰ為P20第一特征值， P20Ⅱ為P20第二特征值。

通過圖表分析可知，細料理論計算干密度值呈現區間性變化，見圖4：

A區間：當P20小于P20Ⅰ時，細料理論計算干密度隨P20增加而增加，這時全料、細料都能得到充分的壓實。在該范圍內如果僅用壓實度和滲透系數來控制心墻礫石土質量是不夠的，還必須同時控制礫石土料中P20，否則心墻防滲體的強度和壓縮性指標可能不能滿足設計要求；

B區間：當P20處在P20Ⅰ～P20Ⅱ范圍時，細料理論計算干密度基本保持不變，這時全料、細料都能得到壓實。在該范圍內用全料或細料壓實度以及滲透系數來控制心墻礫質土質量是可行的；

C區間：當P20含量大于P20Ⅱ時，細料理論計算干密度隨P20增加而降低，這時細料壓實質量不一定能滿足設計要求。在該范圍須用細料壓實度和滲透系數來控制心墻礫質土壓實質量。

實例表明，在全料符合設計要求的壓實度時，通過公式(2)計算對應的細料理論計算干密度，發現細料干密度與P20存在區間性變化規律，對不同區間應關注關鍵控制指標，有利于礫質土料施工質量管理。

4結語

礫質土料心墻防滲體全料壓實度與細料壓實度相互推算公式，填補了當前業界確定礫質土料心墻防滲體全料壓實度和細料壓實度指標理論計

算的空白。根據礫質土料的擊實特性，對P20進行了特征區間的劃分，并指出了礫質土料心墻防滲體填筑時重點控制指標，相對于當前采用固定控制指標，更有利于礫質土料心墻防滲體填筑質量控制。

參考文獻:

[1]寧占金等，糯扎渡心墻堆石壩超大粒徑摻礫土料壓實特性研究與應用，年度水力發電科學技術獎獲獎項目，2013

[2]碾壓式土石壩設計規范(DL/T5395-2007)

收稿日期:2016-05-26

中圖分類號:P619.22+8；P619.23+1；TV541+.1

文獻標識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0120-04

作者簡介:

張東明(1979-)，男，內蒙古巴彥淖爾盟人，碩士，雅礱江公司兩河口建設管理局技術一部高級工程師，現從事水利水電建筑工程管理工作；

方德揚(1970-)，男，江西安義人，學士，雅礱江公司兩河口建設管理局技術一部高級工程師，現從事土工、混凝土以及原材料試驗檢測管理工作；

劉存福(1969-)，男，四川邛崍人，雅礱江公司兩河口建設管理局副總工程師，從事土石壩工程施工管理工作.

(責任編輯：卓政昌)