原級配現場相對密度試驗在高面板壩施工中的應用研究

張芳軍，趙紅梅

(中國水利水電第五工程有限公司，四川成都610066)

粗顆粒土相對密度是指無粘性能自由排水的粗顆粒土處于最松狀態的孔隙比與天然狀態(或給定)孔隙比之差和最松狀態孔隙比與最緊孔隙比之差的比值。在水利水電工程堆石壩填筑中，常用來控制砂礫料填筑碾壓質量的標準。

阿爾塔什水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區莎車縣和阿克陶縣交界處，擋水壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，最大壩高164.8 m，壩頂寬12 m，壩長795 m。主堆石料以砂礫料為主，砂礫料填筑共計1 227萬m3。大方量的砂礫料填筑在主堆石區，因此，填筑碾壓施工質量控制尤為重要。

1 料源物理力學性能

阿爾塔什水利樞紐大壩主堆石區填筑砂礫料的開采料場主要為C3河灘砂礫料，在開采前按規范要求對C3料場進行儲量及料源質量復勘。砂礫料顆粒級配分析試驗，共布置98個探坑， 98組試驗，試驗結果見表1。

表1 砂礫石料料場復勘試驗結果

2 原級配現場相對密度試驗方法及參數要求

目前，大壩填筑砂礫料填筑質量主要控制指標為相對密度。根據目前國內水利水電行業的檢測規范標準，粗顆粒土相對密度試驗方法主要使用的是振動臺法，這種傳統的常規試驗方法只適用于最大粒徑為60 mm能自由排水的粗顆粒土，規定粗顆粒土中細粒土(<0.075 mm)含量不得大于12%。受室內試驗條件的限制，振動臺法試樣桶內徑30 cm、高34 cm，試樣桶尺寸不能直接采用現場填筑原狀料進行試驗，往往在最大粒徑超過試驗儀器允許的粒徑時，采取剔除法、等量替代法、相似級配法、混合法等4種方法對原狀料進行參數處理，然而，試驗所得最大干密度、最小干密度值不能準確反映現場填筑施工碾壓后試驗檢測的干密度，相對密度往往出現大于1.00的現象。

原級配現場相對密度試驗是結合填筑碾壓試驗在施工現場進行相對密度標準試驗，試驗料最大粒徑可以放大到600 mm，天然形成的河灘砂礫料超過600 mm的極少，因此，試驗料不受最大粒徑的限制，不必對試驗料進行大粒徑的剔除、等量替代、相似級配等一系列的參數處理，而是采用料場原狀料進行試驗，根據試驗料的顆粒級配及現場填筑施工實際情況來選擇制作標準試驗所用密度桶。

試驗密度桶制作成壁厚不小于12 mm的帶底無蓋鋼桶，直徑為砂礫料最大粒徑的3倍～5倍且不超過200 cm，桶深不小于鋪層厚度，桶深與試驗料最大粒徑之比不小于2且不超過100 cm，碾壓振動碾采用施工碾壓機械設備，振動碾相關參數應符合表2的要求。

表2 振動碾相關參數

3 原級配現場相對密度試驗方法的應用及分析

3.1 試驗備料方法

試驗用料采用風干砂礫石料，分別按照粒徑組600～500、500～400、400～300、300～200、200～100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、5～0.075 mm各粒徑組進行人工篩分備料，各粒徑組分別分開堆放備用。

3.2 試驗場地及密度桶布置要求

(1)試驗場地布置要求，試驗場地面積約525 m2(35 m×15 m)，其中，篩料場地面積350 m2(35 m×10 m)，密度桶布置面積175 m2(35 m×5 m)。

(2)在試驗場地預定布置桶位置下挖長25 m、寬5 m、深1 m的布置槽，用選定的振動碾在場外按預定轉速、振幅和頻率起動后，開始布置槽碾壓，振動碾行駛速度2～3 km/h，振動碾壓10遍。

(3)在安放密度桶位置的表面鋪一層厚5 cm左右的細砂，靜碾2遍后在預定位置安放密度桶。

(4)用類型和級配大致相同的試驗料鋪填密度桶四周，將其中心點位置對應標示在試驗場外。

3.3 試驗步驟

3.3.1 試驗配料

分別采用設計上包線級配、上平均線級配、平均線級配、下平均線級配、下包線級配的5個不同礫石含量配料(另外根據料場實際情況增加了礫石含量為72.0%、69.0%兩條級配線)。根據設計級配分別選擇礫石含量69.0%、72.0%、75.0%、78.0%、81.0%、84.0%、87.0%作為相對密度試驗級配。

3.3.2 測定密度桶體積

采用灌水法測定密度桶體積，精確值1 cm3。

3.3.3 最小干密度試驗

采用人工松填法進行測定，按級配要求將配置好的試驗料攪拌均勻后，采用四分法將試驗料均勻松填入于密度桶中，裝填時輕輕將試樣放入密度桶內，防止沖擊和振動，裝填的試樣低于桶頂10 cm左右。用灌水法測料頂面到桶口的體積，最小干密度試驗作平行試驗，兩次干密度的差值不大于0.03 g/cm3，取其算術平均值。

3.3.4 最大干密度試驗

(1)在測定完最小干密度試驗后繼續將試驗料均勻松填于密度桶至高出密度桶20 cm左右，用類型和級配大致相同的試驗料鋪填密度桶四周，高度與試驗料平齊。

(2)使用YZ32Y2型自行式振動平碾(工作質量為32 t，碾寬2.2 m，振動頻率0～28 Hz，名義振幅為1.83 mm，激振力為590 kN無級可調)在場外按預定轉速、振幅和頻率起動，行駛速度2～3 km/h，按“進退法”碾壓，碾壓遍數按一進一退2遍計算，振動碾壓26遍后，在每個密度桶范圍內微動進退振動碾壓15 min。在碾壓過程中，根據試驗料及周邊料的沉降情況，及時補充料源，使振動碾不與密度桶直接接觸。

(3)測定試樣體積。①人工挖出桶上及桶周圍的試驗料至低于桶口10 cm左右為止，并防止擾動下部試樣，用灌水法測料頂面到桶口的體積；②將桶內試料全部挖出，稱量密度桶內試樣質量，并進行顆粒分析和含水率試驗，最大干密度試驗做平行試驗，兩次干密度的差值不大于0.03 g/cm3，取其算術平均值。

(4)試驗完成后，將全部試驗成果系統整理分析，繪制不同P5含量與最大干密度、最小干密度之間的變化關系曲線圖。

3.3.5 顆粒級配分析

顆料級配分析試驗采用篩析法。首先，將現場密度測定時試坑挖出的試樣全部通過46 cm×76 cm的圓孔標準土壤篩(篩孔尺寸依次為：Φ100、Φ80、Φ60、Φ40、Φ20、Φ10、Φ5 mm)逐級進行現場篩分，對于粒徑大于100 mm的土樣采用鋼制圓孔尺寸套環逐一測量其最寬處并記錄。其次，將小于5 mm的篩底取小樣約5 kg帶回室內烘干后用震擊式標準振篩機進行0.075 mm含量試驗(此時采用Ф30 mm×5 cm 的國家新標準土壤篩，篩孔尺寸為0.075 mm)。最后，以小于某粒徑的土樣質量占全部土樣總質量的百分數為縱坐標，以粒徑(mm)為對數橫坐標繪制土樣顆粒級配曲線。

3.4 主要成果分析

3.4.1 最小干密度、最大干密度

不同礫石含量與不同相對密度所對應的最小干密度、最大干密度，施工填筑相對密度控制值為0.90所對應的壓實度之間的變化關系如表3所示。

表3 不同粗粒含量、施工填筑密度為0.9時所對應的試驗成果

3.4.2 試驗碾壓前、后顆粒級配變化關系

碾壓后分別對試驗料設計上包線級配、上平均線級配、平均線級配、下平均線級配、下包線級配以及根據料場實際情況增加的礫石含量為72.0%、69.0%兩條級配線7個不同礫石含量(69.0%、72.0%、75.0%、78.0%、81.0%、84.0%、87.0%)級配料的顆粒級配變化量進行比對分析，試樣為現場原型級配最大干密度試驗試桶內全料試樣，碾壓前后顆粒級配變化關系如表4所示。

從顆粒級配來看，試驗碾壓前、后級配對比試驗分析，碾壓后粒徑<5 mm和<0.075 mm含量與碾壓前變化不大，碾壓后<0.075 mm含量變化量約為0.4%，碾壓后<5 mm含量變化量約為1.0%。

4 試驗成果對比

室內振動臺法所得不同礫石含量所對應的最大干密度、最小干密度值如表5所示。

表4 試驗碾壓前、后顆粒級配變化關系 %

表5 室內振動臺法試驗試驗成果

根據砂礫料原級配現場相對密度試驗與室內振動臺法相對密度試驗數據比對分析，砂礫料采用原級配現場相對密度試驗確定的最大干密度、最小干密度值比室內采用振動臺法試驗確定的最大干密度、最小干密度值大0.1 g/cm3左右，從兩種不同試驗方法的試驗成果數據分析，原級配現場相對密度試驗方法更能接近現場施工的實際情況，同時也對大壩填筑質量的控制更為有利。

5 在施工現場填筑質量控制中的應用效果分析

(1)試驗檢測控制成果數據的分析。2016年3月21日，大壩壩體開始填筑，截至2017年10月31日，已完成填筑料約1 868萬m3，其中，砂礫石料填筑989萬m3，在壩體填筑施工中，均應用了原級配現場相對密度試驗參數進行了質量控制。根據設計指標及規范要求，對大壩壩體填筑碾壓壓實質量進行了試驗檢測控制，其中，大壩砂礫石料填筑檢測2 191組，檢測相對密度最大值0.98、最小值0.90、平均值0.92，檢測結果滿足設計相對密度控制指標≥0.90的要求，檢測干密度標準差0.02g/cm3，滿足規范標準差不宜大于0.05g/cm3的要求，從填筑試驗檢測成果分析數據來看，原級配現場相對密度試驗方法在施工中的應用效果良好。

(2)監測控制成果數據的分析。從大壩監測水管式沉降儀的監測成果數據分析，大壩施工期沉降過程符合一般規律，各測點沉降量雖堆石體填筑強度和填筑高度增加而增大，目前最大沉降值149.5 mm，低于當前填筑壩高57 m的1%，與已建成的同等面板堆石壩的實測沉降變形相比較，本工程大壩當前的沉降量略偏小(見表6)。說明在壩體填筑質量控制中，原級配現場相對密度試驗方法在質量控制中應用成效顯著。

表6 大壩監測成果分析數據

6 結 語

對于顆粒級配、形狀及不均勻系數不同的砂礫料，即使孔隙比完全相同，其緊密程度也可能有很大差別。砂礫料為天然形成的河灘料，從料場復勘試驗檢測顆粒級配數據分析來看，顆粒級配均勻性較差，礫石含量不同，采用單一的最大值、最小值計算相對密度來控制填筑質量將會造成部分相對密度大于1.00，從而很難達到設計要求。因此，在實際應用當中，采用上包絡線、下包絡線、平均線、上平均線、下平均線以及根據料場實際情況增加的兩條線等7條線不同P5含量的相對密度最大干密度、最小干密度值進行現場填筑質量控制， 解決了以往采用單一的相對密度最大干密度、最小干密度值進行控制的缺點。

本項目通過對原級配現場相對密度試驗方法的應用研究，確定了砂礫料填筑質量控制相對密度最大干密度和最小干密度標準值的試驗方法。通過已填筑的989萬m3砂礫石料檢測與監測成果數據分析來看，砂礫石原級配現場相對密度試驗在大壩填筑施工中的應用效果突出，原級配現場相對密度試驗方法能夠更好地控制填筑壩體的沉降量，對后期面板施工爭取有利的時間，為工程早期投入運營創造了更有利的條件。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑壩材料碾壓試驗規程[S]．

[2] SL 237—1999 土工試驗規范[S]．