阿爾塔什大壩堆石料相對密度研究和施工應用

張正勇，包永俠，唐德勝

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

阿爾塔什水利樞紐工程地處昆侖山板塊的新疆葉爾羌河流域，惠及新疆南部的克州、喀什地區和和田地區，是國家172項重大水利工程，也是新疆最大的水利工程，由于工程在設計、施工等方面面臨諸多技術難點，被業內專家稱為“新疆的三峽工程”。葉爾羌河流域位于新疆塔里木盆地西部，地處歐亞大陸腹地，因遠離海洋，周圍又有高山阻隔，加上大沙漠的影響，流域內呈典型的大陸性氣候，其主要特點是氣溫年變化較大，日溫差大，空氣干燥，日照長，蒸發強烈，降水量稀少。冬季天氣干燥寒冷，莎車地區12月平均氣溫為-3.9 ℃，極端惡劣天氣氣溫在-23.5 ℃。

阿爾塔什水利樞紐工程的大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂高程1 825.8 m，最大壩高164.8 m，壩頂寬12 m，壩長795 m，大壩合同填筑工程量達2 494 萬m3，其中堆石料1 033萬m3。上游主堆石區采用砂礫石料，壩坡坡度1∶1.7。下游采用爆破開采的堆石料以及邊坡、洞渣等石方開挖利用料，壩坡坡度1∶1.6。

堆石料料源自P1、P2 石料場爆破開采，設計級配要求為：最大粒徑dmax≤600 mm，小于5 mm含量<20%，小于0.075 mm含量<5%。設計孔隙率n≤19%，CU>25，連續級配。設計干容重γd=22.0 kN/m3。

2 料場巖石條件

P1爆破料場位于壩址上游左岸約1.7～2.5 km，料場儲量豐富，可開采儲量大于3 600萬m3。巖性為中下石炭統的中厚層灰巖和白云質灰巖，巖層產狀330°～350°SW∠71°，單層巖體厚0.2～0.5 m。但巖體裂隙發育，完整性差，爆破后塊徑多在30 cm 以下。根據試驗結果，料場巖石飽和抗壓強度23.3～69.2 MPa，軟化系數0.51～0.71，凍融質量損失率0.07%～0.27%，密度為2.69～2.79 g/cm3，剝采比0.5%。

P2爆破料場位于壩址下游右岸，距上壩址約0.8～1.6 km，基巖裸露，巖性為薄層灰巖，單層厚0.1～0.3 m，裂隙發育，巖體完整性差。表面強風化層厚1.0～3.0 m，為無用層，有用層為弱～微風化巖體。根據復勘試驗結果，料場灰巖和石英砂巖單軸飽和抗壓強度均大于60 MPa，巖石堅硬，各項指標均可滿足塊石料質量要求，為有用層。但巖體中所夾頁巖飽和抗壓強度僅為4.5～7.2 MPa，且抗風化能力弱，不能作為塊石料，為無用層，開采時需清除處理。料場順層開采有用層儲量大于760萬m3，滿足設計需用量，垂直層面開采無用層體積301.5萬m3，剝采比39.3%。

表2 不同試驗級配配料參數 %

3 試驗方法

3.1 施工準備

試驗用料采用堆石料場開采的風干爆破料，采用自卸車運送至試驗現場后，分別按照粒徑組600～400、400～200、200～100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、5～0.075 mm進行人工篩分備料，篩料場地面積350 m2(長35 m、寬10 m)，各粒徑組分開堆放標識，底部采用塑料薄膜隔離。

試驗前用灌水法對密度桶進行體積測定，數據精確至1 cm3。密度桶校驗結果見表1。

3.2 試驗場地布置

試驗布置5個密度桶(帶底無蓋鋼桶)，桶徑為試驗料最大粒徑的3～5倍，本次試驗密度桶直徑為1.8 m，深1 m。試驗時首先在選定的密度桶埋設位置下挖25 m×5 m×1 m(長×寬×高)的布置槽；然后用選定的振動碾按行駛速度(2.8±0.2)km/h振動碾壓10遍后，在碾壓體表面鋪一層厚約5 cm的細砂，靜碾2遍后在預定位置安放密度桶；最后采用級配大致相同的試驗料填充密度桶四周，并將其中心點位置對應標示在試驗場地外。

表1 原型級配密度桶體積校驗結果

3.3 密度桶填裝

試驗分別采用爆破料設計上包絡線、上平均包絡線、平均包絡線、下平均包絡線、下包絡線5種級配進行。不同級配所對應的P5含量分別為12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%。具體配料參數見表2。

3.4 最小干密度試驗

最小干密度采用人工松填法進行測定。試驗時首先按級配要求將稱量好的不同粒徑爆破料混合均勻，然后將其均勻松填至密度桶中。裝填時將試樣輕放入密度桶中，防止沖擊和振動對試驗結果產生影響。裝填至低于桶口10cm左右時，采用灌水法測定料頂面至桶口的體積，利用式(1)計算出爆破料最小干密度。為確保試驗成果準確性需進行平行試驗，若2次試驗干密度差值≤0.03 g/cm3，則取算術平均值作為最小干密度試驗結果，否則需重新進行試驗。

(1)

式中，md為試樣質量；Vt為密度桶體積；Vk為測定的灌水體積。

表3 碾壓后不同礫石含量顆粒級配統計 %

3.5 最大干密度試驗

在最小干密度試驗完成后，繼續將試驗料均勻松填至高出密度桶桶口約20 cm，然后采用巖性和級配大致相同的試驗料找平密度桶四周至與試驗料平齊，最后進行振動碾壓，碾壓設備選用YZ32Y2型自行式振動平碾(工作質量32 t，碾寬2.2 m，振動頻率0～28 Hz，振幅1.83 mm，激振力為590 kN無級可調)。將選定的振動碾在場外按預定轉速、振幅和頻率啟動，按行駛速度(2.8±0.2)km/h采用“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，應根據試驗料及周邊料的沉降情況及時補充料源，使振動碾不直接與密度桶接觸。碾壓完成后人工挖除桶上及桶周圍的試驗料至低于桶口10 cm左右為止(不得擾動下部試樣)，采用灌水法測定料頂面到桶口的體積。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。為確保試驗成果準確性需進行平行試驗，若2次試驗干密度差值≤0.03 g/cm3，則取算術平均值作為最大干密度試驗結果，否則需重新進行試驗。

4 試驗結果

根據SL237—1999《土工試驗規程》，顆料級配分析試驗采用篩析法，最大篩徑100 mm，對于粒徑>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，試驗結果見表3。

對比分析碾壓前、后顆粒級配數據，碾壓后爆破料<5 mm含量變化幅度1.4%～6.0%，粒徑<0.075 mm含量變化幅度0.4%～0.9%。碾壓后粒徑<5 mm顆粒含量變化幅度較小，>5 mm顆粒含量變化幅度較大，尤其是10～60 mm、200～600 mm顆粒之間的破碎率較大。碾壓后爆破料顆粒級配向設計下包絡線偏移，但不同礫石含量級配曲線變化存在差異。設計上包絡線、上平均包絡線顆粒級配曲線變化較大；設計下包絡線、下平均包絡線顆粒級配曲線變化較小。

碾壓后堆石料表面出現壓碎層，其影響深度8～15 cm，平均為11.4 cm，不同級配壓碎層深度數值見表4。

表4 壓碎層影響深度統計

不同包絡線下最大、最小干密度成果見表5。試驗結果表明，爆破料在P5含量約14%時干密度達到最大為2.35 g/cm3，對應的孔隙率最小為13.6%。當爆破料P5含量在14%～20%時，最大干密度隨P5含量的增加而減小，所對應的孔隙率隨之增大。

表5 最小、最大干密度統計結果

5 堆石料相對密度評價

分別利用現場碾壓試驗成果對設計指標和現場填筑施工檢測成果進行評價。設計要求孔隙率≤19%的堆石料對應的干密度為2.202 g/cm3，相對密度如表6所示，與參考文獻[5]的研究成果接近。說明堆石料填筑施工盡管孔隙率小，但其相對密度數值仍有提升的空間。

阿爾塔什水利樞紐工程截至2017年底，完成大壩堆石料填筑594.58萬m3，現場檢測數據163組，統計平均P5含量14.3%，填筑干密度平均2.23 g/cm3，孔隙率平均18.0%，相對密度0.72。

表6 不同P5含量下設計孔隙率與相對密度分析結果

6 結 語

阿爾塔什水利樞紐工程大壩堆石料細料設計指標細料要求含量高(12%～20%)，巖石塊體強度較低(23.3～69.2 MPa)，軟化系數低(0.51～0.71)等特殊性是其相對密度試驗根據NB/T 35016—2013《土石筑壩材料碾壓試驗規程》取得成功的主要原因。堆石料一般情況下設計要求細料為5%～10%，飽和抗壓強度>45 MPa，軟化系數>0.80，根據NB/T 35016—2013，試驗時最小干密度數值可以取得真實數值，類似工程經驗最大干密度數值一般會失真偏小?，F場碾壓試驗說明阿爾塔什大壩堆石料相對密度設計指標是合理的，碾壓設備的施工能力能夠滿足設計要求，現場施工檢測數據合理，工程施工質量滿足要求。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑壩材料碾壓試驗規程[S]．

[2] SL 237—1999 土工試驗規程[S]．

[3] 曾源. 砂礫料原級配現場相對密度試驗在工程中的應用[J]. 陜西水利, 2015(2)： 153- 155．

[4] 張延億, 汪小剛, 鄧剛, 等. 級配縮尺對堆石壓縮特性影響試驗研究[J]. 水利水電技術, 2017, 48(7)： 116- 122．

[5] 朱晟. 粗粒筑壩材料現場壓實質量的控制標準研究[J]. 水力發電, 2011, 37(12)： 22- 26, 30．