超高壩心墻礫石土質量檢測方法的研究

田中濤，江萬紅，車維斌

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 概 述

土料的檢測方法與其檢測指標相關。心墻土石壩發展的核心是心墻筑壩材料的發展。心墻防滲材料從均質土料(粘土、壤土)到風化巖、礫石土；設計檢測指標從干密度到壓實度；現場檢測方法從試坑灌水法發展出三點擊實法、擬合曲線法。礫石土料為高堆石壩的心墻首選材料，其質量控制標準與檢測方法一直是行業關注的核心技術問題。通過深入研究，在超高心墻土石壩確立了以有利于保證工程質量和施工進度的細料為主、全料復核為理念的質量控制標準；及以三點擊實現場快速檢測為主，全料室內平行復核為輔檢測方法。

近20年來，我國心墻高土石壩的發展取得了跨越式發展，連續實現了由100 m級向200 m級、200 m級向300 m級的兩次飛躍[1-2]。始建于20世紀50年代的大伙房水庫工程49.8 m高的粘土心墻壩是我國“一五”期間重點水利工程提出的土料填筑干容重指標控制方法，至今仍在沿用；建于20世紀80年代魯布革水電站工程103 m高風化料心墻壩提出的土料填筑壓實度指標控制方法，成為國內土料質量控制的主流方法；建成于21世紀的瀑布溝水電站工程186 m高的礫石土心墻壩提出的細料為主的控制方法，為目前國內高土石壩礫石土料質量控制普遍采納的方法；已建成的糯扎渡水電站工程261.5 m高礫石土心墻壩提出的三點快速擊實的礫石土質量控制方法，較為有效地解決了礫石土質量控制技術難題；剛建成的長河壩工程240 m高礫石土心墻壩提出的最大干密度擬合曲線法的礫石土質量控制方法，拓展了礫石土質量控制方法。

受限于施工設備與工作量，常規的三點擊實法無法快速有效的進行施工質量檢測，因礫石土最大粒徑一般選用120～150 mm；DL/T5129—2013《碾壓式土石壩施工規范》[3]推薦礫石土施工質量檢測方法為三點擊實法和碎(礫)石土最大干密度擬合法。三點擊實法能夠適應復雜土料填筑質量快速檢測方法，點對點實測，可針對性地反映現場實際情況，但試驗控制最大粒徑只能夠反映測量點的情況，在宏觀上無法對料源做評價；最大干密度擬合法源自設計研究階段的方法，能夠在總體把握料源的條件下做出評判。三點擊實法檢測細料壓實度的理念是基于細料與全料匹配對應關系，無法匹配對應全料壓實度數據；而碎(礫)石土最大干密度擬合法是以傳統的試坑灌水法測試干密度為基礎的，可同時計算細料、全料壓實度；但會因料源的變化而變化。

本文通過對三點擊實法、碎(礫)石土最大干密度擬合法進行深入研究分析[3- 4]，提出基于全料壓實度、細料壓實度檢測的礫石土料現場檢測方法理念與方法，有利于保證工程質量和施工進度。

1 三點擊實法及其研究

三點擊實法進行現場檢測時，不需測定土的含水量，僅在現場測定土的濕容重后，用與其相同土樣進行三種含水量擊實試驗，測定三個擊實濕容重，通過變換求出最大縱距的濕容重值，以此來確定填土的壓實度以及最優含水量與填土含水量差值。細料的現場三點擊實快速檢測方法是現場研究解決礫石土料快速檢測的最為有效的方法。國內不斷有人針對三點擊實快速檢測方法進行理論和試驗研究。

1.1 小浪底水利樞紐工程的研究

在小浪底水利樞紐工程中，為了驗證三點快速擊實法精度采用不同土料進行了13組實驗，并用相應土料由承包商和業主兩個實驗室同時進行標準擊實試驗，烘干法測定含水率。兩種方法的實驗結果如下： ①最大濕密度，承包商資料中的差值在0～0.042 t/m3之間，平均為0.006 t/m3；業主資料中的差值為0.001～0.09 t/m3，平均為0.010 t/m3。②最大干密度，承包商資料的差值在-0.008～0.026 t/m3之間，平均為-0.001 t/m3；業主資料差值在-0.004～0.038 t/m3之間，平均為0.010 t/m3。

結果表明：兩種方法差值小，絕大多數在允許誤差范圍內，三點快速擊實方法是一種滿足精度要求的方法，能夠快速、及時地做出質評結果，以其進行質量控制是可行的。

1.2 昆明院的主要研究成果

三點擊實法假定：用于三點擊實的三個試樣的初始含水率相等且與碾壓現場含水率相同。由于土體材料本身的分散性，土料含水率也存在一定的離散性，則原先對于濕重相同的三點擊實試樣的干重相同的假定不成立；因此，其求得的壓實度是近似性的。昆明勘測設計研究院陳江、李朝政、李偉等在文獻[5]中考慮了擊實試樣與碾壓現場含水率之間的誤差，提出了壓實度的評估方法。

研究過程考慮了擊實試樣初始含水率與碾壓現場含水率的誤差，得到不同誤差組合下的真實壓實度，并由此得到真實壓實度的取值范圍、真實壓實度大于某個臨界值或設計指標的概率及近似壓實度相比于真實壓實度偏大或偏小的概率。該方法可獲得壓實度更加詳細的信息，利于對施工質量做出準確判斷。

研究者根據推求的公式對《土石料壓實和質量控制》[6]中圖3-11的兩個算例進行計算的結果為：假定現場含水率為12%，含水率偏差∈(-1.0%，1.0%)，土的濕密度限值取2.24 g/cm3。誤差組合計算結果為：

算例a，近似壓實度D=100.87%；真實壓實度D的取值范圍為(97.05%，101.70%)，真實壓實度D大于98%的概率為98.88%；近似壓實度D相比于真實壓實度D偏大的概率為 76.36%，偏小的概率為23.64%。

算例b，近似壓實度D=98.52%；真實壓實度D的取值范圍為(94.99%，99.35%)；真實壓實度大于98%的概率為59.96%；近似壓實度相比于真實壓實度偏大的概率為76.50%，偏小的概率為23.50%。

1.3 兩河口水電站工程不同擊實儀器的影響

為評價不同擊實儀器對現行檢測方法的影響，在兩河口水電站工程施工中對不同壓實度的標準進行了三點擊實試驗現場檢測平行試驗(見表1、2)。

表1 兩河口工程超大型、大型與小型三點擊實平行試驗成果 %

表2 兩河口工程大型與小型三點擊實平行試驗成果 %

試驗表明：現行的全料φ300重型擊實替代試驗方法和標準是可行的，其標準相對φ800全料試驗結果偏嚴格，對工程質量有保證；細料φ152標準擊實試驗方法和標準也是可行的。

表3 長河壩礫石土三點擊實與常規法對比(一) %

表4 長河壩礫石土三點擊實與常規方法對比(二) %

注：P5為粒徑大于5 mm顆粒含量。

1.4 礫石土三點擊實法誤差分析

為研究試坑灌水法與三點擊實法的偏差，長河壩水電站工程建設中進行了專項試驗，其試驗成果見表3、表4。現場不同場次碾壓試驗進行全料與細料、不同細料不同檢測方法研究，由于需要現場原位試驗研究，每個部位試坑取樣量大，規劃了2 m的大坑方完成了上述研究檢測項目。通過分析可知：

(1)細料20 mm現場三點擊實法與灌水法細料計算壓實度數值大1%～3%，平均1.80%；細料5 mm 現場三點擊實法與灌水法細料計算壓實度大1%～2%，平均1.29%。

(2)細料灌水法全料與細料的關系比三點擊實法更接近理論推求的關系數值。

(3)P20(粒徑大于20 mm顆粒含量)與P5(粒徑大于5 mm顆粒含量)的差值三點擊實法較理論推求偏差較大(全料較小壓實度下偏大，全料較大壓實度下偏小)，灌水法更接近理論推求的關系數值。分析還表明，灌水法整體可靠性高于三點擊實法，可作為驗證三點法的依據和基礎。

2 細料粒徑標準

目前行業的細料現場檢測有以5 mm和20 mm粒徑兩種控制標準。我國傳統的土石壩以5 mm作為細料控制粒徑；而考慮試驗工作難易程度，糯扎渡水電站工程以20 mm作為細料控制粒徑。通過理論分析可以確定，5 mm標準比20 mm嚴格。但現場兩者之間關系如何，哪個作為標準更有利保證質量，需要深入分析研究。

2.1 試驗研究

成都勘測設計研究院楊凌云等針對亞中土料場對不同P5含量下的5、20 mm在不同壓實度下的數值進行了理論和實測綜合性研究，主要成果見表5。

表5 兩河口工程亞中土料現場擊實P20、P5成果 %

表6 長河壩礫石土料現場不同方法下細料P20、P5壓實度差值

根據楊凌云等的研究成果可以看出：P20壓實度數值上均大于P5，理論分析數值差異1%～4%；在全料100%壓實度時，一般情況下細料理論推求數值大于實測數值，其差值小于1%，一般情況下小于0.5%。研究表明理論計算的關系均成立。該研究是在同一條件下進行的。施工現場由于碾壓機具的壓實功與擊實標準間的差異(選擇設備碾壓功與重型擊實功間的差)，理論推求數值大于實測數值這種差值還會增大；同時，現場壓實度的檢測一般采用三點擊實法快速檢測，會造成不確定性。

2.2 碾壓試驗驗證

不同P5下的全料相同狀態下，分別在長河壩、兩河口水電站工程進行了5、20 mm壓實度現場實測研究。按照不同全料壓實度，細料P20、P5壓實度數值差進行資料分析統計(見表6、表7)。

可以看出：無論是灌水法還是三點擊實法，相同全料壓實度下，細料20 mm的壓實度比5 mm大；采用灌水法時大1%～2%，平均1.47%；采用現場三點擊實法時大1%～4%，平均1.98%。

兩河口水電站工程在完成750組全料、細料對照后，開始現場以細料進行檢測，根據已有225組數據進行P20、P5實測差值統計見表7。該大壩工程已填筑取樣數據統計平均為：全料壓實度99.65%，≤20 mm壓實度102.7%，≤5 mm壓實度102.2%。表6說明，三點擊實法本身存在誤差隨機性大，但總體上反映的趨勢仍為P20大于P5。

表7 兩河口礫石土料現場三點擊實法下細料P20、P5壓實度差值統計匯總

3 最大干密度擬合曲線法與三點擊實法

在超大擊實(800 mm)驗證了大擊實(300 mm)應用于工程控制結果對施工質量有保證的基礎上，在兩河口大壩工程進行了全料的三點大擊實與最大干密度擬合曲線法的對比研究，結果表明在用于全料時兩者精度一致。

3.1 最大干密度擬合曲線法

最大干密度-礫石含量線性擬合法是采用對不同礫石含量的礫石土進行控制粒徑(5 mm或20 mm)以下基質土的室內標準擊實功能試驗，得到其最大干密度與礫石含量關系曲線，根據現場取樣實測干密度、含水率和礫石含量，比擬最大干密度線性關系用以計算土樣壓實度以及填土含水率與最優含水率差值的試驗檢測方法。

該方法可適應于全細料，基礎是試坑灌水法，依據是室內擊實的標準曲線，在糯扎渡水電站被稱為“預控線法”[7]，新施工規范修訂時正式定名為最大干密度——礫石含量線性擬合法。

3.2 擬合法與三點擊實法檢測比較

兩河口工程中采用了全料室內三點大擊實法，同步根據擬合曲線進行全料壓實度計算比較(見表8)。

表8 兩河口工程全料大擊實與擬合法對比

由表8可以看出：全料三點大擊實計算壓實度與擬合法計算壓實度誤差很小，兩者方法精度相當，兩個方法均可使用；但三點法用于全料的誤差尚有待分析。

4 已建高土石壩檢測方法

國內現階段在建高土石壩礫石土質量標準已統一到全料、細料雙控制的要求；而檢測方法從瀑布溝工程的細料為主到糯扎渡水電站三點擊實為主[7- 8]，再到長河壩的全細料雙控，體現的是現場檢測方法的高標準和高質量要求。國內現階段在建、已建的高土石壩質量檢測方法見表9。

表9 在建、已建高礫石土心墻壩工程礫石土料檢測方法

由表9可以看出，高土石壩礫石土質量檢測基本都采用了細料三點擊實法為主控、全料定期取樣復核的方法。綜上所述，三點擊實法用于礫石土存在偏大的概率高，只能反映檢測土樣狀態，需要綜合分析研究。

5 結 語

(1)超高壩心墻礫石土料按照全料、細料分別控制的思路進行檢測方法的制定，細料為主、全料定期平行取樣復核。細料為主的目的在于保證施工過程的作業質量，全料定期平行取樣復核的目的在于保證料源的質量與性質穩定。

(2)超高壩心墻礫石土料細料質量控制是關鍵，制定考慮細料為主的檢測方法有利于保證工程質量；同時，三點擊實法快速檢測方法也有利于保證工程施工進度。考慮三點擊實法存在的誤差偏高概率，為保證三點法對礫石土料的質量檢測成果的可靠性，施工過程中可抽樣采用試坑灌水法、細料的壓實度按高程進行平行復核檢測，復測細料最大干密度參照采用瀑布溝“移動平均法”確定。

(3)在填筑過程中，全料壓實度同步試坑灌水擬合曲線法按填筑層平行檢測，以掌握料源質量變化情況，綜合細料含量、含水率、干密度等指標對土料整體質量管控和提供工程質量控制驗收基礎資料；結合抽樣，按高程平行對全料壓實度進行大擊實復核以定期評價擬合曲線法的偏差，可及時修正全料最大干密度礫石含量關系曲線。

[1] 張宗亮. 200 m級以上高心墻堆石壩關鍵技術研究及工程應用[M]. 北京： 中國水利水電出版社, 2011．

[2] 郭慶國, 蔡長治. 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．

[3] DL/T5129—2013 碾壓式土石壩施工規范[S]．

[4] DL/T5395—2007 碾壓式土石壩設計規范[S].

[5] 陳江, 李朝政, 李偉. 基于三點擊實法的壓實度評估方法[J]. 巖土工程技術, 2011, 25(3): 109- 112．

[6] 楊蔭華. 土石料壓實和質量控制[M]. 北京： 水利水電出版社, 1992．

[7] 戴益華, 李錫林. 糯扎渡水電站摻礫土擊實特性及填筑質量檢測方法研究[J]. 水力發電, 2012, 38(9): 44- 47．

[8] 周先運, 姚亞軍, 郭敏敏, 等. 糯扎渡水電站心墻摻礫土料壓實度快速檢測方法探究[J]. 中國科技信息, 2012(8): 30- 31．