三點擊實法在大藤峽高液限黏土施工的可行性研究

(1.南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000;2.中國葛洲壩集團電力有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

三點擊實法已在阿爾及利亞土石壩黏土心墻以及我國海南大廣壩礫石土心墻等多個大型工程中成功運用，有較深的理論和實踐基礎。在大藤峽水利樞紐工程中，為確保高液限黏土料試驗成果的可靠性，有必要開展研究性碾壓試驗。本次試驗目的一是驗證現有三點擊實控制圖是否適用現有土料性質，二是通過標準擊實與三點擊實試驗比對，進一步驗證試驗結果的可靠性。

1 工程概況

大藤峽水利樞紐工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，壩址在廣西桂平市黔江彩虹橋上游6.6km處，是紅水河梯級規劃中最末一個梯級。大藤峽水利樞紐工程的任務為防洪、航運、發電、補水壓咸、灌溉等綜合利用，水庫正常蓄水位61.00m，汛限水位47.60m，死水位47.60m，總裝機容量1600MW，工程規模為Ⅰ等大(1)型。樞紐建筑物主要包括泄水、發電、通航、擋水、灌溉取水及過魚建筑物等，擋水建筑物由黔江主壩、黔江副壩、南木江副壩組成。

南木江副壩布置在南木江與黔江匯合口下游750m處，主要由黏土心墻石渣壩段、灌溉取水口及生態泄水壩段和混凝土重力壩壩段組成，黏土心墻石渣壩布置在樁號0+114.90～0+696.90之間，長度582m，壩頂高程65.00m，防浪墻頂高程65.50m，壩頂寬8m，最大壩高39.80m。黔江副壩位于主壩左岸上游，為黏土心墻石渣壩，壩頂長1073.00m，壩頂高程65.00m，防浪墻頂高程為65.50m，最大壩高30.00m。

南木江副壩及黔江副壩心墻黏土總需求量約31.2萬m3(實方)，根據土料平衡規劃，主要利用下游引航道開挖料。黔江副壩及南木江副壩黏土料已運至南木江上游備料場，并按要求完成相關室內試驗及碾壓試驗。

2 黏土心墻料設計要求

南木江副壩及黔江副壩黏土心墻黏土料設計控制指標如下：壓實度不小于98%，滲透系數K不大于1.0×10-5cm/s，水溶鹽含量不大于3%，有機質含量不大于 5%，含水率控制在最優含水率的-2%～+3%偏差范圍以內。

3 生產工藝性碾壓試驗成果

根據試驗成果：下引航道不同部位、同一部位不同分層土料料源不均勻，各種黏土料性質存在較大差異，大部分無法滿足設計ρd≥1.60g/cm3的要求，且液、塑性指數偏大。

4 研究性碾壓試驗必要性

由于南木江副壩壩體心墻黏土料填筑總量較大，料場(下游引航道)分布較廣，不同取料場黏土料性質差異較大，為全面了解備料場土料的基本性質，有必要開展研究性現場碾壓試驗以提供科學的依據。

研究性試驗的目的是研究三點擊實法用于高液限黏土施工質量控制的可行性、土料壓實后的各種力學及變形參數，以及高液限黏土填料含水率干濕變化對壓實性能的影響。

5 土料的基本物理性能試驗

結合土料場探坑所揭露的情況以及備料場現有土料的普查情況，通過視覺分辨土料的形態、顏色、氣味以及含水率等差異變化，現場選取具有代表性的土料進行土料的基本物理性能試驗，其基本物理性能試驗成果見表1，顆粒級配曲線見圖1。

表1 土料的基本物理性能試驗成果

圖1 顆粒級配曲線

從土料基本物理性能試驗成果來看：

a.界限含水率試驗：液限變化范圍為28.9%～70%，平均值為55.0%，塑限變化范圍為6.5%～30%，平均值為23.5%，塑性指數變化范圍為19.0～40.4，平均值為31.5。

b.比重試驗：土粒比重變化范圍為2.70～2.78，平均值為2.74。

c.顆粒級配試驗：黏土料最大粒徑為1mm，黏粒含量變化范圍為18%～45%，平均值為38.3%。

結合上述試驗成果可以看出，土料場土料性質差異較大，且不均勻，特別是備料場已有的土料性質的差異可能會增加后期施工填筑質量控制的難度。

6 土料的壓實性能

土料的壓實性能是指土料在一定的擊實功能條件下達到密實的程度，由于高液限黏土除具有失水收縮、遇水膨脹的特性之外，更主要的特征是高液限土壓實性差，經過壓實后土的壓縮性仍然較大，且有明顯的應變軟化。為了較全面地了解上述12組土料的壓實性能，采用室內標準擊實試驗獲得不同土料在標準擊實功能下的最大干密度及最優含水率，其試驗成果見表2，擊實曲線見圖2。

由表2可知，黏土料最大干密度變化范圍為1.47～1.82g/cm3，平均值為1.58g/cm3；最優含水率為17.7%～28.0%，平均值為23.7%，其不同土料的壓實性能也存在明顯差異。

表2 土料擊實試驗成果

7 滲透性能

滲透是液體在多孔介質中運動的現象，這一現象表達的定量指標為滲透系數，其滲透系數代表土料滲透性的強弱以及抵抗滲透變形的性能。結合本次土料場復查所取土料，從中選取8組代表性土料進行滲透試驗，滲透試驗采用南55型滲透儀進行，其試驗成果見表3。

由表3可知，不同土料場土料的滲透系數變化范圍為1.29×10-5～6.09×10-7cm/s，滲透系數均滿足設計指標的要求。

圖2 土料擊實曲線

表3 土料滲透試驗成果

8 三點擊實法用于高液限黏土施工質量控制的可行性

三點擊實試驗法又稱西爾夫(Hilf)快速控制法，是一種適用于復雜土料填筑質量控制的檢測方法。該方法不需要測定含水率，僅在現場測定土的濕密度后，用與其相同的土樣進行三種含水率擊實試驗，測定三個擊實濕密度，通過變換，求取最大縱距的濕密度值，以此來確定填土的壓實度。該方法的優點為操作簡單、效率高、用時短，從而可使施工進度加快。

具體實施計劃如下：

a.從現有備料場取樣，分別選擇代表性土樣10組。

b.分別進行10組土樣的標準擊實和三點擊實試驗。

c.核實標準擊實確定的最大干密度與三點擊實求取的最大縱距最大干密度值的吻合性。

d.核實標準擊實確定的最優含水率與三點擊實法控制圖確定的最優含水率是否吻合性。

9 高液限黏土填料含水率干濕變化對壓實性能的影響

從前期土料場普查試驗成果(見表2～表3)來看，黏土料天然含水率變化范圍為20.6%～33.4%，平均值為28.4%，而該土料通過標準擊實試驗獲得的最優含水率變化范圍為17.7%～28.0%，平均值為23.0%，試驗成果表明現場填料含水率平均值比最優含水率平均值偏高5.4%。根據碾壓式土石壩施工規范以及設計技術要求，填料含水率控制在最優含水率的-2%～+3%偏差范圍以內，因此就土料場料源含水率而言，在施工過程中需要進行翻曬處理，從而確保填料的含水率滿足規范的要求。

結合以往類似工程的施工經驗，高液限黏土料翻曬處理施工控制難度較大，一方面受地域氣候的影響較大，另一方面由于高液限黏土不宜分散，故難以確保預期效果。鑒于上述因素，考慮到后期施工實施過程中可能存在的問題，開展高液限黏土填料含水率干濕變化對壓實性能的影響研究十分必要。

就高液限黏土而言，影響土料壓實性能的主要因素包括填筑層的厚度、壓實機械的性能、碾壓遍數以及含水率等。其中含水率對土料壓實性能的影響在某一方面與壓實機械的性能有關，即壓實功能越大，要求的含水率越低；其次就土料的壓實而言，每種土料在不同狀態及壓實功能條件下，均能達到自身應有的碾壓密實狀態。結合黏土心墻填筑要求，一般要求黏土的含水率略高于最優含水率，特別是對于高液限黏土所具有的特性而言尤其重要。結合上述觀點，針對高液限黏土填料含水率干濕變化對壓實性能的影響研究制定如下實施計劃：

現場碾壓試驗實施結合生產性工藝碾壓試驗中的復核試驗場次進行；在原復核試驗場次中增加兩個試驗條帶，每個條帶含水率分別為最優含水率、最優含水率-3%、最優含水率+5%。

最優含水率的碾壓遍數按照優選碾壓遍數進行；最優含水率-3%的碾壓遍數在最佳碾壓遍數的基礎上增加2遍，最優含水率+5%的碾壓遍數在最佳碾壓遍數的基礎上減少2遍。

試驗檢測內容及工作量見表4，試驗場地布置見圖3。

表4 高液限黏土填料含水率干濕變化對壓實性能的影響研究試驗場次及工作量

圖3 干濕變化對壓實性能的影響研究試驗場地布置(單位：mm)

10 研究土料壓實后的各種力學及變形參數

由于高液限黏土具有失水收縮、遇水軟化的特性，同時該土料壓實性差，經過壓實后土的壓縮性仍然較大，且有明顯的應變軟化。鑒于上述因素，從大壩運行安全以及為設計復核計算分析提供科學依據方面考慮，其進行的各種力學及變形參數試驗如下：

a.抗剪強度試驗：試驗采用三軸試驗儀進行，試驗方法為CU、CD。

b.固結試驗：試驗采用高壓固結儀進行，試驗狀態為天然狀態及飽和狀態兩種方式。

c.滲透試驗：試驗采用南55型滲透儀，測定滲透系數。

d.上述試驗土料均采用復核試驗場地取原狀樣品進行，原狀樣取樣規格為25cm×45cm×45cm，采用蠟封包裹，確保樣品的狀態及含水率的損失不發生變化。

主要試驗情況見表5。

表5 土料壓實后的力學及變形試驗工作

11 提交試驗成果

a.提交三點擊實控制法用于高液限黏土心墻壓實質量控制的可行性試驗成果。

b.提交高液限黏土料干濕變化對壓實性能的因素分析試驗成果。

c.提供高液限黏土不同含水率狀態下，壓實后的力學及變形性能試驗成果。

d.根據相關試驗成果提供相關建議和施工措施。

12 質量控制方法

由于南木江備料場土料性質差異較大，土料最大干密度隨土料性質的變化而變化，因此難以采用某一固定的最大干密度作為控制指標，而傳統的標準擊實試驗工作量大、時間長，不適于上壩土料的施工。

本次碾壓試驗采用三點擊實法開展質量控制，三點擊實試驗法又稱西爾夫(Hilf)快速控制法，是一種適用于復雜土料填筑質量控制的檢測方法，該方法不需要測定含水率，優點為操作簡單、效率高，相比于標準擊實試驗能節省大量時間，從而加快施工進度。對于性質復雜的土料，三點擊實法也能更準確地控制填筑質量。

三點擊實法的試驗步驟如下：

測定現場濕密度ρf；分別對保持原含水率(未加水)、加水2%、加水4%的土樣以標準擊實功能進行擊實，測得擊實濕密度ρ1、ρ2、ρ3，得出其變換濕密度ρ′1、ρ′2、ρ′3。通過數解法或圖解法求得土的壓實度、最優含水率與填土含水率差值。

具體試驗和計算方式參照《碾壓式土石壩施工規范》(DL/T 5129—2013)附錄B.1。

考慮到實際施工進度及試驗數據的真實準確性問題，本次碾壓試驗對于性質均勻的土料可以用單一的最大干密度進行控制，而對于土料性質復雜的土，采用三點擊實法進行控制，從而更準確、更快速地控制土料碾壓壓實質量。

13 結 語

三點擊實法在大藤峽南木江副壩及黔江副壩高液限黏土填筑施工的可行性研究分析，復核了設計要求和填筑標準的合理性，也再一次證實了三點擊實法用于高液限黏土施工質量控制具有可行性和可靠性。本次試驗研究的土料壓實后各種力學、變形參數以及高液限黏土填料含水率干濕變化對壓實性能的影響結果，可為后續順利進行黏土心墻土石壩填筑提供必要保障，同時為三點擊實法在高液限黏土施工中進一步推廣提供有價值的借鑒。