苗尾水电站心墙防渗土料压实质量检测方法及控制标准

2011-06-12李朝政

水力发电 2011年10期

李朝政，李伟，陈江

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科学研究分院，云南昆明 650033）

土石坝是当前世界上建造数量最多、高度最高的坝型之一。我国自20世纪70年代引进土石坝技术以来，连续组织开展了一系列科技攻关工作，获得了丰富的研究成果，推进了我国土石坝建设的快速发展。国内外工程实践经验表明，高坝采用砾质土作为防渗料已成为发展趋势，世界上已建和在建的坝高200 m以上的高土质心墙堆石坝基本上都是以砾质土作为心墙防渗料的。在土质心墙堆石坝中，心墙防渗土料的压实性在设计和施工中至关重要。本文列举几种用于大坝防渗土料压实质量的试验检测控制方法，并选择合适的检测方法应用于苗尾水电站防渗土料的碾压试验中。

1 砾质土防渗料填筑质量的检测方法

（1）最大干密度移动平均值检测法。该检测方法实质上是填筑土体干密度指标控制法。依据填筑土料全料的砾石含量（P5）与其最大干密度平均值的关系曲线插值求得。当土料的料源发生较大变化时，关系曲线应做适当调整和数据补充，需要对试坑土料进行烘干（测含水率）、水洗再烘干（测含砾量），耗时较长，工作量大。

（2）全料（或其替代料）三点击实法。该法现场检测与室内击实试验有较好的对应性，土料级配及含水率等物理性指标基本一致，也可以不经筛分、水洗直接求得压实度，且检测精度较高。但是，按照DL/T 5129—2001《碾压式土石坝施工规范》的规定，室内试验工作量很大，且对填筑体也有一定的破坏。因此，该法主要用于碾压试验研究和大坝施工时填筑土体压实效果的复核性试验中。

（3）细料三点击实法检测压实度。在砾质土心墙堆石坝中，对砾质土防渗料细料的压实度检测通常以5 mm和20 mm为界进行划分。一般土料的水分主要集中在5 mm以下的颗粒中，过筛时很多土粒成团，很难区分是砾石还是土粒，难以计算≤5 mm颗粒的密度和所占体积，因此，该法不太适用于压实度检测。而以20 mm粒径进行分界，检测方式可以较好地实现，试验工作量大大降低，且对坝体的破坏要小得多。当大颗粒砾石含量过多时，细料若不能填满粗料孔隙，在渗透水流的作用下，很容易产生渗透破坏（管涌）。此时，若细颗粒的压实度达不到要求，则表明填筑土体的压实达不到标准。因此，用细料的压实度来控制填筑土体的压实效果是符合实际的。

2 苗尾水电站砾质土防渗料填筑质量的检测方法及控制标准的拟定

在苗尾水电站砾质土防渗土料碾压试验研究过程中，对土料的压实度的测定采用三点击实法，用小于20 mm粒径细料的压实度标准进行控制，用全料的压实度标准复核；同时，还对全料和细料压实度之间的关系进行了研究，提出了土料压实度的控制标准。

2.1 试验土料特性

碾压试验是对该电站的主料场苗尾寨土料场土料进行的研究，料场的平均含水率在15%～18%左右，该料场土料的物理性质指标详见表1。

2.2 碾压试验

碾压试验采用质量为22 t的振动凸块碾，进行了3个大场的碾压试验。

第一大场采用1号取料点的天然土料，进行3种铺料厚度（25、30、35 cm），3个碾压遍数（每小场先静碾2遍，再振碾6、8、10遍），共计9个小场碾压试验。从振动凸块碾对土料的扰动、土料压实度设计指标、与其他料区铺层厚度协调及经济性等方面考虑，并结合同类工程实例，最终选取的后续场次碾压施工参数为：铺料厚度28 cm，碾压8遍。

第二大场采用1号取料点的土料，分6种含水率（10%、12%、14%、16%、18%、20%），每种含水率各2个小场，共计12个小场碾压试验。根据第二大场碾压试验结果（见表2），了解土料不同含水率的压实特性、验证土料最大干密度与最优含水率关系，初步确定土料合适的填筑含水率范围。

表2 第二大场碾压试验土料压实成果

从表2可知，土料含水率从10%增加至18%时，含水率与压实度的关系近似一条抛物线，含水率与压实度关系曲线见图1。从5种含水率的压实度成果来看，仅含水率为14%的场次全料平均压实度达到大于98%的初拟设计标准。从含水率与压实度关系曲线来看，全料平均压实度达到98%的含水率区间相对较窄，为14%～15%。整个苗尾寨土料含水率（平均含水率在15%～18%左右）比较难以满足全料压实度≥98%（击实功能1 470 kJ/cm3）的设计初拟控制指标。

在1号取料点，对应每小场试验料进行1组混合料含水率检测。摊铺前对每个小场试验料进行3组含水率检测；摊铺后碾压前对每个小场进行3组含水率测试，以检测摊铺过程含水率的变化。土料摊铺前至摊铺完成，含水率损失基本在0.5%以内。若要求全料平均压实度达到96%时，满足要求的碾压土料含水率区间约为12.5%～17.0%，再考虑开采及运输过程中含水率的损失，可确定苗尾寨土料场上坝土料的含水率约在 13.0%～17.5%。

第三大场为复核试验。在该大场各小场还分别开展592、1 470 kJ/m3击实功能下小于20 mm细料压实度指标和1 470 kJ/m3击实功能下全料压实度指标间的对应关系试验，初步确定土料压实度指标和现场控制标准。碾压试验成果见表3。

表1 苗尾寨土料场土料物理性质指标统计

图1 不同含水率与压实度关系

表3 复核场碾压试验土料压实成果碾前

复核场3个取料点土料在全料1 470 kJ/m3击实功能下与≤20 mm细料在592 kJ/m3击实功能下的压实度影响对比试验研究表明：≤20 mm土料在592.2 kJ/m3击实功能下，其压实度比全料在1 470 kJ/m3击实功能下的压实度高2%左右，比≤20 mm土料在1 470 kJ/m3击实功能下的压实度高约4%左右。

2.3 室内击实试验

击实试验主要采用大型（击实筒直径300 mm）击实仪进行。试料采用湿法制样，避免了土料经风干再加水后可能造成的对压实性的不可逆影响，更符合实际情况。全料室内击实试验成果见表4。

表4 室内击实试验成果

从表4可以看出，土料最大干密度592 kJ/m3击实功能下比1 470 kJ/m3击实功能下减小了0.11 g/cm3；2 690 kJ/m3击实功能下比1 470 kJ/m3击实功能下仅增大了0.02 g/cm3，相差不大。

2.4 压实控制标准的确定

从室内击实试验可知，2 690 kJ/m3击实功能下土料最大干密度比1 470 kJ/m3高约0.02 g/cm3，即压实度高约1%。规范规定：对高坝如采用重型击实试验（击实功能2 690 kJ/m3），压实度可适当降低；但不得低于95%。同时，考虑设计要求，将防渗土料填筑全料压实度控制在不低于96%（击实功能1 470 kJ/m3下）是比较合适的。根据全料1 470 kJ/m3击实功能下与≤20 mm细料592 kJ/m3击实功能下压实度相差约2%可知，细料压实度的控制标准应不低于98%，同时也满足规范要求的采用轻型击实试验1、2级和高坝的压实度应不小于98%～100%的规定。苗尾寨土料场土料的平均含水率在15%～18%左右，根据第二大场及复核场碾压试验的成果，该控制标准采用后，苗尾寨土料场土料的含水率基本在可上坝范围内。这些说明以≤20 mm细料在592 kJ/m3击实功能下的压实度不低于98%作为控制标准，1 470 kJ/m3击实功能下全料的压实度不低于96%作为复核标准是合适的。而≤20 mm细料在1 470 kJ/m3击实功能下压实度偏低，该控制标准不予采用。