荷载板检测坝料质量技术在潘口面板坝工程的应用

赵继成 易永军

（中国水电十五局科研设计院 陕西咸阳 712000）

1 概述

近年来，为了适应工程建设的发展要求，在沿用传统密实度指标的同时，国内外有关行业推出了一些新的检测技术和标准。新方法以直接检测填筑土石料的力学性质参数（如静、动态变形系数等）的直接法取代沿用多年的间接法（如压实度、相对密度、质量法等）。

K30、K50值是采用圆形钢板进行小型荷载试验得到的地基系数值。在坝料的碾压试验时，在常规法检测的基础上，对于 6种坝料使用 K30、K50平板荷载试验新技术，通过承载力与沉降的关系，间接检测所检部位坝料的填筑密实程度，取得不同坝料的压缩模量 Es、变形模量 Eo、沉降量与荷载的对应关系，从而建立干密度与承载板的压强关系式，最终确定该种坝料填筑时的压实控制指标。

由于K30、K50值能够反映地基土石料的变形、强度特性，在公伯峡、潘口面板堆石坝坝体填筑中，开展了采用 K30、K50法检测土石坝坝料填筑质量的试验和应用研究。

荷载试验获得的 P～S(压强—沉降量)曲线上直线段与沉降(S)轴之间夹角α的 t gα值，K30=t gα=P/S（P为不大于比例极限 P0时压板的平均压力强度，kPa；S为 P所对应的压板平均稳定沉降量，cm）。由上式可知，在弹性地基模式的假设下，K30值是地基产生单位沉降量所需要施加的压力强度值，K30值的大小表明地基刚度的大小。K30值能够提供一定地基土变形模量与允许承载力大小的力学性质的试验数据。

根据压实料的性质，工程中常用如下公式：

式中：P0、S0为地基土强度比例极限及对应的压板稳定沉降量；Qmax、Sp为地基土上部建(构)筑物的最大可能接地压力强度及对应的压板稳定沉降量。

根据有关文献，由 D=30cm小型荷载板试验确定地基允许承载力 R时，R与 P0的关系为：R=P0/2，将其代入（1）式，并取S0=0.5cm，得：K30=2R/S0=4R。由此可知，K30值又是一个能够反映地基土允许承载力大小的力学性质指标。

2 荷载板法原理

3 特点

K30、K50检测技术具有以下特点：

（1）在面板堆石坝坝料的碾压试验中，采用小型荷载试验得到的填筑层压实系数 K30、K50值和对应测点的干密度值,与常规取样法相比，K30、K50检测方法具有操作简单、可大幅度减小传统检测方法中挖坑的工作量、取得成果周期短的优势；

（2）解决了传统的挖坑灌水方法劳动强度高、取得成果的周期长、效率低、样本少的不足，同时也避免了由于填筑量大、施工面广的土石坝检测结果难以全面反映坝体填筑质量，挖坑后人工回填不密实而造成质量缺陷；

（3）由于面板堆石坝的主要问题是坝体沉降量和不均匀变形对面板和止水结构的影响，小型载荷试验法可以方便地得出碾压密实度值及坝料变形模量，而这两者本身就是表征坝料变形特性的物理指标。

4 适用范围

作为一种快速、直接的检测方法，K30、K50检测技术在铁路、公路、机场跑道、大型油罐基出的设计和施工质量管理中得到了普遍应用，同时也适用于水利水电工程中的堆石面板坝、黏土心墙堆石坝等类似工程。

5 试验测试设备及操作要点

5.1 K30、K50试验的基本测试设备

（1）荷载板：直径30、50cm，厚25～35mm的钢制圆形板；

（2）加载装置：15～20t千斤顶 1台（以推土机、压路机作为反力支点）；

（3）测力装置：压力传感器 1个，电阻应变仪1台；

（4）测沉降量装置：百分表 2只及相应的表架和支架（见图1）。

图1 K30、K50试验的基本测试设备图

5.2 试验操作要点

按照荷载试验的一般要求，试验的影响深度为荷载板直径的1.5～2.0倍。对于粒径30cm以下的坝料，铺料厚度为40cm，采用直径30cm的荷载板能够满足要求，确定出 K30值；对于粒径60cm以下的坝料，铺料厚度为 80cm，试验中应采用直径≥50cm的荷载板，确定出K50值。

当荷载强度P达到预定的最大荷载强度（荷载板直径φ=30cm时，P≤8t；φ=50cm时，P≤12t）或两个百分表的平均沉降量≥0.6cm时，试验结束。

6 质量检测及结果分析

6.1 潘口混凝土面板堆石坝岩性类型

潘口河料场爆破料（用于特殊垫层 2B、垫层料 2A、过渡料 3A、主堆石料 3B2）主要为灰岩、硅质岩，硬度高,干燥状态抗压强度52.4～60.7MPa，饱和状态抗压强度42.7～50.7MPa,软化系数0.82～0.84，粒形规格,棱角相对明显；溢洪道正片岩 3C料整体级配变化大，干燥状态抗压强度 31.1～67.1MPa,饱和状态抗压强度13.3～19.4MPa,软化系数 0.29～0.44；主堆石3B1主要为河床砂砾石料，岩性主要为块状绿泥钠长片岩（灰岩、砂岩、硅质岩占70%）。

6.2 碾压试验K30、K50试验成果分析评价

潘口河料场垫层料2A、过渡料3A、主堆石3B2爆破料、次堆石3C料正片岩碾压试验K30、K50试验成果分析见表 1、图2。经过对检测结果的分析，确定出满足与坝料填筑设计指标(干密度、压实度等)要求相对应，K30、K50保证率控制标准在90%，可作为大坝填筑时的控制参考。

图2 碾压试验检测干密度与K30、K50对应关系图

从图 2看出，四种坝料不同岩性特性随着碾压遍数的增加，对应的干密度、沉降量、变形模量和压缩模量、K30、K50值等岩性质量等级分类显著。

表1 坝料碾压试验及坝体填筑检测与荷载板试验成果分析表

从变形模量值就可以看出，这几种坝料为较密实状态。由于 K30、K50值代表的是浅层低应力条件下地基料的特性，与长期固结的天然地基和实验室内高应力固结条件下的试样相比，新碾压的坝料密实稳定性相对差一些。

3A过渡料级配较均一，所以沉降变形和压实密度变化较大，但岩性较好，K值高；3B2主堆石料采用的硅质岩，岩性较好，沉降变形量较小 K值高；2A垫层为掺配料，级配不够理想，虽然压实密度高，但颗粒较细沉降变形大 K值低；3C次堆石料（正片岩）粒径虽然大，但岩性较差沉降变形大K值低。

6.3 大坝填筑质量检测与K30、K50检测结果及分析评价

在大坝填筑施工中在常规法检测的基础上，对于 6种坝料开展了K30、K50检测，取得不同坝料压缩模量Es、变形模量Eo、沉降量、K30、K50等不同岩性力学特性的指数，为分析坝料质量及坝体填筑质量、坝体沉降变形规律具有积极的指导意义。试验成果见表1。

（1）垫层2A料K30检测结果及分析评价。2A爆破料轧制的硅质板岩、灰岩与天然砂现场掺配后上坝，碾压后检测级配良好，压实密度均匀，沉降变形小，K30最小值 2.18 MPa/cm，远大于碾压试验时的推荐指标，可满足设计干密度指标。

（2）过度 3A料 K30检测结果及分析评价。3A爆破料级配比碾压试验料有较大改进，沉降变形小，压实密度基本均匀。K值最高，K30标准差 0.72,保证率达 95%，说明岩性较好，K30值2.90MPa/cm，可满足设计干密度指标。

（3）主堆石砂砾石3B1料K50检测结果及分析评价。3B1主堆石天然砂砾石料K50平均值大于2.45MPa/cm，变形模量 42.1～168MPa，变化较大，这是由于 3B1料中有相当含量的大粒径卵石，这些卵石磨圆度好、强度高，这些点得到的K50值较高，这与常规取样结果基本一致。K50标准差 1.16,保证率 90%，K50＞1.18MPa可满足设计要求。砂砾石料的缺点是抗滑性能较差，沉降量及变形量略高于爆破料。

（4）主堆石3B2料K50检测结果及分析评价。3B2主堆石爆破料岩性较好，对于这种爆破料粗细颗粒含量少，岩性强度较高，颗粒节理形状较规格的坝料，承载后岩块不易产生二次破碎，沉降量变化不大。K50值的一个重要指标是沉降量，这也反应了岩性的特性。从试验结果可以看出，K50最小值为1.76MPa/cm，可满足设计干密度要求。

（5）下游堆石区 3C料K50检测结果及分析评价。3C下游次堆石开挖料主要采用一层灰岩，两层正片岩，以保证坝体下游变形稳定。从坝体填筑来看，虽然正片岩岩性较差，但粒径大、级配良好。在高接触压力作用下出现一定程度破碎,增加了孔隙间细颗粒的填充,提高了密实度。正片岩K50＞1.1MPa/cm，灰岩1.7MPa/cm可满足设计干密度指标。

从各种坝料干密度检测与 K30、K50试验成果可以看出，堆石体的压缩模量，是反映堆石体的压实质量及预测变形大小的重要指标。压缩模量值直接受母岩的性质、岩块形状、级配、密度及应力等条件的影响。填筑料干密度大，沉降量小,变形模量、压缩模量高，K30、K50值大，岩性质量好。K30、K50保证率按照90%控制，做为大坝填筑时的检测参考依据，应该能够正确评价大坝填筑的压实效果。

湖北潘口混凝土面板堆石坝工程，采用荷载板法检测各种坝料质量的统计分析，得出以下坝料岩性质量等级排序为：过渡3A料、垫层2A料、主堆石爆破3B2料、主堆石砂砾石料3B1、次堆石3C料正片岩。

7 结语

（1）与常规的挖坑取样法相比，K30、K50方法显然具有操作简单、取得成果周期短的优点；

（2）粗粒料含水量的高低对K30、K50值影响较大，进行K30、K50检测时，必须考虑坝料含水量及降雨的影响，适量的洒水，能显著的提高压石效果；

（3）将K30、K50检测方法与室内试验、计算分析相结合，对于评价面板坝的变形问题，将开拓一种新思路。

面板堆石坝的施工质量，是控制坝体最终沉降变形的关键，荷载板法对于快速准确监控坝体填筑质量，具有广泛的应用空间。在采用常规质量检测的基础上，把 K30、K50值作为一种参考指标推广和应用，可以得出比较理想的检测结果。