糯扎渡水电站掺砾土击实特性及填筑质量检测方法研究

戴益华，李锡林

（1.华能澜沧江水电有限公司糯扎渡水电工程建设管理局，云南 普洱 665005；2.中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南 昆明 650051）

1 研究内容

糯扎渡水电站是澜沧江中下游河段梯级规划的第五级，属一等大 （1）型工程。挡水建筑物为心墙堆石坝，最大坝高为261.5 m。防渗心墙土料采用由土料场开采的混合土料掺入人工碎石组成的掺砾土料，混合土料允许最大粒径150 mm，掺砾用碎石最大粒径120 mm，掺砾量按35%控制。设计要求心墙防渗土料全料压实度按修正普氏2 690 kJ/m3击实功能应达到95%以上。在国内首次大规模采用人工掺砾技术，无规范及成熟的经验可借鉴。因此，对以下关系工程质量评价及进度方面的内容进行了现场研究：

（1）掺砾土料的击实特性。糯扎渡大坝心墙掺砾土料最大粒径为150 mm，为全面了解其击实特性，研制了直径为600 mm超大型击实仪对掺砾土料进行原级配全料击实试验研究；同时采用直径300 mm大型击实仪、直径152 mm小型击实仪分别对掺砾土替代法全料及小于20 mm细料进行击实试验，比较掺砾土替代法全料与原级配全料击实特性的差异，掌握掺砾土细料的击实特性。

（2）心墙压实质量的检测方法。压实度检测包括击实试验和现场密度试验两个过程。由于料场混合土料及掺砾碎石含量的变化，掺砾土最大干密度和最优含水率有相当大的变化范围。为准确评价掺砾土压实质量，可以通过对全料进行三点击实试验得到全料压实度，但该方法存在检测效率低的问题，实际难以操作。若考虑某一料仓的混合土经开采、掺拌、铺料等工序后已基本均匀，则影响掺砾土料最大干密度的主要因素是砾石含量，因此只要确定某一施工时段内掺砾土料最大干密度与砾石含量的关系曲线 （预控线），便可根据现场实测干密度及砾石含量计算全料压实度。此外，对砾石土采用细料压实度进行质量控制也是国内外常用的一种方法。目前国内对砾质土一般以5 mm作为粗细料的分级粒径，但实际检测时因5 mm以下颗粒不易过筛，因此难以及时得到5 mm以下细料密度，而对掺砾土料以20 mm为粗细分级粒径则可解决细料的过筛问题。为确定20 mm以下细料的压实标准，需要对掺砾土全料压实度与细料压实度之间的对应关系进行研究。

2 掺砾土击实特性研究

2.1 试验参数

试验主要依据DL/T 5355—2006《水电水利工程土工试验规程》及DL/T 5356—2006《水电水利工程粗粒土试验规程》进行。但击实筒直径为152 mm，击实功能为595 kJ/m3的小型击实试验，水工规范及国标对最大粒径20 mm土料均未规定相应参数；击实筒直径为600 mm的超大型击实试验，国内目前尚无应用，故小型和超大型击实试验根据击实功能及仪器规格经计算得出击实参数。试验参数见表1。对两组混合土分别以全料掺砾量为0、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%进行试验。

2.2 击实特性研究成果

最大干密度、最优含水率、击实后P20（全料击后粒径大于20 mm颗粒）含量与掺砾量关系曲线见图1、 2。

图1 最大干密度与掺砾量关系曲线

从图1、2可知：

（1）超大型及大型击实时，掺砾土P20含量随掺砾量增加而大致呈抛物线增加，由于击实功能的增加，相同掺砾量下2 690 kJ/m3击实功能下的P20含量小于595 kJ/m3击实功能的。

（2）在2 690、595 kJ/m3击实功能下，超大型、大型击实试验掺砾土全料最大干密度随掺砾量的增加而呈现先增后降的趋势，且峰值均出现在掺砾量为70%～80%附近；小型击实试验掺砾土细料最大干密度则随着掺砾量的增加而持续增加，没有明显峰值。

（3）超大型、大型及小型击实试验所得最优含水率均随掺砾量的增加而降低。在相同击实功能下，超大型和大型击实试验最优含水率略有差别，但差别不大。

表1 击实试验参数

图2 最优含水率、P20含量与掺砾量关系曲线

（4）2 690 kJ/m3击实功能下，当掺砾量小于30%时，超大型击实最大干密度小于大型击实最大干密度；当掺砾量为40%～50%时，超大型击实最大干密度与大型击实最大干密度差异不大；当掺砾量大于60%时，超大型击实最大干密度大于大型击实最大干密度。595 kJ/m3击实功能下，当掺砾量小于30%时，超大型击实最大干密度与大型击实差异不明显；当掺砾量大于40%时，超大型击实最大干密度大于大型击实最大干密度。相同击实功能下随掺砾量增加，替代法全料的骨架效应大于原级配全料的骨架效应，因此超大型击实最大干密度与大型击实最大干密度的差值增大。

（5）当掺砾量小于30%时，粗颗粒在土中基本处于悬浮状态，此时掺砾土的最大干密度主要取决于混合土击实效果。595 kJ/m3击实功能下，三种击实试验最大干密度及最优含水率相差不大；而在2 690 kJ/m3击实功能下，则略有差异，初步分析是高击实功能下尺寸效应更为明显所致。

3 全料压实度预控线法研究

3.1 试验方法

掺砾土击实特性研究表明，2 690 kJ/m3击实功能下，当掺砾量小于50%时，大型击实 （替代法全料）最大干密度总体略大于超大型击实 （原级配全料）最大干密度，因此结合设计要求，用大型击实试验进行预控线法研究，同时进行了部分小型及超大型击实复核对比试验。主要步骤如下：

（1）选4个备料仓，每个备料仓按开采方向分3个区，各区每一层混合土料按15 m×15 m网格布点取样充分拌和均匀，按掺砾量0、20%、30%、40%、50%，击实功能2 690 kJ/m3进行大型击实试验，得出P20含量及对应的全料最大干密度。如此重复3个区的击实试验，取3组试验结果的平均值绘制P20含量与全料最大干密度曲线 （预控线），作为该仓掺砾土料质量控制依据。

（2）每一备料仓的掺砾土料，在碾压前取全料进行3组 （分别对应备料仓每1分区）五点击实试验，复核预控线全料最大干密度的有效性。

（3）现场检测每一备料仓中的掺砾土料，得到填筑密度、含水率、P20含量，根据P20含量查预控线得到全料最大干密度，进而求得全料压实度。

3.2 试验成果

相同掺砾量下，同仓土料全料最大干密度存在一定差异。4个备料仓预控线最大干密度与现场复核最大干密度差值在-0.04～0.02 g/cm3之间。考虑最大干密度真值为2.09 g/cm3、压实度真值为95%时，预控线全料压实度最大误差约为1.8%。综合4个试验仓的取样试验结果，通过预控线法得到的全料压实度合格率为95.1%，最小值为93.6%，大于设计压实度的98%，满足规范要求。

混合土经开采、掺拌、铺料等多道工序混合后，其土性已基本均匀，同时预控线法采用3个土样最大干密度的平均值，从方法上进一步减小压实度的计算误差，其检测的压实度一定程度上能够反映土料性质的变化，可实现对掺砾土总体压实质量的控制。另外，预控线法缩短了现场检测时间，可以与现场快速施工相适应，得到的全料压实度直接与设计指标匹配，但该方法事前需进行一系列大型击实试验，现场需快速检测掺砾土含水率，其准确性主要依赖于混合土的均匀程度。

4 细料压实度控制研究

4.1 试验目的

在研究掺砾土击实特性的基础上，对5组代表性混合土料进行了全料掺砾量为0、20%、30%、40%、50%、60%、100%时，2 690 kJ/m3击实功能下的替代法全料大型击实试验及相应2 690 kJ/m3及595 kJ/m3击实功能下的小于20 mm细料的小型击实试验，以进一步了解掺砾土细料干密度及细料压实度的变化规律。

4.2 试验成果

与一般风化砾质土不同，掺砾土细料部分含有风化混合土及掺砾碎石两种性质差异很大的土料，在粗料未成骨架时细料干密度随掺砾量或P20含量变化而变化，并与全料最大干密度均表现出存在峰值的特点。

虽然掺砾土细料干密度及细料最大干密度随粗粒含量的变化与一般砾石土有所差异，但细料压实度的变化与一般砾石土是类似的。对于大型击实试验，2 690 kJ/m3击实功能下，当P20含量小于35%时 （掺砾量约50%），由于细料干密度及细料最大干密度增加趋势基本一致，细料压实度随掺砾量增加降低幅度较小。P20含量进一步增加后，细料最大干密度仍在增加，而掺砾土细料干密度已出现明显下降，因此压实度显著降低。

各组混合土料性能虽有较大差异，但其对细料压实度影响相对较小，P20含量在15%～35% （对应掺砾量约为20%～50%）时，相同P20含量下各组掺砾土细料压实度差异较小，从而以细料三点击实法进行压实度检测作为掺砾土填筑日常质量控制的方法是可行的。由于细料在595 kJ/m3击实功能工作量小，最优含水率与料场基本接近并适合现场掺砾土碾压，因此细料击实功能宜选用595 kJ/m3。根据试验结果可以得出，相同P20含量下，当全料压实度为95%时，若以5组细料压实度 （595 kJ/m3击实功能）平均值代表该P20含量的细料压实度，对应全料压实度的最大误差约为1.4%。

4.3 现场填筑质量检测

根据以上研究成果，确定糯扎渡工程掺砾土填筑质量日常控制标准为：小于20 mm细料595 kJ/m3击实功能下压实度应大于98%，最小值不低于96%，细料压实度98%标准合格率大于90%，细料压实度检测方法采用三点击实法。同时每周进行全料2 690 kJ/m3功能大型击实压实度复核检测。

现场检测结果表明：掺砾土细料压实度均大于96%，98%标准合格率为96.1%，标准差为1.76%，复核全料压实度除1组略小于95%外，其余均大于95%。掺砾土压实度满足设计及规范要求。

5 结论

（1）糯扎渡工程通过对掺砾土击实特性、全料预控线法、细料压实度法的研究，全面掌握了掺砾土的击实特性。国内首次对超大粒径掺砾土料进行全料击实试验，首次以20 mm粒径为粗细料分级粒径对掺砾土料进行试验研究，研究成果有效指导了工程设计与施工，可供其他工程参考借鉴。

（2）全料预控线检测方法有效降低现场检测时间，在土料经各工序混合比较均匀的情况下，可以实现对掺砾土总体压实质量的控制。

（3）细料压实度在较大程度上反映了掺砾土的渗透及力学性能。当掺砾量在20%～50%时，不同混合土相同P20含量下掺砾土全料压实度与细料压实度存在较好的对应关系，即全料2 690 kJ/m3击实功能下，压实度为95%时的土料细料密实度与细料595 kJ/m3击实功能下，压实度为98%时相当。掺砾土采用595 kJ/m3功能细料三点击实进行质量控制，可减少检测时间、降低工作强度，提高工作效率，同时结果与试坑土料相对应，准确度也明显提高。该方法在糯扎渡工程的成功应用为同类工程提供了较好的借鉴。

（4）由于掺砾土细料压实度与掺砾碎石级配及P20含量密切相关，采用细料压实度控制时，掺砾碎石级配、混合土超径含量及掺砾土级配的控制显得更为重要。

［1］ 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.心墙堆石坝掺砾土料填筑压实标准及填筑质量检测方法研究报告［R］.昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2010.

［2］ 糯扎渡水电工程建设管理局.糯扎渡水电站枢纽蓄水安全鉴定工程建设报告［R］.普洱：糯扎渡水电工程建设管理局，2011.

［3］ 中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院.糯扎渡水电站招标设计阶段心墙防渗料碾压试验研究报告［R］.昆明：中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，2006.

［4］ 雷泽宏.瀑布沟水电站心墙防渗料工程性质研究［J］.四川水力力电， 1994（12）.

［5］ 杨荫华.土石料压实和质量控制［M］.北京：水利电力出版社，1992.

［6］ 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用［M］.郑州：黄河水利出版社，1998.