黏性砾质土防渗料压实质量检测控制方法探讨

2013-12-17李建国李小泉陈定贤

水电站设计 2013年2期

李建国，李小泉，陈定贤

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

土石坝由于其对地基条件良好的适应性、能就地取材和充分利用建筑物开挖料、造价较低等优点，成为世界各国广泛采用的坝型，尤其随着筑坝技术及施工机械的发展，防渗土料的使用范围进一步扩大，红土、膨胀土、分散性土已在一些工程中成功使用，而黏性砾质土，甚至风化泥岩料、风化页岩料则是高心墙堆石坝的首选土料。

众所周知，土石坝的坝坡稳定、渗透稳定与变形控制，取决于坝体结构布置与材料的力学参数，施工中每填筑一层，进行检测力学参数费时费力，且不能满足施工进度要求，因此，施工规范选取了检测级配、密度与含水率等物性指标，间接地反映力学参数。防渗土料是高心墙堆石坝的核心部位，做好其压实质量检测控制与分析评价，是土石坝施工质量管理的重要内容，对确保土石坝的安全有着十分重要的意义。

黏性砾质土是一种黏性粗粒土,是土石混合料,它通常以5mm为界被分为粗料和细料两部分,颗粒组成是决定宽级配砾质土工程特性的主要因素。同时，密度与含水率随着其级配的变化而变化。(DL/T 5129-2001)《碾压式土石坝施工规范》传统质量控制统计分析的直方图或管理图法，是以材料的单一特征值为控制对象，难以对受多个特征粒径含量因素影响的宽级配黏性砾质土防渗料的质量进行控制与分析评价。国内已有对质量控制的文献，基本侧重于压实度的检测与控制，未对影响防渗料性能密切相关的级配、密度(压实度)与含水率进行综合分析与控制。

本文结合位于四川省黑水河，覆盖层最大深度56m，最大坝高147m的正在施工中的毛尔盖水电站心墙堆石坝,以大量试验、检测数据为依据,对砾质土防渗料的质量检测控制方法进行论述探讨，以供其他类似土石坝工程设计、施工质量检测参考。

2 质量检测控制方法

2.1 级配检测控制方法

毛尔盖水电站大坝防渗心墙采用的黏性砾质土防渗料，位于小黑水河右岸的团结桥料场，按照地质成因，为成因复杂的坡积土，从上到下分为两层，土料的第③-1层和第③-2层往往是上下部混杂，土料分布极不均匀性，但防渗料的细料部分均为黏土，塑性指数变化较小，Ip=11.0～16.0。统计的级配见表1、2。勘察设计阶段，经过大量的勘探试验，按照施工可行，质量可控的原则，确定了料场分层开采，并在掺配场按照体积比③-1∶③-2=1∶1进行施工掺合。

现场实测5组③-1层松铺料的干密度平均为1.80g/cm3, 实测5组③-2层松铺料的干密度平均为1.40g/cm3,同体积③-1与③-2层的重量比为1.30，介于通常的5∶5～6∶4之间，因此，按照重量比5∶5～6∶4确定掺和后的砾质土防渗料控制包线，综合两种掺比，确定的最终控制级配包线见表3、图1。图1作为施工填筑检测级配控制图。

表1 防渗土料③-1层级配试验成果 %

表2 防渗土料③-2层级配试验成果 %

表3 确定的防渗料控制包线 %

图1 心墙料填筑检测级配控制

毛尔盖水电站大坝最低建基面高程为1 991.0m，现已填至高程为2 091.0m， 2010年3月份以来，除施工单位常规检测外，业主委托质量检测第三方对高程1 991.0～2 078.0m进行了6次实际填筑后的抽检,其检测成果见表4、5。

土料的压实检测须满足“时效性”，由于土料的细料塑液限与碾压无关，且是查级配控制图的前提，为满足快速提供检测结果，可以在铺料时，确定点位坐标，进行取料检测细料塑液限指标。毛尔盖水电站大坝所检测土料中的细料部分，塑性指数为Ip=12.7～14.2,变化较小，与前期试验较为吻合。对照图1，绘制的检测对比包线见图2。从图中可以得出：

小于5mm含量统计：小于5mm小值含量37.44%，小于5mm大值含量74.46%，18个样本中，小于5mm含量高于45%而位于下包线以上的有16组，占全部样本的90%，小于5mm含量低于45%的有2组，占全部样本的10%。而这2组样本，处于高程2 028.0m附近。

小于0.075mm细粒含量统计：小于0.075mm细料小值含量22.26%，小于0.075mm细粒大值含量59.10%，18个样本中，小于0.075mm细粒含量位于下包线以上有15组，占全部样本的78%，有3组位于下包线以下，且处于高程2 028.0m附近。但其小于0.075mm含量仍高于15%，满足小于0.075mm含量高于15%的要求。

小于0.005mm黏粒含量统计：小于0.005mm黏粒小值含量8.72%，小于0.005mm黏粒大值含量20.17%，18个样本中，小于0.005mm黏粒含量位于下包线以上的有18组，占全部样本的100%，且全部满足不宜低于8%的设计要求。

表4 检测物理性质试验成果

表5 检测物理性质试验成果 %

图2 心墙料填筑检测级配对比

2.2 压实度与含水率检测控制方法

依据前期勘探的级配资料，通过对不同击实功能比较，最终选取的室内2 000kJ/m3系列击实成果见表6，通过击实成果，绘制的P5～ρdmax～mρdmax～Wop压实控制标准见图3。

由于碾压前后，土料的含水率相差小，为满足快速提供检测结果，在取料检测细料塑液限指标的同时，可分别取料测定大于5mm粗料与小于5mm细料的含水率。对照填筑检测压实度控制曲线图，绘制的检测对比见图4与表7。从图表中可以得出：

填筑含水率统计：18个样本中，填筑最小含水率5.7%，填筑最大含水率11.2%，全料含水率在Wop-2.9%≤Wf≤Wop+1.5%之间，部分土料略为偏干，但总体满足设计要求。

填筑干密度统计：最小干密度1.98g/cm3，最大干密度2.14g/cm3，最低压实度97%，最高压实度100%，18个样本中，压实度大于98%的有16组，满足合格率不小于90%的要求，且不合格压实度97%，满足不低于设计压实度98%的要求。

一般情况下，“级配控制图”“压实度控制图”，“两图”就可以对防渗料是否满足设计要求进行检测控制与分析。对于料场中存在含不同塑液限细料的黏性砾质土防渗料，可以制定不同的"两图"进行分别控制，同时，对于复杂变化的料场，其级配或压实度，不一定都能满足设计要求，对于特殊情况，须根据具体情况决定是否挖出或进行力学论证。

表6 砾质土心墙料全料压实控制参数

图3 心墙料压实度控制

土样编号<5mm/%粗粒含量/%ρd/g·cm-3Wf/%ρdmax/g·cm-3Wop/%压实度DWf-Wop/%M1X 0+181.062.3137.692.0010.12.089.60.970.5M1X 0+120.053.9446.062.108.32.118.91.00-0.6M1X 0+160.058.3941.612.067.12.099.20.99-2.1M2X 0+175.046.2853.722.117.72.138.00.99-0.3M2X 0+118.037.4462.562.145.72.167.10.99-1.4M2X 0+310.037.5862.422.116.92.166.90.980.0M3X 0+305.063.5036.502.039.32.079.60.98-0.3M3X 0+185.064.7835.222.0311.22.079.70.981.5M3X 0+115.065.7634.242.0211.02.0610.10.980.9M4X 0+120.074.4625.541.989.12.0210.60.98-1.5M4X 0+350.059.1440.862.039.22.089.30.98-0.1M4X 0+225.060.9939.012.0210.22.079.60.980.7M5X 0+230.057.6542.352.068.82.099.20.99-0.4M5X 0+310.051.6348.372.097.52.118.90.99-1.4M5X 0+285.059.8240.182.0310.82.089.60.981.2M6X 0+74.061.7838.222.048.22.079.70.99-1.5M6X 0+122.057.1842.822.046.72.099.10.98-2.5M6X 0+281.057.7142.292.036.32.099.20.97-2.9

图4 心墙料压实曲线

2.3 力学参数检测控制方法

毛尔盖水电站大坝，采用根据前期勘探试验，并作为坝体结构计算依据的黏性砾质土防渗料力学试验参数见表8。其作为施工期防渗料力学验证参数控制表。

设计级配控制包线，是在(DL/T 5395-2007)《碾压式土石坝设计规范》对防渗料的质量要求的基础上，结合开采、掺和的施工可行性与质量可控性条件下制定的，由于团结土料场开采的复杂性，以及③-1、③-2层现场施工掺和较难控制，致使高程2 028.0m附近的砾质土防渗料位于下包线以下，是采用挖除，还是进行论证其关键的力学参数，需根据挖出与回填碾压的方量、施工工期、料场防渗料的储量、检测的指标等因素综合考虑。毛尔盖水电站大坝高程2 028.0m防渗料，其小于5mm含量低于45%，但其小于0.075mm的颗粒含量大于15%，小于0.005mm黏粒含量大于8%，存在满足防渗性能要求的可能，因此，需采用质量动态控制的思路进行专题论证。对桩号0+175.0断面土料、桩号0+118.0断面土料共进行了2组渗透变形试验。试验成果见表9。

从表9试验成果可以看出，桩号0+175.0断面土料其破坏坡降if值为10.8，渗透系数k为3.29×10-7；桩号0+118.0断面土料其破坏坡降if值为8.3，渗透系数k为2.11×10-6；均具有极弱透水性，属流土破坏，满足原设计渗透系数应小于1×10-5cm/s，抗渗透变形的破坏坡降应大于7的要求。