浅谈苏丹碾压式土石坝质量控制方法

2016-07-04何强强王亚明

地下水 2016年3期

关键词：遍数土料石坝

何强强，王亚明

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

浅谈苏丹碾压式土石坝质量控制方法

何强强，王亚明

(华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄 050021)

[摘要]土石坝压实质量控制是土石坝施工中的重点问题。从土的压实机理出发，选取正确的压实标准，通过击实、碾压试验，确定压实度和最大干密度及碾压参数，经对现场压实质量实时检测，依据施工质量评价标准，控制压实质量。以苏丹El Marwa碾压土石坝填筑施工为例，对土石坝压实质量控制中的步骤和存在的问题进行分析。正确地应用压实标准，合理操作试验规程，分析试验结果，确保工程质量。

[关键词]碾压式土石坝；压实质量

土石坝工程，施工简便、就地取材、料源丰富、地质条件要求低、造价便宜、因其诸多优势，成建数量极多，是水利水电工程中极为重要的、应用最广的一种坝型。随着科学技术的进步，今天的土石坝工程，涵盖了土料防渗、混凝土面板防渗、沥青混凝土防渗、土工膜防渗等土石坝工程。但是，无论哪种种类型的土石坝，控制施工质量的关键工序均是对坝体土石料的分层填筑压实效果的控制。本文以苏丹共和国El Marwa碾压式均质土石坝填筑施工为例，对土石坝压实质量控制中需要注意的问题进行了简要论述分析。

1工程概况

苏丹共和国位于非洲红海沿岸、撒哈拉沙漠东端。政府计划在全国范围内建设一系列土石坝蓄水工程，El Marwa土石坝就是其中之一。El Marwa土石坝位于苏丹Nile州及Northern州交界地带，该坝址区位于2008年当地政府修建的土石坝旧址，旧土石坝由于当时设计不合理、施工质量控制不到位，导致坝体左侧在当年雨季中被冲毁。为了解决当地饮水问题，政府决定重建此坝。

El Marwa水库设计总库容为3 142万 m3，按《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252-2000)规定属中型水利工程，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级，次要建筑物为4级。拟建大坝坝高12 m，坝长203 m，为碾压式均质土坝，坝身设置放空洞。溢洪道采用天然垭口，与坝体分开布置。主坝体横断面图见图1。

图1　主坝体横断面图

2土的压实机理及压实质量的影响因素

土的压实是指土体在压实能量作用下产生压缩变形、土体孔隙减少，密度增加。土的压缩变形主要是由于孔隙中的水和气体被排出，土粒相互移动靠拢，封闭气泡的体积被挤压变小，致使土的孔隙体积减小而引起的，土粒与水本身的微小变形可忽略不计。将土的压实机理应用到碾压式土石坝的设计和施工中，可知道影响土料压实效果的因素主要有：含水率、击实功能、土的种类和级配以及粗粒含量等。土料压实效果的控制应从这些因素的了解和控制入手。

2.1含水率的影响

土石料的压实程度随含水率而变化。同一种土料在不同的含水率下用同一击数将它们分层击实，可以得到一条含水率与干密度的关系曲线。曲线上干密度的最大值称为该击数下的最大干密度，与它对应的含水率称为最优含水率。

2.2击实功能的影响

实验室内击实功能用击数反映。同一种土料在不同含水率下分别用不同击数进行击数进行击实试验，可以得到一组随击数而异的含水率与干密度关系曲线。最大干密度随击数的增加而逐渐增大，反之，最优含水率逐渐减小。然而，增大或减少的速率是递减的，因此，仅靠增加击实功能来提高土的最大干密度是有限度的。

2.3土类和级配的影响

在相同击实功能下，黏性土的黏粒含量愈高或塑性指数愈大，压实越困难，最大干密度越小，最有含水率越大。在同一土类中，土的级配对它的压实性影响很大。级配均匀的压实干密度比不均匀的低，因为在级配均匀的土内较粗土粒形成的孔隙很少有细土粒充填，而级配不均匀的土则相反，有足够的细土粒去充填，因而能获得较高的干密度。

2.4粗粒含量的影响

在轻型击实试验中，允许试样的最大粒径不大于5 mm。当土内含有大于5 mm的土粒时，常剔除后进行试验。这样，由试验测得的最大干密度和最有含水率与实际土料在相同击实功能下的值不同。因此，轻型击实试验中，当粒径大于5 mm的颗粒的颗粒含量小于30%时，应按式(1)计算校正后的最大干密度：

(1)

校正后最有含水率：

(2)

El Marwa土石坝的土料场为黏性土，依据《土工试验规程》(SL237-1999)采用标准轻型击实试验，依据土工试验结果，土料场土料平均最大干密度ρdmax为1.91 g/cm3，平均最优含水量ωop为11.97%，平均有机质含量1.69%，直剪快剪平均黏聚力25.6 kPa，平均摩擦角28.3°。施工过程中应对料场进行适时检测，测定其干密度、含水量是否发生变化，发生变化时应及时调整相应参数。

3土的压实标准及有关指标

当填筑的土石料较为均匀时，性质比较稳定，在同一压实条件下干密度接近常数值，这时可用某一干密度作为设计和施工质量控制标准。但实际的天然土石料，即使是同一料场，往往土颗粒组成、矿化成分、成因不同，其性质是不均匀的，在同一压实条件下，干密度指标不同。若继续用某一干密度作为设计和施工质量控制标准，必然出现对易于压实的土石料压实后的干密度容易达到，而压实结果是偏松的，对不易压实的土石料，压实干密度不易达到，而压实结果是偏紧密的。这样形成不均匀土石料在同一压实条件下，紧密程度不同，容易发生不均匀变形，危及坝体安全。

鉴于上述情况，根据我国《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)的相关规定，含砾和不含砾的黏性土的填筑标准应以压实度和最优含水率作为设计控制指标，砂砾石和砂的填筑标准以相对密度作为设计控制指标，堆石的填筑标准以孔隙率作为设计控制指标。其中，黏性土压实度：

D=ρd/ρdmax

(3)

式中：D为压实度，ρd为干密度；ρdmax为最大干密度。

压实度D是干密度与最大干密度的比值，无量纲，反映土料压实后相对紧密程度。其值大小是依据土石坝的规模、重要性、工程等级由规范确定，对具体工程而言，是一个固定值，代表该土石坝的设计标准。ρd是土料压实后测出的干密度，反映了压实效果的指标值。ρdmax是标准击实条件下的最大干密度指标，反映土料的压实特性指标值。即ρd和ρdmax为同一种土料在2种压实条件下的2个密度指标值。

按照式(3)关系，只要现场测得压实后的干密度满足式(4)的质量控制标准，则压实合格，否则需要进行补压处理，直到满足为止。

ρd≥ρdmax

(4)

El Marwa土石坝工程等别为III等，主要建筑物级别为3级，其黏性土压实度D依据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)可取值96%，前述土料场标准轻型击实试验平均最大干密度ρdmax=1.91 g/cm3，平均最优含水量ωop为11.97%，则主坝填筑质量控制标准为ρd≥Dρdmax=96%×1.91=1.83 g/cm3。压实标准采用压实度作为控制指标，可保证该土料性质变化，适时调整最大干密度值，则压实后测得的干密度值虽然不同，但达到同一压实度反映出压实后紧密程度是相同的。

4土料现场压实质量检测及碾压试验

土石坝施工过程中对坝体土石料的分层填筑压实，压实效果用测得的干密度ρd反映。土料压实后干密度的检测方法主要有灌砂法、灌水法、环刀法、核子射线法等，前2种方法主要适用于砾类土，后2种方法主要使用与细粒土。

在土石坝正式填筑施工之前，必须进行符合规范的碾压试验，已核实填坝材料设计填筑标准的和理性，充分了解填筑条件(如土料、堆填方法、压实机械等)和填筑效果(如土的密实度)的关系，确定达到设计填筑标准的压实方法，包括选择压实机械类型和型号，确定相应的碾压参数(如压实遍数、速度及铺土层厚)，优化施工工艺。

El Marwa土石坝碾压试验在主坝A0+135～A0+235段开挖完毕、结合生产、经过监理验收的坝基填土区域上进行，分场地选择在占地面积3 480 m2。为确保实验场地基础平整、坚实，在规划的场地范围内对原基础振压6～8遍后，在其上铺土(合格的填筑土料)20～30 cm找平，采用振动碾静压2遍，振压8遍，将这层作为基层，然后在其上进行碾压实验。实验场地分为I、II、III三个区域进行试验，依次分别铺虚土厚度35 cm、40 cm、45 cm，并将每一个实验区域，划分为(1.5×1.5)m方格网，确定取样点，测定取样点高程。碾压机械采用轮胎式压路机(静压力11.5 t，振动压力18 t)，采用前进-后退法先静压2遍，再以小于4 km/h的速度依次在三个试验区域振动碾压6遍后取三组土样，取样深度均为挖除表层土约10 cm后再采用环刀法进行干密度检测。检测完成后继续在三个试验区域振动碾压，每碾压一遍取三组土样，直到振动碾压达到8遍。检测数据见表1，铺土厚度不同时碾压遍数与沉降量、压实度及干密度的关系分别见图2、图3、图4。

图2　碾压遍数-沉降量关系曲线

图3　碾压遍数-压实度关系曲线

图4　碾压遍数-干密度关系曲线

从图1中可以看出，铺土厚度40 cm、45 cm，沉降量随碾压遍数的增加而增加，铺土厚度35 cm，碾压遍数小于7遍时，随着碾压遍数的增加而增加，碾压遍数大于7遍时，沉降量基本不变；从图2中可以看出，随着碾压遍数的增加，压实度增大，当碾压遍数大于7遍时，压实度增幅明显减小；从图3中可以看出，随着碾压遍数的增加，干密度逐渐增大，当碾压遍数大于7遍时，干密度的增幅明显减小。综合分析，建议碾压时铺土厚度为45 cm，碾压遍数静压2遍，振动碾压7遍(一去一回为一遍)，碾压机械为轮胎式振动碾压机(静压力11.5 t，振动压力18 t)。

表1　现场试验检测数据统计表

5应用中的矛盾及解决途径

如上所述，应用的压实标准中，压实度对某一具体工程而言，为一具体常数，但它涉及的同一土石料的密实度指标值ρd和ρdmax，是随土石料性质的不同而不同，都需要通过实际试验测定。如黏性土，用现场试验方法测得压实后的密实度，以反映压实效果的密度指标，同时需要对该土用标准试验方法测得其最大干密度值，以反映压实特性的密度指标，有了这2种试验资料，才能按式(5)做出质量评价。

ρd/ρdmax≥D

(5)

为正确地做出质量评价结果，在现场测得压实干密度后，还需要对该土料采用标准试验方法测得其最大干密度值，这就出现了实验工作量增大，时间、质量的矛盾突显，尤其是机械施工水平愈高，这一矛盾越突出。ρd和ρdmax必须是同一土料，否则会影响质量评价结果的可靠性。

为了解决上述时间、质量矛盾，许多学者进行了研究，提出了一些有益的方法。经实践检验证实，其中西乐夫(Hlif)两点击实法较好，击实试验仍然是标准普氏击实法，该方法测含水率快速，原理合理，一般约2 h即可以出成果，时间上可以满足要求，目前在国外较为流行，故很适合在此土石坝中使用。

已知最大湿密度：

ρωmax=ρdmax(1+ωop)

(6)

现场测得湿密度：

ρω=ρd(1+ωf)

(7)

若式(6)除以(1+ωop)/(1+ωf)，得出换算最大湿密度：

(8)