筑坝砂砾料现场大型相对密度试验应用研究

历从实 张耀中 皇甫泽华 杨玉生

（1.河南省前坪水库建设管理局 郑州 450003 2.中国水利水电科学研究院 北京 100038）

1 引言

前坪水库是国务院批准的172项重大水利节水供水工程之一，位于淮河流域沙颍河主要支流北汝河上游洛阳市汝阳县，是一座的以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电的大（2）型水利枢纽工程，总库容5.84亿m3，主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。主坝采用粘土心墙砂砾（卵）石坝，坝顶长818m，最大坝高90.3m。

坝壳料设计为天然级配砂砾（卵）石料，由于近年来人工采砂现象严重，导致料场上层砂砾（卵）石料细颗粒缺失，改变了料场砂砾（卵）石料天然级配曲线、物理力学参数、开采条件等。

砂砾料筑坝材料设计填筑标准一般按相对密度进行控制，目前室内相对密度试验由于试验设备尺寸限制，只能采用经过缩尺处理的模拟级配材料进行试验，试验结果不能完全反映实际情况。特别是现在大型机械设备在水利工程应用广泛，在工程质量检测中经常出现相对密度大于100%的情况，说明原来的方法得到的最大干密度并不是真实的最大干密度，需要在现场对原级配砂砾料筑坝材料进行大型相对密度试验（包括最大干密度试验和最小干密度试验），校核和论证设计填筑标准的合理性，根据试验结果，优化设计方案，复核和确定设计参数和施工参数，为设计和施工提供科学依据。因此，合理确定砂砾料的最大干密度非常关键，对于合理确定大坝填筑标准质量控制指标，保证大坝施工建设和长期运行安全有重要意义。

2 试验研究方案及内容

2.1 试验方案

由于当地采砂私开乱挖，对前坪水库砂砾料场造成了严重扰动，打乱了天然砂砾料自然形成的赋存条件和分布规律，使得料场不同位置或不同深度的砂砾料级配变化大，离散性大，级配变化无规律。研究不可能考虑所有料场的级配变化情况，只能作为示范，对选定料场的代表性级配进行试验。

2.2 试验内容

（1）在现场采用直径120cm密度桶，按级配人工配料，分别对根据《河南省前坪水库砂砾料场储量复核地质说明》，并经设计认可选定的代表性级配平均线、上包线、下包线、上平均线、下平均线的5个不同砾石含量的砂砾料，进行现场大型相对密度试验（包括最大干密度试验和最小干密度试验），并对试验确定的最优砂砾料含量进行校核试验。

（2）在进行挖坑干密度检测时，根据洒水和不洒水两种工况共4个试验区近100个试坑挖出砂砾料的颗粒级配筛分结果，整理出了现场碾压试验最大粒径最大达到300～400mm的砂砾料级配包络线，又据此进行了现场碾压试验全级配砂砾料相对密度试验。

3 试验研究方法

3.1 主要试验设备

密度桶：带底无盖钢桶，直径1200mm，高800mm，壁厚12mm。试验前对相对密度桶进行了体积校正。

振动碾：26t自行式振动碾。

3.2 密度桶布置

在选定试验场地用挖掘机挖一个宽约2.6m，长约15m，深0.8m的沟槽。在桶底碾压体表面均匀铺一层厚度为5cm左右的细砂，静碾2遍，沟槽底部找平并采用26t振动碾压实，在槽内一次布置5个密度桶。密度桶布置好后再用砂砾料将沟槽填平，将其中心点位置对应标识在试验场外。

3.3 最小干密度试验

在进行振动碾压至最大干密度之前，先进行最小干密度试验。最小干密度试验采用人工松填法。

（1）首先按试验级配和用料总量称量出各粒组的土，将称量出的各粒组的土摊铺在试验场地旁的彩条布上，采用四分法拌均匀。

针对污染情况比较严重的城市水环境，仅依靠水流自身的净化功能显然无法彻底改善污染问题，在此情况下，需要应用人工生态处理技术。人工生态技术处理即借助于各种人工生态技术对城市河流中的微生态加以改善，对河流中的污染物与其他污染源等物体进行处理，并且不会对河流造成二次污染，是一种安全有效的河流处理方法[2]。但是，该处理技术应用成本较高，并非所有城市河流都适用，为此，应选择已经污染或问题比较严重的河流进行治理，促使其快速恢复到原有生态结构。

图1 现场碾压试验试坑筛分砂砾料级配包线图

图2 前坪水库现场碾压试验砂砾料原级配Pd-P5-Dr三因素相关图

表1 原定代表性级配级配包线（最大粒径200mm）相对密度试验结果及不同含砾量在相对密度Dr=0.8和0.75时所对应的干密度表（单位：g/cm3）

表2 现场碾压试验砂砾料全级配（最大粒径400mm）相对密度试验结果及不同含砾量在相对密度Dr=0.8和0.75时所对应的干密度表（单位：g/cm3）

（2）将拌均匀的砂砾料称重后均匀松填于密度桶中，装填时将试样轻轻放入桶内，防止冲击和振动，试验过程中禁止场地附近振动碾和卡车活动。

（3）填至桶顶后，采用平直工具将桶的顶面找平。

根据装填的总土重和密度桶的体积计算最小干密度。

3.4 最大干密度试验

最大干密度试验是在最小干密度试验完成后进行，步骤如下：

（1）将其中心点位置对应标识在试验场外。再将余下的土料装填并高出桶顶20cm左右，用类型和级配大致相同的砂砾料铺填密度桶四周，高度与试验料平齐。

（2）将选定的振动碾在场外按预定转速、振幅与频率起动，行驶速度小于3km/h，振动碾压26遍后，在每个密度桶范围内微动进退振动碾压15min。在碾压过程中，根据试验料及周边料的沉降情况，及时补充料源，使振动碾不与密度桶直接接触。

（4）将桶内试料全部挖出，并称量密度桶内砂砾料质量，进行颗粒分析。

根据装填的总土重和密度桶的体积计算最小干密度。

4 试验研究成果

（1）根据《河南省前坪水库砂砾料场储量复核地质说明》，并经设计院认可，确定部分上坝砂砾料代表性级配包线，并据此进行了6个砾石含量级配的最大、最小干密度试验，试验结果见表1。

从表中的试验结果可以看出，在细料含量2%～24.5%范围内，最大干密度在2.152～2.346g/cm3之间变化，砾石含量在78%时其干密度达到最大值2.346g/cm3。

（2）由于现场碾压试验上料的最大粒径最大达到300～400mm，超出了原计划代表性级配包线的范围（最大粒径不超过200mm），结合挖坑干密度检测时，洒水和不洒水两种工况共4个试验区近100个试坑挖出砂砾料的颗粒级配筛分结果，整理出了现场碾压试验最大粒径达到300～400mm级配包线（见图1）。

（3）补充了一组现场碾压试验料的相对密度试验，试验结果见表2。

由表2可知，现场碾压试验原级配料情况下，细料含量在6.9%～24.5%范围内，最大干密度在2.283～2.398g/cm3之间变化。试验结果表明，在现场碾压试验砂砾料全级配包线范围之内，含砾量对最大干密度有一定影响，在含砾量80%附近左右达到最优，最大干密度为2.398 g/cm3。

（4）根据试验结果绘制现场碾压试验上坝料原级配情况下Pd-P5-Dr三因素相关图（见图2）。

（5）根据设计要求，前坪水库大坝和戗堤填筑标准是相对密度分别为0.80和0.75，据此可换算出不同砾石含量下满足填筑标准时所对应的最小干密度和压实度，分别列于表1和表2中。

5 试验研究成果应用

前坪水库砂砾石料区因当地群众近年无序开采，部分料场细颗粒缺失，含石量变化较大，级配不良，质量不易控制。通过对设计院认可选定的代表性级配包线和实际挖坑筛分获得的现场碾压试验砂砾料全级配包线进行的相对密度试验，得出了相应的最小、最大干密度试验结果，可作为相应级配情况下上坝砂砾料评价碾压试验成果和大坝碾压施工质量检测的依据。

对其他与本试验研究级配相差较大的上坝砂砾料，也可参照本试验研究方法进行相对密度试验，作为确定碾压试验成果评价和大坝碾压施工质量检测的标准■