300 m级超高堆石坝砾石土料质量控制标准研究

田中涛，江万红，车维斌

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)

0 引 言

目前，我国已建、在建的超高心墙堆石坝水电工程中，糯扎渡、长河坝已经建成，两河口正在进行大坝填筑，双江口尚未进行主体工程施工。超高心墙堆石坝坝高一般大于200 m，技术难度大，我国在建高土石坝已完成200 m向300 m的跨越。就超高心墙堆石坝核心技术——砾石土的质量控制标准而言，尽管瀑布沟、糯扎渡、长河坝、两河口等水电工程取得了一定的工程实践经验，但因需要专题研究的技术问题多，现行技术规范无法有效涵盖，尚未形成统一的行业标准与方法。

砾石土作为心墙防渗料，糯扎渡、两河口、双江口工程为人工掺和砾石土料，长河坝工程为人工剔除大于150 mm天然砾石土料，砾石土最大粒径一般为120～150 mm。由于施工设备与工作量的限制，常规的三点击实法[1]无法快速有效地进行施工质量检测。因此，砾石土心墙料的检测方法与标准是超高心墙土石坝的技术难题与核心技术问题，工程技术人员一直试图从砾石土心墙料全、细料压实度关系找到理论依据与突破口，以期科学解决这一问题。

DL/T 5129—2013《碾压式土石坝施工规范》[2]推荐的砾石土施工质量检测方法为三点击实法和碎(砾)石土最大干密度拟合法。三点击实法是能适应复杂土料填筑质量的快速检测方法，点对点实测，可针对性地反映现场实际情况，但受限于最大粒径要求和试验仪器的制约，且只能够反映测量点的情况，在宏观上无法对料源做评价。最大干密度拟合法源自设计研究阶段，采用试验得到的最大干密度与砾石含量关系曲线，通过现场试坑法取样，实测干密度、砾石含量等，比拟最大干密度曲线计算压实度的试验检测方法，可在总体把握料源的前提下做出评判。

目前，国内超高土石坝都是在基础研究上提出各自的质量标准，不同工程不尽一致，但都严格遵循于现行的规范标准。自瀑布沟工程始，行业内就对砾石土料的检测方法与评价标准进行了深入的研究，目前这一研究仍在进行中。本文总结和分析近年来在建、已建的高、超高心墙堆石坝砾石土料的研究成果，提出了砾石土料的质量控制标准，为在建和拟建的超高堆石坝砾石土料的质量控制提供依据。

表1 国内已建、在建工程全料、细料压实度关系 %

注：P5、P20分别为粒径大于5、20 mm颗粒含量；瀑布沟、长河坝采用P5细料标准，糯扎渡、两河口采用P20细料标准；全料击实能为2 688 kJ/m3，细料为592 kJ/m3。

表2 细料与全料压实度验证结果

1 全料压实度与细料压实度关系

1.1 理论计算

对国内已建、在建高心墙土石坝工程的全料、细料压实度关系进行理论计算，计算成果见表1。

从表1可知：①全料压实度与细料压实度之间存在相关性，相同的细料含量下，全料压实度越高，细料压实度越大；相同的全料压实度下，砾石含量越高，细料压实度越小。②土料的性质不同，其全料压实度与细料压实度间关系也不同，不易压实的土料需要提高全料压实度来保证细料压实度，如长河坝工程中的偏细料和两河口苹果园土料。③理论分析表明，近年来建设的超高心墙坝砾石土全料与细料的标准之间总体上遵循了全料压实度如满足要求，则细料压实度也可满足要求这一规律，体现了以细料为控制首要因素的超高砾石土心墙坝压实度控制的基本原则。

1.2 施工验证

为验证现场施工实际碾压效果对细料的压实与室内击实理论计算关系的接近程度，分别在长河坝、两河口工程碾压试验阶段和填筑期间进行验证，验证结果见表2。近年来，国内建设工程相关统计资料见表3。

表3 细料压实度与理论计算值 %

从表2、3可以看出，施工现场碾压作业方式对砾石土料压实效果达不到室内击实效果。这种差异主要是由于碾压设备压实功能、砾石土料的填筑分层、做功方式等差异性引起的。除了增大全料压实度外，需要深入研究在全料压实度相同的情况下，增加细料的压实度的碾压作业方式及其经济性。

2 细料控制标准

研究成果表明，细料100%的压实度是可以达到的。但根据目前行业现状，细料现场检测有以5 mm和20 mm这2种粒径作为控制标准。我国传统的土石坝是以5 mm作为细料控制粒径[3]，而考虑试验工作难易程度，糯扎渡工程以20 mm作为细料控制粒径[4]。根据GB/T 50145—2007，5 mm和20 mm粒径都属于砾石类，5 mm属于细砾，20 mm为中砾。这两者之间关系如何，哪个作为标准更有利保证质量，需要深入分析研究。

2.1 试验研究

杨凌云等针对两河口工程亚中土料场，对不同P5含量下的5、20 mm粒径在不同压实度下的数值进行了理论和实测研究，主要成果见表4。从表4可以看出，小于20 mm的细料压实度数值上均大于小于5 mm的细料压实度，理论分析数值差异为1%～4%；在全料100%压实度时，一般情况下，细料理论推求数值大于实测数值，差值小于1%，一般情况下小于0.5%。对比研究表明，理论分析值与实测值的相关性较好。杨凌云等的研究是在同一条件下进行的，由于施工现场碾压机具的压实功与击实标准间的差异，理论推求数值大于实测数值，且这种差值还会增大。同时，现场压实度的检测方法一般采用现场三点击实法快速检测[5]，会造成这种关系的不确定性。

2.2 碾压试验验证

在不同P5含量的全料相同状态下，分别在长河坝、两河口工程进行了5、20 mm细料现场实测研究。按不同全料压实度下，对5、20 mm细料进行统计，长河坝工程细料压实度成果见表5。从表5可以看出，无论是灌水法还是三点击实法，细料相同、全料压实度下，粒径小于20 mm压实度比粒径小于5 mm压实度数值大。采用灌水法时，大1%～2%，平均1.47%；采用现场三点击实法时，大1%～4%，平均1.98%[6]。

表4 两河口工程亚中土料现场击实成果

注：表中细料压实度正体数值为实测数据，斜体为理论推求值。

表5 长河坝工程偏细土料压实度成果

两河口工程在完成750组全料、细料对比后，现场开始以细料为主进行检测，根据已有数据进行细料实测压实度差值统计(见表6)。从表6可知，在现场225组数据中，出现41%左右的P5大于P20的概率，但平均偏大数值为0.54%，两者相等为8%，而出现P20大于P5的概率为51%，P5和P20的数据统计差值根据理论计算在相当条件下为1.54，比较接近现场实测统计值1.244。分析原因，三点击实法本身存在误差，随机性大，但总体上反映的趋势仍为P5小于P20。

表6 两河口工程细料压实度

表7 32 t凸块碾碾压遍数与全料、细料压实度

表8 国内高土石坝砾石土心墙料设计标准理论值与工程检测值对比

注：全料为重型击实标准，细料为标准普氏标准；部分数据为理论推求值。

3 设备对压实度影响研究

为研究不同吨位的碾压设备作用效果，在长河坝工程中，与厂家研制32 t凸块碾进行试验，试验成果见表7。从表7可知，32 t重型碾确实可以增加全料、细料的压实效果，但由于其对砾石土压实破碎效果比26 t碾好[7]，但经进一步分析，在超高砾石土心墙坝中不推荐采取如此大吨位的压实设备，26 t碾可以满足施工建设需要。通过计算，32 t重型碾加大了砾石土破碎的2%～3%，这种破碎率的增加可以直接以P5减小表示，从而从数值上导致最大干密度减小，引起全料压实度虚增1%左右。同时，这种超大的破碎率比例(比26 t碾增大2～3倍)会导致土料性质的改变。因此，选择25～26 t凸块碾可以满足现阶段条件下超高砾石土心墙坝建设的要求，在300 m级超级工程中使用32 t凸块碾需进一步研究。

4 超高坝砾石土质量标准

根据统计资料，国内超高坝心墙砾石土料设计全料压实度指标一般比实际施工能够达到的能力小2%左右，细料小1%～2%，这表明目前的压实能力能够满足要求，超高心墙坝的心墙压实指标还可以提高。从上述的研究结果可以看出，细料的压实度仍是土料压实质量控制的关键，无改性天然土和级配均匀性差的土不容易压实。国内高土石坝工程砾石土心墙料设计标准理论值与工程检测对比见表8。

综上，超高坝细料100%的压实度是质量保证的需要，且与现行规范标准取高值情况一致，也真正满足超高坝质量标准要求。超高坝细料以5 mm作为控制标准更有利于保证质量，且与现行规范标准一致，建议5 mm作为超高坝细料控制标准。全料控制标准根据理论计算和工程验证控制标准为：人工掺和料压实度为98%，细料不易压实的天然砾石土料为99%，特殊情况下经研究可在1%范围内调整(增大或者减小)。工程实践证明，超高砾石土心墙坝砾石土细料达到100%的压实度是完全可行的，细料标准5 mm相对于20 mm严格，全料压实度在特殊情况下可在1%范围内调整(增大或者减小)。

5 结 语

目前，国内在建、已建的超高砾石土心墙堆石坝工程非常重视工程质量标准，施工检测质量标准均超过设计标准，表明目前设备能力满足需要，且施工过程一直都贯彻高标准的质量目标要求。双江口工程坝高312 m，是300 m级超高砾石土心墙坝最具代表性的工程。工程砾石土心墙料采用掺和料加工工艺生产。经研究分析，其设计指标为全料≥98%，细料(≤5 mm)≥100%是合适的，与本文分析结果一致。但如果出现所掺配的土料细料级配不均匀，则全料压实度可能需要提高1%，达到99%，以保证细料100%压实。

[1] 郭庆国, 蔡长治. 土石坝建设实用技术研究及应用[M]. 郑州： 黄河水利出版社, 2004. 10．

[2] DL/T 5129—2013 碾压式土石坝施工规范[S]．

[3] DL/T 5395—2007 碾压式土石坝设计规范[S]．

[4] 张宗亮. 200 m级以上高心墙堆石坝关键技术研究及工程应用[M]. 北京： 中国水利水电出版社, 2011．

[5] 周先运, 姚亚军, 郭敏敏, 等. 糯扎渡水电站心墙掺砾土料压实度快速检测方法探究[J]. 中国科技信息, 2012(8)： 70, 72．

[6] 陈江, 李朝政, 李伟. 基于三点击实法的压实度评估方法[J]. 岩土工程技术, 2011, 25(3)： 109- 112．

[7] 罗文广. 砾石土料碾压设备适应性研究分析[J]. 四川水力发电, 2013, 32(5)： 101- 102．