原级配现场相对密度试验在高面板坝施工中的应用研究

张芳军，赵红梅

(中国水利水电第五工程有限公司，四川成都610066)

粗颗粒土相对密度是指无粘性能自由排水的粗颗粒土处于最松状态的孔隙比与天然状态(或给定)孔隙比之差和最松状态孔隙比与最紧孔隙比之差的比值。在水利水电工程堆石坝填筑中，常用来控制砂砾料填筑碾压质量的标准。

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区莎车县和阿克陶县交界处，挡水坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，最大坝高164.8 m，坝顶宽12 m，坝长795 m。主堆石料以砂砾料为主，砂砾料填筑共计1 227万m3。大方量的砂砾料填筑在主堆石区，因此，填筑碾压施工质量控制尤为重要。

1 料源物理力学性能

阿尔塔什水利枢纽大坝主堆石区填筑砂砾料的开采料场主要为C3河滩砂砾料，在开采前按规范要求对C3料场进行储量及料源质量复勘。砂砾料颗粒级配分析试验，共布置98个探坑， 98组试验，试验结果见表1。

表1 砂砾石料料场复勘试验结果

2 原级配现场相对密度试验方法及参数要求

目前，大坝填筑砂砾料填筑质量主要控制指标为相对密度。根据目前国内水利水电行业的检测规范标准，粗颗粒土相对密度试验方法主要使用的是振动台法，这种传统的常规试验方法只适用于最大粒径为60 mm能自由排水的粗颗粒土，规定粗颗粒土中细粒土(<0.075 mm)含量不得大于12%。受室内试验条件的限制，振动台法试样桶内径30 cm、高34 cm，试样桶尺寸不能直接采用现场填筑原状料进行试验，往往在最大粒径超过试验仪器允许的粒径时，采取剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种方法对原状料进行参数处理，然而，试验所得最大干密度、最小干密度值不能准确反映现场填筑施工碾压后试验检测的干密度，相对密度往往出现大于1.00的现象。

原级配现场相对密度试验是结合填筑碾压试验在施工现场进行相对密度标准试验，试验料最大粒径可以放大到600 mm，天然形成的河滩砂砾料超过600 mm的极少，因此，试验料不受最大粒径的限制，不必对试验料进行大粒径的剔除、等量替代、相似级配等一系列的参数处理，而是采用料场原状料进行试验，根据试验料的颗粒级配及现场填筑施工实际情况来选择制作标准试验所用密度桶。

试验密度桶制作成壁厚不小于12 mm的带底无盖钢桶，直径为砂砾料最大粒径的3倍～5倍且不超过200 cm，桶深不小于铺层厚度，桶深与试验料最大粒径之比不小于2且不超过100 cm，碾压振动碾采用施工碾压机械设备，振动碾相关参数应符合表2的要求。

表2 振动碾相关参数

3 原级配现场相对密度试验方法的应用及分析

3.1 试验备料方法

试验用料采用风干砂砾石料，分别按照粒径组600～500、500～400、400～300、300～200、200～100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、5～0.075 mm各粒径组进行人工筛分备料，各粒径组分别分开堆放备用。

3.2 试验场地及密度桶布置要求

(1)试验场地布置要求，试验场地面积约525 m2(35 m×15 m)，其中，筛料场地面积350 m2(35 m×10 m)，密度桶布置面积175 m2(35 m×5 m)。

(2)在试验场地预定布置桶位置下挖长25 m、宽5 m、深1 m的布置槽，用选定的振动碾在场外按预定转速、振幅和频率起动后，开始布置槽碾压，振动碾行驶速度2～3 km/h，振动碾压10遍。

(3)在安放密度桶位置的表面铺一层厚5 cm左右的细砂，静碾2遍后在预定位置安放密度桶。

(4)用类型和级配大致相同的试验料铺填密度桶四周，将其中心点位置对应标示在试验场外。

3.3 试验步骤

3.3.1 试验配料

分别采用设计上包线级配、上平均线级配、平均线级配、下平均线级配、下包线级配的5个不同砾石含量配料(另外根据料场实际情况增加了砾石含量为72.0%、69.0%两条级配线)。根据设计级配分别选择砾石含量69.0%、72.0%、75.0%、78.0%、81.0%、84.0%、87.0%作为相对密度试验级配。

3.3.2 测定密度桶体积

采用灌水法测定密度桶体积，精确值1 cm3。

3.3.3 最小干密度试验

采用人工松填法进行测定，按级配要求将配置好的试验料搅拌均匀后，采用四分法将试验料均匀松填入于密度桶中，装填时轻轻将试样放入密度桶内，防止冲击和振动，装填的试样低于桶顶10 cm左右。用灌水法测料顶面到桶口的体积，最小干密度试验作平行试验，两次干密度的差值不大于0.03 g/cm3，取其算术平均值。

3.3.4 最大干密度试验

(1)在测定完最小干密度试验后继续将试验料均匀松填于密度桶至高出密度桶20 cm左右，用类型和级配大致相同的试验料铺填密度桶四周，高度与试验料平齐。

(2)使用YZ32Y2型自行式振动平碾(工作质量为32 t，碾宽2.2 m，振动频率0～28 Hz，名义振幅为1.83 mm，激振力为590 kN无级可调)在场外按预定转速、振幅和频率起动，行驶速度2～3 km/h，按“进退法”碾压，碾压遍数按一进一退2遍计算，振动碾压26遍后，在每个密度桶范围内微动进退振动碾压15 min。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。

(3)测定试样体积。①人工挖出桶上及桶周围的试验料至低于桶口10 cm左右为止，并防止扰动下部试样，用灌水法测料顶面到桶口的体积；②将桶内试料全部挖出，称量密度桶内试样质量，并进行颗粒分析和含水率试验，最大干密度试验做平行试验，两次干密度的差值不大于0.03 g/cm3，取其算术平均值。

(4)试验完成后，将全部试验成果系统整理分析，绘制不同P5含量与最大干密度、最小干密度之间的变化关系曲线图。

3.3.5 颗粒级配分析

颗料级配分析试验采用筛析法。首先，将现场密度测定时试坑挖出的试样全部通过46 cm×76 cm的圆孔标准土壤筛(筛孔尺寸依次为：Φ100、Φ80、Φ60、Φ40、Φ20、Φ10、Φ5 mm)逐级进行现场筛分，对于粒径大于100 mm的土样采用钢制圆孔尺寸套环逐一测量其最宽处并记录。其次，将小于5 mm的筛底取小样约5 kg带回室内烘干后用震击式标准振筛机进行0.075 mm含量试验(此时采用Ф30 mm×5 cm 的国家新标准土壤筛，筛孔尺寸为0.075 mm)。最后，以小于某粒径的土样质量占全部土样总质量的百分数为纵坐标，以粒径(mm)为对数横坐标绘制土样颗粒级配曲线。

3.4 主要成果分析

3.4.1 最小干密度、最大干密度

不同砾石含量与不同相对密度所对应的最小干密度、最大干密度，施工填筑相对密度控制值为0.90所对应的压实度之间的变化关系如表3所示。

表3 不同粗粒含量、施工填筑密度为0.9时所对应的试验成果

3.4.2 试验碾压前、后颗粒级配变化关系

碾压后分别对试验料设计上包线级配、上平均线级配、平均线级配、下平均线级配、下包线级配以及根据料场实际情况增加的砾石含量为72.0%、69.0%两条级配线7个不同砾石含量(69.0%、72.0%、75.0%、78.0%、81.0%、84.0%、87.0%)级配料的颗粒级配变化量进行比对分析，试样为现场原型级配最大干密度试验试桶内全料试样，碾压前后颗粒级配变化关系如表4所示。

从颗粒级配来看，试验碾压前、后级配对比试验分析，碾压后粒径<5 mm和<0.075 mm含量与碾压前变化不大，碾压后<0.075 mm含量变化量约为0.4%，碾压后<5 mm含量变化量约为1.0%。

4 试验成果对比

室内振动台法所得不同砾石含量所对应的最大干密度、最小干密度值如表5所示。

表4 试验碾压前、后颗粒级配变化关系 %

表5 室内振动台法试验试验成果

根据砂砾料原级配现场相对密度试验与室内振动台法相对密度试验数据比对分析，砂砾料采用原级配现场相对密度试验确定的最大干密度、最小干密度值比室内采用振动台法试验确定的最大干密度、最小干密度值大0.1 g/cm3左右，从两种不同试验方法的试验成果数据分析，原级配现场相对密度试验方法更能接近现场施工的实际情况，同时也对大坝填筑质量的控制更为有利。

5 在施工现场填筑质量控制中的应用效果分析

(1)试验检测控制成果数据的分析。2016年3月21日，大坝坝体开始填筑，截至2017年10月31日，已完成填筑料约1 868万m3，其中，砂砾石料填筑989万m3，在坝体填筑施工中，均应用了原级配现场相对密度试验参数进行了质量控制。根据设计指标及规范要求，对大坝坝体填筑碾压压实质量进行了试验检测控制，其中，大坝砂砾石料填筑检测2 191组，检测相对密度最大值0.98、最小值0.90、平均值0.92，检测结果满足设计相对密度控制指标≥0.90的要求，检测干密度标准差0.02g/cm3，满足规范标准差不宜大于0.05g/cm3的要求，从填筑试验检测成果分析数据来看，原级配现场相对密度试验方法在施工中的应用效果良好。

(2)监测控制成果数据的分析。从大坝监测水管式沉降仪的监测成果数据分析，大坝施工期沉降过程符合一般规律，各测点沉降量虽堆石体填筑强度和填筑高度增加而增大，目前最大沉降值149.5 mm，低于当前填筑坝高57 m的1%，与已建成的同等面板堆石坝的实测沉降变形相比较，本工程大坝当前的沉降量略偏小(见表6)。说明在坝体填筑质量控制中，原级配现场相对密度试验方法在质量控制中应用成效显著。

表6 大坝监测成果分析数据

6 结 语

对于颗粒级配、形状及不均匀系数不同的砂砾料，即使孔隙比完全相同，其紧密程度也可能有很大差别。砂砾料为天然形成的河滩料，从料场复勘试验检测颗粒级配数据分析来看，颗粒级配均匀性较差，砾石含量不同，采用单一的最大值、最小值计算相对密度来控制填筑质量将会造成部分相对密度大于1.00，从而很难达到设计要求。因此，在实际应用当中，采用上包络线、下包络线、平均线、上平均线、下平均线以及根据料场实际情况增加的两条线等7条线不同P5含量的相对密度最大干密度、最小干密度值进行现场填筑质量控制， 解决了以往采用单一的相对密度最大干密度、最小干密度值进行控制的缺点。

本项目通过对原级配现场相对密度试验方法的应用研究，确定了砂砾料填筑质量控制相对密度最大干密度和最小干密度标准值的试验方法。通过已填筑的989万m3砂砾石料检测与监测成果数据分析来看，砂砾石原级配现场相对密度试验在大坝填筑施工中的应用效果突出，原级配现场相对密度试验方法能够更好地控制填筑坝体的沉降量，对后期面板施工争取有利的时间，为工程早期投入运营创造了更有利的条件。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑坝材料碾压试验规程[S]．

[2] SL 237—1999 土工试验规范[S]．