超高坝心墙砾石土质量检测方法的研究

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 概 述

土料的检测方法与其检测指标相关。心墙土石坝发展的核心是心墙筑坝材料的发展。心墙防渗材料从均质土料(粘土、壤土)到风化岩、砾石土；设计检测指标从干密度到压实度；现场检测方法从试坑灌水法发展出三点击实法、拟合曲线法。砾石土料为高堆石坝的心墙首选材料，其质量控制标准与检测方法一直是行业关注的核心技术问题。通过深入研究，在超高心墙土石坝确立了以有利于保证工程质量和施工进度的细料为主、全料复核为理念的质量控制标准；及以三点击实现场快速检测为主，全料室内平行复核为辅检测方法。

近20年来，我国心墙高土石坝的发展取得了跨越式发展，连续实现了由100 m级向200 m级、200 m级向300 m级的两次飞跃[1-2]。始建于20世纪50年代的大伙房水库工程49.8 m高的粘土心墙坝是我国“一五”期间重点水利工程提出的土料填筑干容重指标控制方法，至今仍在沿用；建于20世纪80年代鲁布革水电站工程103 m高风化料心墙坝提出的土料填筑压实度指标控制方法，成为国内土料质量控制的主流方法；建成于21世纪的瀑布沟水电站工程186 m高的砾石土心墙坝提出的细料为主的控制方法，为目前国内高土石坝砾石土料质量控制普遍采纳的方法；已建成的糯扎渡水电站工程261.5 m高砾石土心墙坝提出的三点快速击实的砾石土质量控制方法，较为有效地解决了砾石土质量控制技术难题；刚建成的长河坝工程240 m高砾石土心墙坝提出的最大干密度拟合曲线法的砾石土质量控制方法，拓展了砾石土质量控制方法。

受限于施工设备与工作量，常规的三点击实法无法快速有效的进行施工质量检测，因砾石土最大粒径一般选用120～150 mm；DL/T5129—2013《碾压式土石坝施工规范》[3]推荐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。三点击实法能够适应复杂土料填筑质量快速检测方法，点对点实测，可针对性地反映现场实际情况，但试验控制最大粒径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的方法，能够在总体把握料源的条件下做出评判。三点击实法检测细料压实度的理念是基于细料与全料匹配对应关系，无法匹配对应全料压实度数据；而碎(砾)石土最大干密度拟合法是以传统的试坑灌水法测试干密度为基础的，可同时计算细料、全料压实度；但会因料源的变化而变化。

本文通过对三点击实法、碎(砾)石土最大干密度拟合法进行深入研究分析[3- 4]，提出基于全料压实度、细料压实度检测的砾石土料现场检测方法理念与方法，有利于保证工程质量和施工进度。

1 三点击实法及其研究

三点击实法进行现场检测时，不需测定土的含水量，仅在现场测定土的湿容重后，用与其相同土样进行三种含水量击实试验，测定三个击实湿容重，通过变换求出最大纵距的湿容重值，以此来确定填土的压实度以及最优含水量与填土含水量差值。细料的现场三点击实快速检测方法是现场研究解决砾石土料快速检测的最为有效的方法。国内不断有人针对三点击实快速检测方法进行理论和试验研究。

1.1 小浪底水利枢纽工程的研究

在小浪底水利枢纽工程中，为了验证三点快速击实法精度采用不同土料进行了13组实验，并用相应土料由承包商和业主两个实验室同时进行标准击实试验，烘干法测定含水率。两种方法的实验结果如下： ①最大湿密度，承包商资料中的差值在0～0.042 t/m3之间，平均为0.006 t/m3；业主资料中的差值为0.001～0.09 t/m3，平均为0.010 t/m3。②最大干密度，承包商资料的差值在-0.008～0.026 t/m3之间，平均为-0.001 t/m3；业主资料差值在-0.004～0.038 t/m3之间，平均为0.010 t/m3。

结果表明：两种方法差值小，绝大多数在允许误差范围内，三点快速击实方法是一种满足精度要求的方法，能够快速、及时地做出质评结果，以其进行质量控制是可行的。

1.2 昆明院的主要研究成果

三点击实法假定：用于三点击实的三个试样的初始含水率相等且与碾压现场含水率相同。由于土体材料本身的分散性，土料含水率也存在一定的离散性，则原先对于湿重相同的三点击实试样的干重相同的假定不成立；因此，其求得的压实度是近似性的。昆明勘测设计研究院陈江、李朝政、李伟等在文献[5]中考虑了击实试样与碾压现场含水率之间的误差，提出了压实度的评估方法。

研究过程考虑了击实试样初始含水率与碾压现场含水率的误差，得到不同误差组合下的真实压实度，并由此得到真实压实度的取值范围、真实压实度大于某个临界值或设计指标的概率及近似压实度相比于真实压实度偏大或偏小的概率。该方法可获得压实度更加详细的信息，利于对施工质量做出准确判断。

研究者根据推求的公式对《土石料压实和质量控制》[6]中图3-11的两个算例进行计算的结果为：假定现场含水率为12%，含水率偏差∈(-1.0%，1.0%)，土的湿密度限值取2.24 g/cm3。误差组合计算结果为：

算例a，近似压实度D=100.87%；真实压实度D的取值范围为(97.05%，101.70%)，真实压实度D大于98%的概率为98.88%；近似压实度D相比于真实压实度D偏大的概率为 76.36%，偏小的概率为23.64%。

算例b，近似压实度D=98.52%；真实压实度D的取值范围为(94.99%，99.35%)；真实压实度大于98%的概率为59.96%；近似压实度相比于真实压实度偏大的概率为76.50%，偏小的概率为23.50%。

1.3 两河口水电站工程不同击实仪器的影响

为评价不同击实仪器对现行检测方法的影响，在两河口水电站工程施工中对不同压实度的标准进行了三点击实试验现场检测平行试验(见表1、2)。

表1 两河口工程超大型、大型与小型三点击实平行试验成果 %

表2 两河口工程大型与小型三点击实平行试验成果 %

试验表明：现行的全料φ300重型击实替代试验方法和标准是可行的，其标准相对φ800全料试验结果偏严格，对工程质量有保证；细料φ152标准击实试验方法和标准也是可行的。

表3 长河坝砾石土三点击实与常规法对比(一) %

表4 长河坝砾石土三点击实与常规方法对比(二) %

注：P5为粒径大于5 mm颗粒含量。

1.4 砾石土三点击实法误差分析

为研究试坑灌水法与三点击实法的偏差，长河坝水电站工程建设中进行了专项试验，其试验成果见表3、表4。现场不同场次碾压试验进行全料与细料、不同细料不同检测方法研究，由于需要现场原位试验研究，每个部位试坑取样量大，规划了2 m的大坑方完成了上述研究检测项目。通过分析可知：

(1)细料20 mm现场三点击实法与灌水法细料计算压实度数值大1%～3%，平均1.80%；细料5 mm 现场三点击实法与灌水法细料计算压实度大1%～2%，平均1.29%。

(2)细料灌水法全料与细料的关系比三点击实法更接近理论推求的关系数值。

(3)P20(粒径大于20 mm颗粒含量)与P5(粒径大于5 mm颗粒含量)的差值三点击实法较理论推求偏差较大(全料较小压实度下偏大，全料较大压实度下偏小)，灌水法更接近理论推求的关系数值。分析还表明，灌水法整体可靠性高于三点击实法，可作为验证三点法的依据和基础。

2 细料粒径标准

目前行业的细料现场检测有以5 mm和20 mm粒径两种控制标准。我国传统的土石坝以5 mm作为细料控制粒径；而考虑试验工作难易程度，糯扎渡水电站工程以20 mm作为细料控制粒径。通过理论分析可以确定，5 mm标准比20 mm严格。但现场两者之间关系如何，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

成都勘测设计研究院杨凌云等针对亚中土料场对不同P5含量下的5、20 mm在不同压实度下的数值进行了理论和实测综合性研究，主要成果见表5。

表5 两河口工程亚中土料现场击实P20、P5成果 %

表6 长河坝砾石土料现场不同方法下细料P20、P5压实度差值

根据杨凌云等的研究成果可以看出：P20压实度数值上均大于P5，理论分析数值差异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，其差值小于1%，一般情况下小于0.5%。研究表明理论计算的关系均成立。该研究是在同一条件下进行的。施工现场由于碾压机具的压实功与击实标准间的差异(选择设备碾压功与重型击实功间的差)，理论推求数值大于实测数值这种差值还会增大；同时，现场压实度的检测一般采用三点击实法快速检测，会造成不确定性。

2.2 碾压试验验证

不同P5下的全料相同状态下，分别在长河坝、两河口水电站工程进行了5、20 mm压实度现场实测研究。按照不同全料压实度，细料P20、P5压实度数值差进行资料分析统计(见表6、表7)。

可以看出：无论是灌水法还是三点击实法，相同全料压实度下，细料20 mm的压实度比5 mm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%。

两河口水电站工程在完成750组全料、细料对照后，开始现场以细料进行检测，根据已有225组数据进行P20、P5实测差值统计见表7。该大坝工程已填筑取样数据统计平均为：全料压实度99.65%，≤20 mm压实度102.7%，≤5 mm压实度102.2%。表6说明，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P20大于P5。

表7 两河口砾石土料现场三点击实法下细料P20、P5压实度差值统计汇总

3 最大干密度拟合曲线法与三点击实法

在超大击实(800 mm)验证了大击实(300 mm)应用于工程控制结果对施工质量有保证的基础上，在两河口大坝工程进行了全料的三点大击实与最大干密度拟合曲线法的对比研究，结果表明在用于全料时两者精度一致。

3.1 最大干密度拟合曲线法

最大干密度-砾石含量线性拟合法是采用对不同砾石含量的砾石土进行控制粒径(5 mm或20 mm)以下基质土的室内标准击实功能试验，得到其最大干密度与砾石含量关系曲线，根据现场取样实测干密度、含水率和砾石含量，比拟最大干密度线性关系用以计算土样压实度以及填土含水率与最优含水率差值的试验检测方法。

该方法可适应于全细料，基础是试坑灌水法，依据是室内击实的标准曲线，在糯扎渡水电站被称为“预控线法”[7]，新施工规范修订时正式定名为最大干密度——砾石含量线性拟合法。

3.2 拟合法与三点击实法检测比较

两河口工程中采用了全料室内三点大击实法，同步根据拟合曲线进行全料压实度计算比较(见表8)。

表8 两河口工程全料大击实与拟合法对比

由表8可以看出：全料三点大击实计算压实度与拟合法计算压实度误差很小，两者方法精度相当，两个方法均可使用；但三点法用于全料的误差尚有待分析。

4 已建高土石坝检测方法

国内现阶段在建高土石坝砾石土质量标准已统一到全料、细料双控制的要求；而检测方法从瀑布沟工程的细料为主到糯扎渡水电站三点击实为主[7- 8]，再到长河坝的全细料双控，体现的是现场检测方法的高标准和高质量要求。国内现阶段在建、已建的高土石坝质量检测方法见表9。

表9 在建、已建高砾石土心墙坝工程砾石土料检测方法

由表9可以看出，高土石坝砾石土质量检测基本都采用了细料三点击实法为主控、全料定期取样复核的方法。综上所述，三点击实法用于砾石土存在偏大的概率高，只能反映检测土样状态，需要综合分析研究。

5 结 语

(1)超高坝心墙砾石土料按照全料、细料分别控制的思路进行检测方法的制定，细料为主、全料定期平行取样复核。细料为主的目的在于保证施工过程的作业质量，全料定期平行取样复核的目的在于保证料源的质量与性质稳定。

(2)超高坝心墙砾石土料细料质量控制是关键，制定考虑细料为主的检测方法有利于保证工程质量；同时，三点击实法快速检测方法也有利于保证工程施工进度。考虑三点击实法存在的误差偏高概率，为保证三点法对砾石土料的质量检测成果的可靠性，施工过程中可抽样采用试坑灌水法、细料的压实度按高程进行平行复核检测，复测细料最大干密度参照采用瀑布沟“移动平均法”确定。

(3)在填筑过程中，全料压实度同步试坑灌水拟合曲线法按填筑层平行检测，以掌握料源质量变化情况，综合细料含量、含水率、干密度等指标对土料整体质量管控和提供工程质量控制验收基础资料；结合抽样，按高程平行对全料压实度进行大击实复核以定期评价拟合曲线法的偏差，可及时修正全料最大干密度砾石含量关系曲线。

[1] 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．

[2] 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．

[3] DL/T5129—2013 碾压式土石坝施工规范[S]．

[4] DL/T5395—2007 碾压式土石坝设计规范[S].

[5] 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．

[6] 杨荫华. 土石料压实和质量控制[M]. 北京： 水利水电出版社, 1992．

[7] 戴益华, 李锡林. 糯扎渡水电站掺砾土击实特性及填筑质量检测方法研究[J]. 水力发电, 2012, 38(9): 44- 47．

[8] 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): 30- 31．