金峰水库极软砂岩筑坝施工技术

2018-05-29叶沙锋田中涛郭建军

水力发电 2018年2期

叶沙锋，田中涛，郭建军

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

金峰水库是四川省武都引水二期灌区工程的一座囤蓄水库，总库容0.98亿m3，库址位于四川省绵阳市盐亭县金安乡西北1.5 km西河支流凤鸣河上源王家沟，水库集雨面积8.38 km2，当地径流较小，主要依靠西梓干渠向水库充水。

大坝为沥青混凝土心墙石渣坝，大坝顶长454.87 m、宽8 m、最大坝高88 m。坝体从上游至下游分别为上游石渣料区、上游过渡料区，沥青混凝土心墙料区、下游过渡料区、下游石渣料区及排水带。坝壳料源采用库区上游炮台咀料场开采的砂岩料，该砂岩料为白垩系下统剑门关组(K1j)的砂岩与粉砂质泥岩不等厚互层，局部夹薄层泥质粉砂岩、砂岩，钙泥质胶结，细～粉粒结构，孔隙式胶结，具有岩相变化大、岩石强度低等特点。勘探资料显示，该区段料源属于K1j风化砂岩，岩石饱和抗压强度为3.53～23.2 MPa；平均值11.4 MPa，软化系数0.09～0.57，平均值0.28。软化系数试验过程中，岩石浸泡24 h后大多崩解，无法取得软化系数，具有极软砂岩的特性[1]。

现场碾压试验表明，石渣料极软砂岩具有易碎(碾压后破碎率高，大块少)、高孔隙率(28%～31%)、不易压实的特殊特性。设计初设指标经过多次试验仍无法满足，需要结合生产性碾压试验综合研究极软砂岩的特性及其在工程中的应用。

2 现场碾压试验

2.1 设备选型

砂岩在较高激振力作用下可能会过度破碎，但考虑到最佳压实效果，通过对比类似工程不同吨位振动碾的破碎率综合考虑后，振动碾选用22 t自行式振动碾，激振力为230、395 kN。试验前期先采用激振力为230 kN的弱振，现场试验发现压实效果较差，将激振力调整为395 kN的强振，振动碾压行车速度选用低速挡2.55 km/h[2]。

2.2 试验组合

根据类似坝体填筑料现场碾压试验研究和填筑施工经验，并结合现场试验场地条件，现场试验最终形成了3种铺土厚度、5场碾压试验的组合。碾压试验参数组合见表1。

表1 碾压试验参数组合

第1场振动碾激振力采用230 kN弱振。由于压实效果不明显，挖坑后坑壁较为松散，压实质量与设计要求差异较大，故未进行数据采集。后续激振力调整为395 kN重新进行了现场碾压试验，以下数据为后5种组合的试验数据[3]。

2.3 试验方法

试验前，通过控制最大粒径方法在取料场对试验料进行颗粒分析，确定试验材料原级配，并选取具有代表性的岩石样品进行颗粒密度试验，室内分别采用振动台法和击实法进行最大干密度试验。填筑时，采用后退法卸料及摊铺。碾压时，采用进退错距法振动碾压；沉降测量采用水准仪进行高程测量；采用试坑灌水法进行干密度检测并进行碾压前后颗粒分析，采用水准仪进行表面沉降测量[4]。

3 极软砂岩指标

为深入研究极软砂岩特性，在碾压试验过程中对其进行了多种指标的综合性研究。

(1)颗粒密度试验。在现场进行碾压试验的同时，在室内进行了颗粒密度试验，共计18组。试验成果表明，颗粒密度范围在2.52～2.69 g/cm3之间，该料源岩性不均，孔隙率计算时，存在一定的波动范围。颗粒密度试验成果见表2。

(2)岩块天然干密度。为进一步论证极软砂岩的工程特性，对岩块天然干密度进行试验。试验期间取样岩块天然干密度分别为2.12 g/cm3和2.15 g/cm3，随岩石新鲜程度变化而变化。

(3)最大密度。分别采用振动台法和击实法进行试验。采用振动台法进行试验后观察发现，容器内风化砂岩的表层处于松散状态，不密实，试验最大干密度分别为1.65 g/cm3和1.61 g/cm3，数值变化较大。分别用击实功为592、2 688 kJ/m3和592 kJ/m3进行了5组击实试验，试验成果见表3。从表3可知，软砂岩最大干密度数据稳定，具有土料的类似特性。

表2 极软砂岩渣料颗粒密度 g/cm3

表3 室内击实试验成果

(4)沉降。不同铺料厚度、不同碾压遍数下的表面沉降量见图1。从图1可知，在同一铺料厚度的条件下，随着碾压遍数的增加，沉降整体趋势增大，且无明显收敛趋势。

图1 表面沉降量

(5)干密度。不同铺料厚度、碾压遍数下的干密度曲线见图2。从图2可知，在同一碾压遍数下，压实干密度随铺土厚度的减小而增加。铺土厚度从80 cm减小到60 cm时，干密度的增加幅度较铺土厚度从100 cm减小到80 cm时明显，说明铺土厚度的减小显著提高了压实干密度。在同一铺料厚度下，压实干密度随着碾压遍数的增加而增加，趋势较为明显，说明增加碾压遍数将显著提高压实干密度。铺料厚度80 cm加水碾压后的干密度反而最低，且随着碾压遍数的增加而降低。其原因为：加水后，表层含水量较高，振动碾碾轮表面粘有一层较细的石渣料，影响其压实效果，加水后碾压效果较差。复核试验时，采用铺土厚度60 cm、碾压14遍、不加水工况下的施工参数，取得了较好效果。

图2 干密度试验成果

(6)孔隙率。孔隙率成果曲线见图3。从图3可知，在相同碾压遍数下，孔隙率随铺土厚度的减小而减小。在同一铺料厚度下，孔隙率未随碾压遍数增加而减小。其原因为：由于料源岩性不均，颗粒密度存在波动，影响孔隙率计算结果，孔隙率对极软砂岩渣料碾压遍数变化的评价分析存在不确定性。现场试验孔隙率整体较大，是该类极软砂岩母材天然孔隙率较大所致。通过孔隙率试验成果分析，铺土厚度越薄，孔隙率越容易降低，符合设计期望的最优压实效果。结合其他施工参数，极软砂岩渣料铺料厚度采用60 cm工况下的施工参数较为合理。

图3 孔隙率试验成果

(7)颗分试验。根据现场颗分试验成果分析，填筑前粒径小于5 mm颗粒含量平均值为29.1%，碾压后粒径小于5 mm颗粒含量平均值为38.9%，粒径小于0.075 mm颗粒含量碾压前后无明显变化。结合现场情况分析，极软砂岩在运输、摊铺、碾压过程中均存在一定程度的破碎，碾压后级配会超出传统经验包线范围，宜采用料场爆破后上坝前的级配进行控制。

(8)渗透试验。根据现场原位渗透试验，渗透系数成果曲线见图4。从图4可知，在同一铺料厚度的条件下，渗透系数与碾压遍数成反比，即随着碾压遍数的增加渗透系数减小。随着铺料厚度的减小，渗透系数有降低的趋势。渗透系数总体偏小，分析认为，碾压后表面存在一层5～10 cm的破碎板结层，影响其垂直渗透。

图4 渗透系数试验成果

4 极软砂岩填筑施工

(1)设计指标。根据现场碾压试验研究成果，结合坝体协调变形和稳定需要，最终确定坝体石渣料技术要求为：碾压后压实干密度不小于1.90 g/cm3，干密度检查合格率为100%；上坝前石渣料粒径小于5 mm颗粒含量不宜超过30%，最大粒径不超过碾压层厚，中间级配应连续，铺料应避免粗细颗粒集中摊铺，不能有架空或集中凸起。施工时，应严格控制施工参数，过程施工参数记录作为质量是否合格的评判依据[5]。

(2)施工参数。在分析试验成果的基础上，结合设计指标要求，综合考虑经济性，确定了极软砂岩筑坝材料的碾压施工参数：碾压设备采用22 t自行式振动平碾，激振力为395 kN，振动碾压行驶速度为2.55 km/h，碾压遍数为14遍，铺料厚度为60 cm。利用石渣料极软砂岩天然含水率进行填筑，该料天然含水量在5.6%～9.8%之间，相对较高，能够取得较好的压实效果[6]。

(3)施工质量。根据确定的设计指标的要求，严格按照施工参数进行石渣料填筑施工，完成了112层石渣料填筑，共计完成石渣料填筑约81.78万m3。经现场质量检测，压实后干密度为1.90～2.07 g/cm3(部分夹杂有难以剔除的泥岩部位检测干密度偏大)，平均1.96 g/cm3，满足设计干密度指标要求。上坝前，颗分检测粒径小于5 mm颗粒含量在13.3%～29.6%之间，平均22.5%，级配连续，满足设计级配要求。碾压后，颗分检测粒径小于5 mm颗粒含量在18.7%～39.2%之间，平均29.8%。试坑观察，坑壁结合紧密，粗细颗粒分布均匀，无架空。施工过程严格按照碾压试验确定的施工参数实施，并严格过程控制，在坝区设置了监控系统，对施工过程进行全过程录像监控，并刻盘保存备查。根据检测结果和过程参数控制记录，已填筑石渣料施工质量满足设计指标要求。

5 检测指标探讨

传统的坝料检测指标多采用孔隙率或干密度。由于石渣料极软砂岩局部性质变化大、风化程度不均一、岩石内部组成变化大，采用传统检测指标难以准确判定其施工质量。结合本工程碾压试验和施工检测数据分析，极软砂岩渣料质量检测指标和评价方法存在一定的不确定性。

(1)干密度。结合坝体填筑检测数据分析，在填筑石渣料中出现有泥岩或相对强度较高的软砂岩时，其干密度检测指标远大于通过前期碾压试验选定的1.90 g/cm3设计控制指标，干密度在1.90～2.07 g/cm3，变化范围大，无法有效对极软砂岩渣料填筑质量进行准确评价。

(2)孔隙率。根据试验成果，极软砂岩渣料孔隙率为28%～31%，明显高于已有土石坝工程坝壳料的孔隙率为20%～28%的经验值控制指标。但根据现场试坑观察，碾压后的坝料已较为密实。极软砂岩岩性不均，颗粒密度存在一定的波动，难以准确确定其孔隙率指标。由于检测孔隙率数据与现场情况的差异以及数据的波动性，孔隙率指标难以对极软砂岩渣料填筑质量进行准确评价。设计要求干密度为1.9 g/cm3，按岩石颗粒密度评价孔隙率为30%，按岩石密度评价孔隙率为12%。施工填筑平均干密度为1.96 g/cm3，按岩石颗粒密度评价孔隙率为27%，按岩石密度评价孔隙率为10%。这说明极软砂岩组成颗粒大小较为均匀，岩块天然结构孔隙率大，岩块形成的石渣料压实难度大，导致孔隙率无法有效进行评价。

(3)相对密度。结合试验结果和坝面填筑检测结果分析，室内试验最大干密度结果偏低，远低于现场机械压实干密度。同时，检测数据变化大，数据无法统一。因此，相对密度不适宜作为极软砂岩渣料的填筑质量评价指标。

(4)压实度。根据试验成果，在不同压实功下取得的最大干密度数值较为稳定，采用压实度作为评价指标数值上会相对稳定，但需要确定击实功的标准。按已施工填筑检测成果进行评价，采用标准击实评价压实度平均为108.3% ；采用重型击实评价压实度平均为98.8%。因此，压实度作为极软砂岩渣料的填筑评价标准在指标上可行，但在标准上还需深入研究。目前，国内300 m以上超高土石坝心墙土料使用压实度作为评价标准，要求现场干密度控制标准为重型击实室内最大干密度的98%。本工程使用22 t碾，重型击实实际控制达到98%以上。