三点击实法在大藤峡高液限黏土施工的可行性研究

(1.南京市水利建筑工程有限公司，江苏 南京 210000;2.中国葛洲坝集团电力有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

三点击实法已在阿尔及利亚土石坝黏土心墙以及我国海南大广坝砾石土心墙等多个大型工程中成功运用，有较深的理论和实践基础。在大藤峡水利枢纽工程中，为确保高液限黏土料试验成果的可靠性，有必要开展研究性碾压试验。本次试验目的一是验证现有三点击实控制图是否适用现有土料性质，二是通过标准击实与三点击实试验比对，进一步验证试验结果的可靠性。

1 工程概况

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系的黔江河段末端，坝址在广西桂平市黔江彩虹桥上游6.6km处，是红水河梯级规划中最末一个梯级。大藤峡水利枢纽工程的任务为防洪、航运、发电、补水压咸、灌溉等综合利用，水库正常蓄水位61.00m，汛限水位47.60m，死水位47.60m，总装机容量1600MW，工程规模为Ⅰ等大(1)型。枢纽建筑物主要包括泄水、发电、通航、挡水、灌溉取水及过鱼建筑物等，挡水建筑物由黔江主坝、黔江副坝、南木江副坝组成。

南木江副坝布置在南木江与黔江汇合口下游750m处，主要由黏土心墙石渣坝段、灌溉取水口及生态泄水坝段和混凝土重力坝坝段组成，黏土心墙石渣坝布置在桩号0+114.90～0+696.90之间，长度582m，坝顶高程65.00m，防浪墙顶高程65.50m，坝顶宽8m，最大坝高39.80m。黔江副坝位于主坝左岸上游，为黏土心墙石渣坝，坝顶长1073.00m，坝顶高程65.00m，防浪墙顶高程为65.50m，最大坝高30.00m。

南木江副坝及黔江副坝心墙黏土总需求量约31.2万m3(实方)，根据土料平衡规划，主要利用下游引航道开挖料。黔江副坝及南木江副坝黏土料已运至南木江上游备料场，并按要求完成相关室内试验及碾压试验。

2 黏土心墙料设计要求

南木江副坝及黔江副坝黏土心墙黏土料设计控制指标如下：压实度不小于98%，渗透系数K不大于1.0×10-5cm/s，水溶盐含量不大于3%，有机质含量不大于 5%，含水率控制在最优含水率的-2%～+3%偏差范围以内。

3 生产工艺性碾压试验成果

根据试验成果：下引航道不同部位、同一部位不同分层土料料源不均匀，各种黏土料性质存在较大差异，大部分无法满足设计ρd≥1.60g/cm3的要求，且液、塑性指数偏大。

4 研究性碾压试验必要性

由于南木江副坝坝体心墙黏土料填筑总量较大，料场(下游引航道)分布较广，不同取料场黏土料性质差异较大，为全面了解备料场土料的基本性质，有必要开展研究性现场碾压试验以提供科学的依据。

研究性试验的目的是研究三点击实法用于高液限黏土施工质量控制的可行性、土料压实后的各种力学及变形参数，以及高液限黏土填料含水率干湿变化对压实性能的影响。

5 土料的基本物理性能试验

结合土料场探坑所揭露的情况以及备料场现有土料的普查情况，通过视觉分辨土料的形态、颜色、气味以及含水率等差异变化，现场选取具有代表性的土料进行土料的基本物理性能试验，其基本物理性能试验成果见表1，颗粒级配曲线见图1。

表1 土料的基本物理性能试验成果

图1 颗粒级配曲线

从土料基本物理性能试验成果来看：

a.界限含水率试验：液限变化范围为28.9%～70%，平均值为55.0%，塑限变化范围为6.5%～30%，平均值为23.5%，塑性指数变化范围为19.0～40.4，平均值为31.5。

b.比重试验：土粒比重变化范围为2.70～2.78，平均值为2.74。

c.颗粒级配试验：黏土料最大粒径为1mm，黏粒含量变化范围为18%～45%，平均值为38.3%。

结合上述试验成果可以看出，土料场土料性质差异较大，且不均匀，特别是备料场已有的土料性质的差异可能会增加后期施工填筑质量控制的难度。

6 土料的压实性能

土料的压实性能是指土料在一定的击实功能条件下达到密实的程度，由于高液限黏土除具有失水收缩、遇水膨胀的特性之外，更主要的特征是高液限土压实性差，经过压实后土的压缩性仍然较大，且有明显的应变软化。为了较全面地了解上述12组土料的压实性能，采用室内标准击实试验获得不同土料在标准击实功能下的最大干密度及最优含水率，其试验成果见表2，击实曲线见图2。

由表2可知，黏土料最大干密度变化范围为1.47～1.82g/cm3，平均值为1.58g/cm3；最优含水率为17.7%～28.0%，平均值为23.7%，其不同土料的压实性能也存在明显差异。

表2 土料击实试验成果

7 渗透性能

渗透是液体在多孔介质中运动的现象，这一现象表达的定量指标为渗透系数，其渗透系数代表土料渗透性的强弱以及抵抗渗透变形的性能。结合本次土料场复查所取土料，从中选取8组代表性土料进行渗透试验，渗透试验采用南55型渗透仪进行，其试验成果见表3。

由表3可知，不同土料场土料的渗透系数变化范围为1.29×10-5～6.09×10-7cm/s，渗透系数均满足设计指标的要求。

图2 土料击实曲线

表3 土料渗透试验成果

8 三点击实法用于高液限黏土施工质量控制的可行性

三点击实试验法又称西尔夫(Hilf)快速控制法，是一种适用于复杂土料填筑质量控制的检测方法。该方法不需要测定含水率，仅在现场测定土的湿密度后，用与其相同的土样进行三种含水率击实试验，测定三个击实湿密度，通过变换，求取最大纵距的湿密度值，以此来确定填土的压实度。该方法的优点为操作简单、效率高、用时短，从而可使施工进度加快。

具体实施计划如下：

a.从现有备料场取样，分别选择代表性土样10组。

b.分别进行10组土样的标准击实和三点击实试验。

c.核实标准击实确定的最大干密度与三点击实求取的最大纵距最大干密度值的吻合性。

d.核实标准击实确定的最优含水率与三点击实法控制图确定的最优含水率是否吻合性。

9 高液限黏土填料含水率干湿变化对压实性能的影响

从前期土料场普查试验成果(见表2～表3)来看，黏土料天然含水率变化范围为20.6%～33.4%，平均值为28.4%，而该土料通过标准击实试验获得的最优含水率变化范围为17.7%～28.0%，平均值为23.0%，试验成果表明现场填料含水率平均值比最优含水率平均值偏高5.4%。根据碾压式土石坝施工规范以及设计技术要求，填料含水率控制在最优含水率的-2%～+3%偏差范围以内，因此就土料场料源含水率而言，在施工过程中需要进行翻晒处理，从而确保填料的含水率满足规范的要求。

结合以往类似工程的施工经验，高液限黏土料翻晒处理施工控制难度较大，一方面受地域气候的影响较大，另一方面由于高液限黏土不宜分散，故难以确保预期效果。鉴于上述因素，考虑到后期施工实施过程中可能存在的问题，开展高液限黏土填料含水率干湿变化对压实性能的影响研究十分必要。

就高液限黏土而言，影响土料压实性能的主要因素包括填筑层的厚度、压实机械的性能、碾压遍数以及含水率等。其中含水率对土料压实性能的影响在某一方面与压实机械的性能有关，即压实功能越大，要求的含水率越低；其次就土料的压实而言，每种土料在不同状态及压实功能条件下，均能达到自身应有的碾压密实状态。结合黏土心墙填筑要求，一般要求黏土的含水率略高于最优含水率，特别是对于高液限黏土所具有的特性而言尤其重要。结合上述观点，针对高液限黏土填料含水率干湿变化对压实性能的影响研究制定如下实施计划：

现场碾压试验实施结合生产性工艺碾压试验中的复核试验场次进行；在原复核试验场次中增加两个试验条带，每个条带含水率分别为最优含水率、最优含水率-3%、最优含水率+5%。

最优含水率的碾压遍数按照优选碾压遍数进行；最优含水率-3%的碾压遍数在最佳碾压遍数的基础上增加2遍，最优含水率+5%的碾压遍数在最佳碾压遍数的基础上减少2遍。

试验检测内容及工作量见表4，试验场地布置见图3。

表4 高液限黏土填料含水率干湿变化对压实性能的影响研究试验场次及工作量

图3 干湿变化对压实性能的影响研究试验场地布置(单位：mm)

10 研究土料压实后的各种力学及变形参数

由于高液限黏土具有失水收缩、遇水软化的特性，同时该土料压实性差，经过压实后土的压缩性仍然较大，且有明显的应变软化。鉴于上述因素，从大坝运行安全以及为设计复核计算分析提供科学依据方面考虑，其进行的各种力学及变形参数试验如下：

a.抗剪强度试验：试验采用三轴试验仪进行，试验方法为CU、CD。

b.固结试验：试验采用高压固结仪进行，试验状态为天然状态及饱和状态两种方式。

c.渗透试验：试验采用南55型渗透仪，测定渗透系数。

d.上述试验土料均采用复核试验场地取原状样品进行，原状样取样规格为25cm×45cm×45cm，采用蜡封包裹，确保样品的状态及含水率的损失不发生变化。

主要试验情况见表5。

表5 土料压实后的力学及变形试验工作

11 提交试验成果

a.提交三点击实控制法用于高液限黏土心墙压实质量控制的可行性试验成果。

b.提交高液限黏土料干湿变化对压实性能的因素分析试验成果。

c.提供高液限黏土不同含水率状态下，压实后的力学及变形性能试验成果。

d.根据相关试验成果提供相关建议和施工措施。

12 质量控制方法

由于南木江备料场土料性质差异较大，土料最大干密度随土料性质的变化而变化，因此难以采用某一固定的最大干密度作为控制指标，而传统的标准击实试验工作量大、时间长，不适于上坝土料的施工。

本次碾压试验采用三点击实法开展质量控制，三点击实试验法又称西尔夫(Hilf)快速控制法，是一种适用于复杂土料填筑质量控制的检测方法，该方法不需要测定含水率，优点为操作简单、效率高，相比于标准击实试验能节省大量时间，从而加快施工进度。对于性质复杂的土料，三点击实法也能更准确地控制填筑质量。

三点击实法的试验步骤如下：

测定现场湿密度ρf；分别对保持原含水率(未加水)、加水2%、加水4%的土样以标准击实功能进行击实，测得击实湿密度ρ1、ρ2、ρ3，得出其变换湿密度ρ′1、ρ′2、ρ′3。通过数解法或图解法求得土的压实度、最优含水率与填土含水率差值。

具体试验和计算方式参照《碾压式土石坝施工规范》(DL/T 5129—2013)附录B.1。

考虑到实际施工进度及试验数据的真实准确性问题，本次碾压试验对于性质均匀的土料可以用单一的最大干密度进行控制，而对于土料性质复杂的土，采用三点击实法进行控制，从而更准确、更快速地控制土料碾压压实质量。

13 结 语

三点击实法在大藤峡南木江副坝及黔江副坝高液限黏土填筑施工的可行性研究分析，复核了设计要求和填筑标准的合理性，也再一次证实了三点击实法用于高液限黏土施工质量控制具有可行性和可靠性。本次试验研究的土料压实后各种力学、变形参数以及高液限黏土填料含水率干湿变化对压实性能的影响结果，可为后续顺利进行黏土心墙土石坝填筑提供必要保障，同时为三点击实法在高液限黏土施工中进一步推广提供有价值的借鉴。