向尚君,趙興安,邱熾興,吳 濤,林光躍

(中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì),四川 成都 610036)

旁多水利樞紐地處西藏自治區(qū)拉薩河的中游,位于林周縣旁多鄉(xiāng)下游1.5km處,距下游拉薩市直線距離約為63km,是一座以灌溉、發(fā)電為主,兼顧防洪和供水的水利樞紐。水庫庫容為12.3億m3,電站裝機(jī)容量為160MW,工程規(guī)模為Ⅰ等,大(1)型水庫,地震基本烈度為Ⅷ度,為西藏自治區(qū)“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目。大壩采用碾壓式瀝青混凝土心墻砂礫石壩,砂礫石壩殼料填筑量約為950萬m3,來源于距壩址上游1.5km的旁多砂礫石料場(chǎng)。

砂礫石壩殼料填筑的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)以相對(duì)密度為控制條件,施工前先通過試驗(yàn)確定填筑料的最大干密度和最小干密度,但確定砂礫石壩殼料的最大干密度還沒有一個(gè)完整、成熟的確定方法?！锻凉ぴ囼?yàn)規(guī)程》[1]中規(guī)定了粒徑小于60mm的粗粒土的相對(duì)密度試驗(yàn)方法,該方法雖然對(duì)粒徑大于60mm的土料提出可采用剔除法、等量代替法、相似級(jí)配法、混合法等方法進(jìn)行試驗(yàn),但同時(shí)也指出這幾種方法各有一定的局限性,要求在使用時(shí)應(yīng)根據(jù)土料性質(zhì)和試驗(yàn)項(xiàng)目來決定采用何種方法。工程實(shí)踐證明,這些方法確有不足之處,難以滿足工程實(shí)際的需要[2-5]。

旁多水利樞紐采用旁多砂礫石料場(chǎng)的砂礫石料直接上壩,礫石直徑5～300mm,根據(jù)料場(chǎng)復(fù)勘資料,60mm以上的礫石達(dá)35%～59%,如按《土工試驗(yàn)規(guī)程》用振動(dòng)臺(tái)法進(jìn)行試驗(yàn),將剔除60mm以上的礫石,致使試驗(yàn)砂礫石料缺乏代表性,試驗(yàn)成果偏小,無法滿足施工要求。通過各種試驗(yàn)方法測(cè)定并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況比較,最終確定采用砂礫石料松鋪80cm厚并用20t振動(dòng)碾強(qiáng)振20遍時(shí)的壓實(shí)干密度作為最大干密度,通過數(shù)理分析找出最大干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系,進(jìn)而確定砂礫石壩殼料現(xiàn)場(chǎng)碾壓質(zhì)量控制曲線。

1 試驗(yàn)方法

1.1 砂礫石壩殼料的最大干密度

將旁多砂礫石料場(chǎng)所開挖的砂礫石料直接上壩,采用推土機(jī)平料,20 t自行式振動(dòng)平碾強(qiáng)振緩行壓實(shí),以碾壓20遍時(shí)的砂礫石壩殼料的壓實(shí)干密度作為最大干密度。根據(jù)振動(dòng)壓實(shí)理論,強(qiáng)振(低頻高振幅振動(dòng))具有很強(qiáng)的穿透能力,影響深度大,最有利于結(jié)構(gòu)層中間到底層的壓實(shí);弱振(高頻振動(dòng))具有較高的能量,一般最有利于結(jié)構(gòu)層中間到表面的壓實(shí)。振動(dòng)使被壓實(shí)材料內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng)沖擊,被壓實(shí)材料在振動(dòng)沖擊的作用下由靜止的初始狀態(tài)過渡到運(yùn)動(dòng)狀態(tài),壓實(shí)材料之間的摩擦力也由初始的靜摩擦力逐步變?yōu)閯?dòng)摩擦力。同時(shí),由于材料中水分的離析作用,使材料顆粒的外層包圍1層水膜,形成了顆粒運(yùn)動(dòng)的潤滑劑,為顆粒的運(yùn)動(dòng)提供了十分有利的條件[2-3]。被壓實(shí)材料顆粒在非密實(shí)狀態(tài)下存在許多大小不等的間隙,在振動(dòng)沖擊作用下,其顆粒出現(xiàn)了相互填充現(xiàn)象,即較大顆粒形成的間隙由較小顆粒來填充,較小顆粒的間隙由水分或空氣來填充。被壓實(shí)材料顆粒間隙的減小意味著密實(shí)度的增加,經(jīng)過振動(dòng)碾的20遍振動(dòng),不同粒徑的砂礫石壩殼料之間相互填充密實(shí),孔隙率趨于最小,而壓實(shí)干密度趨于最大。

現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)干密度采用灌水法得到,試驗(yàn)時(shí)加設(shè)套環(huán)并灌水2次以保證體積量測(cè)精度。最小干密度采用固定體積法測(cè)得。進(jìn)行最大、最小干密度試驗(yàn)的同時(shí)進(jìn)行每個(gè)試坑的顆粒分析試驗(yàn)和含水率的測(cè)定。為得到真實(shí)的試樣含水率,采用全料法烘干。

1.2 顆粒級(jí)配分析

土的力學(xué)性質(zhì)是由其顆粒組成、顆粒形狀、礦物成分所決定的,而顆粒組成則是影響土的力學(xué)性質(zhì)的主要因素。土的級(jí)配良好,則壓實(shí)性能好,可以得到較大的干密度和抗剪強(qiáng)度。通常認(rèn)為不均勻系數(shù)Cu≥5、曲率系數(shù)Cc=1～3時(shí)的砂礫石料為級(jí)配良好礫。進(jìn)行了52組全級(jí)配顆粒分析試驗(yàn),含砂量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在5%～40%之間,Cu均大于5,只有5組試驗(yàn)的Cc在1～3之間。由此可見,只有極少數(shù)砂礫石料屬于級(jí)配良好礫,絕大部分砂礫石料都屬級(jí)配不良礫。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),采用同一試坑中的砂礫石壩殼料分別進(jìn)行最大干密度、最小干密度和顆粒分析試驗(yàn),為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律,每種試驗(yàn)分別進(jìn)行52組。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制最大干密度、最小干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線(圖1、圖2),采用MATLAB數(shù)學(xué)分析軟件中的cftool數(shù)據(jù)擬合工具進(jìn)行數(shù)理分析(分析過程中剔除部分較離散的點(diǎn)),擬合出最大干密度、最小干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線表達(dá)式分別為

式中:x為礫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;ρmax為最大干密度,g/cm3;ρmin為最小干密度,g/cm3。

圖1 最大干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

圖2 最小干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓實(shí)干密度和由式(1)、式(2)中計(jì)算出的最大干密度和最小干密度代入式(3)可以得到相對(duì)密度:

式中:D r為相對(duì)密度;ρ0為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓實(shí)干密度,g/cm3。

3 現(xiàn)場(chǎng)碾壓質(zhì)量控制曲線

旁多水利樞紐砂礫石壩殼料碾壓設(shè)計(jì)質(zhì)量控制指標(biāo)為水上相對(duì)密度0.8和水下相對(duì)密度0.85,一般現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)試驗(yàn)成果為壓實(shí)干密度,根據(jù)相對(duì)密度可以得到現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)干密度的計(jì)算公式:

將式(1)、式(2)代入式(4),可以得到相對(duì)密度為0.8和0.85時(shí)現(xiàn)場(chǎng)碾壓質(zhì)量控制曲線(圖3),其表達(dá)式分別為式(5)、式(6):

圖3 砂礫石壩殼料現(xiàn)場(chǎng)碾壓質(zhì)量控制曲線

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行壓實(shí)干密度檢測(cè)時(shí),可以根據(jù)每次檢測(cè)的礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)查出對(duì)應(yīng)的控制壓實(shí)干密度,經(jīng)與實(shí)測(cè)壓實(shí)干密度比較,可比較直觀地得出實(shí)測(cè)壓實(shí)干密度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

通過對(duì)砂礫石壩殼料現(xiàn)場(chǎng)松鋪80cm厚并采用20 t振動(dòng)碾強(qiáng)振20遍時(shí)的壓實(shí)干密度進(jìn)行數(shù)理分析,分別得出最大干密度和最小干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。根據(jù)設(shè)計(jì)相對(duì)密度控制指標(biāo),得出現(xiàn)場(chǎng)碾壓質(zhì)量控制曲線,為現(xiàn)場(chǎng)砂礫石壩殼料填筑碾壓試驗(yàn)檢測(cè)提供了更為直接的依據(jù)。值得注意的是,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是根據(jù)旁多砂礫石料場(chǎng)特有的砂礫石壩殼料進(jìn)行的,試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論只適用于旁多水利樞紐壩體填筑工程中砂礫石壩殼料填筑碾壓的質(zhì)量控制,試驗(yàn)方法可供類似工程參考。為確保質(zhì)量控制的連續(xù)性和一致性,大壩實(shí)際填筑碾壓施工過程中一直使用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)使用的振動(dòng)壓實(shí)設(shè)備。此外,若砂礫石壩殼料級(jí)配發(fā)生變化,相應(yīng)的最大、最小干密度也會(huì)發(fā)生變化。因此,施工過程中要對(duì)壓實(shí)干密度、最大干密度和最小干密度等施工參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制,一般每填筑30萬m3對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行1次復(fù)核。當(dāng)料場(chǎng)填筑料級(jí)配發(fā)生變化或在施工檢測(cè)過程中出現(xiàn)較高頻率的異常情況時(shí),隨時(shí)復(fù)核控制標(biāo)準(zhǔn),以準(zhǔn)確、真實(shí)地反映填料的實(shí)際壓實(shí)效果。

[1]SL237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2]李祥年.老龍口土石壩壩殼料相對(duì)密度曲線確定試驗(yàn)[J].水利水電技術(shù),2008,39(12):25-26.

[3]季慧峰,金學(xué)哲,高瑞德.老龍口土石壩砂礫石填料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)[J].水利水電施工,2007(增刊):12-13.

[4]曹社堂.超大粒徑砂礫石壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)的近似確定[J].陜西水力發(fā)電,1999,15(4):1-5.

[5]章天長.黃河積石峽水電站面板堆石壩砂礫料最大干密度確定方法試驗(yàn)研究[J].中國科技博覽,2009(16):122-123.