毛爾蓋水電站大壩礫石土心墻防滲土料的特性研究及質量控制

陶益民，剛永才

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072;2.中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都 610066)

1 礫石土概述

礫石土在自然界分布廣泛、儲量豐富，是一種由粗細土顆粒組成的非均質土。它可自然生成，如坡積、洪積、冰水沉積物等;也可以人工形成，如各種巖石的風化層經開挖而成;特殊情況下還可以人工配置，如細礫土與砂礫混合。我國DL/T5395－2007《碾壓式土石壩設計規(guī)范》對礫石土定義為:粒徑大于5mm顆粒的質量占總質量的20%～60%的寬級配礫類土。在工程施工中，礫石土是一種粗細顆?；旌系奶烊煌潦?，顆粒組成以5mm為界分為粗料和細料兩部分，大于5mm(P5)顆粒含量一般在20%以上，并含有一定數(shù)量的粉粒和黏粒的土料。

2 大壩及土料概況

毛爾蓋水電站攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，大壩壩頂高程為2 138.00m，河床部位心墻底高程1 991.00m，壩頂寬12.0m，壩頂長513.77m，最大壩高147.00m，上游壩坡1∶2.0，下游壩坡1∶1.8。壩體采用礫石土心墻防滲，心墻上、下游分別設反濾料、過渡料和堆石料。

防滲土料來自壩址上游11km的團結橋料場。從物理性質判斷，料場第③層黃～灰黃色含塊礫石土基本能滿足筑壩防滲土料的要求。該礫石土料源料(第③層平均)在0.1～0.2MPa壓力下，壓縮系數(shù)為0.037MPa－1，壓縮模量為 37.8MPa，屬于低 ～ 中壓縮性土;抗剪指標凝聚力c值為20kPa，內摩擦角φ 值為 21.8°。滲透系數(shù)為 1.09 ×10－7cm/s，滿足DL/T5395－2007《碾壓式土石壩設計規(guī)范》不大于1.0×10－5cm/s的要求。擊實試驗最大干密度為1.72～2.07 g/cm3，最優(yōu)含水率為8.6% ～18.3%，天然含水率平均為3.0% ～9.8%，天然含水率低于最優(yōu)含水率。因該料場礫石土料場料源的質量分布極不均勻，故進行了相關特性研究分析。

3 礫石土的壓實性能研究

作為土石壩的心墻防滲料，除了滲透性和抗剪強度外，其壓實特性(壓實度)也是關注的焦點。壩體填筑的礫石土料的壓實性是決定填筑體尺寸的重要因素，因而在工程實際中需要將礫石土壓實至一定的密度(以干密度表示)，使礫石土的力學性能滿足相關要求。開展礫石土室內擊實試驗，取得礫石土最優(yōu)含水量和最大干密度，從而研究礫石土的壓實度與其顆粒組成、含水量、壓實功能之間的關系和規(guī)律，以選定適合工程需要的壓實標準。

3.1 擊實試驗

本工程采用重型擊實，擊實參數(shù)見表1。

通過擊實試驗，得到礫石土最大干密度、最優(yōu)含水率與P5含量關系曲線(見圖1)。

由圖1得出不同P5含量時最優(yōu)含水率與相應的最大干密度，有利于施工組織管理和質量控制。

表1 重型擊實試驗參數(shù)

圖1 礫石土最大干密度、最優(yōu)含水率與P5含量關系曲線

3.2 壓實特性

礫石土由細粒黏土和粒徑大于5mm的粗粒礫石組成，級配范圍較寬。有很多因素影響礫石土的壓實特性，主要因素有土料的含水量、礫石含量等。

(1)含水量影響。擊實試驗表明，在同一擊實功能下，干密度與含水率之間呈拋物線形的變化規(guī)律，即當含水低時，壓實干密度隨含水量的增加而增大，當含水率增值某值時，壓實干密度達到最大值，再進一步增大含水量，壓實干密度反而隨含水量的增大而減小。密度的最大值即是最大干密度，相應的含水率即為最優(yōu)含水率。

(2)礫石含量影響。從擊實試驗成果可以看出，當粗粒含量為某一定值時，含水率與干密度關系呈拋物線形，出現(xiàn)最大干密度和最優(yōu)含水率，并且最大干密度隨粗粒含量的增大而增大，最優(yōu)含水率隨粗粒含量的增大而減小。

4 礫石土的滲透性及穩(wěn)定性研究

隨著施工碾壓過程，對心墻料礫石土的滲透特性進行了研究。在不同填筑高程取樣若干組采用注水法進行現(xiàn)場滲透試驗。

為了保護土體，避免在邊界面上發(fā)生管涌、流土、沖刷等滲透破壞現(xiàn)象，常采用反濾層保護，既能使?jié)B透水自由流出，又不致將土粒帶走，從而提高土體的滲透穩(wěn)定性。

基于毛爾蓋水電站大壩心墻料的復雜性，選取上包線、平均線、下包線對應級配、密度作為室內試驗控制條件進行相關的滲透試驗。防滲料試驗控制參數(shù)見表2，級配曲線見圖2。從圖表可以看出，心墻料的級配處于設計包線范圍。

表2 檢測的防滲料物理性質試驗成果

室內力學試驗成果見表3(上包線、平均線、下包線的試驗編號分別為X1、X2、X3)。

從以上試驗圖表可知，防滲料上、平、下線，在反濾保護下，滲透系數(shù)為 i×10－7～i×10－8cm/s，臨界坡降大于50.0，為弱透水性，流土破壞;在反濾保護下，心墻料抗?jié)B坡降較高，反濾層對心墻料保護效果好。

5 礫石土的強度特性研究

圖2 防滲料試驗控制級配曲線

針對毛爾蓋水電站大壩工程的實際情況，對心墻料的抗剪強度采取了三軸壓縮試驗，成果見表4～7、圖3～4。

通過三軸試驗和以上統(tǒng)計圖表可知，三軸CD剪切試驗模量K分別為254～387，Kb為210～212，飽和固結排水剪φ大于29°，礫石土防滲料具有較高的抗剪強度與低壓縮性的工程性質。

6 質量控制

表3 防滲料室內力學性試驗成果

表4 防滲料高壓大三軸試驗成果

表5 防滲料高壓大三軸試驗成果

表6 三軸(固結不排水剪CU)試驗成果

表7 三軸(非飽和UU)試驗成果

6.1 組織機構及質量管理制度

在工程建設過程中，施工和監(jiān)理單位分別建立健全了大壩填筑質量控制管理組織機構(見圖5、6)，分工負責，各司其職，全面管控料源及大壩填筑施工質量。同時，施工和監(jiān)理分別制定了《大壩填筑施工質量管理辦法》、《大壩填筑施工質量管理實施細則》和《礫石土心墻堆石壩填筑質量監(jiān)理工作現(xiàn)場管控機制》，經2009年8月14日建設四方專題會議討論通過。特別明確了各級各部門崗位職責、值班制度、工作程序及運作機制，以及大壩填筑質量問題分類、處罰項目及其方法、標準，對施工過程實行全面、全過程跟蹤控制，進行當班評價、獎勵與處罰并舉，并定期召開大壩填筑施工質量階段總結會議。

6.2 施工過程質量控制

6.2.1 土料料源質量控制

圖3 X1 CD試驗應力－應變曲線

料源是壩體填筑質量控制的源頭，土料場控制項目主要包括含水量和礫石含量。施工和監(jiān)理分別安排專人對料場開采、悶水、摻配等進行檢測和控制，尤其對開采面、層間高度、料質組織四方現(xiàn)場進行鑒定，以保證上壩土料質量。土料場開采程序見圖7。

圖4 X1 CD強度包線

圖5 施工質量管理機構框圖

圖6 監(jiān)理質量管理機構框圖

圖7 土料場開采程序

6.2.1.1 礫石土料摻配

由于土料場不可避免地會出現(xiàn)因地質條件變化導致礫石分布不均等情況，若直接立采或者混采，上壩防滲土料質量難以保證。經試驗論證和建設四方專題研究確定，由專門摻配場進行摻配方案的試驗。

為了確定團結橋土料場的礫石土(③－1層)和黏土(③－2層)兩種土料的摻配比例，以其天然級配中小于5mm、小于0.075mm和小于0.005mm的控制粒徑的含量(最大值、最小值和平均值)為依據，分別按 3∶7、4∶6、5∶5、5.5∶4.5、6∶4和 7∶3共 5 種摻配比例進行了試配計算。根據不同摻配比例的試驗計算數(shù)據和分析結果，確定礫石土和黏土按5.5∶4.5比例摻配時合格率最高。并在摻配場采取一層黏土一層礫石土按比例逐層大面積攤鋪、多層高堆筑的大規(guī)模土料摻配方案。

6.2.1.2 含水量調整

主要采取分層攤鋪摻配時分層挖溝加水的方法。在試驗室測定③－1礫石土和③－2純黏土的天然含水率及其混合料的最優(yōu)含水率，由此確定攤鋪混合料的加水率，進而計算每層料單位面積的加水量(黏土層的加水量按總量的70%計算)。

6.2.2 心墻壩面質量控制

礫石土心墻壩面質量控制主要包括:填筑厚度及邊線、層面平整度、接縫施工、跨心墻施工道路保護措施、工序控制等。

針對土料特性和顆粒級配，按照設計碾壓試驗技術要求，分別按照35cm、40cm攤鋪厚度和18t自行式凸塊振動碾碾壓8、10、12遍進行碾壓試驗，經對試驗檢測數(shù)據分析，最終選擇了攤鋪35cm、碾壓12遍的施工參數(shù)，取得滿足設計要求的壓實度和干密度。實施過程中，運用GPS碾壓監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)理工程師巡查、人工記錄及抽檢、第三方檢測等相結合的綜合質量控制系統(tǒng)，使施工質量始終受控。

除此而外，本工程屬高海拔、高寒地區(qū)，每年6～9月為雨季，12～2月為嚴寒冬季，為實現(xiàn)冬雨季連續(xù)施工，通過研究土料在特定氣溫條件下的凍結特性，尋求經濟合理的輔助保溫措施，盡量減少雨季和冬季低溫時段對土料填筑施工的影響。

(1)根據天氣預報和局地氣候，做好預案和超前準備。下雨前迅速將壩面心墻土料采用自行平碾靜壓(不激震)成光面;鋪設彩條布(或軍用帆布)覆蓋，防止雨水下滲;雨后排干彩條布上的積水，并將彩條布掀走。

(2)一般將心墻和兩側反濾料、過渡料及部分堆石料適當填高，下雨時繼續(xù)填筑堆石料，保持壩面穩(wěn)定上升。

(3)適當縮短流水作業(yè)長度，礫石土料及時平整壓實。

(4)心墻填筑面應略向上、下游傾斜，以利于排除積水。

(5)下雨或雨后不許踩踏心墻壩面，嚴禁車輛通行。復工前應清除表面稀泥，或經晾曬、翻曬處理，使土料含水率調節(jié)至合理范圍內，經監(jiān)理工程師檢查合格后，方可復工。

(6)冬季上午10點至下午6點正溫時段，正常填筑土料，并縮短分塊、填筑區(qū)。

(7)嚴寒夜晚用軍用棉被或軍用帆布覆蓋，早上氣溫升高時采用凸塊碾快速碾壓，以快速解凍。

(8)冬季連續(xù)數(shù)日不施工時，一般鋪設50cm左右厚的低含水量土料對已填筑心墻保溫，在恢復施工時予以清除。

7 質量管理成果

按照規(guī)范和設計標準要求，對施工過程中采集的大量檢測數(shù)據采用數(shù)理統(tǒng)計方法，對1 824組礫石土的檢測項目進行了最大值、最小值、平均值及標準差的統(tǒng)計分析，檢測結果見表8。

表8 礫石土檢測成果統(tǒng)計

通過以上統(tǒng)計分析只能反映礫石土料的檢測指標是否滿足相關的技術要求，不能反映壓實質量的好壞和施工工藝的保證能力。為此，在數(shù)理統(tǒng)計分析基礎上，根據美國科學家休哈特(Walter A·Shewhart)提出的產品質量過程能力評價方式(見表9)，對礫石土的壓實度和P5含量的施工過程能力進行全面分析(見表10、11)。

表9 過程能力指數(shù)Cp值及評價參考

表10 礫石土壓實度施工控制過程能力分析

表11 礫石土P5含量施工控制過程能力分析

通過過程能力分析表明，礫石土填筑的壓實度質量和P5含量控制較好，工藝保證能力較強，施工質量穩(wěn)定、持續(xù)受控。

8 結束語

毛爾蓋水電站大壩礫石土心墻于2009年12月開始填筑，月平均上升7.8m，月最高上升16m，月平均強度10.2萬m3，月最大強度17.9萬m3。實現(xiàn)了2011年3月較合同工期提前8個月汛前下閘蓄水的節(jié)點目標，監(jiān)測成果反映大壩變形、滲流符合土石壩變形和滲流場基本規(guī)律，大壩運行正常。

通過分析和研究表明，顆粒組成是決定礫石土工程特性的主要因素，以5mm粒徑為界將礫石土分為粗、細兩部分。礫石土的最大干密度隨壓實功能的增大而增大，滲透系數(shù)隨壓實功能的增大而減小。

工程實踐證明，礫石土料經壓實后具有較高抗剪強度、較低壓縮性及良好的施工性能等優(yōu)點，作為一種天然的填筑材料被廣泛應用于水電水利工程中。據統(tǒng)計，國外高100m以上的高土石壩中，采用礫石土料作為防滲材料的土石壩占總數(shù)70%。在我國近年已完工和開工的高土石壩中，大部分采用了礫石土作為心墻防滲料，除本文的毛爾蓋水電站大壩外，還有瀑布溝、糯扎渡、水牛家、云鵬、獅子坪、磽磧、長河壩等水電站大壩。因此，礫石土作為大壩心墻防滲料具有較高使用價值和應用前景。

［1］林昭.碾壓式土石壩設計［M］.鄭州:黃河水利出版社，2003.

［2］郭慶國.粗粒土的工程特性及應用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998.

［3］郭慶國，等.土石壩建設實用技術研究及應用［M］.鄭州:黃河水利出版社，2004.

［4］安炳淑.質量專業(yè)理論與實務［M］.北京:中國人事出版社，2002.