大壩礫石土防滲心墻填筑質(zhì)量快速檢測方法研究

保華富，王海波，龐 桂，王 坤

（中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650033）

大壩礫石土防滲心墻填筑質(zhì)量快速檢測方法研究

保華富，王海波，龐 桂，王 坤

（中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，云南昆明650033）

針對長河壩水電站礫石土心墻填筑壓實(shí)質(zhì)量需要，用全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度進(jìn)行雙控的質(zhì)量快速檢測控制，通過系列比較試驗(yàn)和分析，提出了一種礫石土填筑壓實(shí)質(zhì)量控制的快速檢測方法。與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)檢測方法所得結(jié)果相比，各項(xiàng)檢測指標(biāo)偏差完全在試驗(yàn)規(guī)程允許誤差范圍內(nèi)。本方法簡捷、快速、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可大幅縮短檢測時(shí)間以滿足高強(qiáng)度大方量填筑質(zhì)量檢測控制要求，大壩初期填筑應(yīng)用結(jié)果表明本方法是一種礫石土填筑質(zhì)量控制快速有效的檢測方法。

長河壩水電站；心墻礫石土填筑；質(zhì)量快速檢測方法；試驗(yàn)研究

1 概 述

長河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫22級(jí)”的第10級(jí)電站，上接猴子巖水電站，下接黃金坪水電站。壩址區(qū)上距丹巴縣城約85 km，下距康定縣城和瀘定縣城分別為51 km和50 km，距成都約360 km。長河壩水電站是以單一發(fā)電為主的大型水庫電站。電站總裝機(jī)容量2 600 MW，本工程為一等大（1）型工程，攔河壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，在同類型壩中壩高均次于糯扎渡水電站大壩，名列國內(nèi)第二，屬超高型大壩。主要工程項(xiàng)目礫石土心墻防滲料填筑量約428.32×104m3，接觸粘土填筑量約22.1×104m3，反濾料填筑約175.08× 104m3，過渡料填筑約288.96×104m3，堆石料填筑約2 311.5×104m3。

表1為心墻礫石土填筑設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)［1］。要求礫石最大粒徑不大于150 mm和鋪土厚度的2／3，全料填筑含水率應(yīng)為ω0p－1%≤ω≤ω0p＋2%，即填土含水率比最優(yōu)含水率大2%、小1%。設(shè)計(jì)還要求土料＞5 mm礫石含量（P5）分別為30%、40%、50%時(shí)壓實(shí)后干密度分別不低于 2.07 g／cm3、2.10 g／cm3、2.14 g／cm3，其它 P5含量土料控制干密度可內(nèi)插求得。細(xì)料壓實(shí)后干密度不低于1.82 g／cm3。

由于長河壩水電站壩體超高，位于狹窄河谷內(nèi)，壩基下沖積砂卵石層厚達(dá)60多米，心墻又是大壩防滲的主體和核心，礫石土心墻的抗?jié)B流穩(wěn)定性、心墻運(yùn)行期間的沉降和拱效應(yīng)、心墻自身抗裂性能和穩(wěn)定性均是非常關(guān)鍵的技術(shù)問題，施工期心墻的填筑質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)壩體的安全運(yùn)行，這給施工質(zhì)量控制和檢測也提出了更高要求。

表1 心墻礫石土填筑設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

對壩體全料填筑質(zhì)量控制需要測定土料含水率和壓實(shí)干密度，其中含水率是一項(xiàng)重要指標(biāo)，常規(guī)測定用標(biāo)準(zhǔn)烘干法。對用于心墻防滲的黏質(zhì)土類，規(guī)程規(guī)定烘干時(shí)間不少于8小時(shí)，用時(shí)較長，影響施工進(jìn)度。特別是對于礫石土心墻高堆石壩，如果按常規(guī)試驗(yàn)方法檢測全料含水率和礫石含量，至少需要12小時(shí)以上，這遠(yuǎn)不能滿足施工進(jìn)度要求，因此如何快速檢測土料的含水率就顯得十分重要。目前較廣泛采用的快速檢測方法有核子測定法、酒精燃燒法、比重法、微波烘干法等，其中酒精燃燒法僅適用于細(xì)粒類土，比重法僅適用于砂類土，對于含礫石粗粒黏質(zhì)類土經(jīng)比較試驗(yàn)得出核子測也不適用［2］。由于礫石土含水率檢測每組要求取樣數(shù)量較多，壩體取樣頻率較高，如采用微波烘干法，須投入多臺(tái)大容量微波烘干儀，在測定全料含水率后，還須將烘干土經(jīng)水沖洗干凈再次烘干測礫石含量，檢測工作量也較大。

本文結(jié)合長河壩水電站礫石土心墻前期現(xiàn)場施工碾壓試驗(yàn)，事先通過大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得出＞5 mm礫石吸著含水率（近似飽和面干吸水率）并統(tǒng)計(jì)得出其代表值（平均值），大壩填筑實(shí)際檢測時(shí)用水快速洗篩方法測定試坑土礫石飽和面干質(zhì)量，用飽和面干吸水率替代礫石含水率計(jì)算試坑礫石干質(zhì)量。小于5mm土含水率采用酒精燃燒法測定，然后按加權(quán)法計(jì)算全料含水率，達(dá)到對礫石土全料含水率及 P5含量等指標(biāo)快速檢測的目的。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)[石較堅(jiān)硬、礫石吸水率較小且變化不大時(shí)［3－4］，本方法檢測結(jié)果能滿足試驗(yàn)規(guī)程允許誤差要求，是一種礫石土填筑質(zhì)量快速有效的檢測方法。

2 檢測方法研究

2.1 檢測思路

根據(jù)土料含水率定義可推導(dǎo)出礫石土全料含水率計(jì)算理論公式，此公式也是多部現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程推薦引用公式［5－6］：

式中：ω為礫石土全料計(jì)算含水率；P5為大于5 mm礫石含量；ω1為小于5mm細(xì)料含水率；ω2為大于5 mm礫石吸著含水率。

小于5 mm細(xì)料含水率可通過酒精燃燒法快速檢測。對大于5 mm礫石由于其表面粘附著的泥土很難用干法擦凈，難于保證礫石吸著含水率的檢測精度，操作相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)工。當(dāng)?shù)[石吸水率變化不大時(shí)，吸著含水率可通過水洗后事先測出。經(jīng)比較分析可取系列試驗(yàn)的礫石飽和面干吸水率平均值代替，對全料含水率計(jì)算結(jié)果影響較小。

上式中的P5含量可通過下式計(jì)算：

式中：ms1為試坑土小于5mm細(xì)料干質(zhì)量；ms2為試坑土大于5mm礫石干質(zhì)量。

實(shí)際檢測時(shí)可用快速?zèng)_洗的方法測定試坑土礫石質(zhì)量，用飽和面干吸水率替代礫石吸著含水率計(jì)算試坑礫石干質(zhì)量，用試坑土總質(zhì)量減去試坑土礫石飽和面干質(zhì)量既可得試坑土小于5 mm土料質(zhì)量，進(jìn)而可計(jì)算出試坑土小于5mm細(xì)料干質(zhì)量。

按土的干密度定義可推導(dǎo)出壓實(shí)礫石土試坑全料干密度計(jì)算公式：

式中：ρd為試坑土全料壓實(shí)干密度；V為試坑體積，試坑體積可由注水法或灌砂法檢測得到。

試坑土小于5 mm細(xì)料濕密度及干密度可分別按以下兩式計(jì)算：

式中：ρ1為試坑土小于5mm細(xì)料壓實(shí)濕密度；ρd1為試坑土小于5mm細(xì)料壓實(shí)干密度；m1為試坑土小于5mm細(xì)料質(zhì)量；m2為試坑土大于5mm礫石飽和面干質(zhì)量；GS2為礫石視比重，即礫石飽和面干質(zhì)量與其排開水體積之比，計(jì)算時(shí)不考慮礫石表面吸著含水率影響更符合實(shí)際；ρω為水的密度（取1g／cm3）。

按設(shè)計(jì)要求，長河壩水電站礫石土心墻填筑壓實(shí)質(zhì)量用全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度進(jìn)行雙控。實(shí)際操作時(shí)利用試坑注水法可測得試坑全料體積，利用酒精燃燒法可快速檢測試坑土小于5 mm細(xì)料含水率，將稱量后的試坑土全部過5 mm干篩后，再將留篩土用水洗篩干凈并擦去表面水份稱量可得試坑土大于5mm礫石近似飽和面干質(zhì)量，利用系列試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果可得礫石飽和面干吸水率及視比重代表值（平均值），再利用上述公式可計(jì)算出試坑土全料和細(xì)料的各項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)試坑土 P5含量查室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)資料（或設(shè)計(jì)要求），可得該 P5含量下對應(yīng)的最大干密度，根據(jù)現(xiàn)場干密度和最大干密度計(jì)算全料壓實(shí)度。細(xì)料壓實(shí)度可采用三點(diǎn)擊實(shí)法快速控制，既將挖出的試坑土分散過5 mm干篩，利用篩下的土料進(jìn)行三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)，求得細(xì)料最大濕密度或干密度并計(jì)算其壓實(shí)度［7］。以上就是本文研究的思路，統(tǒng)稱為快速檢測法。

2.2 含水率的快速檢測

小于5 mm土含水率采用酒精燃燒法測定。表2及圖1為細(xì)料用標(biāo)準(zhǔn)烘干法和酒精燃燒法的對比試驗(yàn)。酒精燃燒法用工業(yè)酒精純度大于95%，燒3遍。

表2 標(biāo)準(zhǔn)烘干法與酒精燃燒法檢測含水率結(jié)果比較

圖1 不同方法檢測細(xì)料含水率相關(guān)關(guān)系

36組小于5 mm土樣含水率對比試驗(yàn)結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)烘干法實(shí)測含水率在3.5%～22.2%之間，平均為13.1%；酒精燃燒法實(shí)測含水率在3.7%～21.6%之間，平均為13.2%；兩種方法所測含水率之差在－0.6%～0.6%之間，平均為－0.1%，酒精燃燒法與標(biāo)準(zhǔn)烘干法檢測結(jié)果非常接近，試驗(yàn)偏差均在試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定允許誤差范圍內(nèi)，可以用于細(xì)料含水率檢測。從圖1還可看出，兩種方法所檢測含水率呈極好的線性相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)為0.9969。

表3為湯壩料場27組土樣礫石吸水率、比重及飽和面干視比重檢測結(jié)果，礫石吸水率在1.8%～2.9%之間，平均為2.3%，礫石吸水率總體較??；礫石干比重在2.70～2.79之間，平均為2.75；礫石飽和面干視比重在2.62～2.69之間，平均為2.65。料場土料場礫石吸水率、比重及飽和面干視比重均有一定變化，但總體變化不大。建議在進(jìn)行全料含水率及P5含量計(jì)算時(shí)湯壩料場礫石飽和面干吸水率取平均值2.3%作為其代表值，在進(jìn)行試坑料小于5 mm細(xì)料體積計(jì)算時(shí)礫石飽和面干視比重取平均值2.65作為其代表值。

表3 礫石吸水率、比重及飽和面干視比重檢測結(jié)果

表4及圖2為61組礫石土樣標(biāo)準(zhǔn)烘干法和用公式（1）計(jì)算全料含水率檢測結(jié)果比較。用標(biāo)準(zhǔn)烘干法檢測全料含水率在2.9%～15.9%之間，平均為8.9%；用公式（1）計(jì)算全料含水率在2.6%～15.9%之間，平均為9.0%；兩種方法檢測全料含水率非常接近，含水率之差在－0.6%～0.6%之間，平均為－0.1%。試驗(yàn)偏差均在試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定允許誤差范圍內(nèi)。從圖2還可看出，兩種方法所檢測含水率呈極好的線性相關(guān)，線性相關(guān)系數(shù)為0.9913。

圖2 不同方法檢測全料含水率相關(guān)關(guān)系

按設(shè)計(jì)要求，P5含量應(yīng)控制在30%～50%范圍內(nèi)，表3中測得最小吸水率和最大吸水率分別為1.8%和2.9%，假定當(dāng)P5含量為30%時(shí)，用最小吸水率和最大吸水率按理論公式（1）計(jì)算得到某一土樣的全料含水率和用平均值2.3%計(jì)算得到的全料含水率差值分別為－0.15%和0.18%；當(dāng) P5含量為50%時(shí)，用最小吸水率和最大吸水率計(jì)算得到的全料含水率和用平均值2.3%計(jì)算得到的全料含水率差值分別為－0.25%和0.30%，理論計(jì)算完全滿足試驗(yàn)規(guī)程允許誤差要求。如調(diào)整最小吸水率和最大吸水率分別為1.5%和3.3%，當(dāng)P5含量為30%時(shí)，計(jì)算得到的全料含水率和用平均值2.3%得到的全料含水率差值分別為－0.24%和0.30%；當(dāng)P5含量為50%時(shí)，計(jì)算得到的全料含水率和用平均值2.3%得到的全料含水率差值分別為－0.40%和0.50%，仍能滿足試驗(yàn)規(guī)程允許誤差要求。

2.3 P5含量及全料壓實(shí)干密度的快速檢測

試坑土P5含量的測定采用洗篩法（簡稱快速法），既將試坑挖出的全部土料稱重后，先過5 mm篩干篩，篩下的土料供細(xì)料三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)，篩余土料用5mm篩洗篩沖洗干凈并擦去表面水分，立即稱其礫石質(zhì)量，利用飽和面干吸水率代表值2.3%計(jì)算礫石干重，用試坑料濕質(zhì)量減去篩洗后的礫石質(zhì)量，得到試坑細(xì)料質(zhì)量，根據(jù)酒精燃燒法測出的細(xì)料含水率可計(jì)算得到細(xì)料干質(zhì)量，從而可計(jì)算出試坑土的總干土質(zhì)量及礫石含量（P5），再根據(jù)試坑灌水體積計(jì)算得全料壓實(shí)干密度。表5為16組土樣用常規(guī)法和快速法檢測 P5含量比對表。從檢測結(jié)果看，與標(biāo)準(zhǔn)烘干法相比，快速法計(jì)算結(jié)果偏差很小，兩種方法所測結(jié)果之差在－0.4%～0.3%之間，平均為0.1%，完全能滿足礫石含量檢測控制要求。表6為8組土樣用常規(guī)法和快速法檢測全料干密度計(jì)算結(jié)果比對表。從檢測結(jié)果看，利用飽和面干吸水率代表值2.3%計(jì)算干密度與標(biāo)準(zhǔn)烘干法檢測結(jié)果非常接近，兩種方法所測結(jié)果之差在 0.00～－0.01 g／cm3之間。當(dāng)調(diào)整礫石吸水率分別為1.5%和3.0%時(shí)，快速法檢測全料干密度與標(biāo)準(zhǔn)法檢測結(jié)果也非常接近，完全滿足試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的允許誤差要求。

表4 標(biāo)準(zhǔn)烘干法和快速檢測法含水率檢測結(jié)果比較

表5 不同方法檢測P5含量比較

表6 不同方法檢測全料干密度比較

2.4 細(xì)料濕密度及細(xì)料干密度的快速檢測

細(xì)料的體積為試坑注水體積減去礫石體積，其最終目的是為了計(jì)算細(xì)料密度。礫石體積由礫石飽和面干質(zhì)量與其視比重之比值求得，礫石飽和面干質(zhì)量是通過將試坑土快速洗篩干凈后擦去表面水份稱量而得，因此影響細(xì)料體積的主要因素是礫石視比重，在計(jì)算時(shí)統(tǒng)一采用平均值2.65做為其代表值。表7為碾壓復(fù)核試驗(yàn)場第5層鋪厚30 cm碾壓12遍時(shí)某土樣采用不同視比重所計(jì)算的細(xì)料濕密度和干密度?？梢钥闯觯?dāng)采用礫石視比重的上下限2.69和2.62計(jì)算細(xì)料濕密度所得結(jié)果與采用平均值2.65所得結(jié)果之差分別為－0.02 g／cm3、0.01 g／cm3，均在規(guī)范規(guī)定的≤0.03 g／cm3試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)；計(jì)算細(xì)料干密度所得結(jié)果與采用平均值2.65所得結(jié)果之差分別為－0.01 g／cm3、0.01 g／cm3，均在規(guī)范規(guī)定的≤0.02 g／cm3試驗(yàn)允許誤差范圍內(nèi)。

表7 采用不同視比重計(jì)算細(xì)料濕密度和干密度比較

2.5 快速檢測方法的應(yīng)用

表8為大壩填筑初期礫石土壓實(shí)質(zhì)量快速檢測法與標(biāo)準(zhǔn)烘干法檢測結(jié)果比較，表中全料最優(yōu)含水率及全料最大干密度為不同礫石含量下重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。土樣快速檢測法礫石吸水率代表值取2.3%、礫石視比重代表值取2.65，標(biāo)準(zhǔn)法是采用標(biāo)準(zhǔn)烘干法測含水率和礫石含量。分析得出：15組土樣用快速檢測法與標(biāo)準(zhǔn)烘干法所得 P5含量偏差在－0.1%～0.4%之間，全料含水率偏差在－0.2%～0.1%之間，全料干密度偏差在 －0.01 g／cm3～－0.01 g／cm3之間，全料最大干密度偏差均為0.00 g／cm3，全料最優(yōu)含水率偏差在－0.1%～0.0%之間，全料壓實(shí)度偏差在－0.1%～0.2%之間，兩種方法檢測各項(xiàng)指標(biāo)均非常吻合，其偏差均在試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定允許誤差范圍內(nèi)，完全滿足質(zhì)量控制評(píng)定要求。

3 結(jié) 語

（1）結(jié)合長河壩水電站前期現(xiàn)場施工碾壓試驗(yàn)，提出了一種礫石土填筑壓實(shí)質(zhì)量控制的快速檢測方法。與常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法所得結(jié)果相比，各項(xiàng)檢測指標(biāo)偏差完全在試驗(yàn)規(guī)程允許誤差范圍內(nèi)。本方法簡捷、快速、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可大幅縮短檢測時(shí)間，在2小時(shí)內(nèi)可以得到全料及細(xì)料壓實(shí)度，能滿足高強(qiáng)度大方量礫石土填筑質(zhì)量檢測控制需要。大壩初期填筑應(yīng)用結(jié)果表明本方法是一種礫石土填筑質(zhì)量控制快速有效的檢測方法，可供類似工程質(zhì)量檢測控制參考。

（2）大壩實(shí)際填筑時(shí)，由于檢測工作量很大，質(zhì)量檢測應(yīng)與相關(guān)方積極勾通和協(xié)調(diào)，精心組織，采用緊跟填筑碾壓面、多點(diǎn)平行檢測、不同檢測工序流水作業(yè)等辦法，以滿足施工進(jìn)度需要。

表8 大壩礫石土填筑快速檢測壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)比較

（3）建議在下一步大壩填筑期，用快速檢測法進(jìn)行礫石土的填筑質(zhì)量控制，以滿足工序驗(yàn)收要求，同時(shí)要留樣采用標(biāo)準(zhǔn)方法做進(jìn)一步校核和驗(yàn)證，以便積累資料、及時(shí)調(diào)整檢測計(jì)算參數(shù)，確保檢測數(shù)據(jù)的可靠性。

［1］ 中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院.四川省大渡河長河壩水電站大壩壩體填筑施工技術(shù)要求［R］.成都：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2013：8-17.

［2］ 保華富，沈 蓉，李仕勝，等.核子法測定壓實(shí)粘土密度和含水率的探討與應(yīng)用［J］.水利建設(shè)與管理，2011，31（9）：41-46.

［3］ 保華富，尹志偉.礫質(zhì)土做為土石壩防滲體的研究［J］.巖土工程技術(shù)，1999，21（4）：34-38.

［4］ 保華富，羅玉再，陳 昆.徐村電站礫質(zhì)土防滲體的大型試驗(yàn)研究［J］.云南水力發(fā)電，2003，19（1）：24-29.

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［7］ 趙 川，劉盛乾，等.糯扎渡水電站粘土心墻壓實(shí)度檢測方法及控制標(biāo)準(zhǔn)［J］.云南水力發(fā)電，2009，25（5）：58-61.

Research on Rapid Detection Method for Filling Quality of Impervious CoreWallwith Gravelly Soil in Dam

BAO Hua-fu，WANG Hai-bo，PANG Gui，WANG Kun
（Kunming Investigation and Design Institute，China Hydropower Consulting Group，Kunming，Yunnan 650033，China）

According to the compaction quality of the gravelly soil filling for the corewall of Changheba Hydropower Station aswell as the quality detection and controlwith fullmaterial compaction degree and finematerial compaction degree，a rapid detectionmethod for the compaction quality controlofgravelly soil filling is proposed based on a series of comparative experiments and analysis.Compared with the results from conventional standard detectionmethods，the deviation of each detection indexes of thismethod iswithin the scope of permissible error in the test procedure.The proposedmethod is simple，rapid，economic and practical，with which the detection time can be greatly shortened so as tomeet the quality detection and control requirements for high strength and large volume filling.The application results for early dam filling show that thismethod is a kind of fast and efficient detectionmethod for the quality control of gravelly soil filling.

Changheba Hydropower Station；gravelly soil filling of corewall；rapid detectionmethod of quality；experimental research

TV641.4＋1

A

1672—1144（2014）01—0105—07

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.022

2013-08-09

2013-09-01

保華富（1963—），男，云南陸良人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工程質(zhì)量檢測、安全監(jiān)測及科研試驗(yàn)研究工作。