楊青杰，段媛媛，李陸明，張兆省，皇甫澤華

（1.河南科光工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，河南 鄭州 450003；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.河南省水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；4.河南省前坪水庫建設(shè)管理局，河南 鄭州 450003）

1 研究背景

河南省前坪水庫是國家重點建設(shè)的172項水利工程之一，位于淮河流域沙潁河支流北汝河上游、洛陽市汝陽縣城以西9 km的前坪村。水庫以防洪為主，結(jié)合灌溉、供水，并兼顧發(fā)電，總庫容5.84億m3，控制流域面積1325 km2，為大（2）型水庫。主壩采用黏土心墻砂礫（卵）石壩，最大壩高90.3 m。壩殼料設(shè)計為天然級配砂礫（卵）石料，砂礫料填筑方量為1300萬m3。但由于當(dāng)?shù)厝斯げ缮拜^普遍，導(dǎo)致原規(guī)劃料料場上層砂礫（卵）石料細顆粒缺失，改變了料場砂礫（卵）石料天然級配曲線、物理力學(xué)參數(shù)、開采條件等，產(chǎn)生了約700萬m3的采砂擾動砂礫料。

對于采砂擾動料，原料場設(shè)計包線、開采條件、壩的填筑控制標準和碾壓施工參數(shù)均發(fā)生變化。開展筑壩質(zhì)量控制工作時，如何針對這種人工采砂條件下的采砂擾動砂礫料，開展有效的質(zhì)量控制工作，是值得探討的問題［1］。本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范［2］、設(shè)計技術(shù)參數(shù)，重點從壩料級配控制和壓實質(zhì)量控制兩個方面較系統(tǒng)的對采砂擾動砂礫料筑壩質(zhì)量控制進行探討，可供類似工程質(zhì)量控制參考使用。

2 料場的級配特點

2012年可研勘察時，對西溝-鴨蘭溝、前坪-上店、上店-汝河橋3個砂礫料場（包括13個砂礫料區(qū)）進行了詳查精度的地質(zhì)勘察，查明砂礫料儲量共計1404萬m3，滿足工程需要。但由于河道常年采砂，尤其是2015年6月份以后，河槽采砂尤為嚴重。河槽內(nèi)采砂場多數(shù)采用篩選和破碎兩種方式開采，篩選開采主要對料場內(nèi)砂礫料中細粒組進行，破碎方式開采則對整個料區(qū)進行了開挖。因為大規(guī)模的采砂活動，造成砂礫料場原級配料儲量大幅減少，對工程用料產(chǎn)生嚴重影響。這種背景下，勘察單位2016年3月份又對原規(guī)劃料場進行了復(fù)核，共布置勘探點79個，主要查明人工擾動料分布范圍及深度，每個勘探點均進行了現(xiàn)場顆分試驗，料場篩分級配見圖1所示。

圖1 料場級配

由篩分結(jié)果可知，人工開采擾動后部分料粒徑級配曲線坡度較陡，甚至出現(xiàn)水平段，呈現(xiàn)缺少細粒組現(xiàn)象，近半數(shù)為級配不良砂礫料，且離散性較大。尤其是上游部分砂礫料場與下游砂礫料場大部分區(qū)域的人工擾動料顆粒較粗，一般為4 cm以上，缺失細顆粒粒徑組。

3 采砂擾動砂礫料筑壩質(zhì)量控制

根據(jù)前坪水庫料場砂礫料的級配特點，筑壩質(zhì)量控制重點從壩料質(zhì)量控制和碾壓質(zhì)量控制兩方面進行。在料場開采環(huán)節(jié)，采用合適的開采工藝，嚴格控制級配指標。在上壩碾壓環(huán)節(jié)，對攤鋪工藝和碾壓施工工藝及碾壓參數(shù)進行控制，并依照規(guī)范對碾壓層進行干密度檢測，對壓實效果進行評估。

3.1壩料質(zhì)量控制對于上壩砂礫料，按圖2所示的級配包線進行控制，保證上壩砂礫料級配在圖2所示的級配包線范圍之內(nèi)。在開采壩料時，首先要確保開采區(qū)域在勘察單位提供的料場復(fù)核及開采區(qū)域內(nèi)［3-5］。對于各開采區(qū)域，在開采施工前進行料場級配復(fù)核，確定開采區(qū)域內(nèi)天然級配料及人工擾動料的部位，做好現(xiàn)場開采規(guī)劃。開采過程中現(xiàn)場質(zhì)量控制人員加強對料場的動態(tài)控制，開采時首先使用推土機及挖掘機清除料場表層的雜物，再按照料場規(guī)劃要求統(tǒng)一堆放在規(guī)定的位置，并注意開采區(qū)域泥土夾層的清理［6-8］。

圖2 原設(shè)計級配包線與料場

天然級配料的開采采用立面混合方式，以利于各料層摻混，使開采料能達到較合理的級配［8-9］。人工擾動料采用平鋪立采或混合開采的方式，以保證不同粒組含量比例合理。開采過程中部分擾動料含砂量過少，采用粗、細砂礫料混合裝車，現(xiàn)場卸料過后再進行混摻，以保證砂礫料級配合理。對于超徑顆粒或砂礫料大粒徑過于集中問題，在裝運過程中利用挖掘機進行排除或調(diào)整處理。

總的來說，在料場的開采過程中，經(jīng)過現(xiàn)場質(zhì)量控制人員的全過程監(jiān)控，砂礫料開采質(zhì)量基本能滿足設(shè)計級配要求，對于不符合設(shè)計要求的砂礫料，及時采取了處理措施。

3.2壓實質(zhì)量控制壓實質(zhì)量控制主要包含施工工藝及碾壓參數(shù)控制和壓實檢測結(jié)果控制兩個環(huán)節(jié)［10］。施工工藝和碾壓參數(shù)控制以現(xiàn)場碾壓試驗得到的碾壓參數(shù)及建議的碾壓工藝為依據(jù)，壓實檢測控制則以設(shè)計填筑標準為依據(jù)。在正式上壩碾壓之前，首先對計劃上壩砂礫料進行現(xiàn)場碾壓試驗和相對密度試驗。通過現(xiàn)場碾壓試驗確定的碾壓施工參數(shù)為：鋪料厚度為80 cm，并按照體積控制灑水10%飽和，用26 t自行式振動碾，開強震檔，控制行車速度在3 km/h以內(nèi)。通過相對密度試驗確定相應(yīng)料場級配包線范圍內(nèi)不同含礫量級配對應(yīng)的最大、最小干密度，并進一步確定設(shè)計填筑標準對應(yīng)的施工質(zhì)量控制干密度。為了能更好的反映施工現(xiàn)場實際情況，在現(xiàn)場采用大型密度桶法確定了砂礫料的最大、最小干密度，據(jù)此給出了設(shè)計壓實標準相對密度為0.8（原設(shè)計壓實標準相對密度為0.75）時的施工質(zhì)量控制干密度，見表1和圖3所示。

表1 不同含礫量砂礫料筑壩質(zhì)量控制干密度 （單位：g/cm3）

圖3 筑壩質(zhì)量控制干密度與含礫量關(guān)系

（1）碾壓施工工藝及碾壓參數(shù)控制。碾壓施工工藝和碾壓參數(shù)控制主要涉及兩個方面的內(nèi)容，一是在卸料和攤鋪過程中發(fā)生粗、細分離時采取處理措施，避免由于粗、細分離而造成碾壓不合格的情況出現(xiàn)。二是確保碾壓參數(shù)能夠完全落實，包括鋪料厚度、振動碾噸位、行駛速度、振動強度，碾壓遍數(shù)和搭接寬度等?，F(xiàn)場碾壓試驗表明，砂礫料壓實效果受含水狀態(tài)影響很大，灑水與不灑水相比，灑水對保證壓實效果的作用非常明顯。因此，在砂礫料碾壓施工中，按照施工碾壓工藝建議的10%的體積含水率進行充分灑水，保證灑水量和灑水的均勻性十分重要。

大壩施工碾壓過程的控制，是整個大壩建設(shè)管理的難題。采用常規(guī)的大壩碾壓施工現(xiàn)場管理模式，很難保證大壩施工嚴格按照推薦的碾壓參數(shù)和碾壓工藝進行，容易發(fā)生錯碾、漏碾等問題，相應(yīng)的難以保證大壩填筑質(zhì)量［11-14］。隨著高精度衛(wèi)星定位技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合土石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計和填筑施工組織設(shè)計特點，采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行大壩填筑施工管理，確保嚴格按照推薦的碾壓參數(shù)和碾壓工藝進行大壩填筑碾壓施工，對保證大壩填筑質(zhì)量十分關(guān)鍵［15-17］。在施工過程中，通過實時監(jiān)控系統(tǒng)，將碾壓機械的施工坐標點、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓振動頻率、鋪料厚度以及壩料實時壓實特征，傳輸?shù)接嬎銠C終端以圖形的方式展示給工程建設(shè)管理人員，為大壩填筑施工管理、施工質(zhì)量控制以及施工現(xiàn)場的動態(tài)調(diào)度提供了重要的技術(shù)手段。

（2）壓實質(zhì)量檢測及評估。壩面碾壓之后，對碾壓層進行試坑開挖，采用灌水法檢測碾壓層干密度。由于直接測得的指標是開挖砂礫料的質(zhì)量、灌水的體積以及砂礫料的含水率，干密度是間接換算得到的參數(shù)，其準確性受直接測試指標的影響，尤其是灌水測量體積時最容易引入試驗誤差。現(xiàn)場干密度檢測采用的鋼環(huán)直徑為150 m、高度為20 cm。試坑開挖點選擇相對平整的區(qū)域，檢測過程中保證剛環(huán)固定。試坑開挖直徑不小于設(shè)計級配最大粒徑的3～5倍，開挖深度與碾壓層厚度相當(dāng)。前坪水庫設(shè)計級配最大粒徑為200～400 mm，試坑開挖直徑不能小于1.2 m，開挖深度約為70 cm。試坑坑底及坑壁浮土可能導(dǎo)致測量的試坑體積小于實際值，因此注意坑壁和坑底浮土的清理和壓實平整。灌水采用的塑料薄膜有較好的柔韌度，以保證塑料薄膜在水壓力作用下與鋼環(huán)內(nèi)壁和試坑壁貼合緊密，較準確的測得試坑體積。

將某碾壓層試坑開挖檢測干密度與相應(yīng)級配含礫量點繪于圖3，可得圖4設(shè)計壓實干密度與試坑檢測干密度相對位置關(guān)系。由圖4可見，試坑開挖檢測干密度均在設(shè)計填筑干密度質(zhì)量控制線以上。說明在建議的碾壓施工工藝和施工參數(shù)下，碾壓干密度能滿足填筑質(zhì)量控制的要求。大壩原設(shè)計壓實標準相對密度為0.75，且采用室內(nèi)試驗確定的最優(yōu)級配下的最大干密度為2.20 g/cm3。在新的料場條件下，為了更好地控制填筑質(zhì)量，將設(shè)計壓實標準提高到0.80，且采用現(xiàn)場大型相對密度試驗，得到最優(yōu)級配下最大干密度為2.398 g/cm3，顯著大于室內(nèi)試驗值?，F(xiàn)場碾壓試驗表明，采用合適的碾壓參數(shù)，能夠經(jīng)濟高效的達到設(shè)計壓實標準相對密度0.80的要求。大壩沉降監(jiān)測資料表明，大壩施工期最大沉降量為47 cm，約為壩高的0.5%，與設(shè)防烈度為7度及以下的同等規(guī)模黏土心墻砂礫石壩相比，前坪水庫大壩沉降控制效果較理想，說明大壩填筑質(zhì)量較好。

圖4 填筑質(zhì)量檢測結(jié)果

4 結(jié)語

前坪水庫筑壩砂礫料為采砂擾動料，級配變化范圍大，甚至有細料缺失。針對采砂擾動砂礫料的特點，質(zhì)量控制工作強調(diào)料場級配復(fù)核，并在開采時采用合適的開采方式，使壩料級配滿足要求。填筑碾壓施工時，采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行大壩填筑施工管理，可以實現(xiàn)對大壩填筑施工過程中鋪料厚度、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、碾壓振動頻率以及壩料實時壓實特征的動態(tài)實時監(jiān)控，保證大壩碾壓施工質(zhì)量。干密度檢測結(jié)果表明，在嚴格控制壩料質(zhì)量，且碾壓施工工藝和碾壓參數(shù)落實到位的情況下，碾壓效果能夠滿足設(shè)計壓實標準的要求。

大壩填筑壓實質(zhì)量良好，與在現(xiàn)場采用實際上壩料確定其最大、最小干密度有直接關(guān)系，也與筑壩填筑時良好的質(zhì)量控制密切相關(guān)。在設(shè)計填筑相對密度指標下，推薦采用現(xiàn)場大型相對密度桶法代替室內(nèi)試驗方法，確定可反映施工現(xiàn)場實際的砂礫料質(zhì)量控制干密度，對保障大壩壓實質(zhì)量十分關(guān)鍵。采取合適的開采工藝，控制上壩料質(zhì)量，并通過不同鋪厚、不同碾壓遍數(shù)及不同含水狀態(tài)的現(xiàn)場碾壓試驗組合，推薦合理的碾壓施工參數(shù)和施工工藝很有必要。采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)進行大壩填筑施工管理，嚴格按照推薦的碾壓參數(shù)和碾壓工藝進行大壩填筑碾壓施工，是施工環(huán)節(jié)保證大壩填筑質(zhì)量的重要技術(shù)手段，對土石壩填筑質(zhì)量控制具有普遍意義。