鄭 星 敖大華 張 勝 魏偉瓊 楊文超 徐永旺
(1.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州貴陽 550081;2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實驗室,貴州貴陽 550081)
土石壩是世界上最古老、建設(shè)最多的壩型,國內(nèi)外最高的大壩都是土石壩[1-2]。我國已經(jīng)建成了一批高度200 m 以上的高土石壩,正在建設(shè)兩河口、雙江口等一批高度300 m 級特高土石壩。隨著對筑壩材料特性和結(jié)構(gòu)性態(tài)的把握和預(yù)測能力的進(jìn)一步提高,未來土石壩還將進(jìn)一步?jīng)_擊更大壩高[2]。
心墻防滲材料的質(zhì)量是建設(shè)高土石壩至關(guān)重要的保證,國內(nèi)已建和在建的高土石壩針對防滲土料的碾壓特性開展了大量研究。苗尾水電站[3-5]對天然級配較好的寬級配礫石土料開展了碾壓參數(shù)試驗及高含水率碾壓試驗研究;糯扎渡[6-7]、兩河口[8-10]、雙江口[11-12]等特高土石壩都對摻礫土料開展了現(xiàn)場碾壓試驗研究。除兩河口外,其他大型、巨型工程所在地海拔均不算太高,開展碾壓試驗的場地海拔鮮有超過2500 m。
從現(xiàn)階段特高土石壩建設(shè)現(xiàn)狀及水能資源分布來看,未來特高土石壩的建設(shè)將會集中在高海拔地區(qū)。某水電站位于高海拔高寒地區(qū),攔河樞紐建筑物為高度300 m 級特高土石壩,壩體心墻防滲土料填筑方量約為4.88×106m3,防滲心墻土料為天然礫石土。防滲土料場分布在高程為3450~3600 m 的沖溝中,料場中部主要為第四紀(jì)早期沖洪積形成的碎石土,靠近陡斜坡地帶主要為第四紀(jì)后期殘坡積和斜坡面流沖刷形成的砂質(zhì)黏土、粉土及碎石土。土料具有天然級配偏粗、含水率偏低的特點(diǎn),需對其進(jìn)行了級配及含水率改性。由于當(dāng)前階段尚無法在壩址高程開展碾壓試驗,因此結(jié)合土料改性試驗,在料場開展了現(xiàn)場碾壓試驗研究,為迄今為止國內(nèi)首次在3500 m高程開展類似試驗研究,試驗成果對項目施工階段及今后類似工程具有較高的指導(dǎo)意義及參考價值。
參數(shù)選擇碾壓試驗是土料在最優(yōu)含水率狀態(tài)下,通過變化鋪料厚度及碾壓遍數(shù),確定適合土料的碾壓參數(shù)。鋪料厚度設(shè)置了25 cm、30 cm、35 cm、40 cm共計4 種參數(shù),每種鋪料厚度下分別設(shè)置了8 遍、10 遍、12 遍碾壓遍數(shù),以一個組合為一個小場,共計進(jìn)行了12 個小場碾壓試驗。碾壓機(jī)械采用徐工XS262J 型自行式平碾(重26 t)和三一重工SSR260C-6 型自行式凸塊碾(重26 t)。碾壓試驗依據(jù)《土石筑壩材料碾壓試驗規(guī)程》(NB/T 35016-2013)[13]、《碾壓式土石壩施工規(guī)范》(DL/T 5129-2013)[14]進(jìn)行。
碾壓試驗采用的土料提前在堆料場制備,保證其級配、含水率滿足設(shè)計要求。級配控制標(biāo)準(zhǔn):30%≤P5≤50%,<0.075 mm 顆粒含量≥15%,<0.005 mm 顆粒含量≥6%。含水率控制在wop~wop+2%。
每一個碾壓條帶設(shè)置一種鋪土厚度,在每一個碾壓條帶上又分為碾壓8 遍、10 遍、12 遍三個不同區(qū)域,每個區(qū)域代表一個小場。土料攤鋪完畢后,在每個條帶上不同位置共計取樣6 組進(jìn)行顆粒分析試驗及含水率試驗,得到土料碾前級配及含水率。碾壓完畢后,每個小場采用挖坑方式取樣6 組進(jìn)行顆粒分析試驗及含水率試驗,得到6 組碾后級配及含水率。即每個條帶得到6 組碾前級配、18 組碾后級配。
總體來看,土料在碾壓前P5 含量為34.2%~50.4%,平均值為40.8%;<0.075 mm 顆粒含量為25.0%~31.1%,平均值為28.7%;<0.005 mm 顆粒含量為10.5%~16.2%,平均值為12.8%。碾壓后P5 含量為34.5%~50.6%,平均值為41.4%;<0.075 mm 顆粒含量為21.1%~32.4%,平均值為28.0%;<0.005 mm 顆粒含量為9.4%~15.5%,平均值為12.5%。碾壓后土料級配與碾壓前相比相差不大,表明碾壓過程并未對土體顆粒組成產(chǎn)生顯著影響,顆粒的破碎現(xiàn)象不明顯。
碾壓試驗場地為海拔3500 m 左右的土料場。在高海拔環(huán)境下,試驗現(xiàn)場具有日照強(qiáng)、早晚溫差大、相對濕度日變化幅度大等氣候特點(diǎn)。進(jìn)入11 月份,場地早晚溫差在20℃以上,上午和下午濕度差值在50%以上。由于本工程防滲土料具有塑性較差、保水性不強(qiáng)的特點(diǎn),在此環(huán)境下,土中水分較易流失,因此必須掌握碾壓過程土料的含水率變化規(guī)律。
參數(shù)選擇碾壓試驗只研究鋪土厚度、碾壓遍數(shù)對土料壓實性能的影響,因此將土料的含水率控制在較小范圍,以控制變量、消除含水率的影響。通過室內(nèi)重型擊實試驗得到土料的最優(yōu)含水率在6.4%左右??紤]到土料在攤鋪、碾壓過程會發(fā)生一定的含水率損失,因此在制備土料時將土料含水率控制在wop~wop+2%,預(yù)留一定的富余度,使得土料含水率在運(yùn)輸及攤鋪過程損失后,碾壓前接近最優(yōu)含水率。
每個碾壓條帶上料前,在成品料料堆處取樣進(jìn)行了含水率檢測,得到料源處的初始含水率。土料裝運(yùn)至碾壓場攤鋪完畢后,每個條帶取樣6 組進(jìn)行鋪后碾前含水率檢測,以掌握運(yùn)輸及攤鋪過程中含水率的變化。碾壓后,每個條帶挖坑取樣18 組進(jìn)行含水率檢測。土料含水率變化情況見表1。
表1 參數(shù)選擇碾壓試驗土料含水率變化
根據(jù)表1 數(shù)據(jù),土料在料堆處的含水率平均為7.6%,在運(yùn)輸及攤鋪階段,4 個鋪土厚度鋪后碾前的平均含水率為6.8%~7.0%,在運(yùn)輸及攤鋪階段不同鋪土厚度含水率損失在0.6%~0.8%,平均損失0.7%,不同鋪土厚度的含水率損失與鋪土厚度沒有明顯的相關(guān)性。碾壓8 遍、10 遍、12 遍后的含水率數(shù)據(jù)表明,碾壓階段含水率損失與鋪厚和碾壓遍數(shù)沒有明顯的相關(guān)性。相較于碾前含水率,不同鋪土厚度下碾壓階段的含水率平均損失為0.4%、0.4%、0.6%、0.6%。碾前碾后土料含水率變化趨勢見圖1。
圖1 參數(shù)選擇碾壓試驗土料含水率變化規(guī)律
總的來看,在碾壓試驗進(jìn)行的時間段(12 月初)及當(dāng)時氣候條件下,土料自料堆裝運(yùn)至碾壓場地攤鋪完畢,含水率平均約損失0.7%;自攤鋪完畢至碾壓結(jié)束,含水率平均約損失0.5%。整個碾壓試驗過程土料含水率約損失1.2%左右。
參數(shù)選擇碾壓試驗共進(jìn)行了4 個碾壓條帶、12小場碾壓試驗,每個小場采用挖坑灌水法進(jìn)行密度檢測6組,共計完成壓實密度檢測72 組。壓實度的計算采用預(yù)控線法,即根據(jù)土料天然級配,選取不同P5 含量的級配曲線,配樣進(jìn)行大型重型擊實試驗(擊實功為2684.9 kJ/m3),得到P5 含量與最大干密度的關(guān)系曲線,再根據(jù)壓實土料的實測P5 含量查找對應(yīng)的最大干密度,則壓實干密度與對應(yīng)最大干密度的比值即為壓實度。試驗結(jié)果統(tǒng)計見表2。鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與壓實干密度、壓實度的關(guān)系見圖2。
圖2 壓實干密度、壓實度與鋪土厚度、碾壓遍數(shù)關(guān)系
表2 參數(shù)選擇碾壓試驗壓實干密度及壓實度
從試驗結(jié)果可見,當(dāng)鋪土厚度不超過35 cm時,鋪土厚度越薄,壓實干密度越小。當(dāng)鋪土厚度超過35 cm 達(dá)到40 cm時,土料的壓實干密度小于35 cm時的干密度,出現(xiàn)了干密度隨鋪土厚度增加而降低的現(xiàn)象。這是顯而易見的,土料的松鋪厚度大到了一定程度,碾壓機(jī)具對單位土體所做的功已經(jīng)不足以將土料壓實到更加緊密的程度。當(dāng)土料鋪厚為25 cm時,過多的碾壓遍數(shù)反而不會將土料壓得更密實,這可能是由于土料自身特性所致,同時由于振動凸塊碾凸塊的特殊攪拌及剪切作用,當(dāng)鋪土厚度降低到一定程度,土層越薄,凸塊對土料的擾動越明顯,因此碾壓遍數(shù)越多并沒有產(chǎn)生更密實的效果,反而使土體內(nèi)部發(fā)生松動。李朝政等[4-5]在試驗中也觀察到這種現(xiàn)象,并進(jìn)行了解釋??梢?,當(dāng)土料的鋪厚在35 cm時,土料在每個碾壓遍數(shù)下能獲得最大的壓實干密度。
鋪土厚度為25 cm,碾壓8 遍、10 遍、12遍,全料壓實度平均值都不滿足98%的設(shè)計壓實度要求;鋪土厚度為30 cm、35 cm,碾壓8 遍、10 遍、12遍,全料壓實度平均值滿足98%的設(shè)計壓實度要求;鋪土厚度為40 cm,碾壓8遍,全料壓實度平均值勉強(qiáng)滿足98%的設(shè)計壓實度要求,碾壓10 遍、12遍,全料壓實度平均值滿足98%的設(shè)計壓實度要求??傮w來看,鋪土厚度為35 cm時,土料的壓實效果最好。綜合考慮土料壓實度設(shè)計指標(biāo)與碾壓施工的可靠性及經(jīng)濟(jì)性等,可確定本工程防滲土料碾壓鋪土厚度為30~35 cm,碾壓遍數(shù)為10 遍。
變含水率碾壓試驗是在參數(shù)選擇碾壓試驗確定的鋪料厚度30~35 cm 和碾壓遍數(shù)10 遍的條件下進(jìn)行的不同含水率土料的碾壓試驗,以確定土料的可碾含水率范圍。擬定的試驗計劃為進(jìn)行wop、wop+1%、wop+2%三個含水率碾壓試驗。試驗時,由于精確地按1%的級差控制土料的加水精度存在一定困難,實際試驗過程是先將土料加水悶制到較高的含水率,然后將高含水率的土料先后攤鋪到條帶的不同小場區(qū)域,不斷翻曬使其水分損失,控制翻曬的時間,使每個小場的土料含水率形成一定的級差,最后一次性將該條帶的高、中、低3 個含水率的土料碾壓完畢。
變含水率碾壓試驗開展了3 個小場的試驗。土料攤鋪完畢后,在每個小場取樣4 組進(jìn)行土料鋪后碾前顆粒分析試驗,得到土料碾前級配。碾壓完畢后,每個小場挖坑6 個取樣進(jìn)行顆粒分析試驗,得到6組碾后級配。
變含水率碾壓試驗土料碾壓前P5 含量在37.8%~44.6%,平均值41.6%;<0.075 mm 顆粒含量在26.6%~30.8%,平均值28.8%;<0.005 mm 顆粒含量在10.5%~15.1%,平均值13.0%。碾壓后P5 含量在36.4%~44.6%,平均值41.1%;<0.075 mm 顆粒含量在26.2%~32.9%,平均值29.6%;<0.005 mm 顆粒含量在11.0%~15.7%,平均值13.0%。碾壓前級配特征粒徑含量滿足設(shè)計要求,碾壓后土料級配與碾壓前相比變化不大。
上料碾壓前,在料堆處取樣6 組進(jìn)行了初始含水率檢測。土料攤鋪晾曬完畢后,每小場在碾壓前又取了4 組樣品進(jìn)行含水率測試,水分達(dá)到要求的含水率后再進(jìn)行碾壓。其中高含水率的一個小場不進(jìn)行晾曬,而是在鋪土完畢后與同一條帶晾曬的其余兩個中、低含水小場一起碾壓。碾壓完畢后,每小場采用挖坑法取樣6 組進(jìn)行含水率檢測。
變含水率碾壓試驗所制備的土料在料源處的含水率為10.2%。低含水率小場的碾前含水率晾曬至6.9%,中含水率小場的碾前含水晾曬至7.7%,高含水率小場攤鋪后的含水率為9.7%。通過運(yùn)輸、攤鋪及晾曬過程,高含水、中含水、低含水三個小場的含水率損失分別為0.5%、2.5%、3.3%。碾壓過程高、中、低三小場的含水率損失分別為0.6%、0.4%、0.4%,碾壓過程含水率損失與參數(shù)選擇碾壓試驗階段相當(dāng)。
變含水率碾壓試驗每個小場采用挖坑灌水法進(jìn)行密度檢測6組,共計完成密度檢測18 組、碾后含水率檢測18組,壓實度檢測結(jié)果見表3。土料鋪厚30~35 cm,碾壓10遍,料源處土料含水率為10.2%,高、中、低三個小場土料碾前含水率平均值分別為9.7%、7.7%、6.9%,碾后含水率平均值分別為9.1%、7.3%、6.5%,相應(yīng)壓實干密度平均值分別為2.093 g/cm3、2.162 g/cm3、2.182 g/cm3,相應(yīng)壓實度平均值分別為94.2%、97.3%、98.4%,試驗結(jié)果見表3。
表3 不同含水率條件下土料壓實干密度與壓實度
土在擊實或碾壓后的干密度與含水率的關(guān)系一般呈現(xiàn)拋物線型。采用二次拋物曲線對土料干密度、壓實度與碾后含水率、相應(yīng)的碾前含水率的關(guān)系進(jìn)行了擬合(見圖3、圖4)。從擬合結(jié)果可見,由于最優(yōu)含水率在6.4%左右,試驗所調(diào)整的3 個含水率都在最優(yōu)含水率的濕側(cè),隨著含水率的增加,碾壓干密度減小,干密度與含水率呈現(xiàn)出較好的二次曲線相關(guān)性。當(dāng)碾壓后的含水率大于6.8%、對應(yīng)的碾前含水率大于7.2%時,土料的壓實干密度不滿足98%壓實度要求。
圖3 土料含水率與干密度關(guān)系(濕側(cè))
圖4 土料含水率與壓實度關(guān)系(濕側(cè))
從變含水率碾壓試驗結(jié)果可見,當(dāng)碾壓后的土料含水率超過6.8%(即wop+0.4%)、相應(yīng)的碾前含水率超過7.2%(即wop+0.8%),土料不能被碾壓到設(shè)計98%的壓實度??梢?,本工程防滲土料的含水率對其壓實干密度與壓實度較敏感,含水率的變化對壓實度的影響較大??紤]試驗的誤差及環(huán)境因素影響,碾前含水率的上限可取為wop+1%,即土料碾前含水率高于最優(yōu)含水率1%以上,則有可能使壓實度達(dá)不到98%的設(shè)計要求。由于本工程土料具有失水較快的特點(diǎn),碾壓含水率宜控制在最優(yōu)含水率的濕側(cè)而非干側(cè),因此至少應(yīng)控制碾壓時土料的碾前下限含水率為最優(yōu)含水率,土料碾前含水率的上限則可按最優(yōu)含水率wop+1%確定??紤]到土料在運(yùn)輸、攤鋪過程平均損失0.7%的含水率(據(jù)表1),則在料場制備土料時,成品料的含水率可以按wop+1.7%控制。
綜上所述,為確保達(dá)到98%的設(shè)計壓實度指標(biāo),本工程防滲土料成品料含水率宜控制在wop+0.7%~wop+1.7%。由于本次碾壓試驗的時段在11 月-12月,試驗的地點(diǎn)在海拔3500 m 左右的料場,關(guān)于土料含水率范圍的結(jié)論是在上述時間和空間條件下得到的,實際施工中還應(yīng)根據(jù)料場、壩址相應(yīng)的時間、空間、氣候條件,對土料的含水率作相應(yīng)的調(diào)整,以滿足設(shè)計要求。
復(fù)核場碾壓試驗是在參數(shù)選擇試驗確定的鋪土厚度、碾壓遍數(shù)以及變含水率試驗確定的土料可碾含水范圍等碾壓參數(shù)的基礎(chǔ)上,重新制備成品土料進(jìn)行參數(shù)復(fù)核試驗,對確定的碾壓參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。
復(fù)核場試驗采用重新配制的土料進(jìn)行一個條帶碾壓試驗,土料攤鋪完畢后取樣8 組進(jìn)行碾前級配及含水率檢測,碾壓完畢后挖坑8 個取樣進(jìn)行級配及含水率檢測。從復(fù)核場碾壓前后土料的級配對比看,碾壓前P5 含量在38.8%~45.0%,平均值41.8%;<0.075 mm 顆粒含量在23.5%~29.2%,平均值27.0%;<0.005 mm 顆粒含量在9.0%~13.6%,平均值11.9%。碾壓后P5 含量在37.9%~45.2%,平均值41.8%;<0.075 mm 顆粒含量在26.9%~31.8%,平均值28.4%;<0.005 mm 顆粒含量在12.0%~14.4%,平均值12.9%。碾壓前級配特征粒徑含量滿足設(shè)計要求,碾壓后土料級配與碾壓前相比變化不大,結(jié)論與參數(shù)選擇試驗和變含水率試驗相同。
復(fù)核試驗所用土料的最優(yōu)含水率為6.5%,料堆初始含水率為8.0%,料堆處的含水率控制在wop+0.7%~wop+1.7%。土料鋪后碾前含水為7.3%,較料堆處含水率損失0.7%。碾后含水率為6.7%,較碾前含水率損失0.6%。
復(fù)核場碾壓試驗采用自重26 t 凸塊碾,鋪土厚度33.8 cm,碾壓遍數(shù)采用10遍,采用挖坑灌水法進(jìn)行8 組壓實度檢測。土料的壓實干密度為2.175~2.243 g/cm3,平均值為2.196 g/cm3,相應(yīng)的壓實度在97.8%~100.9%,平均值為為98.8%。
試驗結(jié)果表明,土料鋪厚30~35 cm,采用26 t凸塊碾碾壓10遍,料源處土料的含水率控制在wop+0.7%~wop+1.7%,土料全料壓實度可滿足98%的設(shè)計要求。復(fù)核場碾壓試驗表明,上述所選定的碾壓參數(shù)對本工程防滲土料的碾壓是合適的。
碾壓后,采用大型切割機(jī)對碾壓體進(jìn)行切面觀察(見圖5)。從切面照片可以看出,土體致密堅實,土中礫石分布較均勻,礫石被細(xì)粒料緊密包裹,礫石棱角分明,未見明顯的顆粒破碎現(xiàn)象,表明壓實效果良好。
圖5 壓實土體切面照片
針對振動平碾和振動凸塊碾兩種不同碾壓方式對土料壓實度的影響,現(xiàn)場開展了對比試驗研究。采用重新配制的符合設(shè)計要求的土料,鋪厚分別為25 cm、30 cm、35 cm,在平碾靜碾2 遍后,分別采用平碾振動碾壓和凸塊碾振動碾壓8 遍、10 遍、12遍,測量不同碾壓方式下土料的壓實度,試驗結(jié)果見表4,不同碾壓方式下鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與干密度、壓實度的關(guān)系見圖6、圖7。
圖6 不同碾壓方式下鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系
圖7 不同碾壓方式下鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與壓實度關(guān)系
表4 不同碾壓方式壓實效果對比
從試驗結(jié)果可見,相同鋪土厚度、相同碾壓遍數(shù)條件下,采用振動平碾所得到的干密度和壓實度總是高于振動凸塊碾。鋪土厚度為25 cm,碾壓8 遍、10 遍、12遍,振動平碾干密度比凸塊碾平均高0.100 g/cm3,壓實度平均高4.5%;鋪土厚度為30 cm,碾壓8 遍、10 遍、12遍,振動平碾干密度比凸塊碾平均高0.047 g/cm3,壓實度平均高2.1%;鋪土厚度為35 cm,碾壓8 遍、10 遍、12遍,振動平碾干密度比凸塊碾平均高0.023 g/cm3,壓實度平均高1.0%。羅文廣[15]曾開展過平碾與凸塊碾碾壓試驗對比研究,結(jié)論為:對于鋪土厚度為30~40 cm 的土料,分別采用自重同為26 t 的平碾與凸塊碾碾壓8 遍后,平碾比凸塊碾的壓實度高2%~3%,與本文結(jié)論基本相符。
采用振動平碾壓實,鋪土厚度越薄,干密度和壓實度越大。而采用振動凸塊碾壓實,當(dāng)鋪料厚度較薄時反而不容易壓實,因此鋪料厚度越薄,平碾和凸塊碾干密度和壓實度差值越大。采用振動平碾壓實,碾壓遍數(shù)越多,干密度和壓實度越大,而采用振動凸塊碾壓,鋪料厚度較薄時,碾壓遍數(shù)越多,干密度和壓實度反而越小。凸塊碾自帶的凸塊高度約10 cm 左右,工作時是靠振動及凸塊的強(qiáng)制擠壓作用使土料壓實,而當(dāng)土料攤鋪厚度較薄時,凸塊對土料內(nèi)部的擾動效果甚于壓實作用,因此會出現(xiàn)碾壓遍數(shù)越多、壓實效果反而越差的現(xiàn)象,特別是本工程中黏粒含量較低、塑性較差的防滲土料尤其明顯。
(1)參數(shù)選擇碾壓試驗結(jié)果表明,碾壓遍數(shù)相同情況下,土料鋪填厚度為35 cm 時可以取得較好的壓實效果;當(dāng)鋪土厚度為35 cm時,26 t 振動碾碾壓8 遍即可達(dá)到設(shè)計壓實度要求。綜合考慮土料壓實度設(shè)計指標(biāo)與碾壓施工的可靠性及經(jīng)濟(jì)性,建議本工程防滲土料的碾壓參數(shù)為:鋪土厚度為30~35 cm、碾壓設(shè)備為26 t 自行式振動碾壓機(jī)、碾壓遍數(shù)為10 遍。
(2)變含水率碾壓試驗結(jié)果表明,碾壓前土料的含水率在wop+1%以上時,土料不能被碾壓到98%的設(shè)計壓實度。由于本工程土料具有失水較快的特點(diǎn),含水率宜控制在最優(yōu)含水率的濕側(cè)而非干側(cè),因此至少應(yīng)保證碾壓時土料的含水率為最優(yōu)含水率,考慮到運(yùn)輸及攤鋪階段含水率損失為0.7%,本工程防滲土料成品料含水率宜控制在wop+0.7%~wop+1.7%,以滿足碾前含水率不超過wop+1%的要求。實際施工中還應(yīng)根據(jù)料場、壩址相應(yīng)的時間、空間、氣候條件,對土料的含水率進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。
(3)碾壓方式對比試驗表明,相同條件下,振動平碾碾壓所獲得的的壓實度要高于振動凸塊碾。但出于施工工藝、施工成本等因素考慮,多數(shù)工程在實際施工中仍然采用振動凸塊碾進(jìn)行防滲土料的碾壓。