土石坝无粘性粗粒料填筑标准和质量评价探讨

1、.土石坝无粘性粗粒料填筑标准和质量评价探讨第25卷第4期2006年8月四川7k力发电SiehuanWaterPowerVo1.25,No.4Aug.,2006土石坝无粘性粗粒料填筑标准和质量评价探讨孙陶,高希章(四川省水利水电勘测设计研究院,四川成都610072)摘要:土石坝无粘性粗粒料填筑标准往往根据经验确定,而施工质量主要是通过碾压参数控制,理论依据不足.最大干密度和已建工程实践证明表面振动器法最大干密度与实际填筑干密度基本相等,可以直接指导设计和施工,据此提出了设计和施工控制标准;从砂砾石料,堆石料等无粘性粗粒料的特性探讨了填筑标准的适用范围.利用干密度与<5mm粒径含量关

2、系和填筑干密度,可以准确及时地对照填筑标准作出填筑质量评价结果.关键词:表面振动器法;无粘性粗粒料;填筑标准;最大干密度中图分类号:TV431;Tv4l文献标识码:B文章编号:1001-2184(2006)044)018434砂砾石料,堆石料等无粘性粗粒料压实效果是心墙土石坝和面板堆石坝设计,施工与运行管理的关键,压实效果是用所测得的干密度反映,而干密度是设计和施工质量控制的主要指标.无论是天然砂砾石料,还是爆破堆石料往往是不均匀的.在相同压实条件下干密度指标相差较大.采用某一固定干密度作为设计和施工质量控制标准,必然会出现有的压实干密度值达到或超过控制指标但压实标准偏低或偏松,而有的压实干密

3、度值未达到控制指标,压实结果却是紧密的,这样就形成了由于紧密程度的不同而使坝体容易发生不均匀变形进而危及坝体安全.无疑,用单一干密度作为设计和施工质量控制标准是一个误区.因此,进行土石坝无粘性粗粒料压实和填筑标准研究具有实际意义.1关于规范tits规定的填筑标准对于砂砾石料,堆石料等无粘性粗粒料的填筑标准,我国土石坝设计规范u中规定:砂砾石料的填筑标准是以相对密度为设计控制指标,其相对密度不低于0.75,反滤过渡料宜为0.70;堆石的填筑标准宜用孔隙率为设计控制指标,土质防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝的堆石料孔隙率宜为20%28%,沥青混凝土面板堆石坝的孔隙率宜在混凝土面板堆石坝和土质防渗体分

4、区坝的孔隙率之间选择.根据面板堆石坝设计规范坝料填筑标准在表1范围内根据经验初步确定,设计应同时规定孔隙率(或相对密度),坝料收稿日期:2006-06-2318级配范围和碾压参数,设计干密度可用孔隙率和岩石密度换算,设计干密度应不小于用设计孔隙率(或相对密度)换算的干密度值,其标准差应不大于0.1g/cm.表1坝料填筑标准表土石坝和面板堆石坝设计规范规定填筑标准的特点:(1)用标准差等统计的质量管理方法;(2)由于岩块内部存在封闭空隙,空隙被视为颗粒的一部分,封闭空隙多时岩石密度较小,因而其干密度较小,但换算孔隙率不高,按孔隙率控制较为符合堆石料的物理状态;(3)同时规定孑L隙率(或相对密度)

5、和碾压参数实现"双"控制较为现实;(4)不同材料采用不同的控制标准,如粘性土,砂砾石和堆石料分别采用压实度,相对密度和孔隙率.但砂砾石料和堆石料等无粘性粗粒料往往是不均匀的,孔隙率和相对密度用单一的值难以控制施工质量.碾压试验只能应用于工程施工阶段,而在工程可行性研究,初步设计和招投标阶段没有碾压试验条件时确定碾压参数不现实.表1中孔隙率的取值范围非常大,实际应用时不易掌握,因此,确定填筑标准现实的方法是基于室内最大最小干密度.笔者结合工程实践,对室内试验方法,填筑标准和填筑质量评价进行了讨论.2表面振动器法和振动台法最大干密度是对应其试验条件的相对值,因此称其为最大指标干

6、密度更为准确.堆石料等无粘性粗粒料室内最大干密度的测定方法主要有以下两种:(1)振动台法;(2)表面振动器法.美国,加拿大,日本等大多数国家采用振动台法;而英国,瑞典等国采用表面振动器法.我国水利水电土工试验规程基本沿用美国标准振动台法,表面振动器法的研究和应用处于起步阶段.它们的共同特点都是以振动力和静压力联合作用于土颗粒上,伴随有颗粒破碎,使大小颗粒相互充填和挤紧,密度增大.研究中的表面振动器法和振动台法的试验仪器基本参数见表2.表2相对密度试验仪器基本参数表表面振动器法中的振动器直接作用于试样上,其重量已包括在附加荷重中;而试样筒和试样的重量则作用于地面上,从而使得表面振动器法从原理上看

7、比振动台法更接近于现场振动碾压,操作更为简单,可以实现更大规模的大型试验.具体试验方法与土工试验规程粗颗粒料相对密度规定方法基本一致,区别在于:分三层装样,每层振动压实时间为8min.有资料表明,即使室内与现场的级配一致,采用现行试验规程振动台法测定的最大干密度,其室内测定值低于现场振动碾压实干密度.因此,需要对室内最大干密度试验方法作合理的研究改进,以保证室内试验确定填筑标准适应现代施工机具和技术从而可以直接指导设计和施工填筑.在相同材料相同级配下,对紫坪铺工程初步设计阶段的灰岩垫层料和堆石料,砂卵石过渡料进行了相对密度试验.由表3可知,对于灰岩垫层料,两种方法的最大干密度与小于5mm粒径含

8、量的变化规律基本一致,小于5mm粒径含量为35.0%时得到的最大干密度值最大;振动台法测定的最大干密度值小于表面振动器法测得的值.颗粒形状对振动台法测定值与表面振动器法测得值的比值有较大影响,但颗粒形状类似的材料之比基本为常数,棱角状,磨圆度差的灰岩垫层料和堆石料基本为0.92,浑圆状,磨圆度好的砂卵石为0.95.表3振动台法和表面振动器法测试值对比表注:表中l为振动台法最大干密度;PaII2为表面振动器法最大干密度.3基于表面振动器法的控制干密度和实际填筑干密度表4列出了已建成的六个工程的坝料表面振动器法最大干密度与实际填筑干密度检测统计资料.表面振动器法所确定的最大干密度平均值与实际填筑干

9、密度检测平均值之差:一0.040.10g/cm,其中差值范围在一0.040.05g/cm的占90.0%.实践证明:表面振动器法所确定的最大干密度与实际填筑密度基本相等,可以直接用于指导施工填筑.基于表面振动器法最大干密度作为施工填筑平均干密度,将乘以0.960.98的压实度作为设计控制干密度,并作为施工填筑控制干密度下限实用且简单,也符合施工规范¨的有关要求.4填筑标准的讨论由于筑坝材料的不均匀性,土石坝或面板堆石坝设计规范以相对密度,孔隙率和压实度等作为填筑标准,其中砂砾石料采用相对密度,堆石料采用孔隙率,粘性土采用压实度,而一般不采用某一固定的干密度.实际上,相对密度,孔隙率和压

10、实度都是与最大最小干密度或填筑密度有关的无量纲值,都从不同的侧面反映压实后的紧密程度,它们由以下的公式表达:Dr:(1)P,tC,p,t一P,tiD:旦(2)pdma凡=(3一)凡'J19表4已建六工程坝料检测统计资料和设计填筑标准表注:表中为检测级配下室内最大干密度平均值;为实际填筑检测平均值;为控制干密度;D,为相对密度;n为孔隙率;D为压实度.式中D,为相对密度(无量纲);D为压实度(无量纲);p,P.,P分别为最大,最小和填筑干密度(单位为g/cm);rl,为孔隙率(%);e为孔隙比.式(3)中的:一1,其中Pd为岩石密度;p为水密度(单位为g/cm);p为填筑密度(单位为g/

11、cm);为含水率(%).如果水密度为1g/cm,含水率为0,则e=一1,pd式(3)变为:一(4)测定无粘性粗粒料最小干密度的方法为松填法.对于浑圆状,磨圆度好的砂砾石料颗粒形状较规整,相互间为单一的点对点方式接触,因此,测试结果较稳定;而棱角状甚至片状的堆石料颗粒形状不规则且具有方向性,相互接触有点,线,面等多种方式,容易出现搭接架空现象,因而测试结果稳定性差.最大干密度的测定方法为机械振动压实法,砂砾石料测试结果较稳定是毫无疑问的.对于堆石料在振动力作用下接触部位的棱角因应力集中而被破坏,部分颗粒破碎细化粗细充填关系得到改善而使测试结果较稳定.根据式20(1),(2)可知,相对密度与最大最

12、小干密度有关,而压实度仅与最大干密度有关,所以,压实度可作为砂砾石料和堆石料的填筑标准,而相对密度不宜作为堆石料的填筑标准,但可作为砂砾石料的填筑标准.砂砾石料采用相对密度或压实度,堆石料采用压实度作为填筑标准的好处在于:尽管筑坝料不均匀,压实后测得的干密度值不同,但达到相同相对密度或压实度时紧密程度是相同的.填筑干密度P与岩性,级配等因素密切相关,岩石密度是与级配无关的材料所固有性质,根据式(4),筑坝料岩性相同但级配不均匀,则孔隙率随压实后测得的干密度值变化而变化.因此,达到相同孔隙率时紧密程度不一定是相同的.利用孔隙率难以用来评价坝料的填筑质量,而且作为填筑标准多以经验取值,取值范围较大

13、,在实际应用时不易掌握.表4所列出的已建六工程的几种填筑标准证明了上面的论述.综上所述,类似粘性土,砂卵石料,堆石料等无粘性粗粒料可统一采用压实度作为填筑标准,可根据坝的级别,高度,坝型和坝的不同部位选取压实度,其值一般在0.960.98范围内选取.另外,砂砾石料还可以采用相对密度作为填筑标准.5填筑质量评价方法对于某一工程而言,砂卵石料,堆石料等无粘性粗粒料的填筑标准无论是相对密度D,还是压实度D都为某一常数,但填筑料的最大,最小干密度或填筑干密度值则随岩性,级配,施工参数等变化而变化,因此,在每测得一组现场填筑干密度后,又要通过试验测定反映该种填筑料压实特性的最大,最小干密度或最大干密度,

14、再根据式(1),(2)获得实际填筑的相对密度D,和压实度D,并与相应设定的填筑标准进行比较,才能对填筑质量作出正确的评价,这样就会出现试验工作量增大,时间和质量难以保证的矛盾,但可以采用以下途径解决这一矛盾.P,i一与<5rlllTl粒径含量(或P与<5rlllTl粒径含量)呈较好的曲线关系.实践证明:表面振动器法试验测得的最大干密度可以用以指导设计和施工.因此,根据填筑料料场勘察资料预先分析确定反映实际情况的代表性级配,利用表面振动器法测定这些代表性级配下的P,i一或P,Pamir,值,绘制Pd一与<5rlllTl粒径含量和Pd与<5m

15、m粒径含量曲线关系图.在测定现场填筑干密度的同时,测出相应的<5nlln粒径含量(或级配),利用上述曲线关系图查得P一值,按式(1)或(2)计算出实际填筑的相对密度D,和压实度D,即可进行填筑质量评价.例1.四川洪雅高风山水电站副坝为砂砾石面板堆石坝,检测资料表明砂砾石填筑料小于5rlllTl粒径含量为16.4%22.2%,要求相对密度D不低于0.75,压实度D不低于0.96.勘测中,小于5mm粒径含量为4.4%一21.O%.图1为勘测阶段采用表面振动器法和松填法确定的最大,最小干密度与<5mm粒径含量关系曲线.砂砾石填筑料查图1和试验检测得到的最大最小干密度,算出

16、的相对密度D,和压实度D见表5,可见,小于5rlllTl粒径含量相同.在砂砾石料性质一致的基础上查图法能准确及时地作出填筑质量评价结果.2.4诲2.2W-'j一/'.,一一?l量大干啬度II量小干啬度l/'一一一一t表5高凤山水电站副坝砂砾石料特性表<5mm粒径填筑干密度Pd含量/%/g?cm一'查图1试验检测兰:!g.min一,D,D/一,/一,D,Dl7.321.9l8.216.419.6仍I2.2.342.402.000.870.982.352.442.030.810.962.442.342.412.Ol0.850.972.432.322.3

17、92.000.850.972.38:!:兰22.020.890.982.411.972.Ol2.o01.982.04莉O.86O.8lO.82O.870.9l0.970.960.960.97O.98填筑灰岩主堆石料和下游堆石料小于5rlllTl粒径含量为5.O%14.6%,灰岩垫层料小于5mill粒径含量为32.1%38.7%;勘测设计阶段要求堆石料小于5inlTl粒径含量为5%15%,垫层料小于5rlllTl粒径含量为30%50%,压实度不低于0.97.图2为勘测阶段采用表面振动器法和松填法确定的最大最小干密度与<5rlllTl粒径含量关系曲线.由表6查图得到的最大干密度为2.

18、172.38g/cm和相应的压实度为0.971.02.试验检测的最大干密度为2.162.38g/cm和相应压实度为0.971.04.在堆石料性质一致的基础上查图法能较准确及时地作出填筑质量评价结果.(下转第26页)21图1引水发电洞进121边坡处理纵剖面图监测和分析,对可能出现的各种问题及时进行处理,才能确保边坡的长期安全性.作者简介扬志宏(1969.),男,四川蓬溪人,副总工程师兼紫坪铺工程副设总,高级工程师,学士,从事水利水电工程设计工作,(责任编辑:李燕辉)(上接第2l页)Il/_一'/.-6结语(1)表面振动器法砂卵石或堆石料密度试验研究分三层装样,每层振动压实时间为8min.表面振动器法与振动台法比较而言,前者可以获得较大的室内最大干密度.(2)已建工程表面振动器法所确定的最大干密度与实际填筑检测密度基本相等,可以直接用于指导设计和施工填筑.