羅賽雷斯大壩加高工程“臟砂”質(zhì)量控制

楊玉才

(中國水利水電第七工程局有限公司 海外事業(yè)部,四川成都 611730)

1 工程概述

羅賽雷斯(Roseires)大壩靠近蘇丹共和國青尼羅省省會達(dá)瑪津(DAMAZIN)城,位于尼羅河支流青尼羅河上,距首都喀土穆約 500km,具有灌溉、發(fā)電等多種功能。電站裝機(jī) 7臺,總裝機(jī)容量280MW。羅賽雷斯大壩始建于 20世紀(jì) 60年代,加高后的土石壩總長約 24.1km,其中右岸土石壩長 8.6km,左岸土石壩長 15.5km,土石方工程量約 1700萬 m3。

羅賽雷斯壩所處地區(qū)屬季節(jié)性氣候,夏季(6～9月)潮濕多雨,其它月份基本無雨。

2 臟砂的質(zhì)量要求

臟砂(DirtySand)按美國土壤統(tǒng)一分類體系(USCS)屬粘土砂或粉土砂,組名為 SC或 SM。按填筑部位的不同又分為兩種:一種稱 3區(qū)料,填筑于下游與基礎(chǔ)接觸部位薄層,以增加與基礎(chǔ)的摩擦力和提高抗剪及抗滑穩(wěn)定性,另一個部位臨近下游坡面,主要起配重作用;另一種稱 3.1區(qū)料,填筑在煙囪排水體上的壩頂部位,以減小壩體干縮裂縫。

臟砂的粒徑級配范圍:3區(qū)料最大粒徑為37.5mm,粒徑 ＜0.075mm的顆粒含量在 12%～50%之間;3.1區(qū)料最大粒徑為 19mm,粒徑 ＜0.075mm的顆粒含量在 19%～40%之間。

作為壩料,羅賽雷斯大壩加高工程的規(guī)范要求有機(jī)質(zhì)和可溶鹽含量均應(yīng)小于 1%。臟砂的現(xiàn)場填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為:現(xiàn)場壓實后密度均值不小于標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實最大干密度的 98%,單值不小于標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實最大干密度的 95%;含水在標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實最優(yōu)含水 -1%和最優(yōu)含水 +3%之間。

3 影響臟砂質(zhì)量控制的因素

(1)土料料場分布不均。

從業(yè)主移交的幾個料場的勘探資料看,各個料場都有數(shù)量不等的臟砂,但空間分布極不均勻,有的料場(如ⅣB和Ⅴ號)地勢起伏較大。各個料場的臟砂基本上都在粘土層下,粘土層的厚度不一,淺的不到 1.0m,深的則達(dá) 4.0～5.0m。粘土與臟砂的分界不明顯,憑肉眼很難判定。臟砂層同樣亦厚薄不一,薄的不到 1.0m,厚的為 3.0～4.0m,而且粗細(xì)不均,粒徑 ＜0.075mm的細(xì)粒含量(以下簡稱細(xì)粒含量)空間分布也不均勻。這就給開采帶來了難題,很難開采出均一的土料,因而不能采用統(tǒng)一的填筑標(biāo)準(zhǔn)。

(2)含水量調(diào)節(jié)不到位。

由于羅賽雷斯大壩壩址處為季節(jié)性氣候,降雨量集中在 6月到 9月,其中 6月、9月多年月平均降雨量約 120mm,7、8月多年平均月降雨量約180mm。受其影響,雨季末期臟砂含水量接近最優(yōu)含水量;但在旱季后期,臟砂的含水量低很多。由于臟砂的細(xì)粒含量沿深度分布不均,含水量沿深度分布也不均勻,導(dǎo)致細(xì)粒含量高的臟砂含水量高,反之則低。因此,要將上壩土料碾壓后的含水量控制在最優(yōu)含水的 -1%和 +3%間非常困難。

(3)土料開采方式不當(dāng)。

土料的開采通常為平采和立采兩種:平采采用推土機(jī)水平集料,裝載機(jī)或挖掘機(jī)裝料;立采采用挖掘機(jī)立面開挖,可直接裝料或適當(dāng)拌合后再裝料。由于該工程臟砂沿深度方向分布不均,采用平采方式很難使運(yùn)至同一填筑面的土料均勻,因此采用立采的開采方式。但立采同樣面臨水平分布不均、厚度不一的情況。

4 臟砂質(zhì)量控制措施

4.1 料場控制

針對料場起伏大、土料分布不均勻的情況,把料場采用劃分為小區(qū)域,筑畦灌水進(jìn)行含水量調(diào)節(jié)。灌水前,在灌水區(qū)開挖探坑,檢查臟砂層厚并取樣檢測天然含水、細(xì)粒含量并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實試驗等,確定臟砂的最大干密度和最優(yōu)含水。考慮到裝車、運(yùn)輸過程中的蒸發(fā)損失,筑畦灌水量比現(xiàn)場填筑要求含水量高 2%～3%。上壩前用微波爐快速檢測含水,對于含水量比填筑要求含水量高 4%以上的土料暫不使用;對于含水量比填筑要求含水量高 2%～4%的土料先裝車上壩攤鋪,曬 3～4h后再碾壓;對于含水量比填筑要求含水量低的土料,在開挖過程中用高壓噴霧狀水摻拌后再裝車上壩。

4.2 現(xiàn)場控制

現(xiàn)場按碾壓試驗確定的碾壓方式碾壓后,用環(huán)刀法取樣檢測其密度和含水量。為了加速試驗進(jìn)度,采用微波爐快速測定含水量,計算壓實后的干密度,并與料場對應(yīng)灌水區(qū)域的微波爐法測定的最大干密度和最優(yōu)含水量進(jìn)行比較,計算壓實度和含水率是否滿足合同規(guī)范要求。對于密度或含水量檢測不合格的工作面,首先手感判斷含水是否合適:對手捏成團(tuán)、搓揉成散粒的土料說明其含水是適中的;不能捏成團(tuán)的說明含水偏低;捏成團(tuán)后搓揉不散的則含水偏高。對密度或含水檢測不合格的工作面的處理方法通常有:

(1)密度低,補(bǔ)充碾壓;

(2)含水低,用帶齒的推土機(jī)或平地機(jī)深翻松,灑水,然后碾壓;

(3)含水高,用帶齒的推土機(jī)或平地機(jī)深翻曬,然后碾壓。

5 壓實標(biāo)準(zhǔn)引用不當(dāng)?shù)目焖俳鉀Q辦法

對采取以上措施進(jìn)行碾壓但仍不合格的工作面就要考慮是否是引用的擊實標(biāo)準(zhǔn)不當(dāng),或土料發(fā)生變化所致。如前所述,羅賽雷斯大壩加高工程的土料場空間分布不均,盡管劃分了很小區(qū)域,但開采時為了便于下層土料處理,盡量開挖至同一高程,加之摻拌也不能保證其絕對均勻,從而導(dǎo)致與灌水前開挖探坑的土料存在差異,因此,最優(yōu)含水和最大干密度也必然不同。對這類情況通常采用的快速解決辦法是單點(diǎn)擊實,但這種方法在夜間和陰雨天受到限制。在統(tǒng)計分析大量篩分與擊實試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)擊實最大干密度、最優(yōu)含水與顆粒粒徑分布存在線性關(guān)系,為快速解決土料的壓實標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)了另一途徑,姑且稱之為數(shù)學(xué)模型法。筆者對這兩種方法逐一介紹并著重介紹數(shù)學(xué)模型法。

5.1 單點(diǎn)擊實法

單點(diǎn)擊實是在已有大量擊實結(jié)果的基礎(chǔ)上的簡化方法。取不合格點(diǎn)附近的土樣 5kg左右,分成兩份,一份風(fēng)干或曬干至估計最優(yōu)含水低 2%～3%,另一份低 4%～5%。然后按標(biāo)準(zhǔn)擊實程序進(jìn)行擊實,用微波爐快速檢測含水,計算對應(yīng)的干密度。把這兩個干密度與含水值點(diǎn)到擊實曲線匯總圖上,以已有的擊實曲線為參照,繪制單點(diǎn)擊實曲線,從而得出最大干密度和最優(yōu)含水值,如圖1中的黑點(diǎn)和粗線所示。

5.2 數(shù)學(xué)模型法

5.2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

在試驗中我們發(fā)現(xiàn)擊實最大干密度和最優(yōu)含水與土料的粒徑級配有一定的關(guān)系:通常體現(xiàn)為細(xì)粒含量多,擊實的最大干密度小,最優(yōu)含水率高;細(xì)粒含量少則最大干密度大,最優(yōu)含水率低。因此,我們把料場和填筑現(xiàn)場土料的擊實和篩分試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計回歸分析,發(fā)現(xiàn)它們之間存在線性關(guān)系,建立的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型如下:式中 Y是最大干密度或最優(yōu)含水;X1、X2、…、Xm是某個篩徑間的土顆粒質(zhì)量百分含量,如土樣總質(zhì)量為 200g,過 1.18mm篩,留在 0.3mm篩上的土粒質(zhì)量為 40g,則 X=20%;ε為誤差。

在篩分試驗中,我們使用的是英國標(biāo)準(zhǔn)的方孔篩,篩孔尺寸為 5mm、3.35mm、2mm、1.18 mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和 0.075mm。為了在現(xiàn)場進(jìn)行質(zhì)量控制,在回歸分析過程中多次剔除、引入或變換因子,最后得出的多元回歸方程如下:

ρdmax=2.1069-0.0018P1.18～0.3mm-0.0030 P0.3～0.075mm-0.0070P＜0.075mm(2)

圖 1 單點(diǎn)擊實示例

ωOP=3.5456+0.0544P1.18～0.3mm+0.0864 P0.3～0.075mm+0.2391P＜0.075mm(3)式中 ρdmax為普氏標(biāo)準(zhǔn)擊實的最大干密度;ωOP為普氏標(biāo)準(zhǔn)擊實的最優(yōu)含水率;P1.18～0.3mm、P0.3～0.075mm、P＜0.075mm分別為 1.18～0.3mm、0.3～0.075mm和 ＜0.075mm粒徑土顆粒的質(zhì)量百分含量。

分別對以上回歸方程和回歸系數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行顯著性檢驗,檢驗結(jié)果見表 1。

從表 1可以看出,回歸方程和回歸系數(shù)的相關(guān)性都是顯著的,說明采用以上對應(yīng)方程是可行的。

表 1 回歸方程和回歸系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果表

5.2.2 數(shù)學(xué)模型的物理意義

從式(2)和式(3)的系數(shù)我們可以看出它們的物理意義:式(2)說明要達(dá)到土料的最大干密度,需要克服細(xì)顆粒間的阻力;土料越細(xì),需要克服的粒間阻力越大。換句話講,在相同擊實功下,土料越細(xì),最大干密度就越小;式(3)說明是土料達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)擊實功下的最大干密度,需要增加土料的含水量,土顆粒越細(xì),需要增加越多的水分來減小粒間阻力。從回歸系數(shù)相關(guān)的顯著性差別也可以看出這一點(diǎn)。當(dāng)然,這并不說明其它粒徑的土顆粒對土料標(biāo)準(zhǔn)擊實的最大干密度不產(chǎn)生影響,只是說明它們的影響非常小。為便于工程中運(yùn)用,對其忽略不計。

5.2.3 數(shù)學(xué)模型檢驗

數(shù)學(xué)模型建立起來后,在現(xiàn)場檢測中進(jìn)行檢驗。一方面用常規(guī)試驗進(jìn)行檢驗,由于該工程中常規(guī)試驗頻率非常高,每填筑 1000m3土料就要進(jìn)行 1次標(biāo)準(zhǔn)擊實和篩分等,這對檢驗?zāi)Ｐ偷氖欠襁m用比較便利。另一方面,對判斷為擊實引用標(biāo)準(zhǔn)不當(dāng)?shù)馁|(zhì)量問題,從環(huán)刀內(nèi)四分后取土樣200g左右,用微波爐快速烘干,稱重后進(jìn)行濕篩,篩子孔徑采用 1.18mm、0.3mm和 0.075mm,然后對留在篩上的土樣再用微波爐烘干稱重,計算留在 0.3mm和 0.075mm篩上和通過 0.075mm篩各自的質(zhì)量百分比,最后按數(shù)學(xué)模型計算最大干密度和最優(yōu)含水率。整個流程用時在半小時左右,相當(dāng)快捷,而且效果不錯。

采用數(shù)學(xué)模型法與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實結(jié)果進(jìn)行比較后可以看出,數(shù)學(xué)模型法模擬值與實測值的差值的概率滿足正態(tài)分布。對于最大干密度,室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實最大干密度在 1.65～1.99g/cm3間,模擬值與實測結(jié)果差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為 0.05g/cm3,約為干密度的 5%,相對較好;對于最優(yōu)含水,室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實最優(yōu)含水在 9.2%～21.4%間,模擬值與實測結(jié)果差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為 1.7%,相對較差。

5.2.4 數(shù)學(xué)模型的適用范圍

由于數(shù)學(xué)模型是建立在粒徑 ＜0.075mm、細(xì)粒含量在 12%～50%間的土樣標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗和篩分試驗結(jié)果之上的,所以,對于土樣粒徑 ＜0.075mm的細(xì)粒含量不在此范圍內(nèi)的不一定適用。羅賽雷斯大壩加高工程中的土料相對較細(xì),粒徑 ＞5mm的粗顆粒不多,最大干密度和最優(yōu)含水沒有進(jìn)行超徑修正,因此,對含超徑較多的土樣須進(jìn)一步驗證。另外,取樣的代表性相當(dāng)關(guān)鍵,建議采用現(xiàn)場檢測密度環(huán)刀內(nèi)的土樣四分后進(jìn)行濕篩法篩分,使之更接近真實值。

6 結(jié) 語

綜上所述,羅賽雷斯大壩加高工程中,針對粘土砂或粉土砂填筑的質(zhì)量控制有以下幾點(diǎn)值得注意:料場控制是關(guān)鍵。只有在料場把土料的含水和均勻性控制好,現(xiàn)場填筑與檢測才能順利進(jìn)行;現(xiàn)場控制經(jīng)驗非常重要,有經(jīng)驗才能在質(zhì)量控制過程中快速找到癥結(jié)所在,從而有針對性地解決問題;數(shù)學(xué)模型法為修正壓實引用標(biāo)準(zhǔn)提供了另一條捷徑。

[1] 李鴻吉.VisualBasic6.0數(shù)理統(tǒng)計實用算法[M].北京,科學(xué)出版社,2003.