某特高土石壩防滲礫石土料含水率特性及現(xiàn)場(chǎng)改良試驗(yàn)研究

鄭 星，張建博，魏偉瓊，楊文超，毛 華，段興林

(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省巖土力學(xué)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550081；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

某水電站工程位于高海拔、高寒地區(qū)，攔河大壩樞紐為300 m級(jí)特高土質(zhì)心墻堆石壩。建設(shè)世界級(jí)高土石壩，防滲心墻對(duì)防滲土料的要求很高，除應(yīng)滿足防滲性能外，還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能，使心墻與壩殼堆石體的變形相協(xié)調(diào)，改善心墻的應(yīng)力和變形。世界上已建和在建的200 m以上高土石壩，防滲體基本上都采用礫石土等寬級(jí)配土料。礫石土在自然界廣泛分布，壓實(shí)后具有密度大、抗剪強(qiáng)度高、變形模量大、防滲性能好等工程特性[1-5]。以冰磧土、風(fēng)化石料、沖洪積、殘坡積礫石土等為代表的寬級(jí)配礫質(zhì)土，拓寬了高土石壩防滲土料的選擇范圍，克服了純黏土料作為高壩防滲料的前述局限，使土石壩可以更好地發(fā)揮“就地取材”的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步促進(jìn)了高土石壩的發(fā)展[4]。

然而，對(duì)于高土石壩來(lái)講，由于土料用量大、要求高，天然礫石土料往往難以全面達(dá)到使用要求，工程實(shí)踐中往往需要采取措施進(jìn)行改性處理后才予以使用[4]。天然礫石土料存在的缺陷一般來(lái)自兩個(gè)方面：級(jí)配和含水率。礫石土料的級(jí)配和含水率決定了土料填筑后的密實(shí)度，進(jìn)一步?jīng)Q定了防滲心墻的強(qiáng)度及滲透性能，是決定其作為防滲材料能否支撐特高土石壩建設(shè)的重要指標(biāo)。因此，對(duì)天然礫石土料的改良基本包括兩個(gè)方面：其一為土料級(jí)配改良，其二為土料含水率改良。礫石土料的含水率對(duì)于其壓實(shí)特性至關(guān)重要。當(dāng)填筑含水率過低，防滲體浸水后容易產(chǎn)生較大附加沉陷，且碾壓時(shí)容易出現(xiàn)松土層，碾壓體空隙大，抗?jié)B性差；填筑含水率過高，碾壓時(shí)容易出現(xiàn)“彈簧土”，土不易被壓實(shí)，防滲性能較好，但強(qiáng)度過低[6-7]。因此，必須保證土料填筑時(shí)的含水率位于最優(yōu)含水率附近，以獲得最佳的壓實(shí)度。絕大多數(shù)情況下，天然狀態(tài)下的土料含水率不會(huì)恰好滿足設(shè)計(jì)要求，大多數(shù)工程都會(huì)對(duì)土料含水率進(jìn)行改良處理。一般來(lái)說(shuō)，土料的含水率不是偏高就是偏低。對(duì)于天然含水率偏高的情況，一般采取料場(chǎng)井點(diǎn)降水[8]、薄層通風(fēng)翻曬[8-13]、犁耙調(diào)整[8]、平面薄層開采[13-14]等方式，糯扎渡[12]、兩河口[11,15]、雙江口[16]等工程的特高土石壩還采用了摻礫措施，同時(shí)對(duì)土料級(jí)配和高含水率進(jìn)行改良。對(duì)于天然含水率偏低的情況，苗尾[9,17]采用了料場(chǎng)挖溝補(bǔ)水及攤鋪人工補(bǔ)水兩種方式提高土料含水率，一些工程采用了自卸車堆土牛、坡面人工補(bǔ)水、洛陽(yáng)鏟鉆孔人工灌水等方式對(duì)土料進(jìn)行補(bǔ)水[6,18-20]，糯扎渡[12]、兩河口[15,20-21]、雙江口[16]等工程在摻礫過程中向礫石表面預(yù)先補(bǔ)水，或者在土料含水率偏低時(shí)按比例分別向礫石和土料人工補(bǔ)水等措施調(diào)整含水率。

某水電站攔河大壩樞紐為300 m級(jí)特高土石壩，防滲土料主要來(lái)源于第四系沖洪積、坡積寬級(jí)配碎石土，天然狀態(tài)土料具有級(jí)配偏粗、含水率偏低的缺陷，即便經(jīng)過級(jí)配改良工藝處理，獲得的成品土料含水率仍然不滿足設(shè)計(jì)要求。為此，在防滲料場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開展了大規(guī)模含水率改良試驗(yàn)研究，對(duì)天然狀態(tài)土料、成品土料含水率進(jìn)行分析，探究了土料的含水變化特性，系統(tǒng)開展了土料自動(dòng)化加水、堆存悶制等試驗(yàn)研究，通過對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)該工程防滲土料含水率改良工藝進(jìn)行了客觀評(píng)價(jià)，所取得的成果對(duì)該300 m級(jí)土石壩后續(xù)施工具有指導(dǎo)意義。

1 防滲土料含水率特性

1.1 天然土料含水率特性

在勘察階段，對(duì)某工程防滲土料長(zhǎng)開展了大口徑鉆孔取樣，共計(jì)獲得含水率試驗(yàn)樣品403組(按實(shí)際試驗(yàn)組數(shù)統(tǒng)計(jì))。天然原級(jí)配403組含水率試驗(yàn)結(jié)果顯示，土料的天然含水率范圍在1.1%～8.7%，平均值為3.7%，天然含水率的概率分布統(tǒng)計(jì)見表1。天然原級(jí)配土料偏粗，最大粒徑達(dá)到500 mm以上，含水率的計(jì)算采用了加權(quán)平均算法，即將天然土料各粒組顆粒的含水率與該粒組所占百分比相乘計(jì)算總體含水率，60 mm以上粗顆粒的含水率按0%考慮。從結(jié)果可見，原級(jí)配土料的含水率大多集中在2%～4%之間，占60%以上；其次集中在4%～6%之間，占30%左右。本工程防滲土料的最優(yōu)含水率在6%～7%之間，因此天然狀態(tài)下土料的含水率偏低，加上土料級(jí)配偏粗，不滿足特高土石壩防滲材料設(shè)計(jì)要求。

大孔徑取樣的最大深度達(dá)到40 m。從圖1可見，天然狀態(tài)下土料的含水率與取樣深度相關(guān)性不大，整個(gè)料場(chǎng)土料含水率分布在深度上相對(duì)均一。

表1 原級(jí)配土料天然含水率分布統(tǒng)計(jì)

圖1 天然含水率隨深度分布關(guān)系

1.2 級(jí)配改良土料含水率特性

由于本工程防滲土料存在級(jí)配偏粗的缺陷，現(xiàn)場(chǎng)采用了剔除超徑顆粒的級(jí)配改良工藝進(jìn)行處理，即將原級(jí)配土料中60 mm以上顆粒進(jìn)行剔除，經(jīng)過處理后獲得的60 mm以下粒徑土料，其級(jí)配滿足特高土石壩的設(shè)計(jì)要求。本次試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)獲得的60 mm以下土料進(jìn)行了282組含水率試驗(yàn)(按實(shí)際試驗(yàn)組數(shù)統(tǒng)計(jì))，級(jí)配改良后含水率概率分布統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 級(jí)配改良后土料含水率分布統(tǒng)計(jì)

經(jīng)過級(jí)配改良工藝處理，<60 mm土料含水率范圍在2.8%～9.3%，平均值為5.6%，平均值較天然含水率提高了1.9%。處理后的土料含水率主要集中在4%～6%之間，占57.1%，其次在6%～8%之間,占30.5%。由于本工程所用<60 mm土料的最優(yōu)含水率集中在6.3%～7.0%之間，相較而言經(jīng)級(jí)配改良后獲得的<60 mm土料含水率整體仍然偏低，不滿足特高土石壩土料設(shè)計(jì)要求，因此必須對(duì)土料進(jìn)行含水率改良。

2 土料含水率變化規(guī)律

2.1 料場(chǎng)天氣數(shù)據(jù)

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)每天對(duì)料場(chǎng)的天氣情況進(jìn)行了記錄。在圖2中給出了10月26日、27日、28日三天的天氣情況，在這段時(shí)間內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)<60 mm土料的含水率變化規(guī)律進(jìn)行了探究性試驗(yàn)。從圖2可見，由于料場(chǎng)位于高海拔、高寒地區(qū)，10月份每日溫差及相對(duì)濕度差均較大，晚間和日間溫差在25℃左右。上午9∶00左右的相對(duì)濕度在70%～80%之間，日出之后相對(duì)濕度快速下降，至下午14∶00相對(duì)濕度只有20%左右，日間空氣相對(duì)比較干燥。由于早晚溫差大，相對(duì)濕度變化幅度大，空氣干燥，土料表現(xiàn)出含水率損失快、表面風(fēng)干迅速等特點(diǎn)。鑒于此，現(xiàn)場(chǎng)通過試驗(yàn)探究了土料在此天氣條件下的含水率變化規(guī)律。

圖2 料場(chǎng)短時(shí)天氣情況

2.2 曝露條件下含水率變化規(guī)律

原級(jí)配土料經(jīng)過級(jí)配改良工藝處理后，60 mm以上粗顆粒被剔除，60 mm以下成品土料進(jìn)行露天堆存。由于現(xiàn)場(chǎng)日照強(qiáng)、相對(duì)濕度低、空氣干燥，料堆表面水分損失較快?，F(xiàn)場(chǎng)在10月28日對(duì)成品料堆的表面失水情況進(jìn)行了觀察測(cè)量。現(xiàn)場(chǎng)將兩堆曝露48 h、表面已經(jīng)失水的料堆的表面鏟開，使其曝露出內(nèi)部未失水的、顏色對(duì)比鮮明的土料，然后開始計(jì)時(shí)，觀察新鮮土料表面在失水多長(zhǎng)時(shí)間之后表面顏色與周圍土料一致。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)量，新鮮土料表面在晴朗、有微風(fēng)、溫度為18℃、相對(duì)濕度為15%條件下，只需經(jīng)過17 min后即失水干燥變色與曝露48 h的土料表面無(wú)異，見圖3、圖4。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)分別曝露了24 h、48 h、72 h的料堆表面失水干燥影響深度進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)表層失水干燥土料和失水層下部土料取樣進(jìn)行含水率試驗(yàn)，測(cè)量及試驗(yàn)結(jié)果見表3。從測(cè)試結(jié)果可見，成品料堆在2.1小節(jié)中的天氣情況下，曝露24 h表面形成約1.0 cm～1.5 cm的失水干燥層，該層土料的含水率降低到1%以下，該失水層以下的土料則基本保持初始含水率；曝露48 h之后，失水干燥層的厚度略有增加，達(dá)到2 cm左右，2 cm以下的土料基本保持初始含水率。曝露72 h之后，料堆表面失水層的厚度增加到約2.5 cm，該深度以下的土料保持初始含水率?？梢姡鎏鞖鈼l件下，料堆曝露3 d將影響料堆表面3 cm深度范圍內(nèi)土料的含水率。

圖3 第1次料堆表面失水觀察試驗(yàn)

圖4 第2次料堆表面失水觀察試驗(yàn)

表3 成品料堆(<60 mm土料)在曝露條件下失水情況

2.3 曝露及覆蓋條件下含水率變化規(guī)律

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)60 mm以下成品土料進(jìn)行露天堆存，對(duì)有覆蓋及無(wú)覆蓋情況下，料堆的水分損失情況進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。選取了來(lái)自料場(chǎng)不同位置的兩堆<60 mm的成品料進(jìn)行2場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。首先分別將兩堆土料用裝載機(jī)拌和均勻，使其含水率分布均勻，再將其平均分為兩個(gè)小料堆，對(duì)其中一個(gè)料堆分別用防水篷布和彩條布進(jìn)行覆蓋，另一個(gè)料堆不進(jìn)行覆蓋，見圖5。分別在第1、3、5、7、9天對(duì)兩堆土料的表面、8 cm深度處、20 cm深度處取樣進(jìn)行含水率檢測(cè)。

試驗(yàn)時(shí)的天氣條件基本穩(wěn)定如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖6、圖7。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的外部條件下，同一深度處的土料，覆蓋條件下其含水率均高于曝露條件下的含水率。在第1場(chǎng)試驗(yàn)中，料堆采用防水篷布覆蓋(覆蓋效果較好)，覆蓋料堆8 cm和20 cm深度處的土料含水率在5 d之內(nèi)基本不變，5 d之后才逐漸降低。而曝露料堆的8 cm和20 cm深度處的土料含水率從雖然從一開始就逐漸降低，但5 d之內(nèi)曝露料堆與覆蓋料堆同深度的含水率基本接近，5 d之后曝露料堆相同深度含水率降低的幅度大于覆蓋料堆。在第2場(chǎng)試驗(yàn)中，料堆采用彩條布覆蓋(覆蓋效果較差)，覆蓋料堆和曝露料堆的相同深度處土料的含水率均從一開始就逐漸降低，但覆蓋料堆相同深度土料的含水率始終高于曝露料堆。在試驗(yàn)進(jìn)行5 d以后，兩場(chǎng)試驗(yàn)土料的天然含水率均呈現(xiàn)出“覆蓋20 cm處>覆蓋8 cm處>不覆蓋20 cm處>不覆蓋8 cm處>覆蓋表面>不覆蓋表面”的規(guī)律。

圖5 成品料曝露及覆蓋條件下含水率損失

圖6 第1次覆蓋/不覆蓋料堆天然含水率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

圖7 第2次覆蓋/不覆蓋料堆天然含水率對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

不管是否采取覆蓋措施，料堆表面(約2 cm深度)的含水率都降低很快。1 d以后覆蓋料堆表面含水率降低了78%以上，不覆蓋料堆表面含水率則降低了90%以上。9 d以后，在覆蓋良好的條件下(第1場(chǎng))，8 cm和20 cm深度處土料含水率分別降低了12.3%和17.5%，而不覆蓋條件下則相應(yīng)降低了35.1%和52.6%。可見，有效的覆蓋能大大降低成品料堆的水分損失。

3 含水率現(xiàn)場(chǎng)改良試驗(yàn)研究

3.1 含水率改良工藝

現(xiàn)場(chǎng)采用皮帶機(jī)送料、自動(dòng)化噴水的方式對(duì)土料進(jìn)行補(bǔ)水。檢測(cè)<60 mm成品料的初始含水率，在加水前對(duì)土料進(jìn)行全料擊實(shí)試驗(yàn)，獲得土料的最優(yōu)含水率。將皮帶機(jī)供料強(qiáng)度、土料初始含水率、擬達(dá)到目標(biāo)含水率等數(shù)據(jù)輸入自動(dòng)加水控制系統(tǒng)，土料以一定的來(lái)料強(qiáng)度(t/h)輸送到補(bǔ)水噴頭處，加水系統(tǒng)根據(jù)皮帶機(jī)來(lái)料強(qiáng)度、初始含水率、目標(biāo)含水率，自動(dòng)計(jì)算出相應(yīng)的補(bǔ)水強(qiáng)度(t/h或m3/h)，通過4個(gè)噴頭噴灑在皮帶機(jī)上的土料表面，完成補(bǔ)水過程，見圖8。

表4 成品料堆覆蓋-不覆蓋條件下含水率損失統(tǒng)計(jì)

圖8 土料含水率改良工藝

加水完成的土料通過堆料機(jī)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)送至堆料場(chǎng)地上方的布料機(jī)上，通過垂向的下料管以自由落體方式落至地面形成大體積料堆。堆料機(jī)通過開動(dòng)大車及小車調(diào)整土料的落點(diǎn)進(jìn)行堆料，采用菱形料堆的形式堆存加水后的成品土料。土料堆存完畢后，采用防水篷布進(jìn)行覆蓋，隨即進(jìn)入悶制階段。土料堆存悶制情況見圖9。

在土料悶制過程中，每隔一段時(shí)間對(duì)堆存的料堆表面及內(nèi)部取樣進(jìn)行含水率檢測(cè)，探究料堆表面及內(nèi)部土料含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律。對(duì)料堆取樣進(jìn)行含水率檢測(cè)的取樣方式為：料堆表面的土料，只取表面約1 cm～2 cm厚度的薄薄一層土料進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)料堆內(nèi)部的土料，從料堆側(cè)面不同位置，水平往內(nèi)部按不同深度進(jìn)行取樣，現(xiàn)場(chǎng)按20 cm、50 cm、內(nèi)部約2 m三個(gè)深度進(jìn)行取樣。20 cm、50 cm深度取樣采用人工挖取，內(nèi)部約2 m處取樣采用獨(dú)創(chuàng)的雙管取樣法，即用外力(裝載機(jī))將大口徑鋼管強(qiáng)制插入料堆內(nèi)部至預(yù)定取樣深度再將其拔出形成取樣空間，采用小口徑鋼管再次頂至預(yù)定深度取樣，見圖10。

圖9 補(bǔ)水后土料堆存

圖10 含水率試驗(yàn)取樣

3.2 含水率改良試驗(yàn)成果及分析

現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行了3場(chǎng)加水及土料悶制試驗(yàn)，加水后土料的悶制試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)了12 d～14 d，三場(chǎng)土料悶制試驗(yàn)的料堆情況及含水率取樣方式見表5。其中，對(duì)第1場(chǎng)、第2場(chǎng)悶制試驗(yàn)的料堆進(jìn)行了全覆蓋，并且只對(duì)料堆表面及內(nèi)部深處進(jìn)行取樣。對(duì)第3場(chǎng)悶制試驗(yàn)的料堆，將其一半覆蓋、一半曝露，并分別對(duì)其表面、20 cm深處、50 cm深處、內(nèi)部2 m深處取樣進(jìn)行含水率檢測(cè)，以進(jìn)行對(duì)比。

現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行了580組含水率試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出料堆悶制過程中不同深度處土料含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系，見圖11—圖13。

表5 土料悶制試驗(yàn)場(chǎng)次、料堆情況及含水率試驗(yàn)取樣方式

圖11 第1場(chǎng)加水悶料試驗(yàn)土料含水率隨時(shí)間變化關(guān)系

圖12 第2場(chǎng)加水悶料試驗(yàn)土料含水率隨時(shí)間變化關(guān)系

從上述土料加水悶制試驗(yàn)成果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 土料加水完畢，悶制3 d～4 d左右內(nèi)部含水率基本穩(wěn)定在某一定值附近，僅出現(xiàn)微小的波動(dòng)變化。圖11—圖13中的含水率是從料堆側(cè)面不同部位取樣的平均值，數(shù)值波動(dòng)不大，表明土料悶制3 d～4 d后內(nèi)部含水率趨于均勻，可以上壩使用。

圖13 第3場(chǎng)加水悶料試驗(yàn)覆蓋及不覆蓋條件下含水率變化

(2) 在覆蓋條件下，料堆表面的土料含水率在6 d～8 d降低至1%左右，表面含水率最終穩(wěn)定在1%左右上下小幅變化。而從第3場(chǎng)悶制試驗(yàn)覆蓋和不覆蓋條件下的對(duì)比試驗(yàn)看，在不覆蓋條件下，僅需3 d時(shí)間料堆表面的土料含水率即可降低至1%左右，不覆蓋時(shí)料堆表面含水率損失很快。

(3) 料堆在覆蓋條件下悶制，隨著悶制時(shí)間增加，20 cm深度處、50 cm深度處、內(nèi)部2 m深度處的含水率基本保持一致(見圖13)。這表明在覆蓋條件下，距料堆表面20 cm深度以上，土料的含水率基本不會(huì)受到外部條件影響。由于未在更淺的深度取樣，實(shí)際影響深度應(yīng)該更小。若料堆在不覆蓋條件下悶制，隨著悶制時(shí)間增加，50 cm深度處、內(nèi)部2 m深度處的含水率的含水率趨于一致，而20 cm深度處的土料含水率則低于前兩者約1%左右(見圖15)。這表明在不覆蓋條件下，距料堆表面20 cm深度以內(nèi)的土料含水率會(huì)受到外部條件的影響。

(4) 從第3場(chǎng)悶制試驗(yàn)結(jié)果看出，土料悶制相同的時(shí)間，料堆同一深度位置的土料，在覆蓋條件下其含水率均要高于不覆蓋條件下的含水率。由于本工程防滲土料具有水分蒸發(fā)快，在實(shí)際施工過程中應(yīng)采取必要的覆蓋措施以防止水分流失。

4 結(jié) 論

本文基于高海拔、高寒地區(qū)某水電站防滲土料的天然含水率缺陷分析，對(duì)土料在當(dāng)?shù)貧夂驐l件下的含水率變化規(guī)律進(jìn)行了探究，并針對(duì)土料含水率改良進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，主要結(jié)論如下：

(1) 土料天然級(jí)配偏粗、天然含水率偏低，在采用級(jí)配改良工藝處理后，粒徑<60 mm土料的含水率整體仍然偏低，不滿足300 m及特高土石壩防滲土料設(shè)計(jì)要求，需采用適宜的措施進(jìn)行含水率改良。

(2) 防滲土料場(chǎng)位于高海拔高寒地區(qū)，氣候情況表現(xiàn)出早晚溫差大、相對(duì)濕度變化幅度大、空氣干燥等特點(diǎn)，造成成品土料表面風(fēng)干迅速、失水嚴(yán)重，露天堆存情況下曝露3 d，表層深度3 cm范圍內(nèi)的土料基本處于完全干燥狀態(tài)。實(shí)際施工時(shí)對(duì)土料應(yīng)采取覆蓋遮擋等措施以減少水分損失。

(3) 含水率改良工藝可以有效、可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)土料進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水后的土料經(jīng)過堆料機(jī)以大體積料堆方式進(jìn)行悶制，可以有效實(shí)現(xiàn)土料含水率的均勻化。