土石坝无粘性粗粒料填筑标准和质量评价探讨.docx

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土石坝无粘性粗粒料填筑标准和质量评价探讨

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

SiehuanWaterPower

Vo1.25,No.4

Aug.,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

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:

2006-06-23

18

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）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

实际填筑干密度检测平均值之差:

一0.04～0.10

g/cm,其中差值范围在一0.04～0.05g/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0.96～0.98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

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,ti

D:

旦

（2）

pdma

凡=（3一）凡'J

19

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

P

d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/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,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0.96—0.98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,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<

5mm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5

rlllTl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2.2

W-

'

—j一

/'.,一一?

l◆量大干啬度I

I▲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,D

l7.3

21.9

l8.2

16.4

19.6

仍I2.

2.342.402.000.

870.98———

2.352.442.030.810.962.44

2.342.412.Ol0.850.972.43

2.322.392.000.850.972.38

:

!

:

兰22.020.890.982.41

1.97

2.Ol

2.o0

1.98

2.04

莉

O.86

O.8l

O.82

O.87

0.9l

0.97

0.96

0.96

0.97

O.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5

rlllTl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2.17～2.38g/

cm和相应的压实度为0.97～1.02.试验检测的

最大干密度为2.16～2.38g/cm和相应压实度为

0.97～1.04.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.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0.96～

0.98的压实度作为设计控制干密度并作为施工

控制下限实用且简单.

（3）颗粒形状对最小干密度测试的稳定性影

26

响较大,而对最大干密度测试的稳定性影响较小,

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.所不同的是:

前

者由击实试验确定最大干密度,后者可采用表面

振动器法确定最大干密度,并根据坝的级别,高

度,坝型和坝的不同部位选取压实度,其值一般在

0.96～0.98范围选取.另外,砂砾石料还可以采

用相对密度作为填筑标准.

（4）采用相对密度D和压实度D作为填筑

标准进行填筑质量评价.根据p与<5IIUTI粒

径含量和Pdmin与<5mm粒径含量曲线关系可以

避免试验工作量增大,时间和质量难以保证的矛

盾,准确及时地作出填筑质量评价结果.

参考文献:

[1]SI274-2001,碾压式土石坝设计规范[s].

【2]SL228-98.混凝~ilii板堆石坝设计规范【s],

[3]SI237-1999.土工试验规程[s],

[4]D/T5129-2001.碾压式土石坝施工规范[s].

[51D/T5128-2001,混凝土面板堆石坝施工规范[S].

作者简介:

孙陶（1969一）,男,四川乐山人,科学研究所副所长,高级工程

师,硕士,从事岩土工程试验研究工作;

高希章（1964.）,男,陕西西安人,总工程师,硕士,从事水工设计

和技术管理工作.

（责任编辑:

李燕辉）