汉江崔家营航电枢纽工程碾压式土石坝砂砾石相对密度试验探讨与应用
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〔摘要〕：碾压式土石坝砂砾石填筑质量控制的核心就是压实质量，相对密度就是现场检测压实质量最重要的指标。针对目前设计指标和评定指标不一致的情况，主要说明压实设计指标和评定指标都应统一采用相对密度的合理性。同时结合本工程土石坝试验检测情况，探讨试验检测过程中出现的两个问题。希望能给类似土石坝工程砂砾石填筑质量控制提供有益参考。
中图分类号： TU521.1 文献标识码： A 文章编号：
1工程概况
崔家营航电枢纽工程主要建筑物有船闸、泄水闸、电站厂房和土石坝等水工建筑物，其中土石坝为工程级别2级，位于河心洲、左叉河和左岸I级阶地、漫滩上，坝轴线总长1356.94m，坝顶高程66.0m（黄海高程），坝顶宽7.0m,上游边坡1:3,下游边坡1:2.25。坝基处理形式有坝基碾压和坝基强夯两种，坝体采用附近凤凰滩料场天然砂砾石填筑，碾压层松铺厚度不超过50cm，选用16t以上振动碾，一般碾压6～8遍，碾压后的相对密度不低于设计指标0.75。
2天然砂砾石指标
本着就地取材，降低工程造价的原则，确定本工程土石坝坝体采用附近凤凰滩料场天然砂砾石填筑。砂砾石设计勘探、施工复勘指标如下：
2.1 设计勘探指标
凤凰滩料场天然砂砾石母岩成分为硅质岩、石英砂岩、脉石英等，其中硅质岩多呈扁平状和针片状，其余呈圆状、次圆状，泥团和软弱颗粒含量少，针片状颗粒含量小于5％，砾石含量为68.2％,粒径以5～80mm为主，80mm以上粒径含量为4.3%。砂以粉细砂为主，含砂率为31.8%,细度模数为1.39～1.9。其余指标都符合规范要求。
2.2 复查勘探指标
勘探方法采用坑槽法，共挖坑槽11个。取样方法采用全坑法，每个试坑取样一组，共取试坑代表试样11组，其中全分析6组，简分析5组。
简分析试验项目：全料级配分析、砂细度、含泥量。
全分析试验项目：全料级配分析、砂细度、含泥量、饱和面干密度、吸水率、堆积密度、坚固性、有机质、云母含量、针片状含量、压碎值。
砂砾石级配分析（见表1）。
表1凤凰滩料场颗粒级配成果表
复勘成果表明：
①砂属细砂，细度模数在1.47～1.98,平均为1.75.含泥量为3.8～8.5%,其他指标如表观密度、坚固性等均满足规范要求。
②大于60mm粒径的平均累计筛余量为13.6%，P5平均含量为71.7%。
3压实指标问题
目前碾压式砂砾石土石坝质量控制标准不统一，设计控制指标是相对密度，施工质量等级评定控制指标为干密度。具体规范内容摘录如下。
3.1 规范内容
1）设计指标
《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)第18页 4.2.5条 。砂砾石和砂的填筑标准应以相对密度为设计标准，并应符合下列要求：
砂砾石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70，反滤料宜为0.70。
砂砾石粗粒料含量小于50％时，应保证细料（小于5mm的颗粒）的相对密度也符合上述要求。
2）评定指标
《水利水电基本建设工程单元工程质量等级评定标准（七）碾压式土石坝和浆砌石坝工程》（SL38-92）第83页3.1.7条。砂砾坝体压实质量应符合设计要求。其主要压实控制指标干密度（干容重）按SDJ128－84《土工试验规程》进行干密度测试，必要时应进行相对密度校核。
合格：干密度合格率应不少于90％。不合格干密度不得低于设计值的0.98。且不合格试样不得集中。
优良：干密度合格率须不小于95％，不合格干密度不得低于设计值的0.98，且不合格试样不得集中。
在施工质量等级评定标准中明确提出“砂砾坝体压实质量应符合设计要求”，但是在判定合格和优良时却是采用干密度作为控制指标的，这是有矛盾的，因为设计指标是相对密度，所以施工质量就应该统一用相对密度进行评定，而不是用干密度值进行评定。
3.2 理由说明
相对密度公式：
(1)(2)
一般当填筑的土石料较为均匀时，级配比较稳定，在同一压实条件下，干密度接近常数值，这时可用某一干密度值作为设计和施工质量控制标准。但天然土石料往往是不均匀的，在同一压实条件下，干密度指标是不同的，若仍采用某一干密度作为设计和施工质量控制标准，必然出现对易于压实的土石料，压实后的干密度值容易达到，而实际压实结果是偏松的；对不易压实的土石料，压实干密度则不易达到，而压实结果却是紧密的。这样不均匀土石料在同一压实条件下，紧密程度不同，容易发生不均匀变形。鉴于实际天然土石料一般都是不均匀的，所以不用某一固定干密度值作为设计和施工质量控制指标，而是对粘性土采用压实度，无粘性粗粒土采用相对密度作为设计标准和施工质量控制的依据。压实标准采用压实度或相对密度，尽管因土石料不均匀，压实后测得的干密度值不同，但达到同一压实度或同一相对密度标准，反映出压实后紧密程度是相同的。
在实际施工过程中，土石料的均匀性一般都不稳定，甚至施工期间经常更换土石料场，在短时间内也无法给出一个具体的设计干密度值，所以要以压实度或相对密度作为设计控制指标。同时，ρd0、ρd max、ρdmin为同一砂石料不同压实条件下的三个密度指标值，若不是同一砂石料的指标则它们没有可比性，计算的Dr值也毫无意义。
3.3 评定建议
建议在新的评定标准中确定一个计算相对密度值合格与优良的评定公式。具体评定标准可以借鉴《公路工程质量检验评定标准》（JTG T80/1-2004）对压实质量评定的办法进行编制，该规范压实度计算公式采用的保证率，标准差，极值等参数都比较先进。
4 室内试验
相对密度室内试验采用《土工试验规程 》（SL237-1999）SL237-054-1999操作规程。从试验仪器、土样制备、测定方法、成果分析说明如下：
1 ）试验仪器
振动台试筒直径为300mm,高为320mm,试样顶部压重98kg(相当于14Kpa),振动频率47HZ，振幅0.64mm。
2）土样制备
对大于60mm粒径的超规程颗粒采用等量替代法，用5mm～60mm的颗粒按比例等质量替换。
3）最大干密度测定方法
分别采用干法和湿法进行测定，湿法：在晾干试样中按5％含水量加水拌匀后进行装样。
4）最小干密度测定方法
最小干密度测定采用倾注填法。
5）具体试验图表如下见（表2、表3、图1、图2、图3）。
表 2 砂砾石试验颗粒组成成果表
图 1 级配包络图
表 3包络图干密度表
图2振动台干法密度图
图3振动台湿法密度图
6） 现场抽检相对密度值
通过对现场碾压层随意抽测18个干密度值具体数据（见表4）。
表4 现场抽检相对密度值表
7) 试验成果分析
结合现场检测的干密度值来看，室内试验采用干法测定的最大干密度值明显偏小，只要现场施工稍微碾压就很容易满足设计要求，而实际施工现场压实效果不好，不能有效控制现场施工质量；采用湿法测定的最大干密度值比较合理，能比较真实地反映现场压实质量，现场压实效果较好，能有效控制施工质量，所以本工程室内测定最大干密度方法采用湿法。具体情况可以通过现场抽测的18个相对密度值统计说明如下（见表4）。
采用湿法测定的最大干密度值计算的18个相对密度有一个小于设计指标0.75，为0.72，有三个数值1.03、1.09、1.12大于最大理论计算值1，其它14个数值均大于0.75。
5相对密度大于最大理论计算值1
本工程在施工过程中出现极少数相对密度大于1的情况，这种现象在类似土石坝工程中也较为常见，属正常情况，并不影响对坝体质量的评定，对出现这种现象的两个主要可能因素（大于60mm粒径颗粒影响和现场干密度检测误差）简单分析如下。
5.1 大于60mm粒径颗粒影响
目前试验规程中没有将最大粒径大于60mm的砂砾石作为试样的一部分，主要是受试验容器尺寸限制。虽然将大于60mm粒径的砂砾石采用等量替代法转换成有效粒径的砂砾石，重量可以替换，可是材料本身的孔隙大小是无法替代的，砾石肯定比砂密实，干容重大，所以现场测定干密度时，试坑中只要有几个大于60mm以上粒径的砾石颗粒，相对密度值就极可能大于1。
5.2 现场干密度检测误差
现场压实干密度检测采用《土工试验规程 》（SL237-1999）SL237-041-1999灌水法。灌水法是工程上常见的现场干密度检测方法，是一种成熟的检测方法，该方法试样质量能较准确称量出来，所以关键就是如何真实地测量出试坑体积，尽量减少试验误差。尽量减少体积测量误差主要有三点要注意。
① 要使用壁薄不易破损的塑料薄膜，尽量紧靠坑底、坑壁及套环壁。
② 要准确读数套环内水位高度。
③ 试坑形状尽量挖成规则形状。
如灌水法测量误差较大，测量的体积就比实际体积要小很多，极容易导致现场干密度值比真实值偏大。所以在平常检测过程应尽量减少测量误差，保证数值真实准确。
6其他措施
1） 因为天然砂砾石料场一般都是水流冲积而成，料质构成一般都不均匀，所以做室内最大干密度、最小干密度试验取样一定要有代表性，应该尽量多取试样组数。
2） 同时在现场要严格控制砂砾石填筑分层厚度，碾压遍数，作好洒水湿润等有效施工控制措施。
7结语
本文主要是针对碾压式土石坝目前设计指标和评定指标不一致的情况，说明压实质量设计指标和评定指标都应统一采用相对密度的合理性。同时结合本工程土石坝试验检测情况，探讨试验检测过程遇到的两个问题（室内试验和相对密度大于最大理论计算值1），进行了简单说明与分析。
碾压式土石坝坝体施工质量控制的环节很多，影响因素也多，从室内试验到现场施工都要严格按照规范操作控制，才能确保工程质量优良。
截止到目前，本工程土石坝交工验收已近三年，通过对大坝位移、沉降等观测指标分析都达到优良，反映土石坝施工质量控制良好。希望积累的这些经验对今后汉江流域上砂砾石土石坝或类似土石坝工程的施工能提供一些有益参考和启发。
参考文献：
〔1〕碾压式土石坝设计规范 SL274-2001
〔2〕水利水电工程质量等级评定标准（七）碾压式土石坝和浆砌石坝工程 SL38-92
〔3〕土工试验规程SL237-1999