大坝砾石土防渗心墙填筑质量快速检测方法研究

保华富，王海波，庞 桂，王 坤

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明650033）

大坝砾石土防渗心墙填筑质量快速检测方法研究

保华富，王海波，庞 桂，王 坤

（中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院，云南昆明650033）

针对长河坝水电站砾石土心墙填筑压实质量需要，用全料压实度和细料压实度进行双控的质量快速检测控制，通过系列比较试验和分析，提出了一种砾石土填筑压实质量控制的快速检测方法。与常规标准检测方法所得结果相比，各项检测指标偏差完全在试验规程允许误差范围内。本方法简捷、快速、经济实用，可大幅缩短检测时间以满足高强度大方量填筑质量检测控制要求，大坝初期填筑应用结果表明本方法是一种砾石土填筑质量控制快速有效的检测方法。

长河坝水电站；心墙砾石土填筑；质量快速检测方法；试验研究

1 概 述

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“三库22级”的第10级电站，上接猴子岩水电站，下接黄金坪水电站。坝址区上距丹巴县城约85 km，下距康定县城和泸定县城分别为51 km和50 km，距成都约360 km。长河坝水电站是以单一发电为主的大型水库电站。电站总装机容量2 600 MW，本工程为一等大（1）型工程，拦河坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m，在同类型坝中坝高均次于糯扎渡水电站大坝，名列国内第二，属超高型大坝。主要工程项目砾石土心墙防渗料填筑量约428.32×104m3，接触粘土填筑量约22.1×104m3，反滤料填筑约175.08× 104m3，过渡料填筑约288.96×104m3，堆石料填筑约2 311.5×104m3。

表1为心墙砾石土填筑设计技术指标［1］。要求砾石最大粒径不大于150 mm和铺土厚度的2／3，全料填筑含水率应为ω0p－1%≤ω≤ω0p＋2%，即填土含水率比最优含水率大2%、小1%。设计还要求土料＞5 mm砾石含量（P5）分别为30%、40%、50%时压实后干密度分别不低于 2.07 g／cm3、2.10 g／cm3、2.14 g／cm3，其它 P5含量土料控制干密度可内插求得。细料压实后干密度不低于1.82 g／cm3。

由于长河坝水电站坝体超高，位于狭窄河谷内，坝基下冲积砂卵石层厚达60多米，心墙又是大坝防渗的主体和核心，砾石土心墙的抗渗流稳定性、心墙运行期间的沉降和拱效应、心墙自身抗裂性能和稳定性均是非常关键的技术问题，施工期心墙的填筑质量直接关系到整个坝体的安全运行，这给施工质量控制和检测也提出了更高要求。

表1 心墙砾石土填筑设计技术指标

对坝体全料填筑质量控制需要测定土料含水率和压实干密度，其中含水率是一项重要指标，常规测定用标准烘干法。对用于心墙防渗的黏质土类，规程规定烘干时间不少于8小时，用时较长，影响施工进度。特别是对于砾石土心墙高堆石坝，如果按常规试验方法检测全料含水率和砾石含量，至少需要12小时以上，这远不能满足施工进度要求，因此如何快速检测土料的含水率就显得十分重要。目前较广泛采用的快速检测方法有核子测定法、酒精燃烧法、比重法、微波烘干法等，其中酒精燃烧法仅适用于细粒类土，比重法仅适用于砂类土，对于含砾石粗粒黏质类土经比较试验得出核子测也不适用［2］。由于砾石土含水率检测每组要求取样数量较多，坝体取样频率较高，如采用微波烘干法，须投入多台大容量微波烘干仪，在测定全料含水率后，还须将烘干土经水冲洗干净再次烘干测砾石含量，检测工作量也较大。

本文结合长河坝水电站砾石土心墙前期现场施工碾压试验，事先通过大量试验统计得出＞5 mm砾石吸着含水率（近似饱和面干吸水率）并统计得出其代表值（平均值），大坝填筑实际检测时用水快速洗筛方法测定试坑土砾石饱和面干质量，用饱和面干吸水率替代砾石含水率计算试坑砾石干质量。小于5mm土含水率采用酒精燃烧法测定，然后按加权法计算全料含水率，达到对砾石土全料含水率及 P5含量等指标快速检测的目的。大量试验研究结果表明，当砾石较坚硬、砾石吸水率较小且变化不大时［3－4］，本方法检测结果能满足试验规程允许误差要求，是一种砾石土填筑质量快速有效的检测方法。

2 检测方法研究

2.1 检测思路

根据土料含水率定义可推导出砾石土全料含水率计算理论公式，此公式也是多部现行试验规程推荐引用公式［5－6］：

式中：ω为砾石土全料计算含水率；P5为大于5 mm砾石含量；ω1为小于5mm细料含水率；ω2为大于5 mm砾石吸着含水率。

小于5 mm细料含水率可通过酒精燃烧法快速检测。对大于5 mm砾石由于其表面粘附着的泥土很难用干法擦净，难于保证砾石吸着含水率的检测精度，操作相当费时费工。当砾石吸水率变化不大时，吸着含水率可通过水洗后事先测出。经比较分析可取系列试验的砾石饱和面干吸水率平均值代替，对全料含水率计算结果影响较小。

上式中的P5含量可通过下式计算：

式中：ms1为试坑土小于5mm细料干质量；ms2为试坑土大于5mm砾石干质量。

实际检测时可用快速冲洗的方法测定试坑土砾石质量，用饱和面干吸水率替代砾石吸着含水率计算试坑砾石干质量，用试坑土总质量减去试坑土砾石饱和面干质量既可得试坑土小于5 mm土料质量，进而可计算出试坑土小于5mm细料干质量。

按土的干密度定义可推导出压实砾石土试坑全料干密度计算公式：

式中：ρd为试坑土全料压实干密度；V为试坑体积，试坑体积可由注水法或灌砂法检测得到。

试坑土小于5 mm细料湿密度及干密度可分别按以下两式计算：

式中：ρ1为试坑土小于5mm细料压实湿密度；ρd1为试坑土小于5mm细料压实干密度；m1为试坑土小于5mm细料质量；m2为试坑土大于5mm砾石饱和面干质量；GS2为砾石视比重，即砾石饱和面干质量与其排开水体积之比，计算时不考虑砾石表面吸着含水率影响更符合实际；ρω为水的密度（取1g／cm3）。

按设计要求，长河坝水电站砾石土心墙填筑压实质量用全料压实度和细料压实度进行双控。实际操作时利用试坑注水法可测得试坑全料体积，利用酒精燃烧法可快速检测试坑土小于5 mm细料含水率，将称量后的试坑土全部过5 mm干筛后，再将留筛土用水洗筛干净并擦去表面水份称量可得试坑土大于5mm砾石近似饱和面干质量，利用系列试验统计成果可得砾石饱和面干吸水率及视比重代表值（平均值），再利用上述公式可计算出试坑土全料和细料的各项指标，根据试坑土 P5含量查室内击实试验资料（或设计要求），可得该 P5含量下对应的最大干密度，根据现场干密度和最大干密度计算全料压实度。细料压实度可采用三点击实法快速控制，既将挖出的试坑土分散过5 mm干筛，利用筛下的土料进行三点击实试验，求得细料最大湿密度或干密度并计算其压实度［7］。以上就是本文研究的思路，统称为快速检测法。

2.2 含水率的快速检测

小于5 mm土含水率采用酒精燃烧法测定。表2及图1为细料用标准烘干法和酒精燃烧法的对比试验。酒精燃烧法用工业酒精纯度大于95%，烧3遍。

表2 标准烘干法与酒精燃烧法检测含水率结果比较

图1 不同方法检测细料含水率相关关系

36组小于5 mm土样含水率对比试验结果表明：标准烘干法实测含水率在3.5%～22.2%之间，平均为13.1%；酒精燃烧法实测含水率在3.7%～21.6%之间，平均为13.2%；两种方法所测含水率之差在－0.6%～0.6%之间，平均为－0.1%，酒精燃烧法与标准烘干法检测结果非常接近，试验偏差均在试验规程规定允许误差范围内，可以用于细料含水率检测。从图1还可看出，两种方法所检测含水率呈极好的线性相关，线性相关系数为0.9969。

表3为汤坝料场27组土样砾石吸水率、比重及饱和面干视比重检测结果，砾石吸水率在1.8%～2.9%之间，平均为2.3%，砾石吸水率总体较小；砾石干比重在2.70～2.79之间，平均为2.75；砾石饱和面干视比重在2.62～2.69之间，平均为2.65。料场土料场砾石吸水率、比重及饱和面干视比重均有一定变化，但总体变化不大。建议在进行全料含水率及P5含量计算时汤坝料场砾石饱和面干吸水率取平均值2.3%作为其代表值，在进行试坑料小于5 mm细料体积计算时砾石饱和面干视比重取平均值2.65作为其代表值。

表3 砾石吸水率、比重及饱和面干视比重检测结果

表4及图2为61组砾石土样标准烘干法和用公式（1）计算全料含水率检测结果比较。用标准烘干法检测全料含水率在2.9%～15.9%之间，平均为8.9%；用公式（1）计算全料含水率在2.6%～15.9%之间，平均为9.0%；两种方法检测全料含水率非常接近，含水率之差在－0.6%～0.6%之间，平均为－0.1%。试验偏差均在试验规程规定允许误差范围内。从图2还可看出，两种方法所检测含水率呈极好的线性相关，线性相关系数为0.9913。

图2 不同方法检测全料含水率相关关系

按设计要求，P5含量应控制在30%～50%范围内，表3中测得最小吸水率和最大吸水率分别为1.8%和2.9%，假定当P5含量为30%时，用最小吸水率和最大吸水率按理论公式（1）计算得到某一土样的全料含水率和用平均值2.3%计算得到的全料含水率差值分别为－0.15%和0.18%；当 P5含量为50%时，用最小吸水率和最大吸水率计算得到的全料含水率和用平均值2.3%计算得到的全料含水率差值分别为－0.25%和0.30%，理论计算完全满足试验规程允许误差要求。如调整最小吸水率和最大吸水率分别为1.5%和3.3%，当P5含量为30%时，计算得到的全料含水率和用平均值2.3%得到的全料含水率差值分别为－0.24%和0.30%；当P5含量为50%时，计算得到的全料含水率和用平均值2.3%得到的全料含水率差值分别为－0.40%和0.50%，仍能满足试验规程允许误差要求。

2.3 P5含量及全料压实干密度的快速检测

试坑土P5含量的测定采用洗筛法（简称快速法），既将试坑挖出的全部土料称重后，先过5 mm筛干筛，筛下的土料供细料三点击实试验，筛余土料用5mm筛洗筛冲洗干净并擦去表面水分，立即称其砾石质量，利用饱和面干吸水率代表值2.3%计算砾石干重，用试坑料湿质量减去筛洗后的砾石质量，得到试坑细料质量，根据酒精燃烧法测出的细料含水率可计算得到细料干质量，从而可计算出试坑土的总干土质量及砾石含量（P5），再根据试坑灌水体积计算得全料压实干密度。表5为16组土样用常规法和快速法检测 P5含量比对表。从检测结果看，与标准烘干法相比，快速法计算结果偏差很小，两种方法所测结果之差在－0.4%～0.3%之间，平均为0.1%，完全能满足砾石含量检测控制要求。表6为8组土样用常规法和快速法检测全料干密度计算结果比对表。从检测结果看，利用饱和面干吸水率代表值2.3%计算干密度与标准烘干法检测结果非常接近，两种方法所测结果之差在 0.00～－0.01 g／cm3之间。当调整砾石吸水率分别为1.5%和3.0%时，快速法检测全料干密度与标准法检测结果也非常接近，完全满足试验规程规定的允许误差要求。

表4 标准烘干法和快速检测法含水率检测结果比较

表5 不同方法检测P5含量比较

表6 不同方法检测全料干密度比较

2.4 细料湿密度及细料干密度的快速检测

细料的体积为试坑注水体积减去砾石体积，其最终目的是为了计算细料密度。砾石体积由砾石饱和面干质量与其视比重之比值求得，砾石饱和面干质量是通过将试坑土快速洗筛干净后擦去表面水份称量而得，因此影响细料体积的主要因素是砾石视比重，在计算时统一采用平均值2.65做为其代表值。表7为碾压复核试验场第5层铺厚30 cm碾压12遍时某土样采用不同视比重所计算的细料湿密度和干密度。可以看出，当采用砾石视比重的上下限2.69和2.62计算细料湿密度所得结果与采用平均值2.65所得结果之差分别为－0.02 g／cm3、0.01 g／cm3，均在规范规定的≤0.03 g／cm3试验允许误差范围内；计算细料干密度所得结果与采用平均值2.65所得结果之差分别为－0.01 g／cm3、0.01 g／cm3，均在规范规定的≤0.02 g／cm3试验允许误差范围内。

表7 采用不同视比重计算细料湿密度和干密度比较

2.5 快速检测方法的应用

表8为大坝填筑初期砾石土压实质量快速检测法与标准烘干法检测结果比较，表中全料最优含水率及全料最大干密度为不同砾石含量下重型击实试验结果。土样快速检测法砾石吸水率代表值取2.3%、砾石视比重代表值取2.65，标准法是采用标准烘干法测含水率和砾石含量。分析得出：15组土样用快速检测法与标准烘干法所得 P5含量偏差在－0.1%～0.4%之间，全料含水率偏差在－0.2%～0.1%之间，全料干密度偏差在 －0.01 g／cm3～－0.01 g／cm3之间，全料最大干密度偏差均为0.00 g／cm3，全料最优含水率偏差在－0.1%～0.0%之间，全料压实度偏差在－0.1%～0.2%之间，两种方法检测各项指标均非常吻合，其偏差均在试验规程规定允许误差范围内，完全满足质量控制评定要求。

3 结 语

（1）结合长河坝水电站前期现场施工碾压试验，提出了一种砾石土填筑压实质量控制的快速检测方法。与常规标准试验方法所得结果相比，各项检测指标偏差完全在试验规程允许误差范围内。本方法简捷、快速、经济实用，可大幅缩短检测时间，在2小时内可以得到全料及细料压实度，能满足高强度大方量砾石土填筑质量检测控制需要。大坝初期填筑应用结果表明本方法是一种砾石土填筑质量控制快速有效的检测方法，可供类似工程质量检测控制参考。

（2）大坝实际填筑时，由于检测工作量很大，质量检测应与相关方积极勾通和协调，精心组织，采用紧跟填筑碾压面、多点平行检测、不同检测工序流水作业等办法，以满足施工进度需要。

表8 大坝砾石土填筑快速检测压实质量评价比较

（3）建议在下一步大坝填筑期，用快速检测法进行砾石土的填筑质量控制，以满足工序验收要求，同时要留样采用标准方法做进一步校核和验证，以便积累资料、及时调整检测计算参数，确保检测数据的可靠性。

［1］ 中国水电顾问集团成都勘测设计研究院.四川省大渡河长河坝水电站大坝坝体填筑施工技术要求［R］.成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2013：8-17.

［2］ 保华富，沈 蓉，李仕胜，等.核子法测定压实粘土密度和含水率的探讨与应用［J］.水利建设与管理，2011，31（9）：41-46.

［3］ 保华富，尹志伟.砾质土做为土石坝防渗体的研究［J］.岩土工程技术，1999，21（4）：34-38.

［4］ 保华富，罗玉再，陈 昆.徐村电站砾质土防渗体的大型试验研究［J］.云南水力发电，2003，19（1）：24-29.

［5］ 中华人民共和国水利部.SL237－1999土工试验规程［S］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［6］ 中华人民共和国交通部.JTG E40－2007公路土工试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［7］ 赵 川，刘盛乾，等.糯扎渡水电站粘土心墙压实度检测方法及控制标准［J］.云南水力发电，2009，25（5）：58-61.

Research on Rapid Detection Method for Filling Quality of Impervious CoreWallwith Gravelly Soil in Dam

BAO Hua-fu，WANG Hai-bo，PANG Gui，WANG Kun
（Kunming Investigation and Design Institute，China Hydropower Consulting Group，Kunming，Yunnan 650033，China）

According to the compaction quality of the gravelly soil filling for the corewall of Changheba Hydropower Station aswell as the quality detection and controlwith fullmaterial compaction degree and finematerial compaction degree，a rapid detectionmethod for the compaction quality controlofgravelly soil filling is proposed based on a series of comparative experiments and analysis.Compared with the results from conventional standard detectionmethods，the deviation of each detection indexes of thismethod iswithin the scope of permissible error in the test procedure.The proposedmethod is simple，rapid，economic and practical，with which the detection time can be greatly shortened so as tomeet the quality detection and control requirements for high strength and large volume filling.The application results for early dam filling show that thismethod is a kind of fast and efficient detectionmethod for the quality control of gravelly soil filling.

Changheba Hydropower Station；gravelly soil filling of corewall；rapid detectionmethod of quality；experimental research

TV641.4＋1

A

1672—1144（2014）01—0105—07

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.01.022

2013-08-09

2013-09-01

保华富（1963—），男，云南陆良人，教授级高级工程师，主要从事工程质量检测、安全监测及科研试验研究工作。