阿尔塔什大坝堆石料相对密度研究和施工应用

张正勇，包永侠，唐德胜

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)

1 工程概述

阿尔塔什水利枢纽工程地处昆仑山板块的新疆叶尔羌河流域，惠及新疆南部的克州、喀什地区和和田地区，是国家172项重大水利工程，也是新疆最大的水利工程，由于工程在设计、施工等方面面临诸多技术难点，被业内专家称为“新疆的三峡工程”。叶尔羌河流域位于新疆塔里木盆地西部，地处欧亚大陆腹地，因远离海洋，周围又有高山阻隔，加上大沙漠的影响，流域内呈典型的大陆性气候，其主要特点是气温年变化较大，日温差大，空气干燥，日照长，蒸发强烈，降水量稀少。冬季天气干燥寒冷，莎车地区12月平均气温为-3.9 ℃，极端恶劣天气气温在-23.5 ℃。

阿尔塔什水利枢纽工程的大坝为混凝土面板砂砾石堆石坝，坝顶高程1 825.8 m，最大坝高164.8 m，坝顶宽12 m，坝长795 m，大坝合同填筑工程量达2 494 万m3，其中堆石料1 033万m3。上游主堆石区采用砂砾石料，坝坡坡度1∶1.7。下游采用爆破开采的堆石料以及边坡、洞渣等石方开挖利用料，坝坡坡度1∶1.6。

堆石料料源自P1、P2 石料场爆破开采，设计级配要求为：最大粒径dmax≤600 mm，小于5 mm含量<20%，小于0.075 mm含量<5%。设计孔隙率n≤19%，CU>25，连续级配。设计干容重γd=22.0 kN/m3。

2 料场岩石条件

P1爆破料场位于坝址上游左岸约1.7～2.5 km，料场储量丰富，可开采储量大于3 600万m3。岩性为中下石炭统的中厚层灰岩和白云质灰岩，岩层产状330°～350°SW∠71°，单层岩体厚0.2～0.5 m。但岩体裂隙发育，完整性差，爆破后块径多在30 cm 以下。根据试验结果，料场岩石饱和抗压强度23.3～69.2 MPa，软化系数0.51～0.71，冻融质量损失率0.07%～0.27%，密度为2.69～2.79 g/cm3，剥采比0.5%。

P2爆破料场位于坝址下游右岸，距上坝址约0.8～1.6 km，基岩裸露，岩性为薄层灰岩，单层厚0.1～0.3 m，裂隙发育，岩体完整性差。表面强风化层厚1.0～3.0 m，为无用层，有用层为弱～微风化岩体。根据复勘试验结果，料场灰岩和石英砂岩单轴饱和抗压强度均大于60 MPa，岩石坚硬，各项指标均可满足块石料质量要求，为有用层。但岩体中所夹页岩饱和抗压强度仅为4.5～7.2 MPa，且抗风化能力弱，不能作为块石料，为无用层，开采时需清除处理。料场顺层开采有用层储量大于760万m3，满足设计需用量，垂直层面开采无用层体积301.5万m3，剥采比39.3%。

表2 不同试验级配配料参数 %

3 试验方法

3.1 施工准备

试验用料采用堆石料场开采的风干爆破料，采用自卸车运送至试验现场后，分别按照粒径组600～400、400～200、200～100、100～80、80～60、60～40、40～20、20～10、10～5、5～0.075 mm进行人工筛分备料，筛料场地面积350 m2(长35 m、宽10 m)，各粒径组分开堆放标识，底部采用塑料薄膜隔离。

试验前用灌水法对密度桶进行体积测定，数据精确至1 cm3。密度桶校验结果见表1。

3.2 试验场地布置

试验布置5个密度桶(带底无盖钢桶)，桶径为试验料最大粒径的3～5倍，本次试验密度桶直径为1.8 m，深1 m。试验时首先在选定的密度桶埋设位置下挖25 m×5 m×1 m(长×宽×高)的布置槽；然后用选定的振动碾按行驶速度(2.8±0.2)km/h振动碾压10遍后，在碾压体表面铺一层厚约5 cm的细砂，静碾2遍后在预定位置安放密度桶；最后采用级配大致相同的试验料填充密度桶四周，并将其中心点位置对应标示在试验场地外。

表1 原型级配密度桶体积校验结果

3.3 密度桶填装

试验分别采用爆破料设计上包络线、上平均包络线、平均包络线、下平均包络线、下包络线5种级配进行。不同级配所对应的P5含量分别为12.0%、14.0%、16.0%、18.0%、20.0%。具体配料参数见表2。

3.4 最小干密度试验

最小干密度采用人工松填法进行测定。试验时首先按级配要求将称量好的不同粒径爆破料混合均匀，然后将其均匀松填至密度桶中。装填时将试样轻放入密度桶中，防止冲击和振动对试验结果产生影响。装填至低于桶口10cm左右时，采用灌水法测定料顶面至桶口的体积，利用式(1)计算出爆破料最小干密度。为确保试验成果准确性需进行平行试验，若2次试验干密度差值≤0.03 g/cm3，则取算术平均值作为最小干密度试验结果，否则需重新进行试验。

(1)

式中，md为试样质量；Vt为密度桶体积；Vk为测定的灌水体积。

表3 碾压后不同砾石含量颗粒级配统计 %

3.5 最大干密度试验

在最小干密度试验完成后，继续将试验料均匀松填至高出密度桶桶口约20 cm，然后采用岩性和级配大致相同的试验料找平密度桶四周至与试验料平齐，最后进行振动碾压，碾压设备选用YZ32Y2型自行式振动平碾(工作质量32 t，碾宽2.2 m，振动频率0～28 Hz，振幅1.83 mm，激振力为590 kN无级可调)。将选定的振动碾在场外按预定转速、振幅和频率启动，按行驶速度(2.8±0.2)km/h采用“进退法”碾压，碾压遍数按“一进一退”2遍计算，振动碾压26遍后，在每个密度桶范围内微动进退振动碾压15 min。在碾压过程中，应根据试验料及周边料的沉降情况及时补充料源，使振动碾不直接与密度桶接触。碾压完成后人工挖除桶上及桶周围的试验料至低于桶口10 cm左右为止(不得扰动下部试样)，采用灌水法测定料顶面到桶口的体积。将桶内试料全部挖出，称量密度桶内试样质量，并进行颗粒分析和含水率试验。为确保试验成果准确性需进行平行试验，若2次试验干密度差值≤0.03 g/cm3，则取算术平均值作为最大干密度试验结果，否则需重新进行试验。

4 试验结果

根据SL237—1999《土工试验规程》，颗料级配分析试验采用筛析法，最大筛径100 mm，对于粒径>100 mm的土样采用钢制圆孔尺寸套环逐一测量其最宽处并记录，试验结果见表3。

对比分析碾压前、后颗粒级配数据，碾压后爆破料<5 mm含量变化幅度1.4%～6.0%，粒径<0.075 mm含量变化幅度0.4%～0.9%。碾压后粒径<5 mm颗粒含量变化幅度较小，>5 mm颗粒含量变化幅度较大，尤其是10～60 mm、200～600 mm颗粒之间的破碎率较大。碾压后爆破料颗粒级配向设计下包络线偏移，但不同砾石含量级配曲线变化存在差异。设计上包络线、上平均包络线颗粒级配曲线变化较大；设计下包络线、下平均包络线颗粒级配曲线变化较小。

碾压后堆石料表面出现压碎层，其影响深度8～15 cm，平均为11.4 cm，不同级配压碎层深度数值见表4。

表4 压碎层影响深度统计

不同包络线下最大、最小干密度成果见表5。试验结果表明，爆破料在P5含量约14%时干密度达到最大为2.35 g/cm3，对应的孔隙率最小为13.6%。当爆破料P5含量在14%～20%时，最大干密度随P5含量的增加而减小，所对应的孔隙率随之增大。

表5 最小、最大干密度统计结果

5 堆石料相对密度评价

分别利用现场碾压试验成果对设计指标和现场填筑施工检测成果进行评价。设计要求孔隙率≤19%的堆石料对应的干密度为2.202 g/cm3，相对密度如表6所示，与参考文献[5]的研究成果接近。说明堆石料填筑施工尽管孔隙率小，但其相对密度数值仍有提升的空间。

阿尔塔什水利枢纽工程截至2017年底，完成大坝堆石料填筑594.58万m3，现场检测数据163组，统计平均P5含量14.3%，填筑干密度平均2.23 g/cm3，孔隙率平均18.0%，相对密度0.72。

表6 不同P5含量下设计孔隙率与相对密度分析结果

6 结 语

阿尔塔什水利枢纽工程大坝堆石料细料设计指标细料要求含量高(12%～20%)，岩石块体强度较低(23.3～69.2 MPa)，软化系数低(0.51～0.71)等特殊性是其相对密度试验根据NB/T 35016—2013《土石筑坝材料碾压试验规程》取得成功的主要原因。堆石料一般情况下设计要求细料为5%～10%，饱和抗压强度>45 MPa，软化系数>0.80，根据NB/T 35016—2013，试验时最小干密度数值可以取得真实数值，类似工程经验最大干密度数值一般会失真偏小。现场碾压试验说明阿尔塔什大坝堆石料相对密度设计指标是合理的，碾压设备的施工能力能够满足设计要求，现场施工检测数据合理，工程施工质量满足要求。

[1] NB/T 35016—2013 土石筑坝材料碾压试验规程[S]．

[2] SL 237—1999 土工试验规程[S]．

[3] 曾源. 砂砾料原级配现场相对密度试验在工程中的应用[J]. 陕西水利, 2015(2)： 153- 155．

[4] 张延亿, 汪小刚, 邓刚, 等. 级配缩尺对堆石压缩特性影响试验研究[J]. 水利水电技术, 2017, 48(7)： 116- 122．

[5] 朱晟. 粗粒筑坝材料现场压实质量的控制标准研究[J]. 水力发电, 2011, 37(12)： 22- 26, 30．