超高土石坝砾石土互层厚度动态调整工艺研究

张 海 龙，乔 介 平，方 德 扬，邱 银 宝

(雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610056)

超高心墙堆石坝常采用砾石土代替黏土以增强心墙防渗体的协调变形能力，降低沉降裂缝发生几率[1-4]。天然砾石土由于含砾量较少，需要人工添加砾石以减小其变形模量，砾石土互层工艺是人工添加砾石的常用手段。糯扎渡[5]、长河坝[6]、两河口[7]等水电站工程均采用了砾石土互层工艺人工添加砾石。

砾石土主要功能以防渗为主，在兼顾与其他填筑料协调变形的前提下，其砾石含量需控制在一定的范围，以达到减小拱效应的目的[8-10]。砾石土砾石含量常用大于5 mm颗粒含量来表示[11-12]，砾石土互层厚度是决定砾石含量的重要指标。常规方法[13]确定砾石土厚度时未考虑料源砾石含量波动的影响，导致砾石土互层在料源砾石含量差别较大情况下，所得的厚度相同，易导致掺配后的砾石土砾石含量分布不均匀，进而影响砾石土的协调变形性能。

本文通过砾石含量守恒及敏感性分析原理，提出砾石土互层厚度动态调整法，明确了砾石土互层厚度动态调整工艺流程及料源砾石含量允许波动范围，并通过对比试验论证了砾石土互层动态调整法的优越性，对工程具有一定的指导意义。

1 工程概况及料源特性

1.1 工程概况

两河口水电站位于四川省甘孜藏族自治州雅江县境内的雅砻江干流，坝高295 m，控制流域面积6.57万km2，相应库容107.67亿m3，调节库容65.6亿m3。电站装机容量300万kW，多年平均年发电量为110.0亿kW·h。大坝为砾石土心墙堆石坝(见图1)。

图1 两河口水电站大坝典型剖面Fig.1 Typical dam section of Lianghekou Hydropower Station

1.2 土料料源特性

两河口水电站砾石土心墙料工程量为441.93 万m3。砾石土心墙料料源分散，共有西地、苹果园(A、B区)、亚中(A、C区)、瓜里(A、B区)、普巴绒(A、B区)5个料场，各料场含水率、大于5mm颗粒含量不同，具体见表1。

表1 砾石土各料场料源特性Tab.1 Material source characteristics of each gravel soil yard

1.3 砾石土设计指标

根据《四川省雅砻江两河口水电站坝体填筑施工技术要求B版》，两河口水电站大坝砾石土心墙料压实度控制指标如下：砾石土心墙料P5含量(大于5 mm的颗粒含量)控制在30%～50%以内，以40%～45%作为控制目标。

2 砾石土互层厚度控制的常规方法

根据NB/T 35062《碾压式土石坝施工组织设计规范》，砾石土互层厚度控制公式为

(1)

式中：H土为土料层厚度，m；H砾为砾石层厚度，m；ρd土为土料松铺干密度，g/cm3；ρd砾为砾石料松铺干密度，g/cm3；Kt为推荐土石掺配比(干重比，具体见表1) 。

糯扎渡、长河坝、两河口等水电站工程均采用“定砾调土”的方式确定土料层厚度，即先假定砾石层厚度，再通过公式(1) 计算土料层厚度。糯扎渡、长河坝、两河口等水电站工程砾石土互层试验结果均表明：当砾石层厚度为0.5 m、砾石土互层为3层、掺拌遍数为3遍时，砾石土掺拌均匀性能够满足工程要求，也最为经济，故砾石厚度取值为0.5 m。

由公式(1) 知，在推荐土石掺配比一定条件下，土料铺层厚度与料源砾石含量无关，与砾石层厚度成正比。而由表1可知：同一料场料源P5含量波动较大，最小相差7.5%(普巴绒A区)，最大值相差48.3%(普巴绒B区)，但由公式(1) 计算而得的土料层厚度却相同，必然导致掺配后砾石土砾石含量的波动(见图2) 。当两组砾石土砾石含量差异较大时，其变形模量也将存在一定差异，可能导致砾石土防渗体发生不均匀沉降破坏。

图2 砾石土常规掺配法P5含量实测数据统计Fig.2 Statistics on content of particles larger than 5 mm in gravel soil by conventional mixing method

3 砾石土互层厚度动态调整方法

为减小掺拌后砾石土砾石含量波动范围，降低砾石土不均匀沉降风险，充分考虑料源砾石含量影响，根据砾石含量守恒关系，得到：

(2)

式中：P5土为松铺土料大于5 mm颗粒含量，%；P5砾为松铺砾石料大于5 mm颗粒含量，%(由于两河口水电站工程料源及生产工艺较为稳定，人工砾石P5砾含量实测值在96.0%～97.4%，平均值为97.0%，故取固定值为97.0%)；P5控为砾石土P5含量控制目标值，%(两河口水电站砾石土P5含量以40%～45%作为控制目标，计算取中值42%)。

将公式(2) 进行变换得：

(3)

定义M为土石厚度比系数：

(4)

则公式(3) 可转化为

(5)

由公式(3)可知：当P5土≤P5控时，H土随着P5土的增大而增大，土料层厚度为动态变化值，而非固定值；当P5土>P5控时，H土为负值，将失去意义。

由公式(4)可知，土石厚度比系数为变动值，随着土料料源砾石含量的变化而变化。对比公式(1)及公式(5)，对同一料场，推荐土石掺配比为固定值(由表1查值)，土石厚度比系数为变动值。当推荐土石掺配比与土石厚度比系数相等时，常规方法与动态调整法计算的厚度一致，因而常规方法仅为动态调整法的一种特殊形式。

4 工程实例对比分析

4.1 试验材料

为进一步说明两种方法的优劣，开展了常规方法及动态调整法对比试验，试验用土料料源为亚中A区土料，砾石料为庆大河掺反系统加工的人工砾石料。各料源指标检测值见表2。

表2 料源指标检测值Tab.2 Inspection value of material source index

4.2 试验仪器及方法

本次试验仪器主要为孔径5 mm超逊径筛及中兴伟业101-4A电热鼓风干燥箱。试验操作按照《水电水利工程土工试验规程》中的具体步骤进行。试验分两种工况，其中工况1为常规掺配法，工况2为动态调整掺配法。

首先根据公式(1)、(3)及表2实测数据分别计算出两种工况下的土料厚度；然后取砾石湿重30 kg，根据砾石厚度(0.5 m)，换算出互层面积；再根据两种工况下的土料厚度、互层面积及土料湿密度分别计算出土料湿重取样值；最后取样并人工掺拌均匀，并对掺拌后的砾石土砾石含量进行检测。具体检测成果见表3。

表3 工况分析及检测成果Tab.3 Working condition analysis and test results

4.3 试验结果及分析

由表3知：在掺配砾石料厚度相同时，动态调整法掺配后的砾石含量平均值为41.7%，较常规方法(44.8%)更接近控制目标值(42.0%)，因而砾石土互层厚度动态调整法对砾石含量的控制较常规方法更为精确。

5 料源砾石含量允许波动范围

由于动态调整法是根据土料料源砾石含量实测结果动态调整土料铺层厚度，因此土料料源砾石含量的不断变化，势必增加砾石土互层厚度调整频次，使工序变得更为繁杂，一定程度上制约了工程进度。

为减少砾石土互层厚度调整频次，允许料源砾石含量在一定范围内波动但不对砾石互层厚度进行调整。可利用敏感性分析原理来确定料源砾石含量允许波动的范围。

根据设计要求，掺配后的砾石土大于5 mm颗粒含量以40%～45%作为控制目标，P5控取中值42%，则砾石土大于5 mm颗粒含量控制目标变动范围约为P5控1-7.1%，P5控1+7.1%

假定掺配土料松铺干密度不随P5含量变化而变化，设α为砾石土P5含量控制目标极值较中值增加的比例(两河口水电站工程取7.1%)，%；P′5土为砾石土P5含量变动α时对应的土料料源P5含量，%。则由公式(2)知：

(6)

公式(6)与公式(2)相减，得：

(7)

则土料料源P5含量在不调整土料层厚度条件下的允许波动范围为

(8)

当将表2中数据代入公式(8)，该区域料源砾石含量允许波动范围为[5.5%，14.9%]，即当料源砾石含量在该范围内波动时，可不对铺料厚度进行调整。

6 砾石土互层厚度动态调整工艺

6.1 工艺流程

动态调整法需在料源开采前，对料源进行取样检测，试验结果完成后，方能确定土料铺层厚度。较常规工艺，由于试验检测工作量的增加，动态调整工艺在一定程度上制约了工程进度。为减少试验检测对工程的制约，对动态调整法工艺流程做出以下规定：

(1) 结合地质复勘，对土料场料源进行大范围取样鉴定，并按料源砾石含量分布情况，参考砾石含量允许波动范围大致划分采区域。

(2) 料源开采前，先对各开采区域取样检测5组，确定料源P5含量平均值及料源砾石含量允许波动范围，再根据公式(3)计算土料层厚度。

(3) 按规范要求及计算的料源厚度，对料源进行开采、铺填。料源开采过程中继续按3组/d的频次进行取样检测，对当层土料料源P5含量进行校核，若连续3组砾石含量超过允许波动范围，则调整土层铺料厚度。

(4) 下层土料铺填前，要求必须完成上层土料砾石含量检测试验，并利用上层土料砾石含量均值重新计算下层土料厚度。重复步骤(3)，直至完成砾石土3个互层的铺填。

由于在地质复勘阶段根据料源砾石含量对料场进行了二次划分，减少了砾石含量波动范围，且土料料源开采前提前检测、开采过程中充分利用前层砾石含量动态调整后层土料厚度，整个工序中试验检测作业较互层铺填作业提前或同步进行，不占用铺填作业的有效时间，因而减少了试验检测对工程进度的制约。该措施在不影响工程进度的前提下，又提高了砾石土砾石含量掺配的精确度，对工程具有一定的实用价值。

6.2 冬雨季施工措施

《碾压式土石坝施工组织设计规范》中明确砾石土互层采用“先石后土”的形式进行铺填。但两河口水电站工程地处高原高寒区，冬季气温低，最低气温达-15.9 ℃，若采用“先石后土”铺填形式，最外层土层在冬季低温环境下易受冻。两河口水电站工程冬季土料冻融机理及防控体系试验成果表明，冬季砾石土最大冻结深度为19.7 cm，平均冻结深度为9.4 cm。为避免土料受冻，两河口冬季砾石土互层采取“先土后石”铺填工艺，允许砾石受冻，保护土料不受冻。

雨季仍采用“先石后土”铺填工艺，同时为减少雨水下渗对砾石土含水率的影响，采用平碾对最上层土料进行光面封闭、雨停后抛毛翻晒措施。

7 结 论

(1) 砾石土互层工艺的常规方法未考虑料源砾石含量波动的影响，易导致成品料砾石含量的大范围波动，影响掺配效果。根据砾石含量守恒原理，推导了砾石土互层厚度动态调整公式，定义土石厚度比系数，论证了常规方法为动态调整法在土石厚度比系数与推荐土石掺配比相等时的一种特殊形式。

(2) 以两河口水电站工程为例，通过试验对砾石土互层厚度控制常规方法及动态调整法进行对比分析。结果表明，砾石土互层厚度动态调整法所得到的砾石含量为41.7%，较常规方法(44.8%)更接近砾石含量控制目标值(42%)，砾石含量掺配精准度进一步提高。

(3) 基于敏感性分析原理，推导了土料料源砾石含量允许波动范围公式。利用该公式确定土料料源砾石含量允许波动范围。当含量在该范围内时，可不对砾石土厚度进行调整，以减少因料源砾石含量波动而频繁调整砾石土互层厚度。

(4) 明确了砾石土互层厚度动态调整工艺流程。充分利用料源开采前勘测分区、开采过程中由上层土料砾石含量均值动态调整下层土料厚度的措施，减少了试验检测对工程的制约；加强工序衔接，提高工作效率，同时明确了冬季采用“先土后石”、雨季采用“先石后土”工艺。