不均匀弃渣料在大藤峡水利枢纽黔江副坝的应用研究

范穗兴，涂晓霞

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

1 研究背景

现代土石坝往往采用建筑物开挖弃料填筑坝体，可以减少料场和渣场的征用，有利于保护生态环境、节省工程投资。在弃渣料利用的过程中，经常遇到料性不均匀的土石混合料、砾石土、风化土等坝料。现行SL 274—2020《碾压式土石坝设计规范》(以下简称《规范》)对上述坝料并无明确的压实填筑标准和指标要求[1]，无法采用压实度、相对密度、孔隙率等单一控制指标对坝料填筑质量进行有效控制，致使工程难以有效利用一些弃渣料，需另设专门的料场和渣场，导致占用大量土地，影响生态环境[2-4]。本文结合不均匀弃渣料在大藤峡水利枢纽黔江副坝上的应用，对不均匀的土石混合料、砾石土、风化土等坝料的运用进行研究分析，提出控制方法和措施。

大藤峡水利枢纽为西江干流重要的防洪型水库，工程为Ⅰ等大(1)型工程，设计洪水标准为1 000年一遇，校核洪水标准为10 000年一遇，地位十分重要。黔江副坝位于大藤峡水利枢纽左岸，全长1 073 m，最大坝高30.00 m，坝顶宽8 m，上游坝坡为1.0∶2.8，下游坝坡为1.0∶2.5，采用黏土心墙石渣坝坝型。初设阶段黔江副坝坝体上、下游坝壳石渣料利用船闸上游引航道、船闸闸室及左岸厂房等一期基坑的开挖石料填筑，填筑量约104.6万m3。初设阶段上述坝壳石渣料填筑控制标准为：孔隙率25%，设计干密度2.0 g/cm3，最大粒径800～1 000 mm，粒径小于5 mm的颗粒含量不超过20%，风化严重的石渣料不得上坝。

图1 黔江副坝布置

图2 黔江副坝初设典型断面

由于工程用地征用的困难，导致施工顺序变化，原设计采用的船闸上游引航道、船闸闸室及左岸厂房等一期基坑开挖石料已运至弃渣场，与其他黏性土、腐殖土、淤泥质黏土等开挖料混杂在一起，导致弃渣料无法满足初步设计对坝壳料的要求。经勘察分析，本工程弃渣场弃渣料成分主要为黏土质砾、含砾高液限黏土、碎石混合土等，不均匀性强,物理力学性质变化大，最大粒径达1 m以上，部分含有淤泥、腐殖土等成分。现行《规范》明确对黏性土以压实度、砂砾石和砂以相对密度、堆石以孔隙率作为填筑设计控制指标，对土石混合料、砾石土、风化土等并无明确的压实填筑标准和指标要求。采用以上弃渣料填坝，存在坝料质量控制难的问题。黔江副坝工期紧，任务重，若无合适的坝壳填筑料，将会影响工程的蓄水运用，坝料问题急待解决。

2 弃渣料的料性分析

经勘察分析，左岸弃渣场以黏土质砾、碎石混合土等土石混合料居多，料源含泥量高(<0.075 mm颗粒占11.2%～40.6%)，料源性质变化大，级配、含泥量变化大，干密度及软硬不均。

现场进行了多组试验，其平均颗粒级配成果见表1。从表中可以看出，弃渣场土石混合料含泥量较高，同时含砾量也较高，缺少中间级配。如果采用压实度指标进行控制，土料中黏粒、粉粒等细颗粒，由于砾石的骨架作用，难以得到有效压实，无法满足规范对一级坝98%～100%的压实度要求。如果采用相对密度或孔隙率指标进行控制，即便在没有进行常规碾压下，也容易满足规范相对密度大于等于0.75或孔隙率20%～28%的要求。本工程中，以压实度、相对密度或孔隙率为唯一的设计控制指标无法对坝料填筑质量进行有效控制。

表1 土石混合弃渣料碾压前颗粒级配成果

根据《规范》要求：风化岩石、软岩等土石料的填筑质量根据其物理力学性质可采用孔隙率、压实度或同时采用孔隙率和压实度等设计指标进行控制。填筑标准应根据试验和同类母岩的工程类比结合坝体变形、应力及抗剪强度等要求确定。当采用砾石土、风化岩石、软岩等性质特殊的土石料时，对1级坝、2级坝和3级以下高坝，应进行专门的碾压试验，论证其填筑标准。本工程需针对弃渣料的性状，通过试验分析，确定其填筑标准[5-7]。

为全面了解弃渣场土石混合料等的基本性质，掌握其压实性能，对土石混合料等进行不同P5含量(粒径大于5 mm颗粒含量)下的击实试验，以获得其最大干密度及最优含水率，其试验成果见表2。

表2 土石混合料击实试验成果

从上述的试验可以看出，当含砾量在50%～54%时，其击实后的最大干密度和最小干密度均达到最大值。而含砾量在40%～60%时，干密度已非常接近最大值，因此在弃渣场中选料时，应优选采用含砾量40%～60%的料源。

3 弃渣料的碾压试验分析

在料场选择含砾量40%～60%的料源进行碾压试验，以2～3 km/h的行车速度，进行不同铺料厚度(60、80、100 cm)和碾压遍数(6、8、10、12遍)碾压，共计9个组合[8-9]。

3.1 碾压后颗粒级配成果分析

由表3，渣场土石混合料碾压后P5含量分布在47.2%～58.3%，含泥量分布在28.3%～38.4%。对比表1，从碾压前后的颗粒级配组成来看，土石混合料碾压后颗粒级配总体变细，说明碾压过程中造成了颗粒的破碎。

3.2 压实指标成果分析

采用灌水法检测干密度，压实指标成果如下。

表3 土石混合料碾压后颗粒级配成果

表4 弃渣场土石混合料碾压试验压实成果(60 cm)

表5 弃渣场土石混合料碾压试验压实成果(80 cm)

表6 弃渣场土石混合料碾压试验压实成果(100 cm)

由表4—6可知：同一铺料厚度下，压实度、相对密度随碾压遍数的增加而增大，其中60、80 cm铺料厚度下，当碾压遍数达到8～10遍时，随着碾压遍数的增加，压实度、相对密度变化趋于平缓；100 cm铺料厚度下，当碾压遍数达到10～12遍时，随着碾压遍数的增加，其变化也趋于平缓。同一碾压遍数下，压实度、相对密度随铺料厚度的增大而减小，符合一般填筑材料的工程特性。

由表4可知：铺料厚度60 cm时，碾压6遍压实度变化范围值为95.0%～95.5%，平均值为95.3%；碾压8遍压实度变化范围值为97.3%～97.7%，平均值为97.4%；碾压10遍压实度变化范围值为98.2%～98.6%、平均值为98.3%。各种碾压遍数下相对密度均远大于0.75。

由表5可知：铺料厚度80 cm时，碾压6遍压实度变化范围值为93.6%～94.5%、平均值94.1%；碾压8遍压实度变化范围值为95.5%～96.4%、平均值95.9%；碾压10遍压实度变化范围值为96.4%～96.8%、平均值96.7%。各种碾压遍数下相对密度均远大于0.75。

由表6可知：铺料厚度100 cm时，碾压8遍压实度变化范围值为94.1%～94.5%、平均值94.2%；碾压10遍压实度变化范围值为95.0%～95.9%、平均值95.5%；碾压12遍压实度变化范围值为95.9%～96.4%，平均值96.2%。各种碾压遍数下相对密度均远大于0.75。

根据弃渣料的碾压试验，只有在铺料厚度铺料60 cm、碾压10遍的组合下压实度才能达到98%以上，其余组合压实度均不能满足规范大于98%的要求。相对密度在各种组合下均远大于0.75的要求。试验结果与前文对土料性状分析的结论相符。本工程弃渣料仅以压实度大于等于98%或相对密度大于等于0.75，均不能很好地对坝料碾压质量进行有效控制。

4 弃渣料的应用与填筑质量控制

针对黔江副坝弃渣料料性差异大、不均匀性强的特点，结合上述的成果分析，坝料设计与控制采用料性分析、压实条件分析、填筑标准及施工参数共同控制的综合方法[10-11]。

首先进行料性分析。要求根据不同的上坝料源分别进行取样进行试验，确定每种料源成分、干密度、含水量等相应的物理力学指标。根据其岩石成分，试验研究其碾压后浸水沉降变形和对抗剪强度降低的影响程度，并据此对坝体分区进行优化。

其次进行坝料颗粒级配分析，确定坝料是否具备可有效压实的条件。本工程试验表明，风化料及砾石土在碾压前后颗粒级配相差较大，在分析坝料级配时，需采用碾压后颗粒级配。对风化料、砾石土而言，为使得粗颗粒不产生骨架作用，确保粗、细颗粒可以得到有效压实，应优先采用含砾量在40%～60%的料源。

最后进行碾压试验获得的施工参数如碾压机具重量、铺填厚度、碾压遍数等进行控制，确保坝料得到有效压实。在此过程中，仍应测定与该坝料相近的设计控制指标(压实度、相对密度、孔隙率)，作为坝料是否得到有效压实的验证[12-15]。

根据本工程坝料的试验，黔江副坝弃渣料采用以下应用和控制方法。

a)坝体分区结构调整。本工程中，设计单位根据弃渣料的料性进行分区利用，对坝体分区结构作如下调整：①对部分强度较高、含泥量较少，不易软化的弃渣料源，放在迎水侧，同时起到边坡稳定作用；②对软化系数低、不能压碎成砾石土的风化石料和软岩，由于其浸水后抗剪强度明显降低、沉降变形明显增大，将其放在坝后干燥区域；③对部分含泥量较高，防渗性较好的弃渣料，放到心墙的上游侧，起到辅助防渗的作用。为确保采用弃渣料填筑后上游坝坡的稳定，根据计算分析，将上游坡比从原初步设计的1.0∶2.8调整成1.0∶3.0。弃渣料填筑时要求采用同层同料。

图3 黔江副坝坝体结构调整后典型断面

b)土石混合料控制。黔江副坝弃渣料以土石混合料居多。根据试验，设计要求以压实度大于等于98%和相对密度大于等于0.85作参考，按铺填厚度60 cm，碾压10遍以上进行控制。对含泥量(小于0.075 mm)大于15%的土石混合料铺填厚度建议按土的要求控制，铺填厚度不大于40 cm。

c)软风化弃渣料控制。软风化弃渣料碾压后基本呈土状，主要用于坝基结合部及防渗墙部位填筑。设计要求以相对密度大于等于0.85及压实度大于等于98%参考，以铺填厚度60 cm、最大粒径不大于40 cm，碾压遍数10遍以上进行控制。

d)工程实施过程中采用动态设计，根据上坝料源不同的性状，及时调整坝料分区，并根据碾压试验，确定不同坝料的施工参数和控制指标。

e)弃渣料填筑时要求同层同料，靠近心墙部位坝壳料应与心墙及反滤料平起填筑。

5 结语

结合大藤峡黔江副坝对不均匀弃渣料应用的探索和实践，提出了采用料性分析、压实条件分析、填筑标准及施工参数共同控制的综合方法，成功将不均匀性大、料性差别大的弃渣料作为坝体填料，解决了黔江副坝无满足初设要求坝料的情况。主要研究成果如下。

a)坝体断面设计时应根据坝料性状进行分区利用。对强度较高、含泥量较少、不易软化的弃渣料源，放在迎水侧；对软化系数低、不能压碎成砾石土的风化石料和软岩，放在坝壳干燥区域；对含泥量较高、防渗性较好的弃渣料，可放到心墙的上游侧，起辅助防渗作用。

b)对风化料、砾石土进行级配分析时，P5含量对坝料是否可以有效压实起到重要作用，P5含量较高时，砾石已起到骨架作用，细颗粒不能得到有效的压实，在渗水作用下容易产生渗透破坏。为确保粗、细颗粒可以得到有效压实，应优先采用碾压后含砾量在40%～60%的料源。

c)土石混合料、砾石土含有较多的细颗粒，其相对密度往往较高，采用相对密度指标难以有效对坝料碾压质量进行控制，应该用压实度指标辅以控制。

d)坝料铺填厚度不宜太大，应控制在60 cm以内，对含泥量(小于0.075 mm)大于15%的土石混合料，铺填厚度应小于40 cm。坝料碾压遍数不宜小于10遍(2振+8静)。

大藤峡水利枢纽目前已蓄水运行，期间水库经历过多次的水位上涨和降落的过程。根据监测资料分析，大坝渗流量远低于设计值，坝坡处于稳定的状态，坝体基本无工后沉降。采用不均匀弃渣料填筑的黔江副坝运行状态总体良好。