經(jīng)驗介紹：堅硬爆破壩料碾壓試驗孔隙率偏大原因分析
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作者：曹建國
1.料場區(qū)地質(zhì)概況
吉音水利樞紐位于新疆于田縣克里雅河干流上，料場區(qū)距壩址下游2. Skm，巖層主要為中元古界，基巖巖性為灰綠色斜長角閃片巖，塊狀，巨厚層，巖石堅硬，比重大，節(jié)理發(fā)育，呈網(wǎng)狀碎裂結(jié)構(gòu)。其物理和力學(xué)性質(zhì)指標見表1所列。
2.試驗指標初擬
2.1 試驗區(qū)選擇
碾壓試驗區(qū)選擇在地勢平坦、地基堅實區(qū)域，鋪料前用水準儀復(fù)核平整度。試驗區(qū)分為8 .10、J2、I4遍四個試驗單元，每區(qū)面積7m x 20m，其長邊為碾壓機械行走方向，采用2m x2m方格網(wǎng)點高程控制80cm鋪料厚度基準面。
2.2試驗參數(shù)擬定
根據(jù)工程區(qū)巖石的物理力學(xué)特性，參考國內(nèi)外爆破料堆石壩施工控制參數(shù)，初擬吉音水利樞紐大壩爆破料碾壓試驗指標為：孔隙率不大于20%，滲透系數(shù)不小于5 xl0-2 cm/s，最大粒徑不大于600mm，Smm以下含量不大于12%，0.075 mm以下含量不大于5%,級配連續(xù)。采用YZT20A拖式振動碾，推土機牽引，行車速度2.0~2. 5km/h。振動碾前進、后退各算一遍，采用錯距法，保證兩相鄰碾壓帶重疊搭接。相鄰試驗單元間預(yù)留1m非碾壓區(qū)，避免各試驗單元相互影響。碾壓完成后，測量原方格各網(wǎng)點高程，測定其沉降率與碾壓遍數(shù)的關(guān)系。
2.3試驗科目及方法
碾壓試驗檢測項目：堆石料碾壓前全顆粒分析、天然比重和壓實后原位密度、顆粒分析、滲透系數(shù)、含水率。
顆粒分析采用標準圓孔篩篩分，根據(jù)《土工試驗規(guī)程——顆粒分析試驗》（SL 237-006-1999）規(guī)定，將大于60mm的石塊直接用鋼卷尺量測其粒徑，小于60mm的顆粒用分級篩從孑L徑60mm、40mm、20mm、10mm至Smm逐級篩分，小于Smm的顆粒用四分法取樣回試驗室內(nèi)篩分，計算全試樣級配組成，繪制各試驗單元堆石料碾壓前后級配曲線。
天然比重按照碾壓前顆粒篩分情況，分別測定不同試點、各級爆破壩料比重進行加權(quán)平均。
根據(jù)《土工試驗規(guī)程——原位密度試驗》(SL 237-041-1999)的有關(guān)要求，壓實后原位密度試驗主要采用挖坑灌砂法，輔以灌水法復(fù)檢。為確保試驗精度，試驗前需精確率定標準砂，固定相關(guān)操作人員，按規(guī)定程序挖坑、取料、稱重、灌砂或灌水。
滲透試驗按照《水電工程注水試驗規(guī)程》(SI．345-2007)中單環(huán)法相關(guān)要求執(zhí)行，保證注水環(huán)安裝水平，并與測試面接觸良好不漏水。
含水率按照《土工試驗規(guī)程——含水率試驗》(SI．237-003-1999)中有關(guān)規(guī)定采用烘干法測定，將試樣放人烘箱在105~lIO.C下烘至恒重，時間不少于6h,再將試樣放人干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱重。
3試驗結(jié)果統(tǒng)計分析
3.1平均比重測定（見表2）
3.2沉降量測定
表3證明當(dāng)該壩料碾壓遍數(shù)從12遍增加到14遍時的沉降率差已經(jīng)非常微小，因此近似確定壩料碾壓沉降穩(wěn)定值為12遍，不對其14遍試驗區(qū)相關(guān)參數(shù)進行分析。
3.3 滲透系數(shù)測定
碾壓遍數(shù)與滲透系數(shù)關(guān)系見表4
試驗證明碾壓8~ 12遍的壩料，其滲透系數(shù)均在設(shè)計范圍內(nèi)，滿足壩體排水要求，并與碾壓遍數(shù)呈反相關(guān)，變化規(guī)律主要是P5含量變化所致。
3.4 壩料碾壓前后級配變化分析
因篇幅有限，只列舉三組具有代表性數(shù)據(jù)進行對比分析。圖1、圖2和圖3分別是按設(shè)計級配曲線包絡(luò)圖中上包線、下包線和中間線的級配比例進行篩分、稱量、摻配、拌制、攤鋪和10遍標準碾壓等程序進行的現(xiàn)場試驗，對比分析壩料碾壓前后級配變化情況。圖表統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：該爆破壩料級配在600~ 200mm之間減幅明顯，100~10mm之間增幅較大，小于Smm變化甚微，明顯超出了設(shè)計包絡(luò)線。
3.5 孔隙率測定
表6數(shù)據(jù)表明：此類爆破壩料在沉降變形穩(wěn)定，滲透系數(shù)和Ps含量都在設(shè)計及規(guī)范允許范圍內(nèi)時，孔隙率達不到20%的控制標準。試驗證明，此類壩料只有將孔隙率參數(shù)設(shè)定為22%，碾壓參數(shù)為10遍才能達到試驗合格率的要求，但調(diào)整后的參數(shù)仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)(20%~25%)。
4. 孔隙率偏大原因分析
4.1 試驗比重值比天然巖體比重值偏大的原因
a．試驗取樣時為了方便，一般都在壩料開挖現(xiàn)場和試驗現(xiàn)場取料，試驗樣本已不是天然巖體的原有結(jié)構(gòu)，忽略了天然巖體中自身存在的空隙。尤其在軟弱夾層較多或內(nèi)部空隙較大的天然巖體中表現(xiàn)更為突出，試驗得到的比重其實是已經(jīng)扣除了巖體自身空隙率后的比重。
b．壩料在爆破、裝運、篩分等試驗過程中小于5mm的砂子易流失，試樣中砂子的比例比天然巖體中所占比例低，從而增大試驗比重值。
c．爆破、裝運等施工過程將會使塊石遭受擠壓破壞，產(chǎn)生新的小于Smm的砂子，此類砂子又比天然巖體中砂子的比重大，導(dǎo)致試驗測定的砂子平均比重變大，從而增大試驗比重值。
鑒于以上情況，比重值試驗應(yīng)采用現(xiàn)場鉆孔取樣法，準確測定相應(yīng)體積的表觀密度作為孔隙率的計算依據(jù)，否則將導(dǎo)致碾壓試驗孔隙率偏大。
4.2 巖體本身的物理力學(xué)特性的原因
吉音水利樞紐壩料場區(qū)巖石為堅硬的角閃片巖，微風(fēng)化干抗壓強度高達83MPa，弱風(fēng)化飽和抗壓強度43MPa，但因節(jié)理發(fā)育，網(wǎng)狀碎裂結(jié)構(gòu)明顯，抗剪斷強度僅有0. 75~1.15 MPa，遠低于一般巖石抗剪斷強度為抗壓強度1/8~1/12的范圍，說明此類巖石具有高抗壓低抗剪的物理力學(xué)特性，此巖石在碾壓初期階段，堆石料中有大量顆粒處于受剪切狀態(tài)，在垂直外壓力作用下，處于受剪狀態(tài)的巖石塊體易沿節(jié)理面發(fā)生剪切破壞。隨著塊體間的剪切破壞完成，逐步向全抗壓狀態(tài)轉(zhuǎn)化后，因無節(jié)理面小塊體的巖石抗壓強度非常高，塊體棱角和塊體本身都不容易被繼續(xù)壓碎，堆石料顆粒間不容易發(fā)生水平側(cè)向擠入和垂直壓縮變形，從而導(dǎo)致碾壓試驗孔隙率偏大。
4.3 壩料級配變化特性的原因
從壩料碾壓前后的級配曲線變化情況來看，呈現(xiàn)出兩頭尖瘦，中間寬肥的特點。這充分說明大塊巖體的破碎率高，極易按巖石節(jié)理面碎裂成小塊體，但小塊體間沒有將其繼續(xù)碎裂成細小顆料的節(jié)理面，小塊體的破碎率低，碾壓前后小于5mm的顆粒變幅很少，堆石料間的空隙沒有相應(yīng)的細料充填，造成碾壓前后級配曲線變幅較大，超出設(shè)計包絡(luò)線范圍較多，導(dǎo)致試驗孔隙率值偏大。
a．從8遍到10遍碾壓的沉降變幅只增加了0. 75%，證明此堅硬爆破壩料碾壓10遍就已基本穩(wěn)定，綜合質(zhì)量安全、施工進度、經(jīng)濟性等因素，確定此類堅硬爆破壩料碾壓10遍即能滿足規(guī)范要求。
b．綜合級配、碾壓遍數(shù)、滲透系數(shù)、沉降量等參數(shù)分析，此類堅硬爆破壩料的孔隙率按22%控制更為經(jīng)濟合理，不能一味追求高指標。
c．設(shè)計級配曲線包絡(luò)圖應(yīng)根據(jù)巖石的物理力學(xué)特性經(jīng)現(xiàn)場試驗修正，類似堅硬爆破壩料設(shè)計級配曲線包絡(luò)圖中上、下包絡(luò)線間寬度范圍應(yīng)適當(dāng)增加，否則該巖石很難通過爆破作業(yè)直接達到理想級配。
d．類似巖石因成砂率較低，施工時可通過人工增加小于5mrn的顆粒含量，以提高壩料顆粒間的充填性，降低孔隙率。
5摘要
土石壩工程中爆破壩料填筑多以孔隙率控制，壩料碾壓試驗是壩體施工前的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系工程施工質(zhì)量、運行安全和建設(shè)成本，因此相關(guān)施工參數(shù)需通過多次試驗修正。本文通過分析吉音水利樞紐爆破壩料碾壓試驗孔隙率偏大的原因，提出相應(yīng)的解決方法和措施，為同類工程建設(shè)提供借鑒與參考。
