不均勻棄渣料在大藤峽水利樞紐黔江副壩的應用研究

范穗興，涂曉霞

(中水珠江規劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 研究背景

現代土石壩往往采用建筑物開挖棄料填筑壩體，可以減少料場和渣場的征用，有利于保護生態環境、節省工程投資。在棄渣料利用的過程中，經常遇到料性不均勻的土石混合料、礫石土、風化土等壩料?，F行SL 274—2020《碾壓式土石壩設計規范》(以下簡稱《規范》)對上述壩料并無明確的壓實填筑標準和指標要求[1]，無法采用壓實度、相對密度、孔隙率等單一控制指標對壩料填筑質量進行有效控制，致使工程難以有效利用一些棄渣料，需另設專門的料場和渣場，導致占用大量土地，影響生態環境[2-4]。本文結合不均勻棄渣料在大藤峽水利樞紐黔江副壩上的應用，對不均勻的土石混合料、礫石土、風化土等壩料的運用進行研究分析，提出控制方法和措施。

大藤峽水利樞紐為西江干流重要的防洪型水庫，工程為Ⅰ等大(1)型工程，設計洪水標準為1 000年一遇，校核洪水標準為10 000年一遇，地位十分重要。黔江副壩位于大藤峽水利樞紐左岸，全長1 073 m，最大壩高30.00 m，壩頂寬8 m，上游壩坡為1.0∶2.8，下游壩坡為1.0∶2.5，采用黏土心墻石渣壩壩型。初設階段黔江副壩壩體上、下游壩殼石渣料利用船閘上游引航道、船閘閘室及左岸廠房等一期基坑的開挖石料填筑，填筑量約104.6萬m3。初設階段上述壩殼石渣料填筑控制標準為：孔隙率25%，設計干密度2.0 g/cm3，最大粒徑800～1 000 mm，粒徑小于5 mm的顆粒含量不超過20%，風化嚴重的石渣料不得上壩。

圖1 黔江副壩布置

圖2 黔江副壩初設典型斷面

由于工程用地征用的困難，導致施工順序變化，原設計采用的船閘上游引航道、船閘閘室及左岸廠房等一期基坑開挖石料已運至棄渣場，與其他黏性土、腐殖土、淤泥質黏土等開挖料混雜在一起，導致棄渣料無法滿足初步設計對壩殼料的要求。經勘察分析，本工程棄渣場棄渣料成分主要為黏土質礫、含礫高液限黏土、碎石混合土等，不均勻性強,物理力學性質變化大，最大粒徑達1 m以上，部分含有淤泥、腐殖土等成分?，F行《規范》明確對黏性土以壓實度、砂礫石和砂以相對密度、堆石以孔隙率作為填筑設計控制指標，對土石混合料、礫石土、風化土等并無明確的壓實填筑標準和指標要求。采用以上棄渣料填壩，存在壩料質量控制難的問題。黔江副壩工期緊，任務重，若無合適的壩殼填筑料，將會影響工程的蓄水運用，壩料問題急待解決。

2 棄渣料的料性分析

經勘察分析，左岸棄渣場以黏土質礫、碎石混合土等土石混合料居多，料源含泥量高(<0.075 mm顆粒占11.2%～40.6%)，料源性質變化大，級配、含泥量變化大，干密度及軟硬不均。

現場進行了多組試驗，其平均顆粒級配成果見表1。從表中可以看出，棄渣場土石混合料含泥量較高，同時含礫量也較高，缺少中間級配。如果采用壓實度指標進行控制，土料中黏粒、粉粒等細顆粒，由于礫石的骨架作用，難以得到有效壓實，無法滿足規范對一級壩98%～100%的壓實度要求。如果采用相對密度或孔隙率指標進行控制，即便在沒有進行常規碾壓下，也容易滿足規范相對密度大于等于0.75或孔隙率20%～28%的要求。本工程中，以壓實度、相對密度或孔隙率為唯一的設計控制指標無法對壩料填筑質量進行有效控制。

表1 土石混合棄渣料碾壓前顆粒級配成果

根據《規范》要求：風化巖石、軟巖等土石料的填筑質量根據其物理力學性質可采用孔隙率、壓實度或同時采用孔隙率和壓實度等設計指標進行控制。填筑標準應根據試驗和同類母巖的工程類比結合壩體變形、應力及抗剪強度等要求確定。當采用礫石土、風化巖石、軟巖等性質特殊的土石料時，對1級壩、2級壩和3級以下高壩，應進行專門的碾壓試驗，論證其填筑標準。本工程需針對棄渣料的性狀，通過試驗分析，確定其填筑標準[5-7]。

為全面了解棄渣場土石混合料等的基本性質，掌握其壓實性能，對土石混合料等進行不同P5含量(粒徑大于5 mm顆粒含量)下的擊實試驗，以獲得其最大干密度及最優含水率，其試驗成果見表2。

表2 土石混合料擊實試驗成果

從上述的試驗可以看出，當含礫量在50%～54%時，其擊實后的最大干密度和最小干密度均達到最大值。而含礫量在40%～60%時，干密度已非常接近最大值，因此在棄渣場中選料時，應優選采用含礫量40%～60%的料源。

3 棄渣料的碾壓試驗分析

在料場選擇含礫量40%～60%的料源進行碾壓試驗，以2～3 km/h的行車速度，進行不同鋪料厚度(60、80、100 cm)和碾壓遍數(6、8、10、12遍)碾壓，共計9個組合[8-9]。

3.1 碾壓后顆粒級配成果分析

由表3，渣場土石混合料碾壓后P5含量分布在47.2%～58.3%，含泥量分布在28.3%～38.4%。對比表1，從碾壓前后的顆粒級配組成來看，土石混合料碾壓后顆粒級配總體變細，說明碾壓過程中造成了顆粒的破碎。

3.2 壓實指標成果分析

采用灌水法檢測干密度，壓實指標成果如下。

表3 土石混合料碾壓后顆粒級配成果

表4 棄渣場土石混合料碾壓試驗壓實成果(60 cm)

表5 棄渣場土石混合料碾壓試驗壓實成果(80 cm)

表6 棄渣場土石混合料碾壓試驗壓實成果(100 cm)

由表4—6可知：同一鋪料厚度下，壓實度、相對密度隨碾壓遍數的增加而增大，其中60、80 cm鋪料厚度下，當碾壓遍數達到8～10遍時，隨著碾壓遍數的增加，壓實度、相對密度變化趨于平緩；100 cm鋪料厚度下，當碾壓遍數達到10～12遍時，隨著碾壓遍數的增加，其變化也趨于平緩。同一碾壓遍數下，壓實度、相對密度隨鋪料厚度的增大而減小，符合一般填筑材料的工程特性。

由表4可知：鋪料厚度60 cm時，碾壓6遍壓實度變化范圍值為95.0%～95.5%，平均值為95.3%；碾壓8遍壓實度變化范圍值為97.3%～97.7%，平均值為97.4%；碾壓10遍壓實度變化范圍值為98.2%～98.6%、平均值為98.3%。各種碾壓遍數下相對密度均遠大于0.75。

由表5可知：鋪料厚度80 cm時，碾壓6遍壓實度變化范圍值為93.6%～94.5%、平均值94.1%；碾壓8遍壓實度變化范圍值為95.5%～96.4%、平均值95.9%；碾壓10遍壓實度變化范圍值為96.4%～96.8%、平均值96.7%。各種碾壓遍數下相對密度均遠大于0.75。

由表6可知：鋪料厚度100 cm時，碾壓8遍壓實度變化范圍值為94.1%～94.5%、平均值94.2%；碾壓10遍壓實度變化范圍值為95.0%～95.9%、平均值95.5%；碾壓12遍壓實度變化范圍值為95.9%～96.4%，平均值96.2%。各種碾壓遍數下相對密度均遠大于0.75。

根據棄渣料的碾壓試驗，只有在鋪料厚度鋪料60 cm、碾壓10遍的組合下壓實度才能達到98%以上，其余組合壓實度均不能滿足規范大于98%的要求。相對密度在各種組合下均遠大于0.75的要求。試驗結果與前文對土料性狀分析的結論相符。本工程棄渣料僅以壓實度大于等于98%或相對密度大于等于0.75，均不能很好地對壩料碾壓質量進行有效控制。

4 棄渣料的應用與填筑質量控制

針對黔江副壩棄渣料料性差異大、不均勻性強的特點，結合上述的成果分析，壩料設計與控制采用料性分析、壓實條件分析、填筑標準及施工參數共同控制的綜合方法[10-11]。

首先進行料性分析。要求根據不同的上壩料源分別進行取樣進行試驗，確定每種料源成分、干密度、含水量等相應的物理力學指標。根據其巖石成分，試驗研究其碾壓后浸水沉降變形和對抗剪強度降低的影響程度，并據此對壩體分區進行優化。

其次進行壩料顆粒級配分析，確定壩料是否具備可有效壓實的條件。本工程試驗表明，風化料及礫石土在碾壓前后顆粒級配相差較大，在分析壩料級配時，需采用碾壓后顆粒級配。對風化料、礫石土而言，為使得粗顆粒不產生骨架作用，確保粗、細顆?？梢缘玫接行簩?，應優先采用含礫量在40%～60%的料源。

最后進行碾壓試驗獲得的施工參數如碾壓機具重量、鋪填厚度、碾壓遍數等進行控制，確保壩料得到有效壓實。在此過程中，仍應測定與該壩料相近的設計控制指標(壓實度、相對密度、孔隙率)，作為壩料是否得到有效壓實的驗證[12-15]。

根據本工程壩料的試驗，黔江副壩棄渣料采用以下應用和控制方法。

a)壩體分區結構調整。本工程中，設計單位根據棄渣料的料性進行分區利用，對壩體分區結構作如下調整：①對部分強度較高、含泥量較少，不易軟化的棄渣料源，放在迎水側，同時起到邊坡穩定作用；②對軟化系數低、不能壓碎成礫石土的風化石料和軟巖，由于其浸水后抗剪強度明顯降低、沉降變形明顯增大，將其放在壩后干燥區域；③對部分含泥量較高，防滲性較好的棄渣料，放到心墻的上游側，起到輔助防滲的作用。為確保采用棄渣料填筑后上游壩坡的穩定，根據計算分析，將上游坡比從原初步設計的1.0∶2.8調整成1.0∶3.0。棄渣料填筑時要求采用同層同料。

圖3 黔江副壩壩體結構調整后典型斷面

b)土石混合料控制。黔江副壩棄渣料以土石混合料居多。根據試驗，設計要求以壓實度大于等于98%和相對密度大于等于0.85作參考，按鋪填厚度60 cm，碾壓10遍以上進行控制。對含泥量(小于0.075 mm)大于15%的土石混合料鋪填厚度建議按土的要求控制，鋪填厚度不大于40 cm。

c)軟風化棄渣料控制。軟風化棄渣料碾壓后基本呈土狀，主要用于壩基結合部及防滲墻部位填筑。設計要求以相對密度大于等于0.85及壓實度大于等于98%參考，以鋪填厚度60 cm、最大粒徑不大于40 cm，碾壓遍數10遍以上進行控制。

d)工程實施過程中采用動態設計，根據上壩料源不同的性狀，及時調整壩料分區，并根據碾壓試驗，確定不同壩料的施工參數和控制指標。

e)棄渣料填筑時要求同層同料，靠近心墻部位壩殼料應與心墻及反濾料平起填筑。

5 結語

結合大藤峽黔江副壩對不均勻棄渣料應用的探索和實踐，提出了采用料性分析、壓實條件分析、填筑標準及施工參數共同控制的綜合方法，成功將不均勻性大、料性差別大的棄渣料作為壩體填料，解決了黔江副壩無滿足初設要求壩料的情況。主要研究成果如下。

a)壩體斷面設計時應根據壩料性狀進行分區利用。對強度較高、含泥量較少、不易軟化的棄渣料源，放在迎水側；對軟化系數低、不能壓碎成礫石土的風化石料和軟巖，放在壩殼干燥區域；對含泥量較高、防滲性較好的棄渣料，可放到心墻的上游側，起輔助防滲作用。

b)對風化料、礫石土進行級配分析時，P5含量對壩料是否可以有效壓實起到重要作用，P5含量較高時，礫石已起到骨架作用，細顆粒不能得到有效的壓實，在滲水作用下容易產生滲透破壞。為確保粗、細顆?？梢缘玫接行簩?，應優先采用碾壓后含礫量在40%～60%的料源。

c)土石混合料、礫石土含有較多的細顆粒，其相對密度往往較高，采用相對密度指標難以有效對壩料碾壓質量進行控制，應該用壓實度指標輔以控制。

d)壩料鋪填厚度不宜太大，應控制在60 cm以內，對含泥量(小于0.075 mm)大于15%的土石混合料，鋪填厚度應小于40 cm。壩料碾壓遍數不宜小于10遍(2振+8靜)。

大藤峽水利樞紐目前已蓄水運行，期間水庫經歷過多次的水位上漲和降落的過程。根據監測資料分析，大壩滲流量遠低于設計值，壩坡處于穩定的狀態，壩體基本無工后沉降。采用不均勻棄渣料填筑的黔江副壩運行狀態總體良好。