基于分形理论确定堆石料填筑标准及现场填筑质量检测的方法

摘要

本发明涉及一种基于分形理论确定堆石料填筑标准及现场填筑质量检测的方法，首先对颗粒分形分布模型验证；然后建立级配参数~干密度或孔隙率相互关系、建立级配参数~压缩模量的相互关系；其次确定满足压缩模量要求的堆石料填筑级配或级配包络线，获取填筑孔隙率指标或指标范围；再次进行渗透试验、测量渗透系数，若不满足渗透要求，缩减调整级配范围，直到满足要求；最后，查验是否满足设计相对密度条件下填筑孔隙率的要求。本发明提出采用孔隙率和相对密度的双控标准，控制堆石体的填筑质量，能够综合考虑堆石料的级配和母岩特性、压实程度对堆石体变形性能的影响，为堆石坝整体稳定和有效变形控制提供可靠依据，保证大坝的建设和运行安全。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可广泛用于水利水电、土木工程及交通工程堆石料的填筑质量评价标准与实施问题，属于水利土木工程技术领域。

背景技术

高土石坝的建设与运行安全，要求对坝体进行严格的变形控制以及各填筑分区的变形协调设计，这就需要准确把握堆石体的工程特性。对于堆石料或砂砾料而言，其工程特性主要取决于3个方面：一是坝料自身特性即母岩特性与级配特性，这是决定颗粒充填关系优劣与颗粒破碎程度的基础，可近似采用孔隙率衡量。二是通过振动碾等不同方式的外力做功，使得填筑坝料密实的程度，Terzaghi提出以相对密度评价其松紧程度与压实质量。三是压实后坝料的渗透特性，可用渗透系数衡量。可见，控制堆石坝变形的关键在于堆石体的密实程度，取决于颗粒级配组成和压实标准，不能用单一的孔隙率或相对密度指标控制。

对于堆石(砂砾)体的填筑标准，目前《碾压式土石坝设计规范DLT5395-2007》第6.2.7 条、《混凝土面板堆石坝设计规范DLT5016-2011》第6.4.2条规定：堆石体采用孔隙率指标，砂砾体采用相对密度指标衡量。可见，当仅以孔隙率指标控制，则颗粒充填关系优良的级配，在较低相对密度条件下也能达到孔隙率要求。反之，仅以相对密度控制，则颗粒充填关系相对较差的级配，即使提高相对密度指标，在高压力条件下仍然难以达到较低的孔隙率。上述两种情况堆石体的压缩性均可能较大，客观上不能满足大坝变形控制与变形协调的要求。这也是已建的不同高土石坝，虽然采用单一的相同指标控制，但各原型大坝的实测变形差异较大、达不到变形控制目的的内在原因。如同为2016年建成、堆石体填筑平均孔隙率均为19％的大渡河猴子岩大坝(坝高223.5m)，实测竣工期最大沉降120cm，占坝高0.5％。而长河坝大坝(坝高240m)堆石体实测竣工最大沉降大于262cm，占坝高百分比大于1％。可见，对于目前堆石体的填筑标准，理论上仍不完整，在高土石坝的实践中也存在着明显问题，已经制约了现代高坝的发展。

对于强调整体稳定和变形控制的高坝堆石(砂砾)体而言，既要考虑使用相对密度控制标准，对堆石体的压实程度进行评价。也要考虑采用孔隙率指标，在反映堆石体压实程度的同时，反映母岩、级配的差异对堆石体变形与强度的影响。为此，本发明基于分形理论，提出一种确定堆石料填筑指标以及实际填筑质量检测的方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有筑坝技术中关于堆石体填筑标准存在的不足，本发明提供一种基于分形理论的确定堆石料填筑标准以及现场填筑质量检测的方法，该方法能够考虑堆石料的级配和母岩特性、压实程度对堆石体变形性能的影响，为高堆石坝的整体稳定和变形控制提供可靠依据，保证大坝的运行安全。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于分形理论确定堆石料填筑标准的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取料场或填筑场地施工面的堆石料，进行材料级配的统计分析，建立不同最大控制粒径条件下的颗粒级配分布分形模型。

步骤2，根据颗粒级配分布分形模型，选取两组以上代表性缩尺级配堆石料，进行室内相对密度试验，建立室内试验极值干密度值与级配特性之间的关系曲线。

步骤3，确定堆石料设计相对密度压实标准Dr，选取料场或填筑场地施工面的堆石级配包络线范围内不低于代表性缩尺级配组数的堆石料，根据步骤2试验得到的最大、最小干密度，计算制样干密度，进行室内压缩试验，建立代表性缩尺级配堆石料的压缩模量与级配特性之间的关系曲线。

步骤4，根据堆石料填筑体的工作应力范围，设定满足规范相对密度要求且与堆石料工作条件相适应的最低压缩模量参考值，根据步骤3得到的压缩模量与级配特性之间的关系曲线，确定满足大坝变形控制要求的粒度分形指标或级配范围。

步骤5，根据步骤4得到的堆石料粒度分形指标或级配范围，进行现场填筑级配的极值干密度试验，得到满足大坝变形控制要求的填筑干密度指标或指标范围。

步骤6，对选定堆石料的粒度分形指标或级配范围，按步骤3、步骤5确定的相对密度和填筑干密度指标碾压压实，进行渗透试验测量渗透系数，若不满足渗透要求，缩减调整步骤4确定的粒度分形指标或级配范围，直到满足要求。

优选的：所述步骤3计算堆石料的干密度公式为：

其中，γ_d为干密度，γ_max为最大干密度，γ_min为最小干密度，Dr为设计相对密度指标，>

优选的：在步骤1中堆石料级配统计分析的原则为：初选级配的包络线范围，选取最大控制粒径不应低于50组并包含设计级配的上、下包线和平均线。

优选的：所述步骤1中对堆石料进行材料级配的统计分析的分形分布公式：

或

其中，p_i为缩尺级配小于某筛孔直径d_i的质量百分数，d_max级配料的最大粒径，d_min级配料的最小粒径，D为堆石料级配的粒度分形维数。

优选的：所述步骤2中试样室内最小干密度试验采用松铺法。最大干密度试验的操作方法为，采用表面振动器法或振动台法，对步骤1选定的堆石料，进行最大干密度值试验。

优选的：所述步骤2中室内相对密度试验采用室内极值干密度缩尺试验。

优选的：所述步骤3的操作方法为，在料场级配包络线范围内，选取任一最大控制粒径的堆石料代表性级配，试验组数不应低于5组。

优选的：所述步骤4的操作方法为，确定最低压缩模量参考值时，考虑到堆石料应力应变的非线性以及室内试验缩尺效应的影响，根据不同高度堆石坝或同一座堆石坝不同区域的工作应力范围进行选取。

优选的：步骤4，选取堆石料的压缩模量控制值为:0.8～3.2MPa范围内不低于150MPa， 3.2MPa到6.4MPa范围内不低于200MPa。

一种检测上述的基于分形理论确定堆石料填筑标准的方法实施堆石料的实际填筑质量的方法，包括以下步骤：

步骤A，进行现场挖坑检测填筑质量时，按灌水法或灌砂法测量堆石体的干密度。同时进行级配筛分，求取最大粒径以及粒度分形指标。

步骤B，利用步骤A检测坑内堆石料的最大粒径以及粒度分形指标，根据步骤5不同最大控制粒径下的极值干密度值与级配特性之间的关系，查取检测坑内堆石料的最大、最小干密度，并利用步骤3确定的设计相对密度压实标准Dr，计算满足压实要求的干密度或孔隙率指标。

步骤C，对于步骤B检测坑内堆石料的干密度检测值，同时满足步骤5和步骤B的干密度或孔隙率要求，则检测坑的填筑质量合格。否则为不合格。

本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：

本发明提出采用孔隙率和相对密度的双控标准，控制堆石体的填筑质量，能够综合考虑堆石料的级配和母岩特性、压实程度对堆石体变形性能的影响，为堆石坝整体稳定和有效变形控制提供可靠依据，保证大坝的建设和运行安全。

附图说明

图1为现场堆石料填筑级配曲线。

图2为级配的力度分形维数与干密度的试验结果曲线。

图3为不同应力范围的压缩模量曲线。

图4为本实施例的最大、最小干密度值。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种基于分形理论确定堆石料的填筑指标与现场质量检测的方法。首先，对料场或填筑现场堆石料的级配进行统计分析进行颗粒分形分布模型验证。第二，选用现场级配参数范围内的不同级配堆石料，进行室内相对密度试验，建立级配参数～相对密度～干密度(孔隙率) 的相互关系或相互关系曲线。第三，选用现场级配参数范围内的不同级配堆石料，按选定规范的相对密度标准制样，进行室内压缩试验，建立级配参数～相对密度～压缩模量的相互关系或相互关系曲线。第四，根据工程变形控制的要求，选取相应工作压力范围内的压缩模量参考指标，确定满足相对密度指标和压缩模量参考指标要求的堆石料填筑级配参数或级配范围。第五，选用满足填筑级配参数或级配范围的不同级配堆石料，进行现场填筑级配的极值干密度试验，得到满足大坝变形控制要求的填筑干密度(孔隙率)指标或指标范围。第六，对选定堆石料的级配范围，按确定的相对密度和孔隙率指标碾压压实，进行渗透试验、测量渗透系数，若不满足渗透要求，缩减调整第五步确定的级配范围，直到满足要求。最后，对填筑堆石料进行现场挖坑检测干密度(孔隙率)，同时进行级配筛分，求取最大粒径以及粒度分形指标，查验是否满足设计相对密度条件下填筑孔隙率的要求。

具体包括以下步骤：

步骤1，选取料场或填筑现场的堆石料，进行填筑级配的统计分析，建立不同最大控制粒径条件下的颗粒级配分形模型。

在步骤1中堆石料级配统计分析的原则为，按相关规范的要求，初选级配的包络线范围，选取最大控制粒径不应低于50组并包含设计级配的上、下包线和平均线，以保证统计规律的合理性。

步骤2，根据颗粒级配分布统计模型，选取若干组代表性缩尺级配堆石料，进行室内相对密度试验，得到室内试验极值干密度(孔隙率)值与级配特性之间的关系曲线。

所述步骤2中试样室内最小干密度试验采用松铺法。最大干密度试验的操作方法为，采用表面振动器法或振动台法，对步骤1选定的堆石料，根据《水电水利粗粒土试验规程DL/T5356-2006》中第5条规定的步骤，进行最大干密度值试验。

所述步骤2的操作方法为，将步骤1选定的试验堆石料，拟定若干组代表性级配，进行室内极值干密度缩尺试验。

所述步骤2试验堆石料进行相对密度室内缩尺试验时，为有效避免缩尺效应的影响，可采用发明人获得的两项专利技术——一种基于分形理论的粗粒料缩尺级配确定方法(专利号：ZL 201310028083.0)以及“一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法及试验装置”(专利号：ZL 20151067446.8)。

步骤3，根据相关规范确定的堆石料设计相对密度压实标准Dr，选取料场或填筑场地施工面的堆石级配包络线范围内不低于5组代表性级配料，根据步骤2试验得到的最大、最小干密度，计算制样干密度，进行室内压缩试验，建立堆石料的压缩模量与级配特性之间的关系曲线。

所述步骤3的操作方法为，在料场级配包络线范围内，选取某一最大控制粒径的堆石料代表性级配，试验组数不应低于5组。试验堆石料进行室内压缩模量缩尺试验时，为有效避免缩尺效应的影响，可采用发明人获得的两项专利技术——一种基于分形理论的粗粒料缩尺级配确定方法(专利号：ZL 201310028083.0)以及“一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法及试验装置”(专利号：ZL 20151067446.8)。

所述步骤3的相对密度选取，可依据《碾压式土石坝设计规范DLT5395-2007》第6.2.7 条、《混凝土面板堆石坝设计规范DLT5016-2011》第6.4.2条、《水电工程水工建筑物抗震设计规范NB 35047-2015》第6.2.8条规定选取，试验的制样干密度或孔隙率计算公式为：

其中，γ_d制样干密度，γ_max为最大干密度，γ_min为最小干密度，Dr为设计指标，n孔隙率，Gs为堆石料的母岩比重。

步骤4，根据堆石料填筑体的工作应力范围，设定满足规范相对密度要求、与堆石料工作条件相适应的最低压缩模量参考值，根据步骤3得到的压缩模量与级配特性之间的关系曲线，确定满足大坝变形控制要求的粒度分形指标或级配范围。

所述步骤4的操作方法为，确定最低压缩模量参考值时，考虑到堆石料应力应变的非线性以及室内试验缩尺效应的影响，可根据不同高度堆石坝或同一座堆石坝不同区域的工作应力范围，合理选取。

步骤5，根据步骤4得到的堆石料粒度分形指标或级配范围，进行现场重型振动碾压实条件下的相对密度试验，得到相应的最大、最小干密度(孔隙率)值，确定满足大坝变形控制要求的填筑干密度(孔隙率)指标或指标范围。

所述步骤5的操作方法为，根据步骤1建立的级配统计模型，计算满足粒度分形指标要求的现场堆石料试验级配，进行重型振动碾压实条件下的极值干密度试验，可采用发明人已获得的发明专利技术——一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法(专利号：ZL 201110027333.X)，也可采用国家级工法——密度桶法(编号：GJEJF203-2008)。

步骤6，对选定堆石料的粒度分形指标或级配范围，按步骤3、步骤5确定的相对密度和孔隙率指标碾压压实，进行渗透试验测量渗透系数，若不满足渗透要求，缩减调整步骤4 确定的级配范围，直到满足要求。

通过步骤1～步骤6即可确定满足堆石料变形控制的填筑指标，包括填筑干密度(孔隙率) 和相对密度两个指标。

以下步骤为实施堆石料实际填筑质量的检测方法：

步骤7，根据相关施工规范，进行现场挖坑检测填筑质量时，按灌水法或灌砂法测量堆石体的干密度(孔隙率)。同时进行级配筛分，求取最大粒径以及粒度分形指标。

步骤8，利用步骤7检测坑内堆石料的最大粒径以及粒度分形指标，根据步骤5现场极值干密度值与级配特性之间的关系，查取检测坑内堆石料的最大、最小干密度(孔隙率)，并利用步骤5确定的相对密度标准，计算满足压实要求的干密度(孔隙率)指标。

步骤9，对于步骤7检测坑内堆石料的干密度(孔隙率)检测值，同时满足步骤5和步骤8的孔隙率要求，则检测坑的填筑质量合格。否则为不合格。

实例一

本实施案例结合某工程筑坝堆石料的现场级配以及缩尺级配，进行相对密度试验与压缩试验，按本专利建议的方法，确定堆石料的孔隙率和相对密度双控指标，该工程大坝位于强震区，填筑堆石料的相对密度设计指标为0.75。图1为现场堆石料填筑级配，共109组。

步骤1，对现场109组堆石料级配的颗粒质量分布进行统计分析，按式(1)所示的分形分布公式检验，平均相关系数大于0.96，符合分形分布特性。其上包线、平均线以及下包线的粒度分形维数分别为2.615、2.542和2.412。

其中p_i为缩尺级配小于某筛孔直径d_i的质量百分数，％。d_max级配料的最大粒径，D为堆石料级配的粒度分形维数。

步骤2，拟定15组堆石料缩尺级配见表1，进行室内相对密度试验，级配的力度分形维数与干密度的试验结果见图2所示曲线。

表1堆石料的室内极值干密度试验级配

步骤3，本工程堆石料的设计相对密度取0.75，根据统计级配结果，选取分形维数分别为2.27、2.412、2.50、2.542、2.615和2.65共五组级配，进行堆石料的室内压缩试验。根据步骤2试验得到的最大、最小干密度，计算制样干密度分别为1.936、2.252、2.352、2.379、2.387和2.375g/cm³。试验不同应力范围的压缩模量见图3。

步骤4，选取堆石料的压缩模量控制值为:0.8～3.2MPa范围内不低于150MPa，3.2MPa到 6.4MPa范围内不低于200MPa，可见级配的粒度分形维数大于2.412即可满足要求，可选分形维数2.412作为堆石料填筑级配的下包线。

步骤5，选取粒度分形维数2.412～2.65的五组级配堆石料(见表2)，进行现场重型振动碾压实条件下的密度桶法相对密度试验，得到相应的最大、最小干密度值见图4，可见，满足大坝变形控制要求的填筑干密度不应低于2.252g/cm³。

表2堆石料的现场极值干密度试验级配

步骤6，碾压试验时堆石料在满足要求的级配范围的渗透系数大于5*10^-2cm/s。

步骤7，本工程第121层现场挖坑检测级配见表3所示，对应粒度分形维数2.539，按灌水法坑检干密度为2.37g/cm³，渗透系数为2.32*10^-2cm/s。

根据图4现场相对密度试验结果，要求干密度不低于2.362g/cm³，满足堆石体填筑质量控制要求，检测坑的填筑质量合格。

表3堆石体现场挖坑检测级配

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。