惠州抽水蓄能電站黏土心墻堆石壩碾壓試驗研究

黃金林，劉添俊，李政偉

(1.華南農(nóng)業(yè)大學 水利與土木學院，廣州 510642;2.廣州市市政集團有限公司，廣州 510060;3.廣州交通投資集團有限公司，廣州 510030)

1 工程簡介

廣東惠州抽水蓄能電站裝機容量2 400 MW，位于廣東省博羅縣城郊。本工程為I等工程，永久性建筑物為I級建筑物。副壩位于主壩左側(cè)，為黏土心墻堆石壩，壩頂長220 m，壩頂寬7 m，壩頂高程237.36 m，最大壩高27.86 m。壩體上游邊坡比1∶2.75，下游邊坡比1∶2.25。上、下游坡面均設(shè)干砌石護坡。黏土心墻防滲體頂部高程為236.81 m，上、下游邊坡比均為1∶0.2，心墻厚度3.0～14.8 m。在黏土心墻防滲體兩側(cè)設(shè)置過渡料。壩體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩斷面圖(單位:mm)

由于本工程的重要性和填筑量大等原因，筑壩材料的選擇、填筑質(zhì)量控制指標的合理性和確定經(jīng)濟合理的施工參數(shù)至關(guān)重要。在土石壩正式填筑施工之前，必須進行符合規(guī)范的碾壓試驗，以核實壩料設(shè)計填筑標準的合理性，充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實機械等)和填筑效果(如土的密實度)的關(guān)系，確定達到設(shè)計填筑標準的壓實方法，包括選擇壓實機械類型和型號，確定相應(yīng)的碾壓參數(shù)(如壓實遍數(shù)、速度及鋪土層厚)，優(yōu)化施工工藝。因此，現(xiàn)場碾壓試驗也就顯得極為必要和具有重要意義。

堆石體的設(shè)計填筑標準:要求采用開挖的新鮮洞渣料，碾壓壓實后上游堆石區(qū)干密度 ρd≥2.10 t/m3，空隙率為22%;下游堆石區(qū)干密度 ρd≥2.05 t/m3，空隙率為25%，最大粒徑 dmax≤800 mm，填筑層厚 80 cm，灑水后用18 t振動碾碾壓。

2 碾壓堆石體壓實性能的現(xiàn)場測試與分析

堆石料碾壓試驗，鋪料厚度H=80 cm，主要研究在相同鋪厚，相同行駛速度條件下不同加水量、碾壓遍數(shù)及不同壓實機具的壓實效果。各小場的加水量Q分別為0、5%、10%、20%(體積比)，采用自行式 18 t振動碾碾壓，遍數(shù)分別為 n=6、n=8、n=10。

為節(jié)省成本，本工程堆石體采用新鮮洞渣料。在堆石碾壓試驗前，對各堆石料進行顆分試驗，顆分成果見圖2。除第三組級配曲線超出堆石區(qū)的上包絡(luò)線，其他試樣試驗成果級配曲線均落在包絡(luò)線范圍內(nèi)，是良好的填筑料。

圖2 原材料顆粒分析

從圖2中可知，碾壓堆石體d10=3.4～40.5 mm，d30=19.4～252.4 mm，d60=59.3～425.3 mm，則碾壓堆石體的不均勻系數(shù)Cu=4.1～18.0，曲率系數(shù)Cc=0.93～1.96。

由顆粒組成可知:采用新鮮的洞渣料級配不連續(xù)，缺少細小顆粒和中粗砂，有的試樣細顆粒<20 mm的含量僅有5.53%。有的大粒徑甚至>800 mm，所以對于堆石體原料應(yīng)該先剔除超粒徑塊石。通過初步處理后級配曲線與原材料顆粒分析對比曲線如圖3所示，可以看到，初步處理后的明顯優(yōu)于沒有初步處理的。

圖3 初步處理后的級配曲線對比

3 碾壓試驗結(jié)果分析

實踐證明，對無黏性粗粒土，振動法效果最好，而且工效高。振動碾壓時，振動產(chǎn)生的快速連續(xù)沖擊力作用于土體表面，每沖擊一次對土體產(chǎn)生一個壓力波，使土體顆粒間的摩擦力減小，尤其是對無黏性粗粒土，顆粒間黏結(jié)力甚小，振動使顆粒間摩擦力減小，小顆粒易處于運動狀態(tài)，彼此相互充填，壓實效果比較顯著。再加上振動碾靜壓力的作用，進一步促使顆粒的充填，其壓實效果更為突出。振動碾使土體壓實，實質(zhì)上是靜重產(chǎn)生的靜力和振動產(chǎn)生的壓力波式的動力聯(lián)合作用，在土體內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的結(jié)果。同時，由于碾壓使顆粒相互移動，相互摩擦，使得有些大顆粒間接觸點局部破碎、尖角破碎，變圓、變滑，也同時生成一些細顆粒，這樣會使細顆粒含量有少許增加。本場地碾壓試驗也證明了這點，通過顆粒分析得知:P5(顆粒直徑小于5 mm的顆粒累積百分含量)含量碾壓前平均3.29%，碾壓試驗后平均5.32%;P200含量碾壓前平均55.27%，碾壓試驗后平均63.25%。由圖4也可看到，堆石料通過碾壓后，級配曲線也有變化，曲線基本都位于級配曲線的上下包絡(luò)線之間，能滿足堆石料的級配要求。

圖4 碾壓后顆粒分析曲線

圖5 碾壓堆石體干密度與P5含量的關(guān)系

碾壓堆石體干密度與P5含量有密切的關(guān)系，在達到最大干密度之前，其干密度隨P5含量的增加而緩慢升高，隨后，P5含量的增加反而會使干密度略有減小。如圖5所示，P5含量在3.57% ～8.92%之間干密度較大，達到2.21～2.36 t/m3。由此可見，在碾壓堆石體中P5組細顆粒主要起著充填大顆粒空隙的作用，在P5含量較低時，不能足以充填滿大顆粒之間的空隙，從而造成在宏觀上碾壓堆石體的干密度較小。隨著P5含量的逐漸增加，大顆粒之間的空隙也隨之被充填直至密實，此時碾壓堆石體的干密度達最大值。之后，隨P5含量的增加，大顆粒的含量就相應(yīng)降低，而大顆粒是較致密的塊體，本身密度較高，在碾壓堆石體宏觀密度中占主要地位，其含量的降低使碾壓堆石體的宏觀密度也隨之緩慢降低。

圖6 碾壓堆石體干密度與P 200含量的關(guān)系

P200含量顆粒對碾壓堆石體的干密度影響顯著，圖6可知，當P 200含量<60.24% 時，其干密度較小，這是因為細顆粒含量過高，與粗料顆粒有局部接觸，開始起骨架作用，沒有足夠的小顆粒來充填大顆粒之間的空隙，從而導致碾壓堆石體干密度降低;當P 200含量在60.24% ～74.65%時，粗料顆粒完全形成骨架，細料又能填滿空隙，碾壓堆石體較易獲得比較大的干密度，干密度達到2.19～2.36 t/m3;當P 200含量超過74.65%之后，因粗料顆粒形成骨架，壓實特性主要決定于粗料級配和性質(zhì)，細料顆粒只起填充作用，直接導致了碾壓堆石體的干密度的減小。

在圖7、圖8表示壩料碾壓試驗中加水 Q=0，Q=5%、Q=10%、Q=20%(體積比)，碾壓遍數(shù)分別為 n=6遍、n=8遍、n=10遍時，各種情況的壓實效果比較(加水Q=0時，只進行了 n=10遍的碾壓試驗)。鋪層厚度不變的情況下，傳遞至堆石料的能量與碾壓遍數(shù)成正比。由圖7可以看到，加水5%、10%、20%時，干密度都隨碾壓遍數(shù)增加而增大，若以設(shè)計干密度2.1 t/m3為參數(shù)，加水Q=5%時，碾壓遍數(shù)n=8相對n=6時，干密度增加率為5.7%，碾壓遍數(shù)n=10相對n=8時干密度增加率為2.9%;加水Q=10%時，碾壓遍數(shù)n=8相對n=6時，干密度增加率為4.3%，碾壓遍數(shù)n=10相對n=8時，干密度增加率為3.8%;加水Q=20%時，碾壓遍數(shù)n=8相對n=6時，干密度增加率為4.8%。碾壓遍數(shù)增加，加水量也應(yīng)相應(yīng)增加，Q=5%時，碾壓10遍時干密度增加率明顯減小，則可以得到n=8為最佳碾壓遍數(shù)，再增加碾壓遍數(shù)，基本沒有大的效果，不經(jīng)濟。Q=10%時，碾壓10遍時干密度增加率沒有明顯減小，由于沒有做Q=10%時，n=12和Q=20%時，n=10和n=12的碾壓試驗，沒有得到相關(guān)曲線，但由已知曲線可以得到加水Q=10%或Q=20%時，碾壓遍數(shù) n≥10。

圖7 碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系

砂礫石因自身顆粒粗，透水性強，具有自由排水能力，其本身含量較小。灑水壓實可使堆石料充分濕潤，軟化細顆粒，并降低粗顆粒的無側(cè)限抗壓強度，使巖塊的尖角易于破碎，同時起到一定潤滑作用，以利于壩料的碾壓。其碾壓壓實效果與加水量關(guān)系密切，壩體填筑最好采用碾壓前加水施工方法，使巖塊充分吸水軟化，同時加水后可增加顆粒間的潤滑作用，以提高壓實質(zhì)量。圖8可以看到:加水5%時，碾壓遍數(shù)為6、8、10遍時，其沉降率為5.5%、7.0%、8.0%;加水10%，碾壓遍數(shù)為 6、8、10遍時，其沉降率為 5.4%、6.8%、7.9%;加水20%，碾壓遍數(shù)為6、8遍時，其沉降率為8.5%、8.6%。說明堆石料適當加水對碾壓提高密實度，減小大壩后期沉降是有利的。根據(jù)碾壓試驗結(jié)果和其它工程的施工經(jīng)驗，建議加水量應(yīng)控制不少于5%(體積比)，爭取達到10%以上，將有助于堆石的壓實。

圖8 碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系

4 結(jié)論

1)新鮮的洞渣料，料質(zhì)堅硬密實，碾壓后級配曲線均落在包絡(luò)線范圍內(nèi)，為理想的填壩材料。但原材料要經(jīng)過初步處理，剔除超粒徑的大塊石。同時，P5含量控制在 3.57% ～8.92%，P200含量控制在60.24% ～74.65%，這樣容易達到較大的干密度。

2)其碾壓壓實效果與加水量關(guān)系密切，壩體填筑最好采用碾壓前加水施工方法，使巖塊充分吸水軟化，同時加水后可增加顆粒間的潤滑作用，以提高壓實質(zhì)量。建議加水量應(yīng)控制不少于5%(體積比)，爭取達到10%以上，將有助于堆石的壓實。加水5%時，最佳碾壓遍數(shù)為8遍，加水量增大時應(yīng)適當增加碾壓遍數(shù)。

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