猴子巖水電站上游硬巖堆石料爆破碾壓試驗(yàn)研究

李世凱，李紅心，楊小華

(1.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)股份有限公司第一工程有限公司，湖北 宜昌 443000；2.國(guó)電大渡河猴子巖水電建設(shè)公司，四川 康定 626005)

1 工程概況

大渡河猴子巖水電站擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，壩頂高程為1 848.50 m，壩頂總長(zhǎng)278.35 m，壩頂寬13.2 m，最大壩高223.50 m。壩體上游至下游依次為上游壓重區(qū)、礫石土鋪蓋區(qū)、石粉鋪蓋區(qū)、混凝土防滲面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、堆石區(qū)及壩腳壓重區(qū)。

上游堆石區(qū)堆石料來(lái)源于色龍溝料場(chǎng)。色龍溝料場(chǎng)主要由變質(zhì)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r微新巖體構(gòu)成，這兩種巖石的濕抗壓強(qiáng)度在80～113.5 MPa，比重在2.80～2.85，設(shè)計(jì)要求壓實(shí)后孔隙率≤19%。2012年9月21日至2013年8月共對(duì)上游堆石料進(jìn)行了39次碾壓試驗(yàn)，9次生產(chǎn)性爆破試驗(yàn)，通過不斷調(diào)整爆破參數(shù)改善堆石料級(jí)配，并對(duì)振動(dòng)碾進(jìn)行“低頻高振”改造，最終解決了上游變質(zhì)灰?guī)r堆石料碾壓后孔隙率不易滿足設(shè)計(jì)要求的問題。

2 上游硬巖堆石料初期試驗(yàn)

2.1 初期試驗(yàn)機(jī)具及試驗(yàn)參數(shù)

碾壓試驗(yàn)選用陜西中大機(jī)械集團(tuán)生產(chǎn)的自行式32 t振動(dòng)碾，機(jī)械型號(hào)為YZ32Y2，主要性能指標(biāo)是工作質(zhì)量32 t，振動(dòng)頻率33 Hz，激振力590 kN，振幅1.8 mm。該型號(hào)振動(dòng)碾為2012年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上量產(chǎn)最大噸位的自行碾。色龍溝堆石料最大粒徑60 cm，初期爆破試驗(yàn)采用2號(hào)巖石炸藥，不耦合裝藥，起爆方式采用非電雷管MS-1～40，斜線起爆，起爆網(wǎng)格如圖1所示，爆破試驗(yàn)的其他參數(shù)選定結(jié)果如表1所示，碾壓試驗(yàn)選定的顆粒級(jí)配如圖2所示。

圖1 起爆網(wǎng)絡(luò)布置示意

孔徑/mm孔距/m排距/m抵抗線/m孔深/m單耗/kg·m-3單孔藥量/kg單響藥量/kg9043316.50.472500

表2 初期碾壓試驗(yàn)成果

圖2 顆粒級(jí)配曲線

2.2 碾壓試驗(yàn)成果

進(jìn)行不同鋪料厚度的振動(dòng)碾壓試驗(yàn)，每次試驗(yàn)?zāi)雺?2遍，振動(dòng)碾行車速度為1～2 km/h，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.3 成果分析

(1)通過爆破試驗(yàn)成果可以看出，上游變質(zhì)灰?guī)r硬巖堆石料級(jí)配曲線雖然處于設(shè)計(jì)包線范圍內(nèi)，但小于80～100 mm顆粒含量接近上包線，2 mm以下顆粒含量接近下包線，充分說(shuō)明小于80～100 mm中間粒徑含量偏高，細(xì)顆粒含量偏少。硬巖堆石料爆破后，粒形方正、規(guī)整，棱角較少。

(2)初期碾壓試驗(yàn)成果表明：層厚80、60 cm碾壓12遍后孔隙率沒有顯著變化，最小孔隙率平均值分別為20.3%和20.4%，與設(shè)計(jì)要求的≤19%的要求仍有差距。

3 問題分析

在猴子巖水電站上游變質(zhì)灰?guī)r硬巖堆石料初期爆破、碾壓試驗(yàn)成果完成后，業(yè)主、監(jiān)理、施工單位和第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)又進(jìn)行了6場(chǎng)爆破試驗(yàn)和20多個(gè)場(chǎng)次的碾壓驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果與初期試驗(yàn)成果基本一致。從2012年9月開始至2013年3月結(jié)束，因碾壓試驗(yàn)成果無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致猴子巖工程上游變質(zhì)灰?guī)r硬巖堆石料的試驗(yàn)工作陷入僵局。

2013年3月在外請(qǐng)專家的幫助下，參與試驗(yàn)各方認(rèn)真總結(jié)了前期的試驗(yàn)成果，提出了問題產(chǎn)生的原因和改進(jìn)的方向。因色龍溝料場(chǎng)的變質(zhì)灰?guī)r密度大、強(qiáng)度高。爆破試驗(yàn)成果表明，雖然顆粒級(jí)配整體處于設(shè)計(jì)包線范圍，但小于80～100 mm中間粒級(jí)較多，5 mm以下顆粒含量相對(duì)較少，加之爆破后粒形規(guī)整造成顆粒間充填效果差，建議繼續(xù)進(jìn)行爆破試驗(yàn)降低小于80～100 mm中間粒級(jí)含量，增加5 mm 以下顆粒含量，從而改善顆粒間填充效果。

從大量現(xiàn)場(chǎng)試坑檢測(cè)成果看，上層40 cm密實(shí)程度高，壓實(shí)效果好，下層松散，壓實(shí)效果差，說(shuō)明激振力未完全傳導(dǎo)到下層。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)專家和碾壓設(shè)備廠家技術(shù)人員意見認(rèn)為，碾壓機(jī)具工作頻率較高，碾壓過程中迅速將上半層碾壓密實(shí)，因硬巖自身密度大、強(qiáng)度高，導(dǎo)致在上半層碾壓密實(shí)后對(duì)激振力的傳遞形成阻力，導(dǎo)致壓實(shí)功無(wú)法有效傳導(dǎo)至下半層。因此，可以考慮在不降低激振力的情況下調(diào)整振動(dòng)頻率，增加振幅的方式改善壓實(shí)效果。

4 上游硬巖堆石料后期試驗(yàn)成果

4.1 碾壓機(jī)具的改進(jìn)

在上游堆石料前期碾壓試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：碾壓后堆石體上部40 cm非常密實(shí)，下部40 cm較為松散。初步分析原因，認(rèn)為因進(jìn)占法填筑的關(guān)系填筑體上部細(xì)顆粒含量較高，因此填充效果較好。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況并非如此，因?yàn)⑺に嚨轿唬钪w上下部分整體級(jí)配并沒有發(fā)生顯著變化。

根據(jù)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，分析造成這一情況的主要原因可能出在碾壓機(jī)具上，碾壓機(jī)具初期主要性能指標(biāo)振動(dòng)頻率為32 Hz，振幅1.8 mm，過高的振動(dòng)頻率在碾壓初期就將填筑體上層迅速碾壓密實(shí)造成能量在向下傳遞的過程中出現(xiàn)損失。經(jīng)過與陜西中大機(jī)械集團(tuán)公司技術(shù)人員聯(lián)系，在廠家的幫助下，將現(xiàn)場(chǎng)用于試驗(yàn)的自行式32 t振動(dòng)碾進(jìn)行了改造，調(diào)整了偏心塊的間距和發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率，經(jīng)改造后的碾壓機(jī)具主要性能指標(biāo)變化為工作質(zhì)量32 t，振動(dòng)頻率25 Hz，激振力590 kN，振幅2.3 mm。

4.2 調(diào)整后的爆破參數(shù)和級(jí)配

調(diào)整爆破試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了6次爆破試驗(yàn)，參數(shù)見表3，采用如圖3所示的V形起爆網(wǎng)格。2013年8月，根據(jù)調(diào)整后的第6次爆破試驗(yàn)成果，最終獲得了較為理想的級(jí)配(如圖4所示)，根據(jù)此次爆破試驗(yàn)成果結(jié)合調(diào)整后的碾壓機(jī)具再次進(jìn)行了上游硬巖堆石料的復(fù)核碾壓試驗(yàn)。

表3 調(diào)整后爆破試驗(yàn)選定參數(shù)

圖3 調(diào)整后爆破試驗(yàn)最終選定參數(shù)起爆網(wǎng)絡(luò)布置

圖4 調(diào)整后爆破試驗(yàn)最終選定參數(shù)級(jí)配

4.3 調(diào)整后的碾壓試驗(yàn)成果

用改進(jìn)后的振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由表4可知，小于5 mm以下顆粒含量比前期試驗(yàn)明顯增加，小于20～200 mm的顆粒含量比前期試驗(yàn)顯著降低，細(xì)顆粒含量的增加使得粗顆粒間的填充更加充分，從試坑檢測(cè)效果看，80 cm整體壓實(shí)效果較好，即使鋪填厚度達(dá)到1.2 m仍未看出上、下半層間密實(shí)效果有顯著差異，說(shuō)明通過將碾壓機(jī)具調(diào)整為低頻高振的狀態(tài)可以很好的改善硬巖堆石料的碾壓質(zhì)量，最終成果滿足設(shè)計(jì)孔隙率≤19%的要求。

表4 調(diào)整后碾壓試驗(yàn)成果

5 結(jié) 語(yǔ)

猴子巖水電站針對(duì)上游變質(zhì)灰?guī)r硬巖堆石料進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)近一年的爆破試驗(yàn)和碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：雖然顆粒級(jí)配能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但硬巖爆破后的粒型和中間粒徑的組成會(huì)顯著影響堆石料的填充效果，造成碾壓后孔隙率較大，因此不應(yīng)機(jī)械的看待設(shè)計(jì)級(jí)配，而是根據(jù)顆粒級(jí)配的整體組成調(diào)整爆破參數(shù)，適當(dāng)增加5 mm以下顆粒含量，降低中間粒徑含量保證級(jí)配更加合理。壓實(shí)效果不僅與激振力有關(guān)，在遇到硬巖堆石料時(shí)適當(dāng)降低振動(dòng)碾的振動(dòng)頻率，增加振幅可以更加有效的將壓實(shí)功向下傳遞，從而保證碾壓質(zhì)量。