句容抽水蓄能電站下水庫(kù)主堆石壩填料碾壓試驗(yàn)探究

張 華，楊忠興

(1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，江西 南昌 330099；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)生態(tài)環(huán)境工程有限公司，湖北 武漢 443000)

為構(gòu)建低碳清潔、安全高效的能源體系，江蘇省句容市邊城鎮(zhèn)興建一座抽水蓄能電站。作為安全可靠大容量?jī)?chǔ)能的江蘇句容抽水蓄能電站，是一座一等大(1)型工程，電站依托侖山湖及周邊山體，裝機(jī)容量1350MW(6×225MW)，對(duì)維持周邊地區(qū)電力系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性起著重要作用。規(guī)模巨大的上、下水庫(kù)地理位置優(yōu)越，建成后將形成風(fēng)景如畫(huà)的人工湖等新景觀，它具有迄今為止在高度上名列前茅的瀝青混凝土面板堆石壩，筑壩材料能充分利用挖掘棄料，就地取材造價(jià)低廉，龐大的壩體最高分別達(dá)到182.3 m和37.2 m，壩體填筑量大，填筑質(zhì)量要求高，對(duì)壩體填筑料開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)必不可少。其中下水庫(kù)大壩上游主堆石料是充分利用下水庫(kù)進(jìn)水出口處工程開(kāi)挖料，料源符合要求的石料為弱、微風(fēng)化新鮮白云巖，按照爆破試驗(yàn)參數(shù)爆破開(kāi)采。通過(guò)對(duì)爆破料進(jìn)行室內(nèi)及室外碾壓試驗(yàn)，選擇合適的碾壓機(jī)具、施工工藝；驗(yàn)證爆破料作為填筑料，其最優(yōu)級(jí)配、控制孔隙率、滲透系數(shù)等指標(biāo)是否在設(shè)計(jì)技術(shù)要求范圍；確定各種碾壓參數(shù)的最佳值，確定合理的碾壓遍數(shù)、堆石料壓實(shí)密度等；論證附加質(zhì)量法測(cè)試壓實(shí)干密度的可靠性，確定滿足大規(guī)模、快速施工時(shí)碾壓填筑質(zhì)量檢驗(yàn)方法和控制標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)下水庫(kù)主堆石填筑料的設(shè)計(jì)技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 下水庫(kù)主堆石填筑料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

1 爆破料性能試驗(yàn)

1.1 巖石材質(zhì)試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)取料處確認(rèn)符合要求的石料為弱、微風(fēng)化新鮮白云巖，按照相關(guān)規(guī)范檢測(cè)巖石的強(qiáng)度分級(jí)和巖性描述[1]，其檢測(cè)成果指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 弱、微風(fēng)化新鮮白云巖材質(zhì)試驗(yàn)成果

按巖土工程勘察規(guī)程[2]，單軸抗壓強(qiáng)度為30～60MPa，為中等堅(jiān)硬巖石，因此爆破料按強(qiáng)度分級(jí)屬中等堅(jiān)硬巖石，而且?guī)r石軟化系數(shù)大于0.75，不屬于軟化巖石，吸水率也較低，故爆破料巖性較好，下水庫(kù)進(jìn)水出口處工程開(kāi)挖料可作為下水庫(kù)上游主堆石壩的填筑料。

1.2 爆破料級(jí)配試驗(yàn)

首先在設(shè)計(jì)取料處依據(jù)其風(fēng)化程度確定合理的爆破參數(shù)，爆破獲取主堆石填筑料，用自卸車運(yùn)至試驗(yàn)場(chǎng)地。爆破料需進(jìn)行室內(nèi)外全料級(jí)配試驗(yàn)，對(duì)于粒徑小于20mm的爆破料，現(xiàn)場(chǎng)稱取不少于4 kg試樣，送室內(nèi)試驗(yàn)室烘干后過(guò)標(biāo)準(zhǔn)篩，其余粒徑爆破料，現(xiàn)場(chǎng)過(guò)木筐抬篩分級(jí)稱量，對(duì)于粒徑大于100mm的爆破料，用直尺測(cè)量，按照粒徑組分級(jí)稱量堆放，設(shè)計(jì)包絡(luò)線與試驗(yàn)所得全料級(jí)配曲線關(guān)系如圖1所示。

圖1 下水庫(kù)主堆石區(qū)爆破料級(jí)配曲線

從設(shè)計(jì)包絡(luò)線與全料級(jí)配曲線的關(guān)系可知，小于各粒組粒徑顆粒含量均在上、下包絡(luò)線以內(nèi)，符合設(shè)計(jì)包絡(luò)線要求，不均勻系數(shù)為33.3，說(shuō)明爆破料大小粒徑搭配合適，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。曲率系數(shù)為2.6，在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍，說(shuō)明粒徑連續(xù)，曲線比較光滑平順，沒(méi)有缺乏粒徑組，爆破料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)基本符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(如表3所示)。

表3 爆破料巖石級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果

1.3 爆破料巖石比重試驗(yàn)

按相應(yīng)規(guī)范將采集的爆破料進(jìn)行巖石比重試驗(yàn)，其中粒徑≤5mm顆粒試樣采用比重瓶法試驗(yàn)，粒徑>5mm顆粒試樣采用浮秤法試驗(yàn)[3]，細(xì)、粗料比重試驗(yàn)結(jié)果依據(jù)其組成比例進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，即得全料巖石比重試驗(yàn)成果見(jiàn)表4。

表4 爆破料巖石比重試驗(yàn)成果表

2 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地布置

首先針對(duì)場(chǎng)地區(qū)域進(jìn)行整理平整，然后鋪填爆破料，并對(duì)爆破料按規(guī)范要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓，碾壓機(jī)具行駛速度必須勻均，一般保持在2～3km/h以內(nèi)，一直進(jìn)行到每碾壓2遍，試驗(yàn)場(chǎng)地的平均沉降量均小于規(guī)范值2mm，試驗(yàn)場(chǎng)地各局部沉降差小于5cm，全場(chǎng)沉降差小于20cm。其次對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)量放線，標(biāo)記各點(diǎn)高程，根據(jù)試驗(yàn)需要標(biāo)出試驗(yàn)單元和整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域范圍[4-5]，碾壓機(jī)具行走路線標(biāo)識(shí)醒目。試驗(yàn)場(chǎng)地按碾壓遍數(shù)分為三個(gè)試驗(yàn)單元，每個(gè)試驗(yàn)單元尺寸為6m ×15m，碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置見(jiàn)圖2。

圖2 下庫(kù)主堆石料碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

2.2 試驗(yàn)場(chǎng)地沉降觀測(cè)點(diǎn)布置

為優(yōu)選出合理的碾壓遍數(shù)，試驗(yàn)單元分別采用8，10，12的碾壓遍數(shù)，每個(gè)試驗(yàn)單元布設(shè)27個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)間距1.5m×1.5m。鋪一層料靜碾2遍，然后開(kāi)始每碾壓2遍用水準(zhǔn)儀對(duì)每個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)27個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)高程測(cè)量，以計(jì)算各試驗(yàn)單元平均變形沉降率。

2.3 碾壓參數(shù)選擇

鋪料厚度的選擇參考上水庫(kù)主堆石碾壓試驗(yàn)，試驗(yàn)鋪料厚度擬定80cm，施工時(shí)必須嚴(yán)格控制鋪料厚度，盡量層面平整，使其高度誤差控制在±10%以內(nèi)。堆石料鋪料時(shí)，反鏟裝料、自卸車卸料，推土機(jī)整平，采用進(jìn)占法鋪料。碾壓機(jī)具選擇徐工集團(tuán)生產(chǎn)的型號(hào)為XS263E自行式振動(dòng)碾(26t)，采用2 km/h～3km/h工作速度。正常氣候條件下，填筑料灑水量采用10%，灑水水量按堆石體體積百分率計(jì)算。碾壓前在層面上一次性灑水，采用流量表計(jì)量控制所灑水量[6]，以避免過(guò)多或過(guò)少水量易造成碾壓不均勻。試驗(yàn)?zāi)雺罕閿?shù)參考上水庫(kù)主堆石碾壓試驗(yàn)，分別采用8，10，12三種組合，通過(guò)試驗(yàn)得出最經(jīng)濟(jì)合理的次數(shù)。

碾壓方法為：進(jìn)退錯(cuò)距法。碾壓程序?yàn)椋浩秸雺簣?chǎng)→碾壓場(chǎng)達(dá)標(biāo)→設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)及各點(diǎn)測(cè)量→鋪料推平→層面灑水→靜碾2遍→各觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量→碾壓2遍→各觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量、壓實(shí)干密度等試驗(yàn)→試坑回填→碾壓平整→各觀測(cè)點(diǎn)測(cè)量→下一場(chǎng)次。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

下水庫(kù)上游主堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)測(cè)定壓實(shí)干密度，它是評(píng)定填料壓實(shí)緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)。一種檢測(cè)方法采取傳統(tǒng)的挖坑灌水法，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，但相對(duì)耗時(shí)費(fèi)力，工作量較大，且對(duì)填筑體有一定的破壞。另一種檢測(cè)方法是附加質(zhì)量法，其檢測(cè)特點(diǎn)是快速輕便、高效無(wú)損，能夠適應(yīng)工程對(duì)碾壓填筑施工質(zhì)量檢測(cè)效率的要求，但其在現(xiàn)場(chǎng)原位操作過(guò)程中，易存在干擾因素，目前水利工程建設(shè)項(xiàng)目中沒(méi)有普遍應(yīng)用，積累的經(jīng)驗(yàn)偏少。附加質(zhì)量法檢測(cè)在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)有效控制干擾因素[7-10]，確保各檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)成果合理有效。將兩種檢測(cè)方法結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可確定附加質(zhì)量法對(duì)本工程的適用性，期望達(dá)到既保證碾壓填筑快速施工，又能快速有效檢測(cè)填筑質(zhì)量。

試驗(yàn)過(guò)程中，鋪料厚度為80cm，灑水量為10%，分別進(jìn)行8，10，12次碾壓。3組試驗(yàn)單元各取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，先在每個(gè)試驗(yàn)單元選定測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行附加質(zhì)量法檢測(cè)，該方法檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較短，完成檢測(cè)后結(jié)果見(jiàn)表5，為便于兩種方法對(duì)比，在原測(cè)點(diǎn)進(jìn)行挖坑灌水法檢測(cè)[11]，經(jīng)換算求出相應(yīng)的孔隙率見(jiàn)表5。3個(gè)試驗(yàn)單元需按相應(yīng)規(guī)范做現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)[12，以判斷填料碾壓后的滲透性，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。3組試驗(yàn)單元共9個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全料級(jí)配試驗(yàn)，觀察與設(shè)計(jì)包絡(luò)線的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 爆破料碾壓試驗(yàn)成果

3 試驗(yàn)分析

3.1 三組試驗(yàn)單元中干密度的變化

由現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)可得圖3，在碾壓8遍的單元內(nèi)平均干密度為2.21 g/cm3，在碾壓10遍的單元內(nèi)平均干密度為2.24 g/cm3，在碾壓12遍的單元內(nèi)平均干密度為2.25 g/cm3，說(shuō)明平均干密度隨碾壓的次數(shù)在不斷提高，而其增長(zhǎng)率卻呈現(xiàn)衰減，即曲線變化逐漸變緩，不斷加大碾壓遍數(shù)，對(duì)提高壓實(shí)干密度影響有限，最優(yōu)碾壓遍數(shù)為10遍。

圖3 干密度變化曲線圖 圖4 孔隙率變化直方圖

3.2 碾壓遍數(shù)對(duì)孔隙率的影響

由表5數(shù)據(jù)可得，孔隙率隨碾壓遍數(shù)變化直方圖4，碾壓遍數(shù)由8遍到10遍，再到12遍，孔隙率不斷降低，尤其是從碾壓第8遍到第10遍時(shí)，變化顯著，而從第10遍到第12遍變化較小，即碾壓遍數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，孔隙率的減小不明顯[13]，故碾壓10遍效果最佳，且孔隙率滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 碾壓遍數(shù)對(duì)變形沉降率的影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)表6可知，其它碾壓參數(shù)一定時(shí)，碾壓第8遍時(shí)變形沉降率為8.7%，碾壓第10遍時(shí)變形沉降率為9.5%，碾壓第8遍到第10遍變形沉降率的變化為1.3%，碾壓第12遍時(shí)變形沉降率為10.1%，而碾壓第10遍到第12遍變形沉降率的變化只有0.4%，說(shuō)明變形沉降率隨碾壓遍數(shù)增加相應(yīng)增大，但增量隨不斷的碾壓在遞減[14]，故碾壓10遍最經(jīng)濟(jì)。

表6 變形沉降率變化統(tǒng)計(jì)表

3.4 碾壓遍數(shù)對(duì)滲透系數(shù)的影響

從碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地各單元原位滲透試驗(yàn)結(jié)果可知，碾壓遍數(shù)的遞增，對(duì)滲透系數(shù)的影響沒(méi)有數(shù)量級(jí)的變化，填筑料在多次碾壓后滲透性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 顆粒級(jí)配對(duì)填料壓實(shí)密度的影響

從試坑取樣篩分試驗(yàn)結(jié)果分析，在碾壓8遍的單元內(nèi)，局部范圍內(nèi)小于100～500 mm粒級(jí)組偏離上包絡(luò)線；在碾壓10遍的單元內(nèi)，小于各粒級(jí)組含量均在設(shè)計(jì)包絡(luò)線范圍；在碾壓12遍單元內(nèi)，部份填料中小于100mm的粒級(jí)組偏多，含量超出上包絡(luò)線。部分粒級(jí)含量偏多或偏少，造成級(jí)配曲線不順滑，拐點(diǎn)較多，與爆破料的級(jí)配曲線相比較，說(shuō)明在碾壓過(guò)程中有部分石料被碾碎。由表5可知，三個(gè)試驗(yàn)單元中小于5mm粒級(jí)從5.3%～17.4%，含量變化比較大，施工時(shí)應(yīng)控制在10%左右為宜；三個(gè)試驗(yàn)單元中小于20mm粒級(jí)從10.3%～33.8%，含量變化同樣較大，施工時(shí)應(yīng)控制在20%～30%范圍較為適宜；粒級(jí)含量的較大變化導(dǎo)致不均勻系數(shù)相應(yīng)有較大變化，范圍從12.4～34.7。級(jí)配變化造成同一單元壓實(shí)干密度有一定的波動(dòng)，說(shuō)明取樣試坑中填筑料不均勻，可能是取料時(shí)爆破造成的不均勻，或爆破料運(yùn)輸及攤鋪時(shí)造成粒徑分離導(dǎo)致的不均勻，或碾壓填筑時(shí)某些部位欠壓，或?yàn)⑺痪鶆蛟斐赡雺弘y易不同影響。

3.6 壓實(shí)干密度檢測(cè)分析

本次試驗(yàn)共完成3個(gè)試驗(yàn)單元，每個(gè)試驗(yàn)單元兩種檢測(cè)方法，每種檢測(cè)方法3個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)18個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，其中附加質(zhì)量法測(cè)點(diǎn)在碾壓第12遍時(shí)得到最大壓實(shí)干密度為2.27 g/cm3，在碾壓第8遍時(shí)得到最小壓實(shí)干密度為2.21 g/cm3，附加質(zhì)量法測(cè)點(diǎn)壓實(shí)干密度平均值為2.24 g/cm3。灌水法測(cè)點(diǎn)在碾壓第12遍時(shí)得到最大壓實(shí)干密度為2.27 g/cm3，在碾壓第8遍時(shí)得到最小壓實(shí)干密度為2.19 g/cm3，灌水法測(cè)點(diǎn)壓實(shí)干密度平均值為2.23 g/cm3。兩種檢測(cè)方法對(duì)比，其絕對(duì)誤差正負(fù)皆有，碾壓第10遍時(shí)兩種檢測(cè)方法絕對(duì)誤差最小，針對(duì)3個(gè)試驗(yàn)單元，兩種檢測(cè)方法相對(duì)誤差也較小，其最大值、最小值分別為1.68%和0.31%，兩種檢測(cè)方法的平均相對(duì)誤差僅為0.80%，兩種檢測(cè)方法結(jié)果比較相符，附加質(zhì)量法檢測(cè)壓實(shí)干密度比較可靠[7]。

4 結(jié)論及建議

(1)通過(guò)對(duì)下水庫(kù)進(jìn)水出口處爆破開(kāi)挖料進(jìn)行室內(nèi)及室外碾壓試驗(yàn)結(jié)果分析，得到符合實(shí)際情況的填筑碾壓參數(shù)，其中碾壓設(shè)備機(jī)具質(zhì)量取26 t，行駛速度控制在2～3 km/h范圍，鋪料厚度取80 cm，灑水量為10%，最佳機(jī)械碾壓遍數(shù)為10遍，干密度為2.23 g/cm3，孔隙率小于18%，即下水庫(kù)進(jìn)水出口處爆破料作為下水庫(kù)上游主堆石填料，可滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)下水庫(kù)上游主堆石壩填筑料級(jí)配是影響壓實(shí)干密度、孔隙率、沉降變形的關(guān)健，嚴(yán)格控制填筑料級(jí)配應(yīng)落實(shí)到施工全過(guò)程。首先應(yīng)保證進(jìn)場(chǎng)材料級(jí)配的均勻性，開(kāi)采爆破料時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整爆破參數(shù)，以獲得最優(yōu)級(jí)配的填筑料。其次在施工過(guò)程中，采用混合鋪筑法填筑，嚴(yán)格控制填筑碾壓參數(shù)，以保證施工過(guò)程中填筑料的均勻性。

(3)下水庫(kù)上游主堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓壓實(shí)質(zhì)量以挖坑灌水法檢測(cè)壓實(shí)干密度為主，按公式換算相應(yīng)的孔隙率控制，因下水庫(kù)進(jìn)水出口處爆破開(kāi)挖料風(fēng)化程度不勻，在施工取料過(guò)程中應(yīng)視實(shí)際情況多次進(jìn)行巖石比重試驗(yàn)，以精確計(jì)算壓實(shí)孔隙率。附加質(zhì)量法檢測(cè)干密度結(jié)果可靠，適用于碾壓施工質(zhì)量過(guò)程控制，可實(shí)現(xiàn)既保證碾壓填筑快速施工，又能快速有效檢測(cè)填筑質(zhì)量。