300m級堆石壩天然礫石防滲土料級配調整現場試驗

張建博，葛小博，鄭 星，段興林，王道明

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

礫石土經碾壓后一般可獲得較高的壓實密度及抗剪強度、較低的壓縮性，已在土石壩工程中被廣泛地用作防滲材料[1-2]。高壩采用礫石土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，但受地理、地質等條件限制，很多地區(qū)的天然土料不能同時滿足高壩防滲與抗剪性能要求，需對心墻土料的級配等進行改善以提高其工程特性[3-7]。

礫石防滲土料的級配調整方式主要有以下幾種：一是以已建Nurek大壩(300m)、Tehri大壩(260.5m)[8-9]、糯扎渡大壩(261.5m)和在建兩河口大壩(295m)、雙江口大壩(314m)為代表的偏細土料中摻入粗粒料[10]；二是以已建瀑布溝大壩(216.5m)[11]、長河壩大壩(240m)為代表的天然寬級配礫石料剔除一定粒徑以上的粗粒料；三是以已建長河壩(240m)[12]為代表的不同料區(qū)礫質土料混摻工藝。某水電工程攔河大壩為礫石土心墻壩，壩高為300m級，工程選取的防滲土料存在“粗顆粒含量較多、黏粒含量偏少和均勻性較差”的特點，如何解決防滲土料的級配質量問題、生產合格的防滲土料對該工程高壩安全至關重要，更是保障大壩安全運行的關鍵因素。然而從心墻堆石壩的發(fā)展看，我國的土質防滲體心墻堆石壩建設尚處于積累經驗的階段，對心墻土料的級配調整實踐積累偏少，尚未形成成熟、統一的工藝和設備。

結合土料特性和工程設計指標要求，通過篩分、摻和、破碎等土料級配改善措施的比選，提出采用篩分工藝(篩除大于60mm粒徑的顆粒)調整防滲土料級配、采用混合攪拌工藝解決土料不均勻性的問題。針對相關改性工藝開展了防滲土料級配調整現場試驗，相關成果、設備技術參數等在天然寬級配礫石土的級配調整和改善工藝研究方面具有一定的意義。

1 現場試驗

1.1 試驗內容

某特高堆石壩選用的防滲土料為天然寬級配礫石土，開展的現場級配調整試驗主要包括篩分試驗和混合攪拌試驗。

篩分試驗包含以下2個階段：①進行篩分設備篩網尺寸的調試試驗。根據室內試驗成果，初步擬定60、70、80mm共3組篩網尺寸的試驗，通過測定土料篩前和篩后的顆粒級配、土料獲得率等參數，對比選擇適應本工程土料要求的篩網尺寸。②在確定篩網尺寸后，進行篩分工藝的篩分效率試驗。以確定篩分工藝進行規(guī)?；a時的生產能力、篩分效率、成品料獲得率。對試驗系統暴露的問題進行分析，進行篩分系統的改進措施研究。

混合攪拌試驗在篩分工藝完全確定后，進行土料的混合攪拌試驗。即將不同開采區(qū)的2種土料經過配料機控制比例摻配后進入攪拌機攪拌，分析對比攪拌后土料的級配及均勻性。

1.2 試驗流程

篩分試驗是采用水電工程砂石加工系統的篩分工藝，具體流程為：推土機清表→挖掘機立面開采取料→自卸汽車運輸供料至受料倉→振動棒條給料機(剔除大于200mm的超大粒徑顆粒)→皮帶機供料至振動篩篩分→成品料堆。同時，超徑無用料用皮帶機運輸至棄料堆。篩分試驗的場地布置如圖1所示。

圖1 現場篩分試驗場地布置

篩分試驗完成篩網尺寸等的確定后，再進行攪拌試驗。具體流程為：裝載機裝料→配料機供料→強力攪拌機攪拌→轉運皮帶機→成品料堆。

篩分及攪拌試驗的具體流程示意如圖2所示。

圖2 篩分及攪拌試驗工藝流程示意圖

1.3 試驗設備

1.3.1計量設備

(1)現場采用100t地磅進行毛料及篩分后的成品料的稱重計量。

(2)采用PLD4800型混凝土配料機進行定量給料實現不同區(qū)域土料按1∶1摻配攪拌。

1.3.2振動篩

型號3YK2570，3層篩網，分別為60、70、80mm。技術參數見表1。

表1 3YK2570振篩技術參數

1.3.3振動棒條給料機

尺寸為4.5m×6m(長×寬)，1套。技術參數見表2。

表2 振動棒條給料機技術參數

1.3.4攪拌設備

WCZ400型攪拌機1臺，額定生產能力400t/h。技術參數見表3。

表3 WCZ400型攪拌機技術參數

1.3.5其它設備

皮帶機(帶寬650mm/800mm、帶速2m/s)、3m3挖掘機、25t自卸汽車、輪式裝載機等。

1.4 土料開采及運輸

根據土料料源及試驗需要的土料數量，在土料場選定了2個開采區(qū)域(ⅠA以及ⅠB開采區(qū))?？紤]到土料在平面上和立面上的不均勻性，在ⅠA區(qū)平面上布置了6個開采點，每個開采點按2m一層進行開采，每個開采點開挖4層，開采深度為8m。ⅠB區(qū)平面上布置了2個開采點，每個開采點按2m一層進行開采，每個開采點也開挖4層。開采土料由自卸汽車運輸至篩分受料倉。

2 試驗成果及分析

現場共計完成IA區(qū)、IB區(qū)全級配土料開采、振動篩分26場，約8410t。其中IA區(qū)約5845t、18場，IB區(qū)約2565t、8場。

2.1 土料級配特性分析

2.1.1天然土料(原級配土料)級配

原級配土料的P5含量(大于5mm的顆粒含量)、小于0.075mm顆粒含量、小于0.005mm黏粒含量特征值見表4。

表4 原級配土料特征粒徑含量統計

從天然土料原級配可以看出，天然土料最大粒徑顆粒偏大，P5含量過高，細粒和黏粒含量偏低，不適宜直接用作特高礫石土心墻壩的心墻防滲土料。

2.1.2成品土料(60mm篩網下土料)級配

(1)成品料(60mm篩網下土料)的顆粒級配

從成品料人工篩分成果來看，ⅠA區(qū)(204組)、ⅠB區(qū)土料(80組)從取樣場地的不同平面位置、不同深度開采的土料，開采區(qū)土料成品料(60mm篩網下土料)的顆粒級配基本滿足設計要求。ⅠA、ⅠB區(qū)土料篩除60mm以上顆粒后控制性粒徑含量統計見表5。

表5 ⅠA、ⅠB區(qū)土料60mm以下顆?？刂菩粤胶拷y計 單位：%

(2)成品料(小于60mm)中大于5mm礫石含量分析

為了解機械篩分后的成品土料5mm以上礫石含量中各粒組礫石相對含量的差異性及礫石級配的連續(xù)性，對機械篩分后成品料中大于5mm部分礫石進行分析。

結果表明，5mm以上的5個粒組中(大于60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm)，40～20mm粒組礫石所占比例最高。5mm以上礫石級配連續(xù)，未出現某粒組缺失情況，且ⅠA、ⅠB區(qū)土料規(guī)律相似。

2.2 篩網孔徑的選擇及成品土料獲得率

2.2.1篩網孔徑選擇

根據現場振動篩篩分及人工篩分試驗結果，采用篩網孔徑分別為80、70、60mm時，篩下部分(成品土料)的IA、IB區(qū)控制性粒徑含量見表6—7。

表6 不同篩網孔徑下ⅠA區(qū)P5、小于0.075mm、小于0.005mm含量統計 單位：%

表7 不同篩網孔徑下ⅠB區(qū)P5、小于0.075mm、小于0.005mm含量統計表 單位：%

從統計結果可以看出：ⅠA區(qū)和ⅠB區(qū)土料各篩網下的小于0.075mm顆粒含量、小于0.005mm顆粒含量均能滿足設計要求，但P5含量不完全滿足要求，篩網孔徑為60mm時，P5含量滿足設計要求的比例均最優(yōu)，因而成品土料的篩網網孔尺寸宜為60mm。

2.2.2成品土料獲得率

成品土料獲得率為選定篩網孔徑下的通過篩網的土料質量與總質量的百分比。篩網孔徑為60mm時，統計篩分后成品土料的獲得率見表8。

表8 成品土料(小于等于60mm)獲得率

從試驗成果可知，成品土料的獲得率最低為51.2%，最高為81.6%，平均為67.5%，平均值略低于可研勘探大口徑鉆孔取樣室內篩分成果(71.6%)。經過復核防滲土料場土料的儲量仍然滿足工程防滲土料設計需要量的要求。

2.3 篩分損耗分析

土料在經過振動篩篩分時，由于網孔堵塞、進料速度、振動篩性能等諸多原因，并不是所有小于篩網孔徑的顆粒都會順利通過篩孔，而會出現小于篩網孔徑的顆粒隨著粗顆粒篩出的現象或者篩下成品料中出現部分超徑顆粒。

2.3.1細料流失分析

現場振動篩篩網是方孔篩，為分析本篩分系統的細料流失率，現場試驗人員對孔網尺寸60、70mm的篩網留篩樣進行人工2次篩分，以測試這2個篩網上試樣中所含的小于60mm顆粒含量(損耗量)，試驗成果見表9。

從試驗成果可知，60mm篩網上(留篩試樣粒組60～70mm)含<60mm顆粒占該粒組比例的最小值為10.2%，最大值為37.8%，平均值為24.4%；70mm篩網上(留篩試樣粒組70～80mm)含有<60mm顆粒占該粒組比例的最小值為7.2%，最大值為33.3%，平均值為19.0%。該損耗在60～70mm、70～80mm粒組含量的占比相對較大，但由于該2組粒徑的含量在全料中所占比例較小(分別平均占6.6%和2.9%)，總體而言對成品料(60mm篩網下顆粒)的獲得率影響不大(由于細料流失獲得率分別降低約1.59%和0.55%)。

2.3.2篩分超徑顆粒分析

對機械振動篩得到的60mm以下成品料取樣進行人工室內篩分發(fā)現，發(fā)現成品料中還含有60mm以上的超徑顆粒，含量約占4%。該部分超徑顆粒是由于現場采用的方孔篩篩網形式與室內篩分所采用的圓孔土工篩不同所致。超徑顆粒所占含量較小，對成品料的P5含量影響較小，增加值為2%左右。見表10。

表10 小于60mm成品土料超徑顆粒含量統計(P5理論值和實測值比較) 單位：%

2.4 攪拌試驗成果分析

根據土料篩分試驗的級配成果，分別對ⅠA區(qū)土料、ⅠA和ⅠB區(qū)土料各進行了1場攪拌試驗。IA區(qū)、IA區(qū)+IB區(qū)2次攪拌試驗前后的級配如圖3—4所示。

圖3 ⅠA區(qū)攪拌試驗級配變化

圖4 ⅠA區(qū)+ⅠB區(qū)攪拌試驗級配變化

從攪拌試驗的成果可知，對于級配(主要是P5含量)相差較大的2類土料，攪拌可以顯著的改善其級配，攪拌后土料的級配趨于粗細料的平均值。

前期室內試驗工作認為ⅠA區(qū)篩分后級配指標完全滿足設計要求，工藝設計不考慮ⅠA區(qū)攪拌，僅考慮ⅠA和ⅠB區(qū)土料混合攪拌。但考慮到ⅠA區(qū)不均勻，鑒于攪拌對改善土料均勻性效果較好，實施簡單、費用增加不多，建議實施階段對ⅠA區(qū)不同開挖面的土料也考慮混合攪拌。

3 級配調整工藝的改進

現場篩分試驗過程中暴露了一些超出原設計方案的問題和現象，針對不同的問題現場進行了及時改進和調整，使得篩分工藝及設備更好的滿足了試驗要求。

3.1 振動篩篩網結構形式

3.1.1問題分析

現場振動篩分設備經測算，正常運轉時能滿足設計處理能力，但振動篩易出現篩孔堵塞現象，即振動篩的方孔篩網網孔易被碎(礫)石堵塞，從而出現細顆粒隨著粗礫流失的現象。在正常天氣條件下，篩分系統每篩分5車(約250t)天然含水率狀態(tài)下的土料即需對篩網進行一次人工清理。

現場篩分試驗發(fā)現，當篩分土料達到一定數量后，3層篩網都會出現不同程度的堵塞，具體表現為粗顆?？ㄈ刖W孔中，較小的顆粒再填充其間。當篩網被堵塞后，細顆粒不能自如穿過篩孔，進而被粗顆粒夾帶出現在輸送粗顆粒的皮帶上。當出現篩孔堵塞現象后，必須人工進行清理。此時篩分工作必須暫停，清理篩網時間約2～3h/次，從而影響了篩分效率。

3.1.2解決措施

(1)更換篩網結構形式：鑒于初始采購的篩分系統篩網易出現堵塞的情況，通過分析堵塞原因，重新設計加工了新型篩網并進行了更換。新型篩網網孔大致呈矩形，由圓鋼彎曲后在一個平面上焊接而成，整體構造為單層，安裝后結構相較于之前的篩網更加簡單。

后續(xù)采用新篩網，還進行了大量篩分作業(yè)，篩分土料總量估計在2000t以上，篩網仍保持良好的工作性能，未發(fā)生嚴重的堵塞情況，超徑料中也未見明顯的細料流失現象，自新篩網安裝至試驗完畢，均未進行過人工清理作業(yè)。

(2)考慮備用篩分設備：實施階段，根據防滲土料填筑強度，土料加工廠需配置4臺標準圓振篩(YK2570)，考慮長時間、大規(guī)模土料供應的保證率，在土料加工篩分場地考慮至少1臺同型號的振動篩做為篩分設備檢修、清孔等作業(yè)的備用。

3.2 超大顆粒料源處理

3.2.1問題分析

現場土料開挖及篩分試驗過程發(fā)現，天然原級配土料中超徑料顆粒較多，最大粒徑達到1500mm以上，存在部分大孤石。現場開挖機械在開采時特意剔除了部分大于500mm的大顆粒，但運至篩分設備的土料中，200mm以上顆粒仍然較多，導致篩分設備受料斗處時?？ㄗ　?/p>

3.2.2解決措施

本工程土料天然含水率不高、粗細顆粒分離較為容易，考慮后期實施階段，在料場開采的裝運過程中擬采用“特大孤石(大于1000mm)清除不上車、車載固定條篩剔除大于300mm的超徑塊石”減少進入篩分系統大于200mm超徑料的粒徑和數量；并改變受料倉通過振動棒條篩后出料方式“200mm以上顆粒采用裝載機轉汽車運輸方式、小于等于200mm顆粒采用皮帶機運輸”。

4 結論

(1)現場共計完成26場大型篩分試驗，篩分工藝系統可以實現粗細顆粒比較徹底的分離，天然土料可以順暢篩分。篩分設備的篩分效率可以達到預期的生產能力。

(2)采用篩網孔徑60mm的方孔篩時，成品料的小于0.075mm顆粒含量和小于0.005mm顆粒含量均滿足設計要求，P5含量滿足設計要求的比例較孔徑為70、80mm時最優(yōu)，因此推薦選擇篩網孔徑為60mm。

(3)攪拌試驗結果表明，級配相差較大的2類土料(主要是P5含量偏高和偏低)經攪拌后，級配趨于偏粗料和偏細料的平均值，能顯著改善級配?？紤]到ⅠA區(qū)土料也存在不均勻問題，鑒于攪拌對改善土料均勻性效果較好，實施簡單，費用增加不多，建議實施階段對土料場開挖區(qū)全部進行混合攪拌。

(4)綜合本文所做的工作，認為采用適當的篩分工藝、混合攪拌工藝進行天然寬級配礫石土的級配調整和改善土料的不均勻性是有效的。這對天然寬級配礫石土心墻料的制備具有工程借鑒意義。