高陡边坡滚落石料用作围堰填筑材料研究与应用
2011-09-11田中涛车维斌
田中涛，车维斌
(中国水利水电第五工程局有限公司长河坝施工局，四川成都 610066)
1 问题的提出
长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河水电开发的第10级电站，工程区地处大渡河上游金汤河口以下约4～7 km河段上。长河坝水电站枢纽工程建筑物主要由砾石土心墙坝、泄洪系统、引水发电系统组成;总装机容量2 600 MW;主要建筑物为一等大(1)工程。拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m。
长河坝电站左右岸开挖高边坡四个，分别为339 m高的右岸边坡、304 m高的左岸边坡、226 m高的进水口边坡、158 m高的开关站边坡。大坝区域河谷呈较宽的“V”型，两岸自然边坡陡峻，临江坡高700 m左右，地形坡度一般为60°～65°。边坡开挖料在施工作业过程中，因地形高陡不具备运输设备出渣条件，所有开挖石渣通过边坡翻到河床积渣平台，在积渣平台上运输出渣。
上游围堰最大堰高约53.5 m，采用复合土工膜心墙与封闭混凝土防渗墙防渗，堰体堆筑总量约为82.05万m3。下游围堰最大堰高约14.5 m，采用复合土工膜心墙与封闭混凝土防渗墙防渗，堰体堆筑总量约为4.65万m3。围堰填筑料计划分别利用高边坡开挖料和石料场开采料。由于石料场移民征地无法解决，施工中全部从高边坡开挖料中取用。
笔者通过工程应用实践，论证了长河坝水电站工程围堰填筑石料可利用250 m高陡边坡开挖滚落石料的可行性及其需要采取的工程措施与应用特性。
2 问题关键点分析
高边坡石料与常规开采石料的主要差别在于多了翻料——滚落——堆积三个过程，这些过程都是对石料级配的再造过程，因此，级配的变化及其对石料性能的影响是问题的关键点，是可行性研究分析必须解决的问题。
针对石料在工程中的应用问题，上述条件下形成的堆积石料级配是否满足设计要求，石料压实后性能是否满足设计指标要求是问题的两个关键方面。
经分析，从级配改变的角度分析翻料过程不会对石料级配产生根本性改变，滚落、堆积是石料级配经过边坡分选再重新自然形成的过程。在挖、装、运过程中的挖、装可以通过挖装设备根据需要对级配进行人为的再次调整，同时，碾压过程对不同石料级配会生产一定程度的改变，这种改变无法人为控制。
3 论证分析过程
通过现场勘察分析、生产性碾压试验和论证分析三个过程，最终确定250 m高边坡滚落石料是否可以作为围堰填筑料使用，其中试验研究过程主要是进行生产性碾压试验。
3.1 现场勘察分析
经过实地查看，坡脚堆积石渣表面级配差，在中、上部可以看到各种粒组分布。因此，确定试验取料时利用反铲搭配里外侧粗细料简单混合后装车。
3.2 生产性碾压试验
生产性碾压试验的目的是为了核实坝料设计填筑标准的合理性，通过生产性碾压试验可以直接论证石渣料是否可以作为填筑料使用及其施工工艺。
3.3 试验成果论证分析
根据生产性碾压试验实测石料级配指标，压实后的孔隙率、渗透系数参数与设计指标比较分析，分析其作为填筑料使用对设计指标的满足性，论证其作为填筑料的可行性。
4 生产性碾压试验成果
4.1 级 配
通过对高边坡滚落、堆积重组石料碾压试验前后级配分析，可以说明其组成情况。碾压试验的取样代表性有局限性，到后期施工级配明显好于试验取样情况。
4.1.1 碾压前级配
在碾压试验前，通过反铲掺和均匀后取石料进行试验，主要成果见图1。
图1 碾压前原状料级配曲线图
碾压前取样石料级配粒径小于5 mm含量为0.4%～4.1%，小于 0.075 mm 含量为 0～0.4%，Cc值为0.89～1.25，Cu值为5.3～10.4;平均值小于5 mm含量为1.6%，小于0.075 mm含量为0.2%，Cc值为1，Cu 值为7.2。
4.1.2 碾压后级配
碾压试验后，通过人工挖坑取石料进行试验，主要成果见图2。
碾压后石料级配粒径小于5 mm含量为1.2%～16.2%，小于 0.075 mm 含量为 0.1%～1.2%，Cc值为0.51～2.01，Cu 值为4.3～17.9;平均值小于5 mm含量为7.6%，小于0.075 mm含量为0.4%，Cc值为1，Cu值为10.8。
4.1.3 碾压前后级配对比分析
图2 碾压后石料级配曲线图
通过对碾压前后的级配进行对比分析，可以得出以下结论:
(1)碾压前、后级配均属于不良级配石料;
(2)碾压过程对石料级配有所影响，表现在细料有所增加;
(3)碾压前后石料级配均存在级配不良现象，但整体平均级配曲线满足Cu≥5，Cc为1～3(级配良好)的范围。
碾压前、后级配均属于不良级配是可以预计的结果，两者之间的不同在于后者经过26 t自行碾在铺料1 m的情况下碾压8遍。
4.2 其他指标
4.2.1 碾压沉降量
根据不同遍数、厚度实测的碾压沉降平均值见表1。
表1 不同松铺料厚度、碾压遍数与沉降关系分析表
通过分析得知，石料碾压4～8遍后沉降率为3%～5%。
4.2.2 干密度及空隙率
初次试验铺料1 m、碾压8遍后干密度为2.14～2.19 g/cm3，平均为 2.16 g/cm3;孔隙率为18.7～20.6%，平均为 19.7%;复核试验干密度为2.18～2.23 g/cm3，平均为 2.2 g/cm3;孔隙率为17.24～19.11%，平均为 18.07%
4.2.3 渗透系数
经过碾压密实后现场渗透试验测试平均渗透系数为8×10－2cm/s。
5 试验成果的分析论证
5.1 设计坝料指标
设计提出的围堰填筑石料标准见表2。
表2 设计填筑石料技术指标表
5.2 设计指标的满足性分析
5.2.1 级配指标分析
(1)最大粒径:14组均满足设计≤800 mm要求。
(2)粒径小于5 mm颗粒含量:14组均满足设计＜20%要求。
(3)粒径小于0.075 mm颗粒含量:14组均满足设计＜5%要求。
(4)根据Cu≧5、Cc为1～3(级配良好)的标准控制，碾压前后共计14组，有7组达不到级配良好要求，为4.3～5.8，不良级配率为50%。
5.2.2 孔隙率
试验实测值范围为17%～21%，满足设计≤23%的要求。
5.2.3 渗透系数
试验实测值为8×10－2cm/s，满足设计1×10－2的要求。
5.3 与通常条件下开采石料指标进行的对比分析
(1)排除取料因素干扰后，最大粒径、粒径小于5 mm颗粒含量、小于0.075 mm颗粒含量均同于通常条件下的开采石料。与通常情况下开采石料相比较，主要表现在滚落、堆积重组后石料级配变差。
(2)与通常情况下开采石料压实后干密度、渗透指标接近，说明重组后石料级配有所变差，并对其压实特性影响有限，仍可满足施工指标要求。
(3)高边坡滚落、堆积重组后石料压实过程沉降率为3%～5%，说明重组后石料级配有所变差但并没有引起其作为围堰填筑石料的性质变化。
6 填筑施工应用
6.1 围堰填筑施工
长河坝水电站围堰工程填筑施工工期紧，没有设置专门开采石料场，围堰填筑全部使用开挖利用料。经统计，围堰填筑共计利用坝肩高边坡甩渣滚落料接近50万m3，开挖上围堰过程基本上由反铲将粗细料有选择性的简单搭配装车混合，坝面卸料粗细混搭。石料开采作业面现场实际情况见图3。
图3 石料开采作业面现场实际情况
6.2 围堰填筑质量检测
为保证施工质量并检验高边坡料填筑的实际情况，在施工质量检测过程中，将高边坡滚落填筑区料和其他部位填筑料进行区别，施工取样情况说明如下。
6.2.1 施工过程掺和均匀性分析
根据Cu≧5、Cc为1～3(级配良好)的标准控制，施工过程中共计统计在高边坡取料上坝组数为36组，其中级配7组为不良，坝面填筑掺和均匀率达80%以上。
6.2.2 施工过程掺和均匀性分析
碾压试验后，通过人工挖坑取石料进行试验，主要成果见图4。
图4 高边坡石料坝面填筑取样级配曲线图
碾压后取石料级配粒径小于5 mm含量为9.7%～29.0%，小于0.075 mm 含量为0.3%～1.4%，Cc值为0.56～3.75，Cu 值为 11.4～39;平均值粒径小于5mm含量为13.74%，小于0.075 mm 含量为0.54%，Cc值为 1.71，Cu 值为25.49。
6.2.3 干密度及空隙率
施工过程中，36组干密度为2.14～2.24 g/cm3，平均为2.19 g/cm3;孔隙率为17.04%～20.74%，平均为 18.89%。
6.2.4 施工生产与碾压试验成果对比
根据两个阶段成果数据的对比，发现有以下情况:
(1)施工生产阶段较试验阶段粒径小于5 mm含量平均增加约5%，小于0.075 mm含量平均增加为0.1%，Cc值增加0.7，Cu值为10。级配不良率指标由试验阶段的50%左右降低到施工阶段的20%左右。
分析上述变化的原因，主要是试验阶段取样只能是堆积石渣的外部，其偏粗，而施工阶段全断面取料经施工工艺过程简单掺和，级配整体情况比试验阶段好。
(2)试验与施工成果表明石渣料的干密度、孔隙率基本一致，仍保持在17%～21%的水平。
7 结语
(1)通过上述论证分析可知，高陡岩石边坡滚落、堆积重组后的石料经压实后除其级配外其他指标均能够满足设计指标要求且与通常情况下开采石料没有发生根本性的变化。
(2)经过分析得知，滚落、堆积重组后的石料级配的变异发生在一定空间尺度范围内，这种空间尺度范围属于较小空间尺度范围且与石料最大粒径所在空间尺度范围一致。滚落、堆积重组后的石料级配的变异对生产条件下检测指标产生的影响很小，稍大空间尺度其性状表现与通常情况下开采的石料差异不大。
(3)通过对试验与施工应用情况进行的对比分析论证，结合其形成原理分析表明:在长河坝工程中，围堰填筑使用高陡岩石边坡滚落、堆积重组后的石料经过施工过程自然掺和是可行的，石料可用于围堰填筑。
