长河坝水电站砾石土心墙料击实功能的选择试验研究

鲁 涛，李小泉，李 建，甘 霖

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

长河坝水电站砾石土心墙料击实功能的选择试验研究

鲁 涛，李小泉，李 建，甘 霖

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

以长河坝水电站的汤坝砾石土心墙料为研究对象，对其在击实试验过程中击实功能的选择进行了研究。研究成果表明：同一击实功能下，干密度随含水率增大出现先增大后减小的上凸抛物线特征变化的关系；最大干密度随着击实功能的增大前期增幅较大后期增幅逐渐减小，最优含水率随着击实功能的增大前期减幅较大后期减幅逐渐减小；综合经济性和安全性考虑，该砾石土料填筑标准选取2000 kJ/m3的击实功能较为合适。

砾石土；心墙料；击实功能；压实特性；长河坝水电站

0 引 言

长河坝水电站大坝为砾石土心墙堆石坝,最大坝高240 m，装机容量2 600 MW。大坝需心墙防渗土料611.42万m3，主要料源有汤坝料场和新联料场，总储量993.8万m3，其中汤坝料场确定为主料场。

作为240 m级的高心墙堆石坝，心墙土料首先要保证其具有防渗、一定的抗剪强度的基本特性，其次与坝料之间较好的变形协调以及低压缩性等也是必不可少的，故大坝心墙料的研究选择尤为重要。砾石土作为一种天然筑坝材料，由于满足其上所述的各类特性，已被广泛地运用于快速发展的西南高土石坝的设计建设之中[1]。为使所采用的砾石土心墙料能充分发挥其防渗、抗稳定及低沉降变形的特性，那么压实标准的制定及施工中压实质量的控制就显得极为关键。对砾石土心墙土料压实标准的制定可为工程设计提供合理的设计指标，并可为后期大坝施工填筑提供压实质量控制标准。

国内一些学者[2- 4]对砾石土的压实特性进行了相关的研究，并提出了砾石土的击实最大干密度与击实方法、击实功能、含水率以及P5含量(粒径>5 mm含量)均有着密切的关系。然而其中针对高土石坝工程的砾石土心墙料压实特性中击实功能选择的系统研究并不多，对此，本文以240 m级的长河坝水电工程为例，对心墙砾石土料的压实特性中击实功能的选择进行一个系统、全面的研究，进一步丰富和发展高土石坝压实指标及压实质量控制的相关关键技术。

1 系列击实功能下的击实试验

1.1 试验材料与设备

本试验采用的心墙土料来自于主料场的汤坝料场，依据料场成因及土料质量该料场被分为2个区，分别为冰积堆积区(Ⅰ区)及坡洪积堆积区(Ⅱ区)，其中土料主要属冰积堆积含碎砾石土，少量为坡洪积堆积含碎砾石土。本试验土料采用冰积堆积含碎砾石土，其中碎砾石成份以灰岩、大理岩、片岩以及石英为主，多呈棱角状、次棱角状。该砾石土料液限为33.8%，塑限为19.3%，塑性指数为14.3，比重为2.69。统计平均线<5 mm、<0.075 mm粒径颗粒含量分别为53.73%和28.90%，其定名为黏土质砾(GC)。试验级配采用具代表性的防渗土料统计平均线(剔除>200 mm的极少颗粒)，力学试验前依照DL/T 5356—2006《水电水利工程粗粒土试验规程》[5]对>60 mm粒径的超径颗粒采用等量替代法进行处理，处理前后的颗分级配见表1。

表1 试样颗分级配

颗粒直径/mm颗分级配/%原级配(剔除200mm)等量替换颗粒直径/mm颗分级配/%原级配(剔除200mm)等量替换200～1003.92—10～58.3110.55100～605.92—5～0.07524.8324.8360～406.388.10<0.07528.9028.9040～2011.2014.23<0.0059.979.9720～1010.5413.39

根据试验规程[5]，击实仪采用大型击实仪，击实桶直径为300 mm，适用于粒径不大于60 mm的土料。该击实仪击锤质量为34.6 kg，击锤直径为15 cm，落高为59 cm，击实桶体积为20 347.2 cm3，层数为3层，冲量为7 kN·s/m2。

1.2 试验方案

根据动能定理，击实功能的计算公式为

Ee=WR×h×NL×NB/V

(1)

式中，Ee为击实功能；WR为击锤质量；h为落高；NL为击实层数；V为击实桶体积；NB为每层击实次数。本试验采用改变每层击数来实现击实功能大小的系列变化。试验研究击实功能分别为604、1 000、1 500、2 000、2 400、2 740 kJ/m3下砾石土的压实特性。

2 试验结果及分析

砾石土击实试验成果如表2所示，列出了6种不同击实功能下的最大干密度、最优含水率及孔隙比的试验结果。图1给出了不同击实功能下砾石土的干密度与含水率关系。图2给出了最大干密度、最优含水率与击实功能的关系。

表2 砾石土料击实试验成果

试验编号击实功能/kJ·m-3最大干密度ρdmax/g·cm-3最优含水率Wop/%孔隙比e汤坝平均线6046041.9909.40.36汤坝平均线100010002.0828.70.30汤坝平均线150015002.1648.00.25汤坝平均线200020002.1947.60.23汤坝平均线240024002.2057.30.22汤坝平均线274027402.2107.20.22

图1 不同击实功能下干密度与含水率关系曲线

图2 最大干密度、最优含水率与击实功能关系曲线

由图1可知，每一击实功能下的干密度ρd与含水率w曲线为上凸的抛物线形，这与细粒类黏性土有着相同的特性，即同一击实功能下干密度先随着含水率的增大而增大，当含水率增大到一定值时干密度达到最大值，随后干密度随着含水率的增大而减小。这与细粒类黏性土的规律相似，主要是由于黏性土中的黏土矿物颗粒间存在着粘结力、水分子引力等作用在含水率不同时产生的不同的作用而致。

由图1、图2可知，从604～2 000 kJ/m3的击实功能大小逐渐变化，随着击实功能的增大最大干密度显著增大，增幅高达1.4%～4.6%；当击实功能达到2 000 kJ/m3并增大至2 740 kJ/m3的过程中，随着击实功能的增加最大干密度值增幅减小至0.2%～0.5%，此段最大干密度增幅较小。同时，最优含水率随着击实功能的增大而逐渐减小，并出现降幅值随着功能的增大而逐渐减小。原因主要是对于该黏性粗粒土来说，其组成成分是由充当骨架作用的砾石和充填骨架的细粒黏土料构成，击实作用产生的瞬间冲击力克服颗粒间的粘结阻力使颗粒间发生位移，相互充填并挤密，增大土体密度。当击实功能增加到足以克服颗粒间的阻力后，随着击实功能的增加最大干密度值增加甚小，考虑到大坝现场碾压压实的经济性因素，所以压实功能并不是越大越好，存在一个较为经济的最优压实功能。其次，砾石土防渗料不同于路基土料填筑时密度越大越好，超压密时土体结构会压坏，使土料破碎率提高，沉降量加大[3]。最优含水率随着击实功能的增大而减小，这说明原来较小击实功能下达到最大干密度及最大含水率的状态由于击实功能的增加导致水分进一步地被挤压排出，土体变得更加密实。

根据表2的试验成果作出孔隙比与击实功能的关系曲线如图3所示。由图3可知，孔隙比随着击实功能的增大逐渐减小至后期趋于稳定。由于孔隙比为计算值，并且孔隙比与试样的干密度成反比关系，而且干密度随着击实功能的增大而逐渐增大并最终趋于稳定的关系，因此从数学的角度较容易解释孔隙比与击实功能的这种变化关系。

综上所述，从经济性和安全性双重考虑，对汤坝冰积堆积砾石土料的击实试验的击实功能定为2 000 kJ/m3，在此压实功能下为工程设计提供设计指标，为大坝工程施工提供压实质量控制标准。

图3 孔隙比与击实功能关系曲线

4 结 论

(1)同一击实功能下，干密度先随着含水率的增大而增大并达到最大值，随后干密度随着含水率的增大而减小，呈现出上凸抛物线形特征。

(2)最大干密度随着击实功能的增大前期增幅较大后期增幅逐渐减小，最优含水率随着击实功能的增大前期减幅较大后期减幅逐渐减小。

(3)作为经济性和安全性的综合考虑，汤坝冰堆积砾石土料选取2 000 kJ/m3的击实功能较为合适，可为工程设计和工程施工压实质量提供控制标准。

[1]屈智炯. 宽级配砾质土在土石坝防渗体中的应用及其渗流控制的进展[J]. 水电站设计， 1992， 8(3)： 46- 53．

[2]郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州： 黄河水利出版社， 1998.

[3]冯业林， 孙君实， 刘强. 糯扎渡心墙堆石坝防渗土料研究[J]. 水力发电， 2005， 25(5)： 55- 57．

[4]杨凌云， 王晓谋， 尚涛. 粘性粗粒土的击实试验研究[J]. 路基工程， 2009， 145(4)： 84- 86．

[5]DL/T 5356—2006 水电水利工程粗粒土试验规程[S].

(责任编辑王 琪)

Experimental Study of Compaction Power Selection for Gravelly Soil as Core Wall of Changheba Hydropower Station

LU Tao, LI Xiaoquan, LI Jian, GAN Lin

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Taking the gravelly soil excavated from the Tangba stockyard in Changheba Hydropower Station as the study case, the selection of compaction power in compaction experiments is studied. The experimental results show that: (a) under same compaction power, the dry density increases fast in the beginning and then slows down with the increase of water content; and (b) with the increase of compaction power, the maximum dry density increases fast in the beginning and slows down in the latter, while the optimal water content decreases fast in the beginning and slows down in the latter. With consideration of both economy and safety, it is proposed that the compaction power of 2 000 kJ/m3is adopted as the filling standard of gravelly soil．

gravelly soil; core material; compaction power; compaction characteristics; Changheba Hydropower Station

2015- 02- 19

鲁涛(1986—)，男，湖北宜昌人，工程师，硕士，主要从事土石坝筑坝材料的试验研究工作．

TV443(271)

A

0559- 9342(2015)12- 0109- 03