两河口水电站掺砾土料碾压试验分析
2018-05-29车维斌杨金平江万红
车维斌，杨金平，江万红，陈 希
(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)
两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内的雅砻江干流上，电站坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇合口下游约2 km河段。两河口水电站为以发电为主，兼顾防洪，电站采用坝式开发，水库正常蓄水位高程2 865.00 m，水库总库容为107.67亿m3，消落深度为80 m，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。电站装机容量3 000 MW，多年平均年发电量110亿kW·h。两河口水电站枢纽建筑物由砾石土心墙堆石坝、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、放空洞、漩流竖井泄洪洞、地下发电厂房、引水及尾水建筑物等组成，采用“拦河砾石土心墙堆石坝+右岸引水发电系统+左岸泄洪、放空系统+左、右岸导流洞”的工程枢纽总体布置格局。砾石土心墙堆石坝最大坝高295 m，引水发电系统为大型地下洞室群结构，安装6台单机容量500 MW的水轮发电机组。
1 掺砾土料料源
两河口水电站掺砾土料需用量为441.14万m3，接触黏土料17.96万m3。掺砾土料使用西地、苹果园、亚中、瓜里、普巴绒作为开采土料料源。根据设计规划使用顺序，大坝填筑土料的料源掺砾石土料首先开采亚中土料场，接触黏土料全部开采自西地土料场。掺砾料利用庆大河加工系统和瓦支沟加工系统加工生产的连续级配新鲜石料，粒径的范围为5～100 mm。
2 掺砾土料碾压试验
2.1 技术要求
用于心墙防渗料的砾石土颗粒级配应符合：填筑土料最大粒径≤150 mm；粒径>5 mm的颗粒含量不超过50%，不低于30%；粒径<0.075 mm的颗粒含量不小于15%；粒径<0.005 mm的颗粒含量大于8%；碾压后心墙防渗土料的渗透系数<1×10-5cm/s，抗渗透变形的允许坡降>4.0，其渗透破坏形式为流土。心墙防渗土料的塑性指数IP宜10
2.2 料源情况
本次碾压试验主要针对亚中(A区)土料，经对前期料场复勘资料统计：料场总面积约22.80万m2，平均厚度为3.3～8.0 m。复勘揭露，表层耕殖土厚0.3～0.4 m，为无用层。有用层储量为57万m3，总储量140.6万m3。平均级配<5 mm颗粒含量为95.06%，<0.075 mm颗粒含量为80.36%，<0.005 mm黏粒含量为24.45%，以细粒料为主，需掺砾改性，塑性指数为10.7～12.8，P5、细粒含量、黏粒含量、塑性指数满足规程要求。
表1 掺砾土料料源试验检测结果统计
2.3 碾压试验目的
现场碾压试验的目的：①通过物理、力学性能的试验成果，验证砾石土心墙料设计参数的可行性；②验证砾石土心墙料设计技术指标及填筑标准的合理性、可用性；③确定砾石土心墙料的最佳压实方法(包括选择碾压设备类型、机械参数、碾压遍数、铺料厚度、洒水量等施工参数)；④提出砾石土心墙料合理的填筑含水率范围和含水量调整方法及高含水率对填筑和压实的影响；⑤推荐砾石土心墙料填筑施工快速检测方法(全、细料压实度检测方法及其指标)；⑥选择可行的施工碾压参数。
2.4 现场工作准备
2.4.1 料源准备
掺砾土料料源开采与加工需要经过土料开采、掺砾料制备、平铺立采加工等工艺过程，在掺配完成后进行了室内击实试验(测最大干密度、最优含水量)，然后对天然含水率、液塑限、颗粒级配进行试验检测，检测结果见表1，可知掺砾土料各项指标均满足设计技术要求，能够满足作为防渗料使用。
2.4.2 场地要求
(1)场地坚实平整，用26 t自行式振动平碾按2～3 km/h的速度碾压，根据测量沉降资料结果看，碾压2遍后全场平均沉降量小于2 mm；整场高差小于20 cm且局部起伏差小于5 cm。
(2)在场地碾压完毕后，摊铺了一层30 cm厚的试验料，振动碾压后的压实度均大于100%，将这一层作为基层，然后在其上进行碾压试验。
(3)试验区尺寸为14 m×18 m(宽×长)，面积为252 m2。
(4)试验铺土要求。由于碾压时产生侧向挤压，因此试验区的两侧(垂直行车方向)留出了一个碾宽。顺碾压方向的两端留出了5～6 m作为非试验区，以满足停车和错车需要。
2.5 碾压试验
采用淘汰法进行试验组合，即每次只变动一项参数，固定其他参数，通过试验求得该项参数的适宜值，再变动另一项参数，求得另一项施工参数的适宜值，最终通过试验得到的填筑材料的各项最佳施工参数。待各项参数选定后，用选定参数进行复核试验。
采用进占法铺料，20 t自卸车运输，推土机平料，在非试验区域设置4个固定标杆，操作手根据标杆控制铺料厚度，同时人工配合进行整平，铺料厚度误差控制在±5%。
采用26 t自行式振动凸块碾进行碾压，行车速度控制在(2.5±0.5)km/h(超过3 km/h则报警)，碾压方式采用错碾碾压(即进退法，按一进一退各1遍计算)，搭接宽度为15～20 cm。当碾压遍数与沉降量关系曲线未趋于收敛时，增加碾压遍数直至收敛。
为保证沉降观测准确，在振动碾振动影响范围之外的碾压场附近设置2个测量基准点，在碾压试验单元内以1.2 m×1.2 m的方格网布置沉降测点，每个单元布置测点66个。测量按照GB50026—2016《工程测量规范》[8]有关条款规定进行，在碾至规定遍数后对试验单元内全部测点进行高程测量，整个场次碾压完成后的数据为一场次。
2.6 碾压试验成果
在掺砾土料天然含水率下进行参数选择场碾压试验，在碾压试验中，主要检测密度、颗粒级配、含水率、液塑限指标，同时进行沉降测量。根据沉降测量成果整理得到掺砾土料的碾压沉降率见图1。由图1可知，在相同铺料厚度下，沉降率随着碾压遍数的增加而增加，从整体沉降趋势分析，不同的铺料厚度均在静碾2遍+振碾10遍时基本趋于收敛。
图1 掺砾土料碾压遍数与沉降率关系曲线
碾压完成后，现场采用灌水法检测压实密度，每种组合取样10组(测点在试验区内均匀布设)，试验结果见表2，铺料厚度、碾压遍数与压实度的关系见图2、图3。
表2 掺砾土料压实度检测成果汇总(参数选择场)
图2 不同铺料厚度下的全料压实度与碾压遍数关系曲线
图3 不同铺料厚度下的细料压实度与碾压遍数关系曲线
由表2可知，根据试验设计采用26 t自行式振动凸块碾进行压实得到的全料压实度、细料压实度均能满足设计技术要求。结合图2、3可知，掺砾土料在相同铺料厚度时，全料压实度、细料压实度均随碾压遍数的增加而增大，即掺砾土料压实度与碾压遍数关系成正比；掺砾土料在相同碾压遍数时，全料压实度、细料压实度均随铺料厚度的增加而减小，说明掺砾土料厚度越厚越不易压实。
颗粒级配试验试样为检测密度试坑内的试样，每种组合取样10组，试验结果见表3，典型颗粒级配曲线见图4。可知，掺砾土料在采用26 t自行式振动凸块碾碾压后，各项指标均满足设计技术要求。
本次碾压试验共有12个碾压组合，碾压后共进行液塑限试验107组，试验结果见表4。可知，掺砾土料在碾压后，塑性指数最大值为11.9，最小值为10.0，平均值为10.6，满足设计技术要求。
表3 砾石土心墙料碾压后颗粒级配试验检测结果统计
图4 铺料厚度30 cm碾压后颗粒级配曲线
铺料厚度/cm含水率调整/%10组平均湿密度ρh/g·cm-3含10组平均水率ω/%10组平均干密度ρD/g·cm-310组平均P5含量/%10组平均P5含量对应的最大干密度ρD/g·cm-310组平均全料压实度/%10组平均<20mm细料压实度/%30+2.52.439.12.2346.22.2698.6102.6+1.52.418.62.2241.02.2499.3104.602.407.72.2336.92.22100.6106.2-1.52.386.02.2442.22.24100.2103.8-2.52.315.62.1936.62.2298.9101.4
表4 掺砾土料碾压后液塑限试验检测结果统计
2.7 复核碾压试验
经过对参数选择场碾压试验成果进行分析，确定采用铺料厚度30 cm，26 t自行式振动凸块碾静碾2遍+振碾10遍，行车速度按(2.5±0.5)km/h控制(超过3 km/h报警)进行复核碾压试验。
含水率调整碾压试验共有5个碾压组合，碾压后共进行现场密度试验48组，检测结果见表5和图5。可知，全料压实度>97%，细料压实度>99%，均满足设计技术要求。在采用相同的铺料厚度和碾压遍数时，全料与细料压实度在最优含水率时最大，全料与细料压实度随含水率的增加而减小、减小而减小。
图5 含水率与全料、细料压实度变化曲线
根据参数选择场和含水率调整碾压试验成果确定的参数，含水率按最优含水率控制，共复核8层。复核碾压试验成果见表6、7。
由表6、7可知，全料压实度、细料压实度、颗粒级配、界限含水率、破碎率、渗透系数均能满足设计技术要求。因此，铺料厚度30 cm、碾压静碾2遍+振碾10遍，行车速度按(2.5±0.5)km/h控制(超过3 km/h报警)的施工参数合理，能指导现场施工。
表6 掺砾土料压实度检测成果汇总表(复核场)
表7 掺砾土料复核试验颗粒级配、界限含水率、破碎率、渗透系数试验检测结果统计
3 结 论
通过现场碾压试验，针对掺砾土料特性，确定了铺料方式、碾压程序、碾压施工参数(包括填筑料级配、填筑层厚、碾压遍数、行车速度)，提出了施工质量控制标准与试验检测方法，具体为①由现场复核试验结果可知，在铺料厚度30 cm、碾压静碾2遍+振碾10遍，行车速度按(2.5±0.5)km/h控制(超过3 km/h报警)参数下，均能满足全料压实度>97%、细料压实度>99%的要求；②由复核试验结果可知，掺砾土料现场的破碎率为0.4%，故26 t自行式凸块碾碾压对掺砾土料的砾石再次破碎影响较小；③确定采用三一重工自行式凸块振动碾，碾重17.1 t，设备总质量26.7 t，碾宽2 170 mm，按行车速度(2.5±0.5)km/h控制(超过3 km/h报警)，其激振力416 kN，采用低频率、高振幅碾压；④含水率控制在Wop-2.5%≤W≤Wop+2.5%，Wop为最优含水率。另外，建议将细料压实度从大于99%调整为大于100%。由于碾压土层容易产生含水率散失，导致土体干燥结块，建议上下层结合措施采用相关设备(如推土机履带)进行刨毛处理或补水后进行下一层土料的铺填。
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