长河坝水电站砾石土料碾压试验及参数选择

2018-05-29樊鹏，王宁

水力发电 2018年2期

樊鹏，王宁

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川成都610066)

心墙是土石坝最为重要的部位之一，是坝体防渗的关键所在。传统心墙材料主要有黏土、混凝土、沥青混凝土、砾石土等。其中，砾石土有填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小且广泛存在于自然界中的特点[1]。通常将砾石质量含量在20%以上的含砾土、黏土质砾、风化料及碾压后可破碎成砾石土的风化岩石统称为砾石土[2]。美国于20世纪40年代建造泥山坝时首次用砾石土作心墙料；之后瑞士、法国、瑞典、奥地利等国也相继采用砾石土作为高土石坝心墙料[3]；20世纪80年代后砾石土在国内高土石坝中的应用越来越普遍[4]。土石坝心墙防渗标准要求高；因此，砾石土应用于土石坝心墙料中，需严格控制其级配、渗透系数、塑性指数等指标。

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定市境内，为大渡河干流水电梯级开发的第10级水电站。工程区地处大渡河上游金汤河口以下约4～7 km河段上，坝址上距丹巴县城82 km，下距泸定县城49 km。工程为一等大(1)型工程，电站采用水库大坝、首部式地下引水发电系统开发，总装机容量2 600 MW。拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程1 697 m，坝顶宽16 m，最大坝高240 m。砾石土心墙料填筑总量为428.319 5万m3，分别由汤坝、新莲两个土料场作为砾石土料源，两个土料场距坝址分别为22 km和23 km。经勘探，两个料场土料的质量和总储量均满足坝体心墙填筑要求。

根据长河坝工程心墙料的碾压试验技术要求，砾石土料的最大粒径不大于150 mm，粒径大于 5 mm 的颗粒含量在30%～50%间，小于0.075 mm的颗粒含量应大于15%，小于0.005 mm的颗粒含量应大于5%；砾石土料的渗透系数应小于1×10-5cm/s，抗渗透变形的允许坡降应大于5，其渗透破坏形式应为流土；塑性指数宜大于8，小于15；心墙砾石土防渗土料全料压实度应达99%(采用修正普氏击实)或以上，可通过现场碾压试验验证压实度的合理性。本文以长河坝水电站为依托，介绍保证砾石土心墙料碾压质量的碾压试验过程及方法，确定了相应的碾压参数。

1 碾压试验

1.1 试验目的及要求

现场碾压试验的目的是检验、修正填筑坝料的设计填筑标准，确定经济合理的铺料方式、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、行车速度等)，选择适宜的碾压机械设备，优化施工参数，制定填筑施工实施细则与技术要求，提出质量控制的技术标准与检验方法。碾压试验是生产性试验，是实际施工的演练；因此试验过程所采用的施工方法、施工机械都必须与实际施工相一致。根据设计对坝体填筑的要求，通过现场碾压试验确定防渗土料在不同工况条件下的压实效果，验证设计提出的筑坝材料控制指标的合理性并提出优化方案。

1.2 试验组合及布置

为了保证碾压试验所用料的合理性，通过分析和比选，最终试验用料选择中等偏粗土料(P5含量约为57%)、偏细料(P5含量约为27%)和均线料(P5含量约为48%)三种土料进行试验。心墙土料碾压机具参考国内同类工程经验选用国产三一重工YZ26C 26T自行凸块振动碾。试验组合如下：

(1)偏粗料(P5含量约为57%)试验组合。通过分析研究确定，偏粗料碾压试验共设8个试验组合，铺土厚度分别为30、40 cm，碾压遍数分别为静碾2遍+振碾8遍、10遍、12遍、14遍。

(2)偏细料(P5含量约为27%)试验组合。偏细料碾压试验共设8个试验组合，铺土厚度分别为30、40 cm，碾压遍数分别为静碾2遍+振碾8遍、10遍、12遍、14遍。

(3)均线料(P5含量约为48%)试验组合。均线料碾压试验共设8个试验组合，铺土厚度分别为30、40 cm，碾压遍数分别为静碾2遍+振碾8遍、10遍、12遍、14遍。

1.3 试验步骤

(1)铺料。采用20 t自卸汽车运输合格的土料，采用进占法卸料，铺料模拟大坝施工进行，进占法铺料。为了更好地控制铺料厚度，在铺料之前，对于不同的铺料厚度，在每个试验区做好标记，边线处固定绳索。采用SD32推土机平料，人工清除试验区的超径石。铺料完成后，采用钢板尺进行厚度复核，厚度误差应控制在±5%以内。

(2)碾压。为了保持同一条碾压试验区碾压质量的均匀性，将选定的振动碾在试验区外起动，达到正常工况后，由试验人员指挥进场，行驶速度选择为(2.5±0.2)km/h，先静碾2遍；然后，再按设计的碾压遍数分别进行碾压，碾压方式采用进退错距法，相邻碾迹搭接宽度10～20 cm。碾压过程中，振动碾沿试验区长度方向匀速、平直行驶，直至完成规定碾压的遍数。

(3)碾压效果检测。主要检测各场次设定的碾压遍数之后土料的压实度；同时，为了确定合理的土料颗粒级配，在碾压试验前及试验完成后进行颗粒筛分试验。现场试验还进行了沉降检测。

1.4 试验检测方法

(1)颗粒级配的确定。为了解碾压前后颗粒破碎情况，以免造成超压：碾压前，在每场试验铺料后进行取样，进行颗粒分析试验，颗粒分析试验采用筛析法与密度计法联合测定，大于0.075 mm颗粒部分用筛析法，小于0.075 mm颗粒部分采用密度计法；碾压后，对每个试验组合采用挖坑灌水法检测压实度，并对试坑内全料进行颗粒分析，颗粒分析亦采用筛析法与密度计法联合测定。

(2)压实度检测。压实度检测采用挖坑灌水法。碾压后原位压实度检测根据SL237—1999《土工试验规程》采用挖坑灌水法。每一试验组合检测10个点，分别取全料、细料进行含水率检测。全料压实度采用挖坑灌水法测得的全料干密度与对应P5含量大型击实(2 688 kJ)最大干密度比值得出。细料的湿密度则通过计算得到，利用全料湿密度与大于5 mm颗粒含量、干密度及大于5 mm颗粒吸水率计算得到细料体积，细料湿密度则为全料湿密度减去大于5 mm颗粒湿密度。细料压实度为细料干密度与细料在592 kJ/m3击实功室内击实最大干密度比值。

(3)沉降检测。沉降检测根据DL/T5173—2003《水电水利工程施工测量规范》，用TCR802全站仪。在振动碾振动影响范围之外设置2～3个测量基准点，在碾压试验区内以1.5～2 m的方格网布置沉降测点，每个试验组合布置13个测点。分别在铺土前进行基础高程测量，铺土后高程测量，静压2遍后测量及每完成2遍振动碾压后测量，最后得出各试验组合碾压后碾压遍数、铺土厚度与沉降量的关系。

1.5 试验成果

1.5.1 碾压前后颗分试验成果

各料碾压前后颗分试验成果见图1～6。图中的图例序号分别为试坑编号，三种料根据具体情况设置不同的试坑数量。

图1 偏粗料碾压前颗粒分析曲线

图2 偏粗料碾压后颗粒分析曲线

图3 偏细料碾压前颗粒分析曲线

图4 偏细料碾压后颗粒级配曲线

图5 均线料碾压前颗粒分析曲线

图6 均线料碾压后颗粒分析曲线

从以上颗粒分析试验结果曲线可以看出，三种不同级配的土料在碾压前后，基本没有太大变化；同一种土料，不同的试坑所对应的级配曲线较为接近，变化趋势相同。这一定程度上反映出，碾压较均匀；所选颗粒级配在碾压前后均满足心墙土料的设计要求。

1.5.2 压实度检测结果

通过现场挖坑灌水法检测压实度发现：

(1)当偏粗料和均线料的铺土厚度为30 cm时，碾压8遍后，压实度可以达到95%；碾压10遍后，可以达到97%；碾压12遍后，无法达到98%；碾压14遍后，部分检测点达到98%，但都无法达到99%。当偏粗料和均线料的铺土厚度为40 cm时，碾压8遍后压实度在93%～95%之间；碾压10遍后，压实度在95%～96%；碾压12遍后压实度在96%～ 97%，碾压14遍后可以达到96%，但无法达到97%。

(2)当偏细料的铺土厚度为30 cm时，碾压后8遍压实度可以达到96%，在碾压10遍后可以达到97%；碾压12遍后可以达到98%，碾压14遍后可以达到99%。当偏细料的铺土厚度为40 cm时，碾压8遍后压实度可以达到95%；碾压10遍后，可以达到97%；碾压12遍后，可以达到98%；碾压14遍后，达到了100%。

上述分析表明，偏粗料和均线料在铺土厚度为30 cm且碾压14遍后，压实度均无法达到99%，但都达到了97%；偏粗料和均线料在铺土厚度为 40 cm 且碾压14遍后，压实度仍无法达到99%。如果再增加碾压遍数，压实度可能还无法达到设计要求；而只会增加碾压工作量，增加施工成本。偏细料在铺土厚度30 cm和40 cm且碾压14遍后，压实度均达到了99%以上。

1.5.3 沉降检测结果

现场检测显示，三种不同的土料不同的铺土厚度、不同碾压遍数情况下，沉降量的变化符合一般的规律；相同的铺土厚度情况下，当碾压遍数达到超过一定遍数后，沉降量基本没有太大变化。

2 碾压试验成果

(1)土料压实标准建议。设计原要求全料压实度需大于99%；但碾压资料分析表明，不能满足设计指标要求。因此，推荐采用双控指标。即，全料大于97 %，细料大于100%。

(2)现场施工参数建议。现场施工参数确定为：铺料30 cm，26 t自行式振动凸块碾静碾2遍+振碾12遍，行驶速度宜控制在(2.5±0.2)km/h。

通过试验验证，长河坝心墙料剔除大于150 mm颗粒，在铺土30 cm，静碾2遍+振碾12遍的施工参数下，全料压实度满足大于97%的要求，保证率为100%；当压实度大于98%时，保证率为67%。细料压实度满足大于100%，保证率为98%的要求；当压实度大于101%时，保证率为81%。因此，试验证明：砾石土心墙料的全料压实度选择97%、细料压实度选择100%时，施工可以满足要求。