300米级超高堆石坝掺砾土料掺拌工艺研究
2018-10-15
(中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，西安 710061)
1 概 述
目前，我国已建、在建的超高堆石坝水电工程中，糯扎渡、长河坝已经建成，两河口正在进行大坝填筑，双江口尚未进行主体工程施工。超高堆石坝坝高一般大于200m，技术难度大，我国在建的高堆石坝坝高已完成200m向300m的跨越。就超高堆石坝核心技术——心墙料的质量控制标准而言，尽管糯扎渡、长河坝、两河口等水电工程取得了一定的工程实践经验，但因需要专题研究的技术问题多，现行技术规范无法有效涵盖，尚未形成统一的行业标准及方法。
目前国内超高堆石坝均在现有规范基础上提出各自的质量标准，不同工程不尽一致，但都严格遵循现行的规范标准。自瀑布沟工程开始，行业内对掺砾土料的掺配方法与掺配工艺进行了深入的研究，目前这一研究仍在进行中。
P5含量(指大于5mm颗粒含量)是心墙掺砾土料关键技术控制标准之一。土料中掺入一定比例的砾石料(P5含量)可改善和提高土料最大干密度、提高抗变形指标以及抗剪强度，减小与坝壳料的变形差，降低心墙拱效应，改善心墙的应力应变，减少心墙裂缝的发生几率，防止水力劈裂的产生[1]。 但P5含量偏小起不到土料改性的作用，偏大则造成骨料集中宜产生渗流通道，因此P5含量的波动对坝体填筑质量至关重要。本文总结和分析近年来在建、已建的超高堆石坝掺砾土料的研究成果，提出掺砾土料的掺配工艺，为在建和拟建超高堆石坝掺砾土料的铺料、掺配工艺提供借鉴。
2 掺砾石土料工艺及质量控制
2.1 糯扎渡水电工程
2.1.1 工程简介
糯扎渡心墙堆石坝坝高261.5m，其坝顶高程821.5m，宽18m，长627.87m；大坝总填量3360万m3，心墙砾石土468万m3，水库库容为237.03亿m3，电站装机容量585万kW(9×650MW)。
2.1.2 掺拌设备选型
糯扎渡采用设备为PC1000、6m3正铲配合4m3正铲，以原地掺拌的方式进行掺砾石土料制备。
2.1.3 掺砾土料掺配流程
心墙砾石土料掺配采用天然混合土料与人工骨料加工系统生产的砾石料按照重量比掺配而成，掺配比例为土料∶砾料=65∶35。同时为快速循环利用，且有效控制备料质量，将一个大料仓划分为4个区域小料仓，仓与仓之间采用砂浆砌石挡墙隔开(砌石高度高于备料高度)，避免混仓，同时有利于混合料与砾料间层厚控制。主要掺配工艺如下：
a.对掺配料料源质量进行检测。
b.根据现场试验确定互层铺料的厚度，砾石料固定为50cm、土料110cm。
c.料仓铺料时铺料顺序为：第一层铺砾石料(厚50cm)，第二层铺土厚度通过计算(厚110cm)，依次互铺三层。
d.每层料推土机平仓后采用5m×5m网格测量，误差控制在5cm以下。
e.掺配料铺筑完成后采用正铲挖机立采混掺三遍(见图1)。
图1 掺砾石土料混掺工艺
2.2 长河坝水电工程
2.2.1 工程简介
长河坝心墙堆石坝坝高240m，其坝顶高程1697.0m，长502m；大坝总填量3417万m3，心墙土料428.3万m3，水库库容为10.75亿m3，电站装机容量260万kW。
2.2.2 掺拌设备选型
砾石土料掺拌设备选择及参数见表1。
表1 砾石土料掺拌设备及参数
2.2.3 填筑料划分区域
料场合格料区(30%
2.2.4 铺料厚度计算方法
铺料时P5含量按40%中值控制，铺料过程遵循先粗料后细料的原则进行循环铺料，先固定粗料铺料厚度0.5m，细料铺料厚度根据粗、细料质量比6∶4进行计算。通过对粗料颗分及干密度检测，计算下层细料铺料厚度和验证粗料含粒量，其计算公式如下：
H细=H粗(p粗·4/p细·6)
式中H粗——掺配料粗料铺料厚度，按0.5m进行铺料；
H细——为掺配料细料铺料厚度，按上述公式进行计算；
p粗——掺配料粗料干密度加权平均值；
p细——掺配料细料干密度加权平均值。
2.2.5 掺砾土料掺配流程
由于长河坝土料场粗、细料各指标变化幅度较大，需采取动态调整掺配比例的方法，因此固定粗料铺料厚度，结合上述计算细料铺料厚度，掺配工艺如下：
固定粗料铺料厚度；计算细料铺料厚度。
粗、细料互铺，测量网格点5m×5m控制铺料厚度，直至铺料高度满足掺配设备的经济作业高度。
采用正铲将土料从底部到顶部薄层一次掺配，反铲挖掘机配合后均匀掺配的方法。
长河坝根据6∶4质量比固定粗料铺料厚度0.5m，通过检测粗料干密度，计算细料铺料厚度基本在0.45m(动态调整)，掺砾石土料总厚度不超过5m。
经试验验证掺配遍数达到4遍后掺砾石土料均质性达到最优，其中正铲一遍、反铲三遍。
2.3 两河口水电工程
2.3.1 工程简介
两河口心墙堆石坝坝高295m，其坝顶高程2875.0m，长668m，宽16m；大坝总填量约4000万m3，心墙土料约441.14 万m3、黏土料约17.96万m3；水库库容为101.5亿m3，电站装机容量300万kW。
2.3.2 掺拌设备选型
表2 砾石土料掺拌设备及参数
2.3.3 掺配土料
两河口砾石土料与糯扎渡砾石土料，从料源生产加工到制备具有非常相似之处。两河口掺配的三种土料，一类土与糯扎渡土料场混合土料(存在个别大孤石，易于剔除)较为接近，P5含量基本上在0%～10%，砾石土料同样采用加工系统生产的掺砾碎石与土料(一类)进行4∶6(糯扎渡35∶65)的重量比进行掺配。
2.3.4 铺料厚度计算方法
固定砾石料0.5m，计算土料铺料厚度，计算公式如下：
H土=H砾×ρ砾×6/ρ土×4
式中H砾——掺配料砾石料铺料厚度；
H土——掺配料土料铺料厚度，按照上述公式进行计算；
ρ砾——掺配料砾石料干密度加权平均值；
ρ土——掺配料土料干密度加权平均值。
通过砾、土密度计算，两河口亚中A区一类土铺料厚度基本在0.83m(动态调整，见表3)。
表3 正铲掺配铺料厚度计算
2.3.5 掺砾土料掺配流程
固定砾料和土料铺料厚度。土料铺料厚度根据掺砾碎石、土料干密度、P5含量指标进行动态调整。主要掺配工艺与长河坝掺拌工艺类似，先采用正铲从底部到顶部薄层一次掺配，反铲挖机配合倒运掺拌的方式，互铺三层(砾石土料采用进占法、土料采用后退法)，共掺拌三次。
3 掺拌成果分析
3.1 糯扎渡
料源混合土料试验成果见表4，掺砾碎石试验结果见表5，掺拌三遍后掺砾石土料见表6、图2。
表4 料源混合土颗粒分析试验结果
表5 掺砾用碎石筛分结果
表6 掺砾石土料掺拌三遍后各级筛余量
续表
图2 掺拌3遍土料颗粒级配曲线
3.2 长河坝
粗细料掺拌前试验结果见表7，掺拌4遍后试验成果见表8，典型曲线见图3。
表7 粗细料掺拌前试验成果
图3 掺拌4遍土料颗粒级配曲线
粒径/mm15010080604020105210.50.250.0750.050.0240.010.0050.002小于该孔径质量百数/%10089.2 82.1 80.0 67.3 55.9 48.9 44.3 38.5 36.5 33.4 31.6 29.5 27.0 20.5 14.6 10.7 4.4 10087.1 78.6 73.6 62.6 54.0 47.5 43.7 38.1 36.3 33.4 31.9 30.1 26.4 20.0 14.0 10.5 4.9 10085.0 76.3 71.6 62.8 53.4 45.6 41.0 35.5 33.8 30.9 28.8 27.4 25.6 20.6 12.9 9.2 5.2 10093.6 91.9 88.1 79.8 68.1 59.8 54.8 47.2 44.4 41.3 39.3 37.1 33.8 25.8 16.6 12.0 5.2 10091.7 86.4 81.6 69.3 57.7 50.1 45.8 39.4 37.2 34.5 32.7 30.9 27.7 20.6 15.4 10.3 4.7 10087.0 81.9 75.0 66.3 57.5 50.3 47.2 41.1 38.6 35.4 33.9 32.0 29.2 22.3 14.8 10.1 5.3
3.3 两河口
土料掺拌前试验成果见表9，砾石料生成过程中试验成果见表10，不同设备、掺配遍数、掺配方式情况下P5、粉粒(0.075mm)含量波动见图4、图5。
表9 土料掺配前料源检测级配情况
表10 砾石料生产过程中料源检测级配情况
图4 不同设备、掺配遍数、掺配方式情况下P5含量波动关系
图5 不同设备、掺配遍数、掺配方式情况下粉粒含量波动关系
4 试验成果分析
从上述试验成果分析可知，采用不同的掺拌施工工艺，掺砾土料的质量均能满足要求，但不同的工程需要专项试验进行验证。
4.1 糯扎渡掺拌方式
优点：采用大型6m3正铲掺拌效率较高；掺拌完成后装车效率高；采用正铲可有效控制底部砾料的掺拌厚度及质量控制；料场可利用空间大，同时在雨季施工时，可达到边掺拌边上坝，避免完全掺拌后，易被雨水浸泡、冬季上部土易受冻等问题。
缺点：需加强现场质量控制，监督掺拌遍数达到工艺要求，目前此问题可以通过数字化监控系统，达到质控效果。
4.2 长河坝掺拌方式
优点：由于长河坝土料特性的原因，采用正铲或反铲均能满足掺配试验预期目标，对底部料掺拌控制影响因素略小些，采用正铲或反铲各掺三遍的倒运掺拌方式可有效控制掺砾料的上坝质量。
缺点：需有较大场地供砾石土料倒运掺拌，同时易失水，冬季施工保温较困难。
4.3 两河口掺拌方式
优点：通过采用倒掺的方式，正铲掺第一遍、反铲配合掺拌第二、三遍可达到掺拌较均的质量控效果，此种掺拌方式可确保掺拌遍数，保证掺拌质量。
缺点：两河口与长河坝土料性质有所不同，采用反铲不易控制底部仓面的平整度；正铲设备偏小，不能将三互层砾料由底部一次兜起，增加后续掺拌质量强度；结合两河口明显的冬雨季特点，倒运掺拌不利于雨季防水、冬季保温的特点，同时倒运掺拌占地面积大，备料效率略低。
5 结 语
目前，国内在建、已建的超高堆石坝工程质量尤为重要，每个工程使用的材料具有不同的特性、施工场地、地理环境及人文环境，应选取适合本工程的掺拌工艺，建议砾石与土料的掺拌采用正铲大型设备(6m3左右)进行掺拌，可确保底部砾料水平开采，且仓面平整，直接装车可提高生产效率，节约掺拌用地；对于粗砾土与细砾土的掺拌，建议优先选用正铲，在结合现有施工场地及设备条件下应考虑采用反铲配合掺拌施工。
注：瀑布沟(186m)、糯扎渡(261.5m)、长河坝(240m)、两河口(295m)、双江口(314m)。
