砾石土料全级配击实仪研制及应用

胡 建 立

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库，电站装机容量2 000 MW，为一等大(1)型工程。拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程2 510.00 m，最大坝高312 m，为世界第一高砾石土心墙堆石坝。心墙防渗料采用掺合砾石土料，心墙砾石土料最大粒径不大于100 mm，心墙料全料压实度不小于0.98(相应击实功能2 685 kJ/m3)。

目前国内已建、在建的大型砾石土心墙堆石坝防渗砾石土料最大粒径已大幅度超过《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T5356[1]和《土工试验方法标准》GB/T50123[2]中“粗粒土击实试验最大粒径不大于60 mm”的规定。如长河坝水电站心墙砾石土料最大粒径为150 mm，糯扎渡水电站及两河口水电站心墙砾石土料最大粒径为120 mm。按照试验规程的要求，土料最大粒径大于60 mm进行击实试验需对超径部分进行处理，按照《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T5356规定，对超粒径颗粒的处理有剔除法、等量替代法、相似级配法和结合法四种方法。

不论采取何种方法对土样超粒径颗粒进行处理，经过处理的土样已改变其原始级配，击实试验结果不能真实反映原级配土样的最大干密度和最优含水率。为真实反映原级配土样的击实试验结果，笔者依托双江口水电站大坝工程，对最大粒径为100 mm的宽级配砾石土料，进行新型全级配击实仪及相适应的击实试验方法研究。

2 砾石土料全级配击实仪研制

2.1 砾石土料全级配击实仪基本技术参数的确定

(1)击实筒：击实筒应具有足够的强度和刚度，不变形，拆卸方便。击实筒内径不小于土料最大粒径的5倍，击实筒高度不小于内径的0.96且不大于1.04。

(2)击锤：击锤底直径为击实筒内径的0.5倍。

(3)单位体积功能：2685 kJ/m3。

(4)单位面积冲量：7 kN·s/m2。

(5)确定锤击点角度[5]，锤击点均匀分布在土面上，锤击点之间无击实盲区、无重复击实面积。

按照上述规定，经计算确定砾石土料全级配击实仪SD-500型基本参数(见表1)。

表1 砾石土料全级配击实仪SD-500型基本参数

2.2 砾石土料全级配击实仪研制技术难点

砾石土料全级配击实仪SD-500型研制的技术难点是如何保证锤击点均匀分布在土面上，实现锤击点之间无击实盲区。通过数学计算及CAD制图模拟锤击点击实轨迹，得出锤击点角度53.5°较为适宜。

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2.2.1 数学计算

击锤底直径为击实筒内径的0.5倍，计算锤击点转动轨迹，建立锤击一周的转角公式为：

φ×n-δ= 360°

(1)

式中φ为每一击的转角；n为一周的击数；δ为修正角。

经计算及试验，φ值取53.5°，修正角δ值为14.5°，锤击7击即完成一周击实，具体实现过程为：

锤击第1击时击实筒不转动，第2击击实筒开始转动53.5°，以此类推，以后的每一击都转动53.5°，在第7击时基本完成了第一周击实；在第8击(第2周第1击)较第1击(第1周)向前位移角度为53.5°×7-360°=14.5°。以此类推，在第22击(第4周第1击)就将第1击和第2击(第1周)与击实筒之间的击实盲区全部覆盖(即14.5°×4-53.5°=4.5°>0°)。以此类推，击实完成后不存在击实盲区。

2.2.2 动态模拟

动态模拟锤击点击实轨迹示意图见图1。动态制图模拟表明：锤击点角度为53.5°，在第8击(第2周第1击)较第1击向前位移角度14.5°，在第22击(第4周第1击)就将第1击和第2击(第1周)与击实筒之间的击实盲区全部覆盖。

图1 动态模拟锤击点轨迹示意图

2.3 砾石土料全级配击实仪的工作原理

砾石土料全级配击实仪SD-500型主要由底座、转盘及转盘传动机构、击实筒、套筒、击锤、导向杆、击锤提升系统、落高位移装置、击实筒提升装置、电器控制系统等组成，其结构示意图见图2。其工作原理及工作步骤如下：

(1)开启电源，预热；

(2)采用手动方式将击锤提升，将击实筒安装在转盘上，将套筒安装在击实筒上部，并将击实筒及套筒固定在转盘上；

(3)将备好的土样分三层装入击实筒内，采取手动方式将击锤放在土样上，再将“手动模式”调整为“自动模式”；

(4)启动仪器工作，击锤自动提升，击锤提升到规定高度时触发限位装置，击锤抓手松开，击锤沿导向杆自由落体到土样表面，完成第一击；

(5)完成第一击后，击锤抓手沿导向杆下落抓住击锤，击锤上升，同时转盘传动机构工作，转动53.5°，击锤提升到规定高度时抓手松开，击锤沿导向杆自由落体到土样表面，完成第二击；

(6)按照本条(4)和(5)步骤依次循环，完成第一层土样击实；

(7)完成第一层击实后，将土样装入击实筒，按照步骤(4)～(6)依次完成第二层、第三次击实。

图2 SD-500型全级配击实仪结构示意图

3 全级配击实仪SD-500型与传统击实仪相比所具有的特点及优点

根据双江口水电站砾石土料最大粒径为100 mm，研制出击实筒直径为500 mm的砾石土全级配击实仪SD-500型。仪器研制时遵循简单、适用、方便、试验结果准确可靠的原则。该仪器于2018年12月投入使用，累计已完成22组110桶击实试验，累计击实47 000余次，设备运行状况良好。

在砾石土状况相同，单位体积击实功能、单位面积冲量相同的工况下，SD-500型全级配击实仪与传统φ300 mm击实仪比较具有以下特点及优点：

(1)将击实筒安装在转盘上，通过底盘齿轮旋转带动击实筒转动，实现锤击角度的调整，达到锤击点均匀分布，无死角、无盲区、无重复的目的。

(2)SD-500型击实仪设置有击实筒提升装置，达到击实筒安装、拆卸方便的目的。

(3)SD-500型击实仪设有光电位移落高装置控制系统，实现了自动控制击锤提升高度高，击锤落高精准，保证了单位体积击实功能、单位面积冲量不变。

(4)传统的φ300 mm击实仪需对大于60 mm的超粒径颗粒处理后才能进行击实试验，其击实结果会产生一定程度的偏差。而对大于60 mm的超粒径颗粒SD-500型击实仪则不需进行处理，能够进行全级配击实试验。用双江口防渗掺合土料进行对比试验，当砾石掺量30～60%时，最大干密度增大0.01～0.03 g/cm3，最优含水率降低0.6～0.3%，由此可见，SD-500型击实仪进行心墙防渗土料全级配击实试验结果，能更真实地反应宽级配防渗土料的压实特性，为制定大坝填筑质量控制标准与质量评价提供基础数据。SD-500型击实仪与φ300 mm击实仪的击实试验结果见表2。

表2 SD-500型与φ300 mm击实仪击实试验结果比较

4 结 语

砾石土全级配击实仪SD-500型的成功研制并应用，其击实试验成果应用于大坝填筑质量评价中更加真实地反应了砾石土料的压实特性。砾石土全级配击实仪首次采用锤击点角度为53.5°，实现了锤击点均匀分布、无击实盲区，在国内已建类似工程中未见相关文献资料，可供其他工程借鉴。

在双江口水电站大坝工程建设中，已采用全级配击实仪SD-500型的击实试验成果评价砾石土料的压实质量，在控制工程质量方面发挥了显著作用，具有推广价值。