句容抽水蓄能电站下水库主堆石坝填料碾压试验探究

张 华，杨忠兴

(1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，江西 南昌 330099；2.中国葛洲坝集团生态环境工程有限公司，湖北 武汉 443000)

为构建低碳清洁、安全高效的能源体系，江苏省句容市边城镇兴建一座抽水蓄能电站。作为安全可靠大容量储能的江苏句容抽水蓄能电站，是一座一等大(1)型工程，电站依托仑山湖及周边山体，装机容量1350MW(6×225MW)，对维持周边地区电力系统可靠性及稳定性起着重要作用。规模巨大的上、下水库地理位置优越，建成后将形成风景如画的人工湖等新景观，它具有迄今为止在高度上名列前茅的沥青混凝土面板堆石坝，筑坝材料能充分利用挖掘弃料，就地取材造价低廉，庞大的坝体最高分别达到182.3 m和37.2 m，坝体填筑量大，填筑质量要求高，对坝体填筑料开展现场碾压试验必不可少。其中下水库大坝上游主堆石料是充分利用下水库进水出口处工程开挖料，料源符合要求的石料为弱、微风化新鲜白云岩，按照爆破试验参数爆破开采。通过对爆破料进行室内及室外碾压试验，选择合适的碾压机具、施工工艺；验证爆破料作为填筑料，其最优级配、控制孔隙率、渗透系数等指标是否在设计技术要求范围；确定各种碾压参数的最佳值，确定合理的碾压遍数、堆石料压实密度等；论证附加质量法测试压实干密度的可靠性，确定满足大规模、快速施工时碾压填筑质量检验方法和控制标准。针对下水库主堆石填筑料的设计技术要求见表1。

表1 下水库主堆石填筑料设计标准

1 爆破料性能试验

1.1 岩石材质试验

在设计取料处确认符合要求的石料为弱、微风化新鲜白云岩，按照相关规范检测岩石的强度分级和岩性描述[1]，其检测成果指标见表2。

表2 弱、微风化新鲜白云岩材质试验成果

按岩土工程勘察规程[2]，单轴抗压强度为30～60MPa，为中等坚硬岩石，因此爆破料按强度分级属中等坚硬岩石，而且岩石软化系数大于0.75，不属于软化岩石，吸水率也较低，故爆破料岩性较好，下水库进水出口处工程开挖料可作为下水库上游主堆石坝的填筑料。

1.2 爆破料级配试验

首先在设计取料处依据其风化程度确定合理的爆破参数，爆破获取主堆石填筑料，用自卸车运至试验场地。爆破料需进行室内外全料级配试验，对于粒径小于20mm的爆破料，现场称取不少于4 kg试样，送室内试验室烘干后过标准筛，其余粒径爆破料，现场过木筐抬筛分级称量，对于粒径大于100mm的爆破料，用直尺测量，按照粒径组分级称量堆放，设计包络线与试验所得全料级配曲线关系如图1所示。

图1 下水库主堆石区爆破料级配曲线

从设计包络线与全料级配曲线的关系可知，小于各粒组粒径颗粒含量均在上、下包络线以内，符合设计包络线要求，不均匀系数为33.3，说明爆破料大小粒径搭配合适，达到标准要求。曲率系数为2.6，在标准要求范围，说明粒径连续，曲线比较光滑平顺，没有缺乏粒径组，爆破料各项技术指标基本符合设计标准(如表3所示)。

表3 爆破料岩石级配试验结果

1.3 爆破料岩石比重试验

按相应规范将采集的爆破料进行岩石比重试验，其中粒径≤5mm颗粒试样采用比重瓶法试验，粒径>5mm颗粒试样采用浮秤法试验[3]，细、粗料比重试验结果依据其组成比例进行加权平均计算，即得全料岩石比重试验成果见表4。

表4 爆破料岩石比重试验成果表

2 现场碾压试验

2.1 试验场地布置

首先针对场地区域进行整理平整，然后铺填爆破料，并对爆破料按规范要求进行现场碾压，碾压机具行驶速度必须匀均，一般保持在2～3km/h以内，一直进行到每碾压2遍，试验场地的平均沉降量均小于规范值2mm，试验场地各局部沉降差小于5cm，全场沉降差小于20cm。其次对场地进行测量放线，标记各点高程，根据试验需要标出试验单元和整个试验区域范围[4-5]，碾压机具行走路线标识醒目。试验场地按碾压遍数分为三个试验单元，每个试验单元尺寸为6m ×15m，碾压试验场地布置见图2。

图2 下库主堆石料碾压试验场地布置图

2.2 试验场地沉降观测点布置

为优选出合理的碾压遍数，试验单元分别采用8，10，12的碾压遍数，每个试验单元布设27个观测点，观测点间距1.5m×1.5m。铺一层料静碾2遍，然后开始每碾压2遍用水准仪对每个试验单元内27个观测点进行相对高程测量，以计算各试验单元平均变形沉降率。

2.3 碾压参数选择

铺料厚度的选择参考上水库主堆石碾压试验，试验铺料厚度拟定80cm，施工时必须严格控制铺料厚度，尽量层面平整，使其高度误差控制在±10%以内。堆石料铺料时，反铲装料、自卸车卸料，推土机整平，采用进占法铺料。碾压机具选择徐工集团生产的型号为XS263E自行式振动碾(26t)，采用2 km/h～3km/h工作速度。正常气候条件下，填筑料洒水量采用10%，洒水水量按堆石体体积百分率计算。碾压前在层面上一次性洒水，采用流量表计量控制所洒水量[6]，以避免过多或过少水量易造成碾压不均匀。试验碾压遍数参考上水库主堆石碾压试验，分别采用8，10，12三种组合，通过试验得出最经济合理的次数。

碾压方法为：进退错距法。碾压程序为：平整碾压场→碾压场达标→设置观测点及各点测量→铺料推平→层面洒水→静碾2遍→各观测点测量→碾压2遍→各观测点测量、压实干密度等试验→试坑回填→碾压平整→各观测点测量→下一场次。

2.4 试验结果

下水库上游主堆石料现场碾压试验测定压实干密度，它是评定填料压实紧密程度的标准。一种检测方法采取传统的挖坑灌水法，检测结果稳定可靠，但相对耗时费力，工作量较大，且对填筑体有一定的破坏。另一种检测方法是附加质量法，其检测特点是快速轻便、高效无损，能够适应工程对碾压填筑施工质量检测效率的要求，但其在现场原位操作过程中，易存在干扰因素，目前水利工程建设项目中没有普遍应用，积累的经验偏少。附加质量法检测在实际操作过程中，应有效控制干扰因素[7-10]，确保各检测点检测成果合理有效。将两种检测方法结果进行对比，可确定附加质量法对本工程的适用性，期望达到既保证碾压填筑快速施工，又能快速有效检测填筑质量。

试验过程中，铺料厚度为80cm，洒水量为10%，分别进行8，10，12次碾压。3组试验单元各取3个测点，先在每个试验单元选定测点上进行附加质量法检测，该方法检测时间相对较短，完成检测后结果见表5，为便于两种方法对比，在原测点进行挖坑灌水法检测[11]，经换算求出相应的孔隙率见表5。3个试验单元需按相应规范做现场原位渗透试验[12，以判断填料碾压后的渗透性，试验结果见表5。3组试验单元共9个测点进行全料级配试验，观察与设计包络线的关系，试验结果见表5。

表5 爆破料碾压试验成果

3 试验分析

3.1 三组试验单元中干密度的变化

由现场碾压试验可得图3，在碾压8遍的单元内平均干密度为2.21 g/cm3，在碾压10遍的单元内平均干密度为2.24 g/cm3，在碾压12遍的单元内平均干密度为2.25 g/cm3，说明平均干密度随碾压的次数在不断提高，而其增长率却呈现衰减，即曲线变化逐渐变缓，不断加大碾压遍数，对提高压实干密度影响有限，最优碾压遍数为10遍。

图3 干密度变化曲线图 图4 孔隙率变化直方图

3.2 碾压遍数对孔隙率的影响

由表5数据可得，孔隙率随碾压遍数变化直方图4，碾压遍数由8遍到10遍，再到12遍，孔隙率不断降低，尤其是从碾压第8遍到第10遍时，变化显著，而从第10遍到第12遍变化较小，即碾压遍数达到一定值时，孔隙率的减小不明显[13]，故碾压10遍效果最佳，且孔隙率满足设计要求。

3.3 碾压遍数对变形沉降率的影响

根据统计表6可知，其它碾压参数一定时，碾压第8遍时变形沉降率为8.7%，碾压第10遍时变形沉降率为9.5%，碾压第8遍到第10遍变形沉降率的变化为1.3%，碾压第12遍时变形沉降率为10.1%，而碾压第10遍到第12遍变形沉降率的变化只有0.4%，说明变形沉降率随碾压遍数增加相应增大，但增量随不断的碾压在递减[14]，故碾压10遍最经济。

表6 变形沉降率变化统计表

3.4 碾压遍数对渗透系数的影响

从碾压试验场地各单元原位渗透试验结果可知，碾压遍数的递增，对渗透系数的影响没有数量级的变化，填筑料在多次碾压后渗透性较好，满足设计要求。

3.5 颗粒级配对填料压实密度的影响

从试坑取样筛分试验结果分析，在碾压8遍的单元内，局部范围内小于100～500 mm粒级组偏离上包络线；在碾压10遍的单元内，小于各粒级组含量均在设计包络线范围；在碾压12遍单元内，部份填料中小于100mm的粒级组偏多，含量超出上包络线。部分粒级含量偏多或偏少，造成级配曲线不顺滑，拐点较多，与爆破料的级配曲线相比较，说明在碾压过程中有部分石料被碾碎。由表5可知，三个试验单元中小于5mm粒级从5.3%～17.4%，含量变化比较大，施工时应控制在10%左右为宜；三个试验单元中小于20mm粒级从10.3%～33.8%，含量变化同样较大，施工时应控制在20%～30%范围较为适宜；粒级含量的较大变化导致不均匀系数相应有较大变化，范围从12.4～34.7。级配变化造成同一单元压实干密度有一定的波动，说明取样试坑中填筑料不均匀，可能是取料时爆破造成的不均匀，或爆破料运输及摊铺时造成粒径分离导致的不均匀，或碾压填筑时某些部位欠压，或洒水不均匀造成碾压难易不同影响。

3.6 压实干密度检测分析

本次试验共完成3个试验单元，每个试验单元两种检测方法，每种检测方法3个测点，共计18个检测点，其中附加质量法测点在碾压第12遍时得到最大压实干密度为2.27 g/cm3，在碾压第8遍时得到最小压实干密度为2.21 g/cm3，附加质量法测点压实干密度平均值为2.24 g/cm3。灌水法测点在碾压第12遍时得到最大压实干密度为2.27 g/cm3，在碾压第8遍时得到最小压实干密度为2.19 g/cm3，灌水法测点压实干密度平均值为2.23 g/cm3。两种检测方法对比，其绝对误差正负皆有，碾压第10遍时两种检测方法绝对误差最小，针对3个试验单元，两种检测方法相对误差也较小，其最大值、最小值分别为1.68%和0.31%，两种检测方法的平均相对误差仅为0.80%，两种检测方法结果比较相符，附加质量法检测压实干密度比较可靠[7]。

4 结论及建议

(1)通过对下水库进水出口处爆破开挖料进行室内及室外碾压试验结果分析，得到符合实际情况的填筑碾压参数，其中碾压设备机具质量取26 t，行驶速度控制在2～3 km/h范围，铺料厚度取80 cm，洒水量为10%，最佳机械碾压遍数为10遍，干密度为2.23 g/cm3，孔隙率小于18%，即下水库进水出口处爆破料作为下水库上游主堆石填料，可满足设计要求。

(2)下水库上游主堆石坝填筑料级配是影响压实干密度、孔隙率、沉降变形的关健，严格控制填筑料级配应落实到施工全过程。首先应保证进场材料级配的均匀性，开采爆破料时，应根据实际情况调整爆破参数，以获得最优级配的填筑料。其次在施工过程中，采用混合铺筑法填筑，严格控制填筑碾压参数，以保证施工过程中填筑料的均匀性。

(3)下水库上游主堆石料现场碾压压实质量以挖坑灌水法检测压实干密度为主，按公式换算相应的孔隙率控制，因下水库进水出口处爆破开挖料风化程度不匀，在施工取料过程中应视实际情况多次进行岩石比重试验，以精确计算压实孔隙率。附加质量法检测干密度结果可靠，适用于碾压施工质量过程控制，可实现既保证碾压填筑快速施工，又能快速有效检测填筑质量。