惠州抽水蓄能電站黏土心墻壩黏土碾壓試驗研究

黃金林，鞠海燕，王貴杰

(1.華南農業大學 水利與土木學院，廣州 510642;2.南昌工程學院 土木與建筑工程學院，南昌 330099;3.聊城大學 建筑學院，山東 聊城 252059)

1 工程簡介

本電站裝機容量2 400 MW，工程為 I等工程，永久性建筑物為I級建筑物。副壩位于主壩左側，為黏土心墻堆石壩，壩頂長220 m，壩頂寬度7 m，壩頂高程237.36 m，最大壩高27.86 m。壩體上游邊坡1∶2.75，下游邊坡1∶2.25。上、下游坡面均設干砌石護坡。黏土心墻防滲體頂部高程為236.81 m，上、下游邊坡均為1∶0.2，心墻厚度3.0～14.8 m。在黏土心墻防滲體兩側設置過渡料。壩體結構詳見圖1。

圖1 大壩斷面

由于本工程的重要性和填筑方量大等原因，筑壩材料的選擇、填筑質量控制指標的合理性和確定經濟合理的施工參數至關重要。在土石壩正式填筑之前，必須進行碾壓試驗，以核實壩料設計填筑標準的合理性，充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實機械等)和填筑效果(如土的密實度)的關系，確定達到設計填筑標準的壓實方法，確定相應的碾壓參數(如壓實遍數、速度及鋪土層厚)，優化施工工藝。因而，現場碾壓試驗也就顯得極為必要和具有重要意義［1-4］。

為了提高填土的密實度和均勻性，使填土具有足夠的抗剪強度和較低的壓縮性，滿足變形、滲流控制要求，必須對填土進行壓實。根據安全和經濟的要求，應選用合理的填筑標準。在確定填筑標準時，應考慮下列諸多因素:壩的等級、壩高、壩型及壩的不同部位，土石料的壓實特性、填土干重度、含水量與其力學性質的關系(特別是與壓縮性、濕陷性、滲透性、抗剪強度及孔隙水壓力的關系)，以及氣候和施工難易性等。

大壩黏土心墻的設計填筑標準:大壩的黏土心墻料的含水率控制在最優含水量的1% ～3%左右，黏土心墻料碾壓后要求黏土料壓實度達100%，滲透系數不大于1×10-5cm/s。高塑性黏土要求黏粒含量不小于30%，填筑含水率控制在25%左右，干密度控制在1.50 ～1.55 g/cm3。

2 室內土工試驗分析

碾壓式土石壩施工一般以含水量和干密度為施工控制標準。黏土心墻直接以壓實度指標形式為設計控制指標，為了對土樣的級配、含水量、重度等物理力學參數有充分了解，對現場取土樣進行土工試驗分析，其結果如表1所示。

3 現場碾壓試驗

3.1 試驗布置

根據已有的工程經驗，擬定黏性土鋪料厚度分別為30 cm，40 cm，碾壓遍數分別為4遍、6遍、8遍，主要試驗研究不同層厚及碾壓遍數的壓實效果。共布置6小場，每小場有效面積6 m×10 m，場地布置如圖2所示。鋪料用自卸汽車運料，卸料后由推土機整平。鋪料主要采用進占法，即汽車始終行駛在鋪好的料面上。碾壓采用18 t自行式振動碾進退錯距法碾壓，碾跡搭接20 cm。碾壓完成后，根據碾壓遍數每一小場采用環刀法取樣10個。圖3、圖4、圖5、圖6分別為二種不同鋪土厚度，三種碾壓遍數下干密度與含水量、滲透系數及壓縮量的關系曲線。

表1 黏土心墻土工試驗結果

圖2 碾壓場地布置

圖3 含水量與干密度的關系

3.2 碾壓試驗結果分析

3.2.1 埃爾米特插值

在室內標準擊實試驗中，測出一系列的干密度ρd與含水量ω數值，然后繪制 ρd-ω曲線，通過圖解法找到曲線的峰值即為最大干密度 ρdmax，對應的含水量則為最佳含水量(ωop)。這種圖解法因簡便直觀而在實際工作中廣泛采用。由文獻［5-8］可知此法的隨意性、經驗性大，得到的結果差異大。

圖4 碾壓遍數與干密度關系

圖5 碾壓遍數與滲透系數關系

圖6 沉降量與厚度及碾壓遍數的關系

大量的試驗結果表明，擊實試驗所要求的最大干密度(ρdmax)就在某組試驗干密度數據大者附近，因而插值節點可選取該組試驗數據中干密度較大者。已知ω0，ω1，ω2為擊實試驗一系列含水量點［a，b］上 3 個互異的節點，函數 y=f(ω)［a，b］上具有連續的四階導數，滿足插值條件 H(ωi)=f(ωi)(i=0，1，2)的插值函數即為要求的插值函數［9］。

根據上述給定的插值條件，顯然可確定一個次數不超過3次的埃爾米特插值多項式H(ω)。

式中:A 為待定系數，f［ω0，ω1］、f［ω0，ω1，ω2］分別為牛頓一階差商、二階差商。顯然上式確定的H(ω)滿足 H(ωi)=f(ωi)。

兩邊求導得

3.2.2 誤差估計

插值函數與被插值函數間的誤差可用下式表示

3.2.3 算例

利用埃爾米特插值問題求解，分別取 ω0=17.8，ω1=20.1，ω2=24.2，ω3=27.6。對應的 f(ωi)分別為1.56，1.65，1.59 和 1.53，見表 2。

根據牛頓差商與導數的關系

表2 試驗結果

由H'(ω)=0，得到 ω=20.8%，再代入式(3)

3.2.4 誤差分析

根 據 表 1 的 數 據 可 得 到 f［ω0，ω1，ω2］ =-0.008 4和 f［ω1，ω2，ω3］ =0.000 401 7，則 可 得f［ω0，ω1，ω2，ω3］=0.000 898 1，根據公式(1)、(2)可得|R(ω)|=1.5%。

根據誤差分析，最大干密度和最佳含水量的求解精度是很高的。

從圖3可以看到，鋪土厚度不同，對同一碾壓設備，最優含水量是不同的。鋪土厚度為30 cm，最優含水量為20%，鋪土厚度為40 cm，最優含水量為21%。

從圖4中可看出，無論鋪土厚度如何變化，碾壓遍數小于6遍時，干密度隨碾壓遍數增加而增大。但對于鋪土厚度為30 cm，碾壓遍數大于6遍時，干密度隨碾壓遍數而減小;對于鋪土厚度為40 cm，碾壓遍數大于6遍時，干密度隨碾壓遍數而增大，但增大幅度明顯減小。則可以得到鋪土厚度為30 cm時，最佳碾壓遍數為6遍;鋪土厚度為40 cm時，最佳碾壓遍數為8遍。

黏土心墻現場滲透試驗反映出，黏土心墻的滲透系數隨碾壓遍數增加而減少，碾壓6～8遍后的滲透系數為 5.6×10-6～9.6×10-6cm/s，符合滲透系數≤1×10-5cm/s的設計要求?？刂起ね梁?，增加干重度，以進一步減小其滲透系數。

從圖6可以看到，不論鋪土厚度，隨著碾壓遍數增加，壓縮量也隨之增大，但曲線斜率逐漸減小。

4 結論

1)每次碾壓鋪土厚度30 cm和40 cm都能滿足要求，但要注意施工時鋪土厚度不同，最優含水量不同。鋪土厚度為30 cm時，最優含水量為20%;鋪土厚度為40 cm，最優含水量為21%。現場取樣試驗的結果表明土料的天然含水量超出最優含水量，土料運至碾壓場地進行翻曬，經測定土料的含水量接近最優含水量時才進行平整碾壓。

2)對不同鋪土厚度，碾壓遍數小于6遍時，干密度隨碾壓遍數增加而增大。鋪土厚度為30 cm時，最佳碾壓遍數為6遍，鋪土厚度為40 cm時，最佳碾壓遍數為8遍。

3)黏土心墻的滲透系數隨碾壓遍數增加而減少，碾壓6～8遍后的滲透系數為5.6×10-6～9.6×10-6cm/s，符合滲透系數≤1×10-5cm/s的設計要求。

［1］張國輝，盧學巖.碾壓式土石壩壓實質量控制中若干問題的淺析［J］.吉林水利，2008，317(10):5-9.

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［4］王向峰，曹新文，程燕.武廣客運專線路涵過度段振動壓實試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(5):89-92.

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［7］呂鵬，鄧海，張的.填料最大干密度的曲線擬合解［J］.巖土工程技術，2003(4):230-232.

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