長河壩水電站壩體堆石料碾壓試驗分析

2012-09-05 10:16:48周于鴻袁雪岷

水電站設計 2012年1期

周于鴻，袁雪岷，高艷

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前言

長河壩水電站系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第10級電站，上接猴子巖電站，下游為黃金坪電站。大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程1 697.00m，最大壩高240.0m，壩頂長度502.85m，壩頂寬度16.0m，上游壩坡1∶2，目前，正在進行大壩填筑施工。

為確定壩料的壓實特性，監理工程師進行了不同鋪料厚度、碾壓遍數和不同加水條件的現場碾壓試驗。通過不同壓實條件下壩料的顆粒級配、壓實干密度、碾壓沉降量的綜合分析，最終確定壩體填筑料的碾壓參數。本文主要介紹了壩殼堆石料的碾壓試驗情況及成果。

2 碾壓試驗條件

2.1 堆石料料場的基本情況及堆石料的指標

響水溝石料場位于壩址區上游右岸響水溝溝口，距壩址3.5km。地形形態為一山包，三面臨空，地形坡度40°～50°，巖性為花崗巖，巖質致密堅硬，分布高程1 545～1 885m。

料源巖性為花崗巖，巖石弱－微風化，巖質致密堅硬，淺表有約0.5～1.5m的根植殘積土層。據平洞勘探資料，巖體卸荷較強烈，強卸荷水平深度為46m，弱風化弱卸荷水平深度90m，向里為微新巖體。地質測繪未發現有大的斷裂通過，巖體中主要發育的構造裂隙有4組，此外隨機短小裂隙亦發育。料場儲量2 675萬m3。主要質量技術指標滿足規范要求。

料場總體開采條件好，有用料質量、儲量分布穩定。料場臨大渡河側地形陡峻，開采中需注意爆破方式，避免大規模石料滾入大渡河對河流形成不利影響。通過前期料場復勘試驗檢測情況與招標技術要求對比，料場巖石試驗抗壓強度大于45MPa，軟化系數滿足堆石料技術要求。表明巖石抗壓強度高、質量好，與料場地質比較后質量滿足石料質量技術要求。根據設計要求，碾壓試驗用料的控制最大粒徑為800mm，超徑顆粒在取料時被剔除。

用于壩殼填筑的堆石料，采用微、弱風化或新鮮的開采花崗巖或石英閃長巖料。開采料的飽和抗壓強度為96.4MPa，軟化系數為0.82。

堆石料的最大邊與最小邊長之比不超過4，最大粒徑不大于800mm，D15≤30mm，小于5mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075mm的顆粒含量不大于3%。

堆石壓實控制的孔隙率通過現場碾壓試驗確定，不大于21%，相應的干密度約為2.22g/cm3。

對堆石料不同級配的顆粒分別進行了比重試驗，比重試驗成果共6組，其中最大值為2.80，最小值為2.74，加權平均值為 2.77;平均吸水率為0.8%。

現場密度檢測采用挖坑灌水法。試驗用水采用灑水車運輸至試驗現場，水溫14～18℃，其相應的密度范圍為0.99 924～0.9 986g/cm3。試驗中取其標準值1 g/cm3做為計算采用數值。

2.2 試驗設備

現場碾壓試驗使用的機械主要有反鏟、自卸式汽車、推土機、灑水車和自行式振動平碾5種機械。用反鏟取料，20t自卸汽車運料，推土機鋪料，振動碾選用SANY－26t自行式振動平碾。振動碾碾壓寬度為2.12m，振動頻率為27/31Hz，振幅為2.05/1.03mm，激振力為416/275kN。

2.3 場地布置和場地準備

據大壩堆石料江咀碾壓試驗場規劃，布置場地時考慮了所采用的試驗組合方法。碾壓試驗場地總長70m，寬24m，碾壓試驗場地布置了過渡帶，作為停車及錯車用，中間有不同鋪料厚度的料;為防止碾壓時向側面產生擠壓，兩端各留2m區間作為壓重。在試驗段范圍內進行現場試驗和取樣，并按照1.5m×2m的網格布置沉降測量點，同時在距填筑面前沿4～6m設置移動標桿，以控制鋪料厚度。

2.4 試驗方案

振動碾行車速度控制不超過2.7±0.2km/h，鋪料厚度為80cm、90cm、100cm及120cm四種，碾壓遍數分別為靜2遍+振8遍、靜2遍+振10遍及靜2遍+振12遍，同時進行不灑水及加水4%比較試驗。

2.5 壓實質量檢測試驗

主要進行了壓實干密度、碾壓層表面沉降、碾壓后土料顆粒級配分析三方面的試驗。密度試驗采取試坑灌水法，試坑的大小依據料的最大粒徑大小按規范要求確定，其深度穿透整個鋪土層;顆粒分析采用篩分法。該項試驗與干密度測試同時進行，碾壓試驗過程中，對碾壓層的沉降變形進行了測量。碾壓區共分為9個區，每個區布置有16個測點，共計144個測點，測點采用白灰標識，碾壓兩遍后按標識點測量，如有損毀重新標識測量。

3 碾壓試驗的目的

(1)確定堆石料的最佳壓實方法，包括選擇碾壓設備類型、機械參數、碾壓遍數、鋪土厚度、灑水量等施工參數;

(2)了解并分析堆石料碾壓前后顆粒級配的變化和破碎率;

(3)了解并分析壓實后堆石料的各種物理性質、力學、滲透性質，為設計提供安全、經濟、合理的計算參數;

(4)分析復核堆石料設計技術指標及填筑標準的合理性。

4 試驗結果及分析

(1)干密度試驗結果。不同試驗條件下的碾壓干密度試驗結果見表1。試驗結果表明，測試的干密度值比較分散，其值處于2.17～2.31 g/cm3范圍內。分析其原因，主要是由于試驗時直接取自響水溝料場料源地石料取料的不均勻性所致。

(2)碾壓遍數與鋪料厚度的關系。碾壓遍數與鋪料厚度的關系見表1。從表中可以看出，隨著鋪土厚度的增加，碾壓遍數相同時干密度基本相同，總的趨勢是碾壓8遍后，干密度在2.21 g/cm3左右。因此，對于本次試驗而言，鋪料厚度90cm碾壓8遍干密度最大。但是，鋪料層厚度過薄或過厚或碾壓遍數增加，會影響現場施工的進度，增加壩體施工的費用。根據本次試驗的結果及以往的工程施工經驗，建議本工程堆石料的鋪土厚度選擇為100cm最佳。

(3)碾壓遍數與孔隙率的關系。根據碾壓遍數與孔隙率關系圖(見圖1)分析:在同一鋪料厚度條件下，堆石料孔隙率與碾壓遍數的關系成反比，即孔隙率隨碾壓遍數的增加而減小，說明碾壓遍數越大，石料壓實度越高。同樣碾壓遍數隨著鋪土厚度增加，孔隙率增加，說明石料厚度越大越不易壓實;不同石料鋪料厚度越大，其孔隙率越大。

80cm鋪料厚度碾壓8遍與100cm鋪料厚度碾壓10遍壓實效果相當，120cm鋪料厚度壓10遍與12遍孔隙率接近，說明所選壓實機械性滿足要求，能夠將選擇厚度參數條件下石料壓實。在碾壓8遍后80～120cm鋪料厚度石料孔隙率均滿足要求。

(4)孔隙率與鋪料厚度及碾壓遍數關系。根據鋪料厚度與孔隙率關系(見圖2)分析:當碾壓8遍時，鋪料厚度80cm與100cm孔隙率基本無變化。從孔隙率與碾壓遍數變化趨勢上分析，碾壓8遍與碾壓10遍石料孔隙率變化趨勢總體上平緩，為設計鋪料厚度范圍合適碾壓遍數;碾壓12遍孔隙率出現大幅變化，說明過薄鋪料厚度碾壓12遍的石料存在壓碎可能性。

根據孔隙率分布范圍分析，鋪料厚度100cm與120cm是施工生產合適選擇厚度，因為上述鋪料厚度下不同碾壓遍數石料孔隙率變化較小，說明在8～12遍情況下均已壓實且均滿足設計要求。碾壓8遍時鋪料厚度100cm為可作為經濟鋪料厚度。

(5)沉降率與鋪土厚度關系。根據沉降率與鋪土厚度關系(見圖3)分析:在碾壓遍數不變的情況下，隨鋪料厚度的增加，沉降率變化不大，同時說明碾壓8遍土料已基本趨于緊密狀態;同時碾壓8遍、10遍、12遍，不同鋪料厚度沉降率分布集中，說明在設計選擇厚度下碾壓8遍石料已經壓實。鋪料90cm時，沉降率為6.7%，數值較大，與孔隙率分析結果一致，說明90cm鋪料厚度石料確實已被壓碎。

表1 堆石料選擇場碾壓試驗結果統計

圖1 響水溝堆石料碾壓遍數與孔隙率關系

圖2 輔料厚度與孔隙率關系

圖3 沉降率與鋪土厚度關系

鋪料100cm時不同碾壓遍數下沉降率較為集中，說明鋪100cm石料壓實效果較好。

鋪料120cm時存在架空現象，沉降率的分布規律性不明顯。

綜合考慮沉降測量結果和碾壓遍數與干密度的變化趨勢，碾壓遍數超過8遍，材料的壓實密度趨于穩定。從經濟及填筑速度考慮，建議碾壓遍數控制為8遍。

(6)加水與不加水堆石料的密度分析。在充分加水的條件下，堆石料干密度與加水有一定的關系，但關系不明顯，普遍增大約0.01～0.05g/cm3，但都能滿足設計孔隙率指標小于21%的要求，與前期碾壓試驗結果規律性相一致。

(7)現場滲透試驗。現場滲透試驗共進行了2組，采用雙環法進行，外環直徑100cm、內環直徑60cm、高50cm。現場滲透試驗在現場密度試驗結束后在碾壓試驗場進行，試驗時測點位置與現場密度試驗測點錯開。其中最大滲透系數為:5.2×10－1cm/s，最小滲透系數為3.7×10－1cm/s，平均滲透系數為4.4 ×10－1cm/s。

(8)室內固結試驗。堆石料固結試驗表明，堆石料的壓縮系數均小于0.2，屬于低壓縮性土料。

(9)現場新型張拉大直剪試驗。由試驗結果可知，碾壓厚度為120cm時的堆石料碾壓后強度高于厚度為100cm的堆石料。兩組堆石料內摩擦角分別為50°和51.7°。由此可以認為，長河壩堆石料碾壓后強度滿足設計指標。