300米級超高堆石壩摻礫土料摻拌工藝研究

(中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司，西安 710061)

1 概 述

目前，我國已建、在建的超高堆石壩水電工程中，糯扎渡、長河壩已經建成，兩河口正在進行大壩填筑，雙江口尚未進行主體工程施工。超高堆石壩壩高一般大于200m，技術難度大，我國在建的高堆石壩壩高已完成200m向300m的跨越。就超高堆石壩核心技術——心墻料的質量控制標準而言，盡管糯扎渡、長河壩、兩河口等水電工程取得了一定的工程實踐經驗，但因需要專題研究的技術問題多，現行技術規范無法有效涵蓋，尚未形成統一的行業標準及方法。

目前國內超高堆石壩均在現有規范基礎上提出各自的質量標準，不同工程不盡一致，但都嚴格遵循現行的規范標準。自瀑布溝工程開始，行業內對摻礫土料的摻配方法與摻配工藝進行了深入的研究，目前這一研究仍在進行中。

P5含量(指大于5mm顆粒含量)是心墻摻礫土料關鍵技術控制標準之一。土料中摻入一定比例的礫石料(P5含量)可改善和提高土料最大干密度、提高抗變形指標以及抗剪強度，減小與壩殼料的變形差，降低心墻拱效應，改善心墻的應力應變，減少心墻裂縫的發生幾率，防止水力劈裂的產生[1]。 但P5含量偏小起不到土料改性的作用，偏大則造成骨料集中宜產生滲流通道，因此P5含量的波動對壩體填筑質量至關重要。本文總結和分析近年來在建、已建的超高堆石壩摻礫土料的研究成果，提出摻礫土料的摻配工藝，為在建和擬建超高堆石壩摻礫土料的鋪料、摻配工藝提供借鑒。

2 摻礫石土料工藝及質量控制

2.1 糯扎渡水電工程

2.1.1 工程簡介

糯扎渡心墻堆石壩壩高261.5m，其壩頂高程821.5m，寬18m，長627.87m；大壩總填量3360萬m3，心墻礫石土468萬m3，水庫庫容為237.03億m3，電站裝機容量585萬kW(9×650MW)。

2.1.2 摻拌設備選型

糯扎渡采用設備為PC1000、6m3正鏟配合4m3正鏟，以原地摻拌的方式進行摻礫石土料制備。

2.1.3 摻礫土料摻配流程

心墻礫石土料摻配采用天然混合土料與人工骨料加工系統生產的礫石料按照重量比摻配而成，摻配比例為土料∶礫料=65∶35。同時為快速循環利用，且有效控制備料質量，將一個大料倉劃分為4個區域小料倉，倉與倉之間采用砂漿砌石擋墻隔開(砌石高度高于備料高度)，避免混倉，同時有利于混合料與礫料間層厚控制。主要摻配工藝如下：

a.對摻配料料源質量進行檢測。

b.根據現場試驗確定互層鋪料的厚度，礫石料固定為50cm、土料110cm。

c.料倉鋪料時鋪料順序為：第一層鋪礫石料(厚50cm)，第二層鋪土厚度通過計算(厚110cm)，依次互鋪三層。

d.每層料推土機平倉后采用5m×5m網格測量，誤差控制在5cm以下。

e.摻配料鋪筑完成后采用正鏟挖機立采混摻三遍(見圖1)。

圖1 摻礫石土料混摻工藝

2.2 長河壩水電工程

2.2.1 工程簡介

長河壩心墻堆石壩壩高240m，其壩頂高程1697.0m，長502m；大壩總填量3417萬m3，心墻土料428.3萬m3，水庫庫容為10.75億m3，電站裝機容量260萬kW。

2.2.2 摻拌設備選型

礫石土料摻拌設備選擇及參數見表1。

表1 礫石土料摻拌設備及參數

2.2.3 填筑料劃分區域

料場合格料區(30%50%)和細料區(P5<30%)。從粗料區選取偏下包線粗樣與細料區偏下包線的細料進行質量比摻配。

2.2.4 鋪料厚度計算方法

鋪料時P5含量按40%中值控制，鋪料過程遵循先粗料后細料的原則進行循環鋪料，先固定粗料鋪料厚度0.5m，細料鋪料厚度根據粗、細料質量比6∶4進行計算。通過對粗料顆分及干密度檢測，計算下層細料鋪料厚度和驗證粗料含粒量，其計算公式如下：

H細=H粗(p粗·4/p細·6)

式中H粗——摻配料粗料鋪料厚度，按0.5m進行鋪料；

H細——為摻配料細料鋪料厚度，按上述公式進行計算；

p粗——摻配料粗料干密度加權平均值；

p細——摻配料細料干密度加權平均值。

2.2.5 摻礫土料摻配流程

由于長河壩土料場粗、細料各指標變化幅度較大，需采取動態調整摻配比例的方法，因此固定粗料鋪料厚度，結合上述計算細料鋪料厚度，摻配工藝如下：

固定粗料鋪料厚度；計算細料鋪料厚度。

粗、細料互鋪，測量網格點5m×5m控制鋪料厚度，直至鋪料高度滿足摻配設備的經濟作業高度。

采用正鏟將土料從底部到頂部薄層一次摻配，反鏟挖掘機配合后均勻摻配的方法。

長河壩根據6∶4質量比固定粗料鋪料厚度0.5m，通過檢測粗料干密度，計算細料鋪料厚度基本在0.45m(動態調整)，摻礫石土料總厚度不超過5m。

經試驗驗證摻配遍數達到4遍后摻礫石土料均質性達到最優，其中正鏟一遍、反鏟三遍。

2.3 兩河口水電工程

2.3.1 工程簡介

兩河口心墻堆石壩壩高295m，其壩頂高程2875.0m，長668m，寬16m；大壩總填量約4000萬m3，心墻土料約441.14 萬m3、黏土料約17.96萬m3；水庫庫容為101.5億m3，電站裝機容量300萬kW。

2.3.2 摻拌設備選型

表2 礫石土料摻拌設備及參數

2.3.3 摻配土料

兩河口礫石土料與糯扎渡礫石土料，從料源生產加工到制備具有非常相似之處。兩河口摻配的三種土料，一類土與糯扎渡土料場混合土料(存在個別大孤石，易于剔除)較為接近，P5含量基本上在0%～10%，礫石土料同樣采用加工系統生產的摻礫碎石與土料(一類)進行4∶6(糯扎渡35∶65)的重量比進行摻配。

2.3.4 鋪料厚度計算方法

固定礫石料0.5m，計算土料鋪料厚度，計算公式如下：

H土=H礫×ρ礫×6/ρ土×4

式中H礫——摻配料礫石料鋪料厚度；

H土——摻配料土料鋪料厚度，按照上述公式進行計算；

ρ礫——摻配料礫石料干密度加權平均值；

ρ土——摻配料土料干密度加權平均值。

通過礫、土密度計算，兩河口亞中A區一類土鋪料厚度基本在0.83m(動態調整，見表3)。

表3 正鏟摻配鋪料厚度計算

2.3.5 摻礫土料摻配流程

固定礫料和土料鋪料厚度。土料鋪料厚度根據摻礫碎石、土料干密度、P5含量指標進行動態調整。主要摻配工藝與長河壩摻拌工藝類似，先采用正鏟從底部到頂部薄層一次摻配，反鏟挖機配合倒運摻拌的方式，互鋪三層(礫石土料采用進占法、土料采用后退法)，共摻拌三次。

3 摻拌成果分析

3.1 糯扎渡

料源混合土料試驗成果見表4，摻礫碎石試驗結果見表5，摻拌三遍后摻礫石土料見表6、圖2。

表4 料源混合土顆粒分析試驗結果

表5 摻礫用碎石篩分結果

表6 摻礫石土料摻拌三遍后各級篩余量

續表

圖2 摻拌3遍土料顆粒級配曲線

3.2 長河壩

粗細料摻拌前試驗結果見表7，摻拌4遍后試驗成果見表8，典型曲線見圖3。

表7 粗細料摻拌前試驗成果

圖3 摻拌4遍土料顆粒級配曲線

粒徑/mm15010080604020105210.50.250.0750.050.0240.010.0050.002小于該孔徑質量百數/%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 兩河口

土料摻拌前試驗成果見表9，礫石料生成過程中試驗成果見表10，不同設備、摻配遍數、摻配方式情況下P5、粉粒(0.075mm)含量波動見圖4、圖5。

表9 土料摻配前料源檢測級配情況

表10 礫石料生產過程中料源檢測級配情況

圖4 不同設備、摻配遍數、摻配方式情況下P5含量波動關系

圖5 不同設備、摻配遍數、摻配方式情況下粉粒含量波動關系

4 試驗成果分析

從上述試驗成果分析可知，采用不同的摻拌施工工藝，摻礫土料的質量均能滿足要求，但不同的工程需要專項試驗進行驗證。

4.1 糯扎渡摻拌方式

優點：采用大型6m3正鏟摻拌效率較高；摻拌完成后裝車效率高；采用正鏟可有效控制底部礫料的摻拌厚度及質量控制；料場可利用空間大，同時在雨季施工時，可達到邊摻拌邊上壩，避免完全摻拌后，易被雨水浸泡、冬季上部土易受凍等問題。

缺點：需加強現場質量控制，監督摻拌遍數達到工藝要求，目前此問題可以通過數字化監控系統，達到質控效果。

4.2 長河壩摻拌方式

優點：由于長河壩土料特性的原因，采用正鏟或反鏟均能滿足摻配試驗預期目標，對底部料摻拌控制影響因素略小些，采用正鏟或反鏟各摻三遍的倒運摻拌方式可有效控制摻礫料的上壩質量。

缺點：需有較大場地供礫石土料倒運摻拌，同時易失水，冬季施工保溫較困難。

4.3 兩河口摻拌方式

優點：通過采用倒摻的方式，正鏟摻第一遍、反鏟配合摻拌第二、三遍可達到摻拌較均的質量控效果，此種摻拌方式可確保摻拌遍數，保證摻拌質量。

缺點：兩河口與長河壩土料性質有所不同，采用反鏟不易控制底部倉面的平整度；正鏟設備偏小，不能將三互層礫料由底部一次兜起，增加后續摻拌質量強度；結合兩河口明顯的冬雨季特點，倒運摻拌不利于雨季防水、冬季保溫的特點，同時倒運摻拌占地面積大，備料效率略低。

5 結 語

目前，國內在建、已建的超高堆石壩工程質量尤為重要，每個工程使用的材料具有不同的特性、施工場地、地理環境及人文環境，應選取適合本工程的摻拌工藝，建議礫石與土料的摻拌采用正鏟大型設備(6m3左右)進行摻拌，可確保底部礫料水平開采，且倉面平整，直接裝車可提高生產效率，節約摻拌用地；對于粗礫土與細礫土的摻拌，建議優先選用正鏟，在結合現有施工場地及設備條件下應考慮采用反鏟配合摻拌施工。

注：瀑布溝(186m)、糯扎渡(261.5m)、長河壩(240m)、兩河口(295m)、雙江口(314m)。