礫石土料全級配擊實儀研制及應用

胡 建 立

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州，是大渡河流域水電梯級開發(fā)的上游控制性水庫，電站裝機容量2 000 MW，為一等大(1)型工程。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2 510.00 m，最大壩高312 m，為世界第一高礫石土心墻堆石壩。心墻防滲料采用摻合礫石土料，心墻礫石土料最大粒徑不大于100 mm，心墻料全料壓實度不小于0.98(相應擊實功能2 685 kJ/m3)。

目前國內已建、在建的大型礫石土心墻堆石壩防滲礫石土料最大粒徑已大幅度超過《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》DL/T5356[1]和《土工試驗方法標準》GB/T50123[2]中“粗粒土擊實試驗最大粒徑不大于60 mm”的規(guī)定。如長河壩水電站心墻礫石土料最大粒徑為150 mm，糯扎渡水電站及兩河口水電站心墻礫石土料最大粒徑為120 mm。按照試驗規(guī)程的要求，土料最大粒徑大于60 mm進行擊實試驗需對超徑部分進行處理，按照《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》DL/T5356規(guī)定，對超粒徑顆粒的處理有剔除法、等量替代法、相似級配法和結合法四種方法。

不論采取何種方法對土樣超粒徑顆粒進行處理，經過處理的土樣已改變其原始級配，擊實試驗結果不能真實反映原級配土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。為真實反映原級配土樣的擊實試驗結果，筆者依托雙江口水電站大壩工程，對最大粒徑為100 mm的寬級配礫石土料，進行新型全級配擊實儀及相適應的擊實試驗方法研究。

2 礫石土料全級配擊實儀研制

2.1 礫石土料全級配擊實儀基本技術參數的確定

(1)擊實筒：擊實筒應具有足夠的強度和剛度，不變形，拆卸方便。擊實筒內徑不小于土料最大粒徑的5倍，擊實筒高度不小于內徑的0.96且不大于1.04。

(2)擊錘：擊錘底直徑為擊實筒內徑的0.5倍。

(3)單位體積功能：2685 kJ/m3。

(4)單位面積沖量：7 kN·s/m2。

(5)確定錘擊點角度[5]，錘擊點均勻分布在土面上，錘擊點之間無擊實盲區(qū)、無重復擊實面積。

按照上述規(guī)定，經計算確定礫石土料全級配擊實儀SD-500型基本參數(見表1)。

表1 礫石土料全級配擊實儀SD-500型基本參數

2.2 礫石土料全級配擊實儀研制技術難點

礫石土料全級配擊實儀SD-500型研制的技術難點是如何保證錘擊點均勻分布在土面上，實現錘擊點之間無擊實盲區(qū)。通過數學計算及CAD制圖模擬錘擊點擊實軌跡，得出錘擊點角度53.5°較為適宜。

場景時代，移動互聯呈現出越來越突出的商業(yè)社群化與場景個性化特征，不同企業(yè)通過商務場景拓展找到契合點，共同形成彼此互補的聯合商品。傳統(tǒng)商業(yè)模式品牌、營銷、渠道、設計、研發(fā)、市場、公關、銷售和連接方式被場景重新塑造。

2.2.1 數學計算

擊錘底直徑為擊實筒內徑的0.5倍，計算錘擊點轉動軌跡，建立錘擊一周的轉角公式為：

φ×n-δ= 360°

(1)

式中φ為每一擊的轉角；n為一周的擊數；δ為修正角。

經計算及試驗，φ值取53.5°，修正角δ值為14.5°，錘擊7擊即完成一周擊實，具體實現過程為：

錘擊第1擊時擊實筒不轉動，第2擊擊實筒開始轉動53.5°，以此類推，以后的每一擊都轉動53.5°，在第7擊時基本完成了第一周擊實；在第8擊(第2周第1擊)較第1擊(第1周)向前位移角度為53.5°×7-360°=14.5°。以此類推，在第22擊(第4周第1擊)就將第1擊和第2擊(第1周)與擊實筒之間的擊實盲區(qū)全部覆蓋(即14.5°×4-53.5°=4.5°>0°)。以此類推，擊實完成后不存在擊實盲區(qū)。

2.2.2 動態(tài)模擬

動態(tài)模擬錘擊點擊實軌跡示意圖見圖1。動態(tài)制圖模擬表明：錘擊點角度為53.5°，在第8擊(第2周第1擊)較第1擊向前位移角度14.5°，在第22擊(第4周第1擊)就將第1擊和第2擊(第1周)與擊實筒之間的擊實盲區(qū)全部覆蓋。

圖1 動態(tài)模擬錘擊點軌跡示意圖

2.3 礫石土料全級配擊實儀的工作原理

礫石土料全級配擊實儀SD-500型主要由底座、轉盤及轉盤傳動機構、擊實筒、套筒、擊錘、導向桿、擊錘提升系統(tǒng)、落高位移裝置、擊實筒提升裝置、電器控制系統(tǒng)等組成，其結構示意圖見圖2。其工作原理及工作步驟如下：

(1)開啟電源，預熱；

(2)采用手動方式將擊錘提升，將擊實筒安裝在轉盤上，將套筒安裝在擊實筒上部，并將擊實筒及套筒固定在轉盤上；

(3)將備好的土樣分三層裝入擊實筒內，采取手動方式將擊錘放在土樣上，再將“手動模式”調整為“自動模式”；

(4)啟動儀器工作，擊錘自動提升，擊錘提升到規(guī)定高度時觸發(fā)限位裝置，擊錘抓手松開，擊錘沿導向桿自由落體到土樣表面，完成第一擊；

(5)完成第一擊后，擊錘抓手沿導向桿下落抓住擊錘，擊錘上升，同時轉盤傳動機構工作，轉動53.5°，擊錘提升到規(guī)定高度時抓手松開，擊錘沿導向桿自由落體到土樣表面，完成第二擊；

(6)按照本條(4)和(5)步驟依次循環(huán)，完成第一層土樣擊實；

(7)完成第一層擊實后，將土樣裝入擊實筒，按照步驟(4)～(6)依次完成第二層、第三次擊實。

圖2 SD-500型全級配擊實儀結構示意圖

3 全級配擊實儀SD-500型與傳統(tǒng)擊實儀相比所具有的特點及優(yōu)點

根據雙江口水電站礫石土料最大粒徑為100 mm，研制出擊實筒直徑為500 mm的礫石土全級配擊實儀SD-500型。儀器研制時遵循簡單、適用、方便、試驗結果準確可靠的原則。該儀器于2018年12月投入使用，累計已完成22組110桶擊實試驗，累計擊實47 000余次，設備運行狀況良好。

在礫石土狀況相同，單位體積擊實功能、單位面積沖量相同的工況下，SD-500型全級配擊實儀與傳統(tǒng)φ300 mm擊實儀比較具有以下特點及優(yōu)點：

(1)將擊實筒安裝在轉盤上，通過底盤齒輪旋轉帶動擊實筒轉動，實現錘擊角度的調整，達到錘擊點均勻分布，無死角、無盲區(qū)、無重復的目的。

(2)SD-500型擊實儀設置有擊實筒提升裝置，達到擊實筒安裝、拆卸方便的目的。

(3)SD-500型擊實儀設有光電位移落高裝置控制系統(tǒng)，實現了自動控制擊錘提升高度高，擊錘落高精準，保證了單位體積擊實功能、單位面積沖量不變。

(4)傳統(tǒng)的φ300 mm擊實儀需對大于60 mm的超粒徑顆粒處理后才能進行擊實試驗，其擊實結果會產生一定程度的偏差。而對大于60 mm的超粒徑顆粒SD-500型擊實儀則不需進行處理，能夠進行全級配擊實試驗。用雙江口防滲摻合土料進行對比試驗，當礫石摻量30～60%時，最大干密度增大0.01～0.03 g/cm3，最優(yōu)含水率降低0.6～0.3%，由此可見，SD-500型擊實儀進行心墻防滲土料全級配擊實試驗結果，能更真實地反應寬級配防滲土料的壓實特性，為制定大壩填筑質量控制標準與質量評價提供基礎數據。SD-500型擊實儀與φ300 mm擊實儀的擊實試驗結果見表2。

表2 SD-500型與φ300 mm擊實儀擊實試驗結果比較

4 結 語

礫石土全級配擊實儀SD-500型的成功研制并應用，其擊實試驗成果應用于大壩填筑質量評價中更加真實地反應了礫石土料的壓實特性。礫石土全級配擊實儀首次采用錘擊點角度為53.5°，實現了錘擊點均勻分布、無擊實盲區(qū)，在國內已建類似工程中未見相關文獻資料，可供其他工程借鑒。

在雙江口水電站大壩工程建設中，已采用全級配擊實儀SD-500型的擊實試驗成果評價礫石土料的壓實質量，在控制工程質量方面發(fā)揮了顯著作用，具有推廣價值。