惠州抽水蓄能電站黏土心墻壩黏土碾壓試驗(yàn)研究

黃金林，鞠海燕，王貴杰

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

1 工程簡(jiǎn)介

本電站裝機(jī)容量2 400 MW，工程為 I等工程，永久性建筑物為I級(jí)建筑物。副壩位于主壩左側(cè)，為黏土心墻堆石壩，壩頂長(zhǎng)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(shè)干砌石護(hù)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(cè)設(shè)置過(guò)渡料。壩體結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)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(zhì)量控制指標(biāo)的合理性和確定經(jīng)濟(jì)合理的施工參數(shù)至關(guān)重要。在土石壩正式填筑之前，必須進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，以核實(shí)壩料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實(shí)機(jī)械等)和填筑效果(如土的密實(shí)度)的關(guān)系，確定達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)方法，確定相應(yīng)的碾壓參數(shù)(如壓實(shí)遍數(shù)、速度及鋪土層厚)，優(yōu)化施工工藝。因而，現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)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(shí)度和均勻性，使填土具有足夠的抗剪強(qiáng)度和較低的壓縮性，滿(mǎn)足變形、滲流控制要求，必須對(duì)填土進(jìn)行壓實(shí)。根據(jù)安全和經(jīng)濟(jì)的要求，應(yīng)選用合理的填筑標(biāo)準(zhǔn)。在確定填筑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮下列諸多因素:壩的等級(jí)、壩高、壩型及壩的不同部位，土石料的壓實(shí)特性、填土干重度、含水量與其力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系(特別是與壓縮性、濕陷性、滲透性、抗剪強(qiáng)度及孔隙水壓力的關(guān)系)，以及氣候和施工難易性等。

大壩黏土心墻的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn):大壩的黏土心墻料的含水率控制在最優(yōu)含水量的1% ～3%左右，黏土心墻料碾壓后要求黏土料壓實(shí)度達(dá)100%，滲透系數(shù)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(nèi)土工試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)。黏土心墻直接以壓實(shí)度指標(biāo)形式為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，為了對(duì)土樣的級(jí)配、含水量、重度等物理力學(xué)參數(shù)有充分了解，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)分析，其結(jié)果如表1所示。

3 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)布置

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，擬定黏性土鋪料厚度分別為30 cm，40 cm，碾壓遍數(shù)分別為4遍、6遍、8遍，主要試驗(yàn)研究不同層厚及碾壓遍數(shù)的壓實(shí)效果。共布置6小場(chǎng)，每小場(chǎng)有效面積6 m×10 m，場(chǎng)地布置如圖2所示。鋪料用自卸汽車(chē)運(yùn)料，卸料后由推土機(jī)整平。鋪料主要采用進(jìn)占法，即汽車(chē)始終行駛在鋪好的料面上。碾壓采用18 t自行式振動(dòng)碾進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓，碾跡搭接20 cm。碾壓完成后，根據(jù)碾壓遍數(shù)每一小場(chǎng)采用環(huán)刀法取樣10個(gè)。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(shù)下干密度與含水量、滲透系數(shù)及壓縮量的關(guān)系曲線。

表1 黏土心墻土工試驗(yàn)結(jié)果

圖2 碾壓場(chǎng)地布置

圖3 含水量與干密度的關(guān)系

3.2 碾壓試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 埃爾米特插值

在室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)中，測(cè)出一系列的干密度ρd與含水量ω?cái)?shù)值，然后繪制 ρd-ω曲線，通過(guò)圖解法找到曲線的峰值即為最大干密度 ρdmax，對(duì)應(yīng)的含水量則為最佳含水量(ωop)。這種圖解法因簡(jiǎn)便直觀而在實(shí)際工作中廣泛采用。由文獻(xiàn)［5-8］可知此法的隨意性、經(jīng)驗(yàn)性大，得到的結(jié)果差異大。

圖4 碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系

圖5 碾壓遍數(shù)與滲透系數(shù)關(guān)系

圖6 沉降量與厚度及碾壓遍數(shù)的關(guān)系

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，擊實(shí)試驗(yàn)所要求的最大干密度(ρdmax)就在某組試驗(yàn)干密度數(shù)據(jù)大者附近，因而插值節(jié)點(diǎn)可選取該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中干密度較大者。已知ω0，ω1，ω2為擊實(shí)試驗(yàn)一系列含水量點(diǎn)［a，b］上 3 個(gè)互異的節(jié)點(diǎn)，函數(shù) y=f(ω)［a，b］上具有連續(xù)的四階導(dǎo)數(shù)，滿(mǎn)足插值條件 H(ωi)=f(ωi)(i=0，1，2)的插值函數(shù)即為要求的插值函數(shù)［9］。

根據(jù)上述給定的插值條件，顯然可確定一個(gè)次數(shù)不超過(guò)3次的埃爾米特插值多項(xiàng)式H(ω)。

式中:A 為待定系數(shù)，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(mǎn)足 H(ωi)=f(ωi)。

兩邊求導(dǎo)得

3.2.2 誤差估計(jì)

插值函數(shù)與被插值函數(shù)間的誤差可用下式表示

3.2.3 算例

利用埃爾米特插值問(wèn)題求解，分別取 ω0=17.8，ω1=20.1，ω2=24.2，ω3=27.6。對(duì)應(yīng)的 f(ωi)分別為1.56，1.65，1.59 和 1.53，見(jiàn)表 2。

根據(jù)牛頓差商與導(dǎo)數(shù)的關(guān)系

表2 試驗(yàn)結(jié)果

由H'(ω)=0，得到 ω=20.8%，再代入式(3)

3.2.4 誤差分析

根 據(jù) 表 1 的 數(shù) 據(jù) 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(jù)公式(1)、(2)可得|R(ω)|=1.5%。

根據(jù)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(duì)同一碾壓設(shè)備，最優(yōu)含水量是不同的。鋪土厚度為30 cm，最優(yōu)含水量為20%，鋪土厚度為40 cm，最優(yōu)含水量為21%。

從圖4中可看出，無(wú)論鋪土厚度如何變化，碾壓遍數(shù)小于6遍時(shí)，干密度隨碾壓遍數(shù)增加而增大。但對(duì)于鋪土厚度為30 cm，碾壓遍數(shù)大于6遍時(shí)，干密度隨碾壓遍數(shù)而減小;對(duì)于鋪土厚度為40 cm，碾壓遍數(shù)大于6遍時(shí)，干密度隨碾壓遍數(shù)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(shí)，最佳碾壓遍數(shù)為6遍;鋪土厚度為40 cm時(shí)，最佳碾壓遍數(shù)為8遍。

黏土心墻現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)反映出，黏土心墻的滲透系數(shù)隨碾壓遍數(shù)增加而減少，碾壓6～8遍后的滲透系數(shù)為 5.6×10-6～9.6×10-6cm/s，符合滲透系數(shù)≤1×10-5cm/s的設(shè)計(jì)要求?？刂起ね梁?，增加干重度，以進(jìn)一步減小其滲透系數(shù)。

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

4 結(jié)論

1)每次碾壓鋪土厚度30 cm和40 cm都能滿(mǎn)足要求，但要注意施工時(shí)鋪土厚度不同，最優(yōu)含水量不同。鋪土厚度為30 cm時(shí)，最優(yōu)含水量為20%;鋪土厚度為40 cm，最優(yōu)含水量為21%?，F(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)的結(jié)果表明土料的天然含水量超出最優(yōu)含水量，土料運(yùn)至碾壓場(chǎng)地進(jìn)行翻曬，經(jīng)測(cè)定土料的含水量接近最優(yōu)含水量時(shí)才進(jìn)行平整碾壓。

2)對(duì)不同鋪土厚度，碾壓遍數(shù)小于6遍時(shí)，干密度隨碾壓遍數(shù)增加而增大。鋪土厚度為30 cm時(shí)，最佳碾壓遍數(shù)為6遍，鋪土厚度為40 cm時(shí)，最佳碾壓遍數(shù)為8遍。

3)黏土心墻的滲透系數(shù)隨碾壓遍數(shù)增加而減少，碾壓6～8遍后的滲透系數(shù)為5.6×10-6～9.6×10-6cm/s，符合滲透系數(shù)≤1×10-5cm/s的設(shè)計(jì)要求。

［1］張國(guó)輝，盧學(xué)巖.碾壓式土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制中若干問(wèn)題的淺析［J］.吉林水利，2008，317(10):5-9.

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