高陡邊坡滾落石料用作圍堰填筑材料研究與應(yīng)用

田中濤，車(chē)維斌

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司長(zhǎng)河壩施工局，四川成都 610066)

1 問(wèn)題的提出

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河水電開(kāi)發(fā)的第10級(jí)電站，工程區(qū)地處大渡河上游金湯河口以下約4～7 km河段上。長(zhǎng)河壩水電站樞紐工程建筑物主要由礫石土心墻壩、泄洪系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)組成;總裝機(jī)容量2 600 MW;主要建筑物為一等大(1)工程。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m。

長(zhǎng)河壩電站左右岸開(kāi)挖高邊坡四個(gè)，分別為339 m高的右岸邊坡、304 m高的左岸邊坡、226 m高的進(jìn)水口邊坡、158 m高的開(kāi)關(guān)站邊坡。大壩區(qū)域河谷呈較寬的“V”型，兩岸自然邊坡陡峻，臨江坡高700 m左右，地形坡度一般為60°～65°。邊坡開(kāi)挖料在施工作業(yè)過(guò)程中，因地形高陡不具備運(yùn)輸設(shè)備出渣條件，所有開(kāi)挖石渣通過(guò)邊坡翻到河床積渣平臺(tái)，在積渣平臺(tái)上運(yùn)輸出渣。

上游圍堰最大堰高約53.5 m，采用復(fù)合土工膜心墻與封閉混凝土防滲墻防滲，堰體堆筑總量約為82.05萬(wàn)m3。下游圍堰最大堰高約14.5 m，采用復(fù)合土工膜心墻與封閉混凝土防滲墻防滲，堰體堆筑總量約為4.65萬(wàn)m3。圍堰填筑料計(jì)劃分別利用高邊坡開(kāi)挖料和石料場(chǎng)開(kāi)采料。由于石料場(chǎng)移民征地?zé)o法解決，施工中全部從高邊坡開(kāi)挖料中取用。

筆者通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)踐，論證了長(zhǎng)河壩水電站工程圍堰填筑石料可利用250 m高陡邊坡開(kāi)挖滾落石料的可行性及其需要采取的工程措施與應(yīng)用特性。

2 問(wèn)題關(guān)鍵點(diǎn)分析

高邊坡石料與常規(guī)開(kāi)采石料的主要差別在于多了翻料——滾落——堆積三個(gè)過(guò)程，這些過(guò)程都是對(duì)石料級(jí)配的再造過(guò)程，因此，級(jí)配的變化及其對(duì)石料性能的影響是問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，是可行性研究分析必須解決的問(wèn)題。

針對(duì)石料在工程中的應(yīng)用問(wèn)題，上述條件下形成的堆積石料級(jí)配是否滿足設(shè)計(jì)要求，石料壓實(shí)后性能是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求是問(wèn)題的兩個(gè)關(guān)鍵方面。

經(jīng)分析，從級(jí)配改變的角度分析翻料過(guò)程不會(huì)對(duì)石料級(jí)配產(chǎn)生根本性改變，滾落、堆積是石料級(jí)配經(jīng)過(guò)邊坡分選再重新自然形成的過(guò)程。在挖、裝、運(yùn)過(guò)程中的挖、裝可以通過(guò)挖裝設(shè)備根據(jù)需要對(duì)級(jí)配進(jìn)行人為的再次調(diào)整，同時(shí)，碾壓過(guò)程對(duì)不同石料級(jí)配會(huì)生產(chǎn)一定程度的改變，這種改變無(wú)法人為控制。

3 論證分析過(guò)程

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察分析、生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)和論證分析三個(gè)過(guò)程，最終確定250 m高邊坡滾落石料是否可以作為圍堰填筑料使用，其中試驗(yàn)研究過(guò)程主要是進(jìn)行生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘察分析

經(jīng)過(guò)實(shí)地查看，坡腳堆積石渣表面級(jí)配差，在中、上部可以看到各種粒組分布。因此，確定試驗(yàn)取料時(shí)利用反鏟搭配里外側(cè)粗細(xì)料簡(jiǎn)單混合后裝車(chē)。

3.2 生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)

生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)的目的是為了核實(shí)壩料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，通過(guò)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)可以直接論證石渣料是否可以作為填筑料使用及其施工工藝。

3.3 試驗(yàn)成果論證分析

根據(jù)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)石料級(jí)配指標(biāo)，壓實(shí)后的孔隙率、滲透系數(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較分析，分析其作為填筑料使用對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的滿足性，論證其作為填筑料的可行性。

4 生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)成果

4.1 級(jí) 配

通過(guò)對(duì)高邊坡滾落、堆積重組石料碾壓試驗(yàn)前后級(jí)配分析，可以說(shuō)明其組成情況。碾壓試驗(yàn)的取樣代表性有局限性，到后期施工級(jí)配明顯好于試驗(yàn)取樣情況。

4.1.1 碾壓前級(jí)配

在碾壓試驗(yàn)前，通過(guò)反鏟摻和均勻后取石料進(jìn)行試驗(yàn)，主要成果見(jiàn)圖1。

圖1 碾壓前原狀料級(jí)配曲線圖

碾壓前取樣石料級(jí)配粒徑小于5 mm含量為0.4%～4.1%，小于 0.075 mm 含量為 0～0.4%，Cc值為0.89～1.25，Cu值為5.3～10.4;平均值小于5 mm含量為1.6%，小于0.075 mm含量為0.2%，Cc值為1，Cu 值為7.2。

4.1.2 碾壓后級(jí)配

碾壓試驗(yàn)后，通過(guò)人工挖坑取石料進(jìn)行試驗(yàn)，主要成果見(jiàn)圖2。

碾壓后石料級(jí)配粒徑小于5 mm含量為1.2%～16.2%，小于 0.075 mm 含量為 0.1%～1.2%，Cc值為0.51～2.01，Cu 值為4.3～17.9;平均值小于5 mm含量為7.6%，小于0.075 mm含量為0.4%，Cc值為1，Cu值為10.8。

4.1.3 碾壓前后級(jí)配對(duì)比分析

圖2 碾壓后石料級(jí)配曲線圖

通過(guò)對(duì)碾壓前后的級(jí)配進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)碾壓前、后級(jí)配均屬于不良級(jí)配石料;

(2)碾壓過(guò)程對(duì)石料級(jí)配有所影響，表現(xiàn)在細(xì)料有所增加;

(3)碾壓前后石料級(jí)配均存在級(jí)配不良現(xiàn)象，但整體平均級(jí)配曲線滿足Cu≥5，Cc為1～3(級(jí)配良好)的范圍。

碾壓前、后級(jí)配均屬于不良級(jí)配是可以預(yù)計(jì)的結(jié)果，兩者之間的不同在于后者經(jīng)過(guò)26 t自行碾在鋪料1 m的情況下碾壓8遍。

4.2 其他指標(biāo)

4.2.1 碾壓沉降量

根據(jù)不同遍數(shù)、厚度實(shí)測(cè)的碾壓沉降平均值見(jiàn)表1。

表1 不同松鋪料厚度、碾壓遍數(shù)與沉降關(guān)系分析表

通過(guò)分析得知，石料碾壓4～8遍后沉降率為3%～5%。

4.2.2 干密度及空隙率

初次試驗(yàn)鋪料1 m、碾壓8遍后干密度為2.14～2.19 g/cm3，平均為 2.16 g/cm3;孔隙率為18.7～20.6%，平均為 19.7%;復(fù)核試驗(yàn)干密度為2.18～2.23 g/cm3，平均為 2.2 g/cm3;孔隙率為17.24～19.11%，平均為 18.07%

4.2.3 滲透系數(shù)

經(jīng)過(guò)碾壓密實(shí)后現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)測(cè)試平均滲透系數(shù)為8×10－2cm/s。

5 試驗(yàn)成果的分析論證

5.1 設(shè)計(jì)壩料指標(biāo)

設(shè)計(jì)提出的圍堰填筑石料標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)填筑石料技術(shù)指標(biāo)表

5.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)的滿足性分析

5.2.1 級(jí)配指標(biāo)分析

(1)最大粒徑:14組均滿足設(shè)計(jì)≤800 mm要求。

(2)粒徑小于5 mm顆粒含量:14組均滿足設(shè)計(jì)＜20%要求。

(3)粒徑小于0.075 mm顆粒含量:14組均滿足設(shè)計(jì)＜5%要求。

(4)根據(jù)Cu≧5、Cc為1～3(級(jí)配良好)的標(biāo)準(zhǔn)控制，碾壓前后共計(jì)14組，有7組達(dá)不到級(jí)配良好要求，為4.3～5.8，不良級(jí)配率為50%。

5.2.2 孔隙率

試驗(yàn)實(shí)測(cè)值范圍為17%～21%，滿足設(shè)計(jì)≤23%的要求。

5.2.3 滲透系數(shù)

試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為8×10－2cm/s，滿足設(shè)計(jì)1×10－2的要求。

5.3 與通常條件下開(kāi)采石料指標(biāo)進(jìn)行的對(duì)比分析

(1)排除取料因素干擾后，最大粒徑、粒徑小于5 mm顆粒含量、小于0.075 mm顆粒含量均同于通常條件下的開(kāi)采石料。與通常情況下開(kāi)采石料相比較，主要表現(xiàn)在滾落、堆積重組后石料級(jí)配變差。

(2)與通常情況下開(kāi)采石料壓實(shí)后干密度、滲透指標(biāo)接近，說(shuō)明重組后石料級(jí)配有所變差，并對(duì)其壓實(shí)特性影響有限，仍可滿足施工指標(biāo)要求。

(3)高邊坡滾落、堆積重組后石料壓實(shí)過(guò)程沉降率為3%～5%，說(shuō)明重組后石料級(jí)配有所變差但并沒(méi)有引起其作為圍堰填筑石料的性質(zhì)變化。

6 填筑施工應(yīng)用

6.1 圍堰填筑施工

長(zhǎng)河壩水電站圍堰工程填筑施工工期緊，沒(méi)有設(shè)置專(zhuān)門(mén)開(kāi)采石料場(chǎng)，圍堰填筑全部使用開(kāi)挖利用料。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，圍堰填筑共計(jì)利用壩肩高邊坡甩渣滾落料接近50萬(wàn)m3，開(kāi)挖上圍堰過(guò)程基本上由反鏟將粗細(xì)料有選擇性的簡(jiǎn)單搭配裝車(chē)混合，壩面卸料粗細(xì)混搭。石料開(kāi)采作業(yè)面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況見(jiàn)圖3。

圖3 石料開(kāi)采作業(yè)面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況

6.2 圍堰填筑質(zhì)量檢測(cè)

為保證施工質(zhì)量并檢驗(yàn)高邊坡料填筑的實(shí)際情況，在施工質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，將高邊坡滾落填筑區(qū)料和其他部位填筑料進(jìn)行區(qū)別，施工取樣情況說(shuō)明如下。

6.2.1 施工過(guò)程摻和均勻性分析

根據(jù)Cu≧5、Cc為1～3(級(jí)配良好)的標(biāo)準(zhǔn)控制，施工過(guò)程中共計(jì)統(tǒng)計(jì)在高邊坡取料上壩組數(shù)為36組，其中級(jí)配7組為不良，壩面填筑摻和均勻率達(dá)80%以上。

6.2.2 施工過(guò)程摻和均勻性分析

碾壓試驗(yàn)后，通過(guò)人工挖坑取石料進(jìn)行試驗(yàn)，主要成果見(jiàn)圖4。

圖4 高邊坡石料壩面填筑取樣級(jí)配曲線圖

碾壓后取石料級(jí)配粒徑小于5 mm含量為9.7%～29.0%，小于0.075 mm 含量為0.3%～1.4%，Cc值為0.56～3.75，Cu 值為 11.4～39;平均值粒徑小于5mm含量為13.74%，小于0.075 mm 含量為0.54%，Cc值為 1.71，Cu 值為25.49。

6.2.3 干密度及空隙率

施工過(guò)程中，36組干密度為2.14～2.24 g/cm3，平均為2.19 g/cm3;孔隙率為17.04%～20.74%，平均為 18.89%。

6.2.4 施工生產(chǎn)與碾壓試驗(yàn)成果對(duì)比

根據(jù)兩個(gè)階段成果數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有以下情況:

(1)施工生產(chǎn)階段較試驗(yàn)階段粒徑小于5 mm含量平均增加約5%，小于0.075 mm含量平均增加為0.1%，Cc值增加0.7，Cu值為10。級(jí)配不良率指標(biāo)由試驗(yàn)階段的50%左右降低到施工階段的20%左右。

分析上述變化的原因，主要是試驗(yàn)階段取樣只能是堆積石渣的外部，其偏粗，而施工階段全斷面取料經(jīng)施工工藝過(guò)程簡(jiǎn)單摻和，級(jí)配整體情況比試驗(yàn)階段好。

(2)試驗(yàn)與施工成果表明石渣料的干密度、孔隙率基本一致，仍保持在17%～21%的水平。

7 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)上述論證分析可知，高陡巖石邊坡滾落、堆積重組后的石料經(jīng)壓實(shí)后除其級(jí)配外其他指標(biāo)均能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求且與通常情況下開(kāi)采石料沒(méi)有發(fā)生根本性的變化。

(2)經(jīng)過(guò)分析得知，滾落、堆積重組后的石料級(jí)配的變異發(fā)生在一定空間尺度范圍內(nèi)，這種空間尺度范圍屬于較小空間尺度范圍且與石料最大粒徑所在空間尺度范圍一致。滾落、堆積重組后的石料級(jí)配的變異對(duì)生產(chǎn)條件下檢測(cè)指標(biāo)產(chǎn)生的影響很小，稍大空間尺度其性狀表現(xiàn)與通常情況下開(kāi)采的石料差異不大。

(3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)與施工應(yīng)用情況進(jìn)行的對(duì)比分析論證，結(jié)合其形成原理分析表明:在長(zhǎng)河壩工程中，圍堰填筑使用高陡巖石邊坡滾落、堆積重組后的石料經(jīng)過(guò)施工過(guò)程自然摻和是可行的，石料可用于圍堰填筑。