兩河口水電站心墻堆石壩防滲心墻料的研究

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

兩河口水電站心墻堆石壩防滲心墻料的研究

歐陽學(xué)金

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

兩河口水電站工程堆石壩壩高295m，礫石土心墻料429萬m3。由于該工程堆石壩高達300m級，國內(nèi)尚無建設(shè)的成功經(jīng)驗，而且防滲土料分布較廣，料源復(fù)雜。本文通過對防滲心墻的研究，論證了其合理性和可靠性，為同類型大壩心墻料的研究提供參考。

心墻堆石壩；防滲心墻料；研究

1 研究背景

兩河口水電站擋水大壩為高達300m級的黏土心墻堆石壩，是目前世界上已建或規(guī)劃在建中最高的土石壩之一。由于水庫庫容巨大，具有多年調(diào)節(jié)能力，大壩本身的安全關(guān)系到下游多個縣城、集鎮(zhèn)和多個水庫運行的安全，為此對擋水壩的設(shè)計和筑壩材料分析提出了很高的要求。因此，開展心墻堆石壩筑壩材料性能、分區(qū)等方面的研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

2 工程概況

兩河口水電站是雅礱江中上游梯級龍頭水庫電站，位于四川省雅江縣境內(nèi)，是雅礱江干流中上游規(guī)劃建設(shè)的七座梯級電站中裝機規(guī)劃最大的水電站。土心墻堆石壩最大壩高為295m，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，電站裝機容量300萬kW。樞紐建筑物由礫石土心墻堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、地下發(fā)電廠房、引水和尾水建筑物等組成。

2.1 工程等級及標(biāo)準(zhǔn)

兩河口水電站為一等大(1)型工程，擋水建筑物為1級建筑物。

2.2 大壩分區(qū)設(shè)計

2.2.1 壩剖面

大壩為中央直立心墻布置形式，即中央為礫石土直心墻，心墻兩側(cè)為反濾層，反濾層以外為過渡層及堆石壩殼。壩頂寬16m,最大壩高295m。上游壩坡坡度1∶2.0，下游壩坡坡度1∶1.9。大壩設(shè)計剖面見下圖。

2.2.2 防滲心墻設(shè)計

心墻頂寬6m，頂高程2874.00m，高于最高靜水位，頂部與防浪墻進行可靠連接；心墻上下游坡均為1∶0.2，河床心墻底基座頂高程2582.00m，順河向?qū)挾葹?23.6m；心墻與兩岸壩肩接觸部位的岸坡基巖表面設(shè)厚度為1m的混凝土蓋板，為防止直接接觸部位產(chǎn)生開裂、形成滲漏通道，蓋板與心墻連接處鋪設(shè)水平厚度4m的接觸性黏土，以適應(yīng)二者之間的大剪切變形。

大壩設(shè)計橫剖面圖

3 堆石壩防滲心墻材料的試驗研究

兩河口礫石土心墻堆石壩的筑壩材料主要包括黏土和石料兩大部分，其中防滲心墻材料的性能是大壩設(shè)計的關(guān)鍵，為確保堆石壩的安全可靠，需對防滲心墻材料開展深入的試驗研究。

3.1 黏土料

3.1.1 土料場概況及料源選擇

雅礱江干流階地較發(fā)育，上下游沿岸Ⅲ、Ⅳ級階地較為寬緩，為水電站防滲土料主要分布區(qū)。受地形地質(zhì)條件限制，沿江兩岸各土料場規(guī)模相對較小，料源分散，性狀不均一。大壩心墻礫石土設(shè)計需用量為429.39萬m3，壩區(qū)防滲土料詳查地質(zhì)儲量為1244萬m3。按工程經(jīng)驗6∶4或7∶3摻合礫石后，土料料源總量滿足設(shè)計要求。

根據(jù)壩型選擇及筑壩材料料源選擇，通過技術(shù)經(jīng)濟、征地移民和環(huán)保水保等綜合比較，確定選擇全部庫區(qū)上游料場和下游西地料場。

3.1.2 土料的天然物理性質(zhì)

3.1.2.1 土料的顆粒級配

經(jīng)試驗檢測，西地、億扎、亞中A區(qū)、蘋果園、普巴絨、志理村、瓜里等料場土料細粒含量偏高，為低液限黏土或含砂低液限黏土，直接作為心墻防滲土料難以滿足300m高壩的強度和抗變形能力要求，如摻配使用，在黏粒含量足夠的情況下可滿足防滲要求。

3.1.2.2 土料的力學(xué)、滲透和擊實特性

經(jīng)試驗檢測，西地、億扎、亞中A區(qū)等料場土料為中—低壓縮性土，摩擦角φ值最大值28.3°，抗剪強度較低,不宜直接采用；亞中B、C、D區(qū)的土料為低壓縮性土，摩擦角φ值最小值29.9°，抗剪強度較高，滲透系數(shù)K滿足規(guī)范要求，破壞比降if>8.35，可直接采用。

高壓大三軸試驗結(jié)果表明：亞中B區(qū)的土料抗變形能力較強；但西地料場的土料抗剪強度指標(biāo)明顯偏低，不能直接用在心墻低高程區(qū)域。

3.1.2.3 防滲土料化學(xué)分析

對亞中料場、蘋果園等料場進行的雙比重計分散性分析、黏土礦化分析、差熱分析、X衍射試驗分析表明：有機質(zhì)含量、易溶鹽含量、pH值均滿足規(guī)范要求。主要礦物成分有可能以伊利石—蒙脫石、蒙脫石為主。黏土均為非分散性土，可作為防滲土料料源使用。

3.1.3 室內(nèi)摻合試驗及摻合料性能評價

由于各料場不具備混采改良級配條件，為改善防滲土料的力學(xué)性能，對防滲土料與壩址上下游分布的砂巖、板巖夾砂巖人工破碎料摻合的摻合料室內(nèi)試驗，共進行了3種摻合方案、4種摻配比(干重量比)的研究。方案擬定如下：

方案①：摻礫料粒徑范圍為100～10mm，選擇了摻20%～50%共4種摻配比。

方案②：摻礫料粒徑范圍為200～<5mm，選擇了摻35%～55%的3種摻配比。

方案③：摻礫料粒徑范圍為150～5mm，選擇了摻30%～50%的3種摻配比。

3.1.3.1 摻配方案選擇

對比3種摻配方案，隨礫石摻量的增加，防滲土料的抗剪強度值、壓縮模量有所增加，且為低壓縮性土，滲透系數(shù)滿足規(guī)范要求，作為防滲土料均可行。

從摻配工藝和施工經(jīng)驗角度分析，方案①摻配料上下包線范圍值最窄，摻合簡單；方案②摻配料中含有小于5mm顆粒(砂)，包線范圍值最寬，且擊實后5～0.25mm含量占細粒含量增加11%，可適當(dāng)改善級配；方案③級配介于前兩個方案之間?？紤]在施工過程中，方案②中砂的施工摻配很難均勻，可能成“團?！贝嬖谟趽胶狭现星覍Ψ罎B性能將帶來不利影響。綜合考慮，選擇摻配方案③。

3.1.3.2 摻配比例選擇

亞中A區(qū)土料與板巖夾砂巖破碎料摻合比例選擇3種方案，分別為7∶3、6∶4、5∶5；同時考慮級配可能出現(xiàn)不均勻情況，按照以上比例分別與摻礫料上下包線摻合進行研究。物理力學(xué)試驗結(jié)果表明：與比例為7∶3和6∶4的摻配料對比，亞中A區(qū)均線與破碎料上下包線摻配比例為5∶5的土料的各項力學(xué)指標(biāo)更接近規(guī)范要求或已建工程經(jīng)驗的底限，故摻配比例為7∶3和6∶4的方案優(yōu)于摻配比例5∶5方案。

3.1.4 前期碾壓試驗

為研究摻礫料加工、摻合施工工藝的施工可行性，復(fù)核、論證設(shè)計參數(shù)，在大量土料摻合方案室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，進行現(xiàn)場摻礫摻合及碾壓試驗。

3.1.4.1 室內(nèi)試驗

在現(xiàn)場碾壓試驗前，對土料場進行了物理性試驗，各區(qū)土料級配組成包線范圍值均位于詳查土料級配組成包線范圍值內(nèi)，天然含水率范圍值比詳查階段天然含水率范圍值偏高1.7%～3%。

為確定現(xiàn)場碾壓試驗土料的控制指標(biāo)，還進行了擊實功能為2740kJ/m3的室內(nèi)擊實試驗。試驗用料采用蘋果園B區(qū)摻合料，摻礫料采用方案③平均級配。

3.1.4.2 現(xiàn)場碾壓試驗

現(xiàn)場碾壓試驗針對蘋果園B區(qū)摻合料進行，并通過試驗了解土料壓實前后的物理、力學(xué)、滲透性能。

a.碾壓試驗控制指標(biāo)?，F(xiàn)場碾壓試驗中采用室內(nèi)重型擊實試驗成果作為控制指標(biāo)，采用全料或細料壓實D≥0.99和全料或細料含水率W0p-2.0%≤Wf≤W0p+2.0%作為控制標(biāo)準(zhǔn)，最大顆粒粒徑dmax控制在不大于150mm。

b.碾壓參數(shù)。碾壓參數(shù)初選首先根據(jù)室內(nèi)擊實試驗成果初步選定碾壓機具，然后通過分析不同鋪土厚度、碾壓遍數(shù)、行車速度的碾壓前后土料物理、力學(xué)、滲透性能，選擇合理的碾壓參數(shù)。

現(xiàn)場碾壓試驗土料包括：A料(蘋果園∶礫料=70%∶30%)、B料(蘋果園∶礫料=60%∶40%)。碾壓試驗松鋪厚度共分30cm、40cm、50cm三種，碾壓機具采用W2005PDW型20.2t凸塊振動碾，碾壓前先靜壓1遍，再振動碾壓6遍、8遍、10遍、12遍，碾壓速度分別為1.5km/h、2～3km/h、4～5km/h。

鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與干密度關(guān)系曲線表明：鋪層30cm、40cm厚時，隨著碾壓遍數(shù)增加，干密度數(shù)值逐漸增大；鋪層50cm厚時，碾壓遍數(shù)大于10遍，部分試樣干密度值仍處于較低范圍內(nèi)。鋪土厚度、碾壓遍數(shù)與沉降量關(guān)系曲線表明：鋪層30cm、40cm厚時，隨著碾壓遍數(shù)增加，沉降量逐漸收斂，鋪層50cm厚時，碾壓遍數(shù)大于10遍，沉降量仍有較大增加。從各種料30cm、40cm、50cm鋪料厚度碾壓效果看，鋪層30cm碾后平均厚度為27cm，較薄，不利于以后的大面積填筑，滿足不了施工強度；鋪層40cm碾后平均厚度為38cm，適于20.2t凸塊碾壓機碾壓，鋪料厚度較合適；鋪層50cm碾壓后平均厚度為46cm，超出20.2t凸塊碾壓機最優(yōu)碾壓深度，上層底面和下層上表面結(jié)合帶相對較軟弱。此次碾壓試驗初步選擇40cm鋪層厚度。

綜上所述，該階段碾壓參數(shù)初步擬定：鋪土厚度為40cm，靜壓1遍、振動碾壓10遍(均為進、退為一遍)；行車速度為2～3km/h(中速)；填筑含水率為W0p-2.0%≤Wf≤W0p+2.0%。

3.1.5 防滲土料摻合料

根據(jù)土料場分布特點，在左下溝溝口下游設(shè)置摻合場，摻合所用的礫石采用左下溝料場石料及回采渣場的工程洞渣料。左下溝料場出露巖性為板巖夾少量砂巖，儲料豐富，物理力學(xué)性質(zhì)與摻配試驗采用的無名溝、灣地溝料場料接近，可以滿足摻配要求。

心墻防滲土料分區(qū)利用原則如下：

a.在初期導(dǎo)流洞下閘蓄水之前，心墻料優(yōu)先采用上游庫區(qū)淹沒范圍內(nèi)防滲土料場的天然料或摻合料，以盡量減少臨時征地及移民搬遷的數(shù)量。

b.在滿足防滲和抗?jié)B要求的條件下，心墻低高程部位應(yīng)采用粒徑相對較粗、力學(xué)強度指標(biāo)相對較高的天然料或摻合料，中、高高程可適當(dāng)放寬要求。

按以上原則，經(jīng)分析提出防滲土料的應(yīng)用方案如下：壩體心墻2780.00m高程以下劃分為A區(qū)，需心墻料300萬m3，采用上游庫區(qū)億扎、志理、亞中A區(qū)、蘋果園、瓜里料場B區(qū)的摻合料以及亞中料場B、C區(qū)的天然料，2780.00～2805.00m高程范圍劃分為B區(qū)，需心墻料40萬m3，采用下游西地料場和上游瓜里料場A區(qū)的摻合料，2805.00m高程以上劃分為C區(qū)，需心墻料91萬m3，適時采用下游西地料場和上游瓜里料場A區(qū)以及普巴絨料場的天然料或摻合料。

4 結(jié) 語

通過對兩河口礫石土心墻堆石壩筑壩材料的室內(nèi)和現(xiàn)場碾壓試驗研究，獲得以下幾點認識：

a.針對該工程防滲心墻土料分布較廣、料源復(fù)雜的特點，通過大量細、粗粒土筑壩材料物理力學(xué)試驗研究，提出了大壩礫石土心墻摻配比的合理級配與物理力學(xué)性能指標(biāo)，論證了摻礫心墻料的設(shè)計安全性和運行可靠性。研究成果已應(yīng)用于工程實際，為該工程堆石壩設(shè)計提供了重要的依據(jù)。

b.通過技術(shù)經(jīng)濟、環(huán)保和征地移民等綜合比較分析，選定上游的億扎、亞中、蘋果園、普巴絨、志理村、瓜里料場和下游的西地料場作為心墻防滲土料場。通過防滲土料天然物理性能研究，大部分土料直接應(yīng)用不能滿足300m高壩運行要求。為改善防滲土料的力學(xué)性能，通過對億扎A區(qū)、亞中A區(qū)、蘋果園B區(qū)防滲土料摻合壩址上下游分布的砂巖、板巖夾砂巖人工破碎料的3種摻合方案、4種摻配比(干重量比)的摻合料室內(nèi)試驗研究，摻礫料粒徑范圍150～5mm、摻礫料摻配比7∶3～6∶4(重量比)的方案③級配組成較優(yōu)，防滲和強度指標(biāo)均可滿足規(guī)范要求，并符合國內(nèi)外同類壩型的設(shè)計經(jīng)驗。通過初步現(xiàn)場摻合碾壓試驗論證了其合理性。

c.由于國內(nèi)外沒有快速填筑完成300m級的礫土質(zhì)心墻堆石壩的成功經(jīng)驗，即使目前已填筑完成的261.5m高的糯扎渡心墻堆石壩，由于完工時間較短，仍需要時間的考驗，為此對300m級堆石壩的防滲心墻料建議仍有必要在下一步的工作中繼續(xù)開展深入研究。

d.展望高土石壩防滲心墻材料的研究，由于土石壩筑壩材料取材豐富、便于施工，隨著西部大開發(fā)的繼續(xù)推進、南水北調(diào)西線方案的實施，將可能出現(xiàn)更多的300m級、甚至400m級的高土石壩，對高土壩防滲心墻料開展進一步的深入研究仍有廣闊的前景，本文對其他高土石壩心墻材料的研究具有一定的參考意義。

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ResearchofCoreWallRock-fillDamAnti-seepageCoreWallMaterialsinLianghekouHydropowerStation

OUYANG Xue-jin

(YalongRiverBasinHydropowerDevelopmentCo.,Ltd.,Chengdu610051,China)

Rock-fill dam of Lianghekou Hydropower Station Project is as high as 295m. Gravel soil core wall material of 4.29 million m3is adopted. Since the rock-fill dam in the project reaches 300m grade, there is no successful construction experience in China. Besides, impervious soil materials are widely distributed, and material sources are complex. The reasonability and reliability of the core wall are discussed through studying anti-seepage core wall, thereby providing reference for studying similar dam cor wall materials.

rock-fill dam; ant-seepage core wall material; study

TV441

A

1673-8241(2014)08-0067-04