長河壩水電站礫石土心墻料擊實功能的選擇試驗研究

魯 濤，李小泉，李 建，甘 霖

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

長河壩水電站礫石土心墻料擊實功能的選擇試驗研究

魯 濤，李小泉，李 建，甘 霖

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都610072)

以長河壩水電站的湯壩礫石土心墻料為研究對象，對其在擊實試驗過程中擊實功能的選擇進行了研究。研究成果表明：同一擊實功能下，干密度隨含水率增大出現(xiàn)先增大后減小的上凸拋物線特征變化的關(guān)系；最大干密度隨著擊實功能的增大前期增幅較大后期增幅逐漸減小，最優(yōu)含水率隨著擊實功能的增大前期減幅較大后期減幅逐漸減??；綜合經(jīng)濟性和安全性考慮，該礫石土料填筑標準選取2000 kJ/m3的擊實功能較為合適。

礫石土；心墻料；擊實功能；壓實特性；長河壩水電站

0 引 言

長河壩水電站大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高240 m，裝機容量2 600 MW。大壩需心墻防滲土料611.42萬m3，主要料源有湯壩料場和新聯(lián)料場，總儲量993.8萬m3，其中湯壩料場確定為主料場。

作為240 m級的高心墻堆石壩，心墻土料首先要保證其具有防滲、一定的抗剪強度的基本特性，其次與壩料之間較好的變形協(xié)調(diào)以及低壓縮性等也是必不可少的，故大壩心墻料的研究選擇尤為重要。礫石土作為一種天然筑壩材料，由于滿足其上所述的各類特性，已被廣泛地運用于快速發(fā)展的西南高土石壩的設(shè)計建設(shè)之中[1]。為使所采用的礫石土心墻料能充分發(fā)揮其防滲、抗穩(wěn)定及低沉降變形的特性，那么壓實標準的制定及施工中壓實質(zhì)量的控制就顯得極為關(guān)鍵。對礫石土心墻土料壓實標準的制定可為工程設(shè)計提供合理的設(shè)計指標，并可為后期大壩施工填筑提供壓實質(zhì)量控制標準。

國內(nèi)一些學(xué)者[2- 4]對礫石土的壓實特性進行了相關(guān)的研究，并提出了礫石土的擊實最大干密度與擊實方法、擊實功能、含水率以及P5含量(粒徑>5 mm含量)均有著密切的關(guān)系。然而其中針對高土石壩工程的礫石土心墻料壓實特性中擊實功能選擇的系統(tǒng)研究并不多，對此，本文以240 m級的長河壩水電工程為例，對心墻礫石土料的壓實特性中擊實功能的選擇進行一個系統(tǒng)、全面的研究，進一步豐富和發(fā)展高土石壩壓實指標及壓實質(zhì)量控制的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

1 系列擊實功能下的擊實試驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

本試驗采用的心墻土料來自于主料場的湯壩料場，依據(jù)料場成因及土料質(zhì)量該料場被分為2個區(qū)，分別為冰積堆積區(qū)(Ⅰ區(qū))及坡洪積堆積區(qū)(Ⅱ區(qū))，其中土料主要屬冰積堆積含碎礫石土，少量為坡洪積堆積含碎礫石土。本試驗土料采用冰積堆積含碎礫石土，其中碎礫石成份以灰?guī)r、大理巖、片巖以及石英為主，多呈棱角狀、次棱角狀。該礫石土料液限為33.8%，塑限為19.3%，塑性指數(shù)為14.3，比重為2.69。統(tǒng)計平均線<5 mm、<0.075 mm粒徑顆粒含量分別為53.73%和28.90%，其定名為黏土質(zhì)礫(GC)。試驗級配采用具代表性的防滲土料統(tǒng)計平均線(剔除>200 mm的極少顆粒)，力學(xué)試驗前依照DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》[5]對>60 mm粒徑的超徑顆粒采用等量替代法進行處理，處理前后的顆分級配見表1。

表1 試樣顆分級配

顆粒直徑/mm顆分級配/%原級配(剔除200mm)等量替換顆粒直徑/mm顆分級配/%原級配(剔除200mm)等量替換200～1003.92—10～58.3110.55100～605.92—5～0.07524.8324.8360～406.388.10<0.07528.9028.9040～2011.2014.23<0.0059.979.9720～1010.5413.39

根據(jù)試驗規(guī)程[5]，擊實儀采用大型擊實儀，擊實桶直徑為300 mm，適用于粒徑不大于60 mm的土料。該擊實儀擊錘質(zhì)量為34.6 kg，擊錘直徑為15 cm，落高為59 cm，擊實桶體積為20 347.2 cm3，層數(shù)為3層，沖量為7 kN·s/m2。

1.2 試驗方案

根據(jù)動能定理，擊實功能的計算公式為

Ee=WR×h×NL×NB/V

(1)

式中，Ee為擊實功能；WR為擊錘質(zhì)量；h為落高；NL為擊實層數(shù)；V為擊實桶體積；NB為每層擊實次數(shù)。本試驗采用改變每層擊數(shù)來實現(xiàn)擊實功能大小的系列變化。試驗研究擊實功能分別為604、1 000、1 500、2 000、2 400、2 740 kJ/m3下礫石土的壓實特性。

2 試驗結(jié)果及分析

礫石土擊實試驗成果如表2所示，列出了6種不同擊實功能下的最大干密度、最優(yōu)含水率及孔隙比的試驗結(jié)果。圖1給出了不同擊實功能下礫石土的干密度與含水率關(guān)系。圖2給出了最大干密度、最優(yōu)含水率與擊實功能的關(guān)系。

表2 礫石土料擊實試驗成果

試驗編號擊實功能/kJ·m-3最大干密度ρdmax/g·cm-3最優(yōu)含水率Wop/%孔隙比e湯壩平均線6046041.9909.40.36湯壩平均線100010002.0828.70.30湯壩平均線150015002.1648.00.25湯壩平均線200020002.1947.60.23湯壩平均線240024002.2057.30.22湯壩平均線274027402.2107.20.22

圖1 不同擊實功能下干密度與含水率關(guān)系曲線

圖2 最大干密度、最優(yōu)含水率與擊實功能關(guān)系曲線

由圖1可知，每一擊實功能下的干密度ρd與含水率w曲線為上凸的拋物線形，這與細粒類黏性土有著相同的特性，即同一擊實功能下干密度先隨著含水率的增大而增大，當(dāng)含水率增大到一定值時干密度達到最大值，隨后干密度隨著含水率的增大而減小。這與細粒類黏性土的規(guī)律相似，主要是由于黏性土中的黏土礦物顆粒間存在著粘結(jié)力、水分子引力等作用在含水率不同時產(chǎn)生的不同的作用而致。

由圖1、圖2可知，從604～2 000 kJ/m3的擊實功能大小逐漸變化，隨著擊實功能的增大最大干密度顯著增大，增幅高達1.4%～4.6%；當(dāng)擊實功能達到2 000 kJ/m3并增大至2 740 kJ/m3的過程中，隨著擊實功能的增加最大干密度值增幅減小至0.2%～0.5%，此段最大干密度增幅較小。同時，最優(yōu)含水率隨著擊實功能的增大而逐漸減小，并出現(xiàn)降幅值隨著功能的增大而逐漸減小。原因主要是對于該黏性粗粒土來說，其組成成分是由充當(dāng)骨架作用的礫石和充填骨架的細粒黏土料構(gòu)成，擊實作用產(chǎn)生的瞬間沖擊力克服顆粒間的粘結(jié)阻力使顆粒間發(fā)生位移，相互充填并擠密，增大土體密度。當(dāng)擊實功能增加到足以克服顆粒間的阻力后，隨著擊實功能的增加最大干密度值增加甚小，考慮到大壩現(xiàn)場碾壓壓實的經(jīng)濟性因素，所以壓實功能并不是越大越好，存在一個較為經(jīng)濟的最優(yōu)壓實功能。其次，礫石土防滲料不同于路基土料填筑時密度越大越好，超壓密時土體結(jié)構(gòu)會壓壞，使土料破碎率提高，沉降量加大[3]。最優(yōu)含水率隨著擊實功能的增大而減小，這說明原來較小擊實功能下達到最大干密度及最大含水率的狀態(tài)由于擊實功能的增加導(dǎo)致水分進一步地被擠壓排出，土體變得更加密實。

根據(jù)表2的試驗成果作出孔隙比與擊實功能的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，孔隙比隨著擊實功能的增大逐漸減小至后期趨于穩(wěn)定。由于孔隙比為計算值，并且孔隙比與試樣的干密度成反比關(guān)系，而且干密度隨著擊實功能的增大而逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定的關(guān)系，因此從數(shù)學(xué)的角度較容易解釋孔隙比與擊實功能的這種變化關(guān)系。

綜上所述，從經(jīng)濟性和安全性雙重考慮，對湯壩冰積堆積礫石土料的擊實試驗的擊實功能定為2 000 kJ/m3，在此壓實功能下為工程設(shè)計提供設(shè)計指標，為大壩工程施工提供壓實質(zhì)量控制標準。

圖3 孔隙比與擊實功能關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1)同一擊實功能下，干密度先隨著含水率的增大而增大并達到最大值，隨后干密度隨著含水率的增大而減小，呈現(xiàn)出上凸拋物線形特征。

(2)最大干密度隨著擊實功能的增大前期增幅較大后期增幅逐漸減小，最優(yōu)含水率隨著擊實功能的增大前期減幅較大后期減幅逐漸減小。

(3)作為經(jīng)濟性和安全性的綜合考慮，湯壩冰堆積礫石土料選取2 000 kJ/m3的擊實功能較為合適，可為工程設(shè)計和工程施工壓實質(zhì)量提供控制標準。

[1]屈智炯. 寬級配礫質(zhì)土在土石壩防滲體中的應(yīng)用及其滲流控制的進展[J]. 水電站設(shè)計， 1992， 8(3)： 46- 53．

[2]郭慶國. 粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M]. 鄭州： 黃河水利出版社， 1998.

[3]馮業(yè)林， 孫君實， 劉強. 糯扎渡心墻堆石壩防滲土料研究[J]. 水力發(fā)電， 2005， 25(5)： 55- 57．

[4]楊凌云， 王曉謀， 尚濤. 粘性粗粒土的擊實試驗研究[J]. 路基工程， 2009， 145(4)： 84- 86．

[5]DL/T 5356—2006 水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程[S].

(責(zé)任編輯王 琪)

Experimental Study of Compaction Power Selection for Gravelly Soil as Core Wall of Changheba Hydropower Station

LU Tao, LI Xiaoquan, LI Jian, GAN Lin

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Taking the gravelly soil excavated from the Tangba stockyard in Changheba Hydropower Station as the study case, the selection of compaction power in compaction experiments is studied. The experimental results show that: (a) under same compaction power, the dry density increases fast in the beginning and then slows down with the increase of water content; and (b) with the increase of compaction power, the maximum dry density increases fast in the beginning and slows down in the latter, while the optimal water content decreases fast in the beginning and slows down in the latter. With consideration of both economy and safety, it is proposed that the compaction power of 2 000 kJ/m3is adopted as the filling standard of gravelly soil．

gravelly soil; core material; compaction power; compaction characteristics; Changheba Hydropower Station

2015- 02- 19

魯濤(1986—)，男，湖北宜昌人，工程師，碩士，主要從事土石壩筑壩材料的試驗研究工作．

TV443(271)

A

0559- 9342(2015)12- 0109- 03