雙江口水電站大壩心墻防滲土料摻合加工方式研究

呂 衛(wèi), 蘇元舟

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概況

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級(jí)開發(fā)的上游控制性水庫。作為2003年大渡河流域調(diào)整規(guī)劃的第五級(jí)電站，壩址位于大渡河上游足木足河與綽斯甲河匯合口以下約2 km處，壩址上距馬爾康市約46 km，下距金川縣城約45 km，經(jīng)馬爾康至成都的公路距離約382 km，工程區(qū)內(nèi)有G317國道經(jīng)過壩址上游約3 km的紅旗橋， S211省道貫穿壩址區(qū)，對(duì)外交通方便。

雙江口水電站工程為一等大(1)型工程，攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，在左岸布置引水發(fā)電系統(tǒng)和1條豎井泄洪洞(由后期導(dǎo)流洞改建)，在右岸布置1條放空洞(由中期導(dǎo)流洞改建)、1條深孔泄洪洞和1條洞式溢洪道。

礫石土心墻堆石壩壩頂高程2 510.00 m，大壩最大壩高312 m，為已建和在建的世界第一高壩，壩頂寬度16.00 m，壩頂長度648.66 m。上游壩坡為1 ∶2.0，2 430.00 m高程處設(shè)5 m寬的馬道；下游壩坡1 ∶1.9。

2 大壩防滲土料選擇及主要技術(shù)參數(shù)

雙江口水電站防滲土料推薦采用下游近壩的當(dāng)卡料場(chǎng)和上游的木爾宗料場(chǎng)，本文以當(dāng)卡料場(chǎng)為例進(jìn)行分析。

2.1 當(dāng)卡料場(chǎng)

當(dāng)卡料場(chǎng)土料為淺黃色粉質(zhì)黏土，土料平均天然密度1.74 g/cm3，干密度1.52 g/cm3，比重2.72，孔隙比0.82，天然含水率15.1%(豎井)，屬低液限黏土。顆粒組成中，粒徑大于60 mm含量為2.1%，粒徑60～2 mm礫石含量為5.4%，粒徑2～0.075 mm砂含量為9.8%，小于5 mm顆粒含量94.0%，小于0.075 mm細(xì)粒含量82.6%，小于0.005 mm黏粒含量21.0%。其不均勻系數(shù)Cu為12.7，曲率系數(shù)Cc為0.89。

以修正普氏擊實(shí)功能(2 685 kJ/m3)控制制樣，土料室內(nèi)擊實(shí)最大干密度為1.82～1.85 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.5%～16.0%。滲透系數(shù)為3.6×10-8～3.29×10-7cm/s，屬極微透水性；飽和固結(jié)快剪試驗(yàn)，內(nèi)摩擦角為21.2°～24.6°，黏聚力為16～40 MPa。

力學(xué)及滲透試驗(yàn)成果表明，當(dāng)卡土料偏細(xì)，其防滲抗?jié)B性能可達(dá)到規(guī)程規(guī)范要求；但大于5 mm顆粒含量遠(yuǎn)低于《水電水利工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(DL/T5388-2007)對(duì)高壩為20%～50%的規(guī)定，顆粒偏細(xì)，強(qiáng)度較低。

2.2 防滲土料設(shè)計(jì)參數(shù)

雙江口心墻堆石壩最大壩高達(dá)312 m，對(duì)防滲土料的要求很高，除滿足防滲性能外，還需有較好的力學(xué)性能。國內(nèi)外類似高壩防滲土料實(shí)踐表明，對(duì)于粗粒含量偏低的土料需要摻入部分礫石料進(jìn)行級(jí)配調(diào)整，在保證摻合土料的防滲、抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，達(dá)到改善防滲土料力學(xué)指標(biāo)及抗變形能力的目的。

通過大量的試驗(yàn)論證，雙江口心墻防滲土料采用當(dāng)卡土料場(chǎng)摻入花崗巖破碎料，破碎料控制最大粒徑為100 mm，以土料與擬定級(jí)配的花崗巖平均線破碎料按50% ∶50%(質(zhì)量比)摻合，摻合后平均線小于5 mm顆粒含量為49.9%，小于0.075 mm含量為41.9%，黏粒含量為10.6%，滿足規(guī)范要求。

3 土料加工(摻合)方式研究

3.1 可研階段的推薦方案

從國內(nèi)外土石壩心墻防滲土料的摻合方法一般采用：摻合場(chǎng)平鋪立采法；料場(chǎng)平鋪立采法；填筑面堆放摻合法；帶式輸送機(jī)摻合法。通過對(duì)各種方法的標(biāo)膠，報(bào)告推薦采用平鋪立采法為當(dāng)卡料場(chǎng)土料摻合加工方法。即：黏土料與礫石料按重量比折算成鋪料厚度，分層、互層鋪料，推土機(jī)平料，一般各鋪3～5層，然后用挖掘機(jī)或裝載機(jī)立采，并多次裝卸，以增加混合料的均勻性。

3.2 平鋪立采法在雙江口水電站施工中面臨的問題

3.2.1 當(dāng)卡摻合場(chǎng)設(shè)計(jì)

當(dāng)卡摻合場(chǎng)位于大壩下游右岸、當(dāng)卡料場(chǎng)下方河灘地，平臺(tái)布置高程2 240.00 m，占地面積7萬 m2，長約900 m，平均寬約77 m。為滿足大壩填筑高峰供料強(qiáng)度每月9萬m3的需要，在該摻合場(chǎng)內(nèi)布置A、B、C、D、E、F共6個(gè)摻合料堆，料堆堆料高度均為6 m，各料堆尺寸(長×寬)為：A料堆100 m×80 m，B料堆150 m×52 m，C料堆170 m×38 m，D料堆114 m×45 m，E料堆94 m×57 m，F(xiàn)料堆94 m×60 m。其中A、B、F共3個(gè)摻合堆采用鋼桁架結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房遮蓋，以保證這三個(gè)摻合料堆不受雨雪天氣影響。C、D、E三個(gè)料堆僅采用簡易的防雨棚或防雨布進(jìn)行遮蓋。雨季(6～9月)采用A、B、F共3個(gè)摻合堆進(jìn)行摻合，非雨季(10月～次年4月)填筑強(qiáng)度稍大，采用A、B、E、F共4個(gè)摻合堆進(jìn)行摻合。C、D料堆作為雨季專用黏土備料堆。

3.2.2 當(dāng)卡摻合場(chǎng)面臨的問題

(1)從當(dāng)卡摻合場(chǎng)設(shè)計(jì)可以看出，摻合場(chǎng)占地面積極大，對(duì)場(chǎng)地要求高，同時(shí)，摻合場(chǎng)內(nèi)布置摻合料堆個(gè)數(shù)較多，需要按照鋪料、摻合、調(diào)整含水率(悶料)的工序流水作業(yè)配置推土機(jī)、自卸汽車、挖掘機(jī)等大型設(shè)備。由于施工強(qiáng)度高，設(shè)備較多，且場(chǎng)地有限，摻合場(chǎng)布置較為困難。

(2)雙江口水電站位于大渡河上游的深山峽谷地區(qū)，山高坡陡，可以用于布置施工場(chǎng)地的條件十分有限，且利用的場(chǎng)地大多位于大壩上游。由于雙江口工程為世界第一高壩，施工采用初期、中期、后期的導(dǎo)流方式，初期導(dǎo)流洞下閘后，庫水位將淹沒上游絕大部分場(chǎng)地，這給摻合場(chǎng)地選擇帶來困難。

(3)雙江口水電站下游為反調(diào)節(jié)的金川電站，按照建設(shè)規(guī)劃，雙江口電站、金川電站將同期發(fā)電。金川電站發(fā)電后，其最低發(fā)電水位將淹沒雙江口下游的沿河灘地，當(dāng)卡摻合場(chǎng)要么進(jìn)一步墊高至金川死水位以上，要么另行選址建設(shè)。但繼續(xù)墊高后，場(chǎng)地面積減小不能滿足后期壩體填筑強(qiáng)度要求，但壩址區(qū)附近50 km范圍內(nèi)均缺乏能滿足摻合場(chǎng)面積的場(chǎng)地條件。

(4)平鋪立采法雖然簡單易行，應(yīng)用較廣，但是由于采用重量折算成厚度進(jìn)行鋪土，又用大型重載自卸汽車運(yùn)輸卸料、推土機(jī)平料的方式，使平土厚度存在誤差并難以完全按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，同時(shí)，重型設(shè)備對(duì)土料比對(duì)礫石料的壓縮作用大，也增加了厚度誤差。因此，摻合料的質(zhì)量波動(dòng)較大，與建設(shè)雙江口智慧大壩工程存在差距。而為了保證摻合料的質(zhì)量，往往采用增加土料比例的做法，也增加了土料的需求量。

3.3 雙江口心墻防滲土料摻合方式研究思路

針對(duì)防滲土料摻合施工平鋪立采法存在的問題，為滿足工程建設(shè)順利推進(jìn)和建設(shè)智慧大壩工程的需要，土料的摻合施工要解決的主要問題：一是要簡化摻合場(chǎng)占地，易于布置；二是要提高摻合料精度，便于主動(dòng)控制質(zhì)量。

實(shí)際上，在雙江口水電站可研階段，就曾經(jīng)嘗試過采用混凝土攪拌機(jī)進(jìn)行土料和礫石的混合試驗(yàn)，但由于計(jì)量方式等配套措施不完善，摻合料的離散性反而比平鋪立采方式更大，因此就簡單地終止了該方式的深入研究。但這樣的探索給我們優(yōu)化土料摻合方式啟發(fā)了思維，拓展了思路。

從理論上看，土料的摻合和混凝土的拌和具有相似的原理，因此，采用類似于混凝土拌合機(jī)的設(shè)備進(jìn)行土料的摻合是可行的。通過對(duì)水泥廠混料(石灰?guī)r、黏土、其他摻入料)工藝、設(shè)備的調(diào)研，我們認(rèn)為在雙江口水電站采用機(jī)械自動(dòng)摻合配制防滲心墻土料是可能的。

(1)雙江口現(xiàn)場(chǎng)初步探索試驗(yàn)證明，采用混凝土攪拌機(jī)可以實(shí)現(xiàn)土料的摻合。

(2)摻合土料的質(zhì)量主要取決于兩個(gè)方面：一是配料給料精度(也就是平鋪立采法中的鋪料環(huán)節(jié))；二是摻合混勻避免料物分離(平鋪立采法中的挖掘機(jī)多次挖卸環(huán)節(jié))。而決定質(zhì)量的關(guān)鍵還是在配料上，如果能保證在單元時(shí)間內(nèi)進(jìn)入設(shè)備的摻合料都是滿足配比要求的，那么，通過一種連續(xù)設(shè)備加以混合后，均勻性可以得到保證。

(3)實(shí)踐證明，采用連續(xù)摻合方式，可以有效地減小摻合系統(tǒng)的規(guī)模，而隨著系統(tǒng)規(guī)模的變小，計(jì)量配料、設(shè)備規(guī)模都可以得到簡化，有助于關(guān)鍵問題的解決。

(4)隨著膠帶機(jī)輸送系統(tǒng)的發(fā)展，用于膠帶機(jī)系統(tǒng)的給料系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)的精度(皮帶稱的計(jì)量精度可達(dá)0.5%)和運(yùn)用都得到了發(fā)展。因此，利用轉(zhuǎn)料倉連接上游運(yùn)輸工序并實(shí)現(xiàn)向膠帶運(yùn)輸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)成為連續(xù)工作方式，減小系統(tǒng)規(guī)模。在料倉下利用變量取料機(jī)和定量給料機(jī)的聯(lián)動(dòng)和反饋實(shí)現(xiàn)取料和供料，完成摻合加工的配料程序。

(5)通過大量的調(diào)研和理論分析，混凝土攪拌機(jī)、公路水穩(wěn)層拌合機(jī)都有拌制混合料的成功實(shí)踐，因此，研發(fā)一種類似于混凝土拌合機(jī)的強(qiáng)制式設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)防滲土料的機(jī)械化生產(chǎn)。

(6)螺旋輸送機(jī)廣泛運(yùn)用于料物的連續(xù)輸送，輸送過程中料物的翻滾可以有混合的作用，如果在螺旋上增設(shè)必要的輔助設(shè)施，可以增加混合的效果。

因此，利用螺旋輸送機(jī)和混凝土攪拌機(jī)的工作原理，研發(fā)一種強(qiáng)制式連續(xù)拌和設(shè)備，利用膠帶機(jī)的定量計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配料，并輔以自動(dòng)化控制系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)防滲土料的自動(dòng)化機(jī)械摻合。

4 結(jié) 論

基于上述分析，在2016年雙江口水電站招標(biāo)過程中，我公司依托長期科研積累，會(huì)同相關(guān)設(shè)備廠家開展了科技攻關(guān)工作，通過幾年來的分析計(jì)算和實(shí)踐探索，形成了初步的設(shè)備模型。目前，已完成樣機(jī)制造，并成功完成了廠內(nèi)試驗(yàn)，初步試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期。

經(jīng)試驗(yàn)，該設(shè)備具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)可實(shí)現(xiàn)摻合土料的連續(xù)生產(chǎn)，有效較低系統(tǒng)強(qiáng)度規(guī)模。

(2)大大減少系統(tǒng)占地面積，特別適用于施工場(chǎng)地緊缺工程。

(3)摻合質(zhì)量明顯提高，計(jì)量誤差可控制在1%以內(nèi)。

(4)輔以自動(dòng)化、智能化控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)摻合土料的全過程精細(xì)控制，為智慧大壩工程建設(shè)提供堅(jiān)實(shí)保障。