豐寧抽水蓄能電站攔沙壩壩料碾壓試驗(yàn)研究

于春亮，李 斌，張 偉，張愛(ài)軍

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 國(guó)網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司， 河北 承德 068350;3. 浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 311122)

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，工程區(qū)距豐寧縣公路里程約62 km，電站對(duì)外有國(guó)道、省道和簡(jiǎn)易鄉(xiāng)村道路相通。工程規(guī)劃裝機(jī)容量3 600 MW，為1等工程，大(1)型規(guī)模。分2期建設(shè)，本期裝機(jī)容量1 800 MW，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組。電站建成后，在京津唐電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。

攔沙壩為下水庫(kù)重要的擋沙建筑物，壩型為復(fù)合土工膜防滲心墻堆石壩，壩頂高程為1 066.0 m，最大壩高23.5 m，壩頂長(zhǎng)度548 m，壩頂寬度8.0 m，上下游壩坡均為1∶2.2。壩體從上游到下游依次分為：塊石護(hù)坡、堆石料、過(guò)渡料、細(xì)砂、復(fù)合土工膜、細(xì)砂、過(guò)渡料、堆石料、塊石護(hù)坡，壩基與振沖碎石樁復(fù)合地基接觸部位設(shè)置反濾層，見(jiàn)圖1。

圖1 下水庫(kù)攔沙壩典型斷面

攔沙壩填筑總量約為65 萬(wàn)m3，壩料主要來(lái)自下水庫(kù)一二期進(jìn)出水口開挖料及加工料，為獲得各種筑壩料的物理特性和填筑及碾壓施工參數(shù)，參照已有的工程實(shí)踐和相應(yīng)規(guī)范[1-8]，進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，確定了施工方案，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 壩料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)土石壩設(shè)計(jì)要求，壩體分區(qū)材料及設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。其中，第1層反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配為小于5 mm的連續(xù)級(jí)配，第2層反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配為5～40 mm的連續(xù)級(jí)配，能為面板提供均勻可靠的支承，具有良好的排水性能。

表1 下水庫(kù)壩體分區(qū)材料和設(shè)計(jì)壓實(shí)指標(biāo)

3 室內(nèi)試驗(yàn)

碾壓試驗(yàn)前，為了了解壩料的巖性，對(duì)壩料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。單軸抗壓試驗(yàn)進(jìn)行6組，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均，測(cè)得巖塊干燥情況下單軸抗壓強(qiáng)度為58.6 MPa，飽和情況下的單軸抗壓強(qiáng)度為38.8 MPa，軟化系數(shù)為0.62，按《巖土工程勘察規(guī)程》以巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度分類，填筑料整體屬于中等堅(jiān)硬巖石；2組吸水率試驗(yàn)，得到巖石的吸水率為1.4 %；通過(guò)全料巖石密度試驗(yàn)，得到堆石料、過(guò)渡料和反濾料的巖石密度為2.66 g/cm3。

反濾料由攔沙壩砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)，室內(nèi)進(jìn)行了相對(duì)密度試驗(yàn)，測(cè)得其最大干密度為1.97 g/cm3，其最小干密度為1.54 g/cm3；細(xì)砂由灰窯子溝砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1991)，進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得其最大干密度ρdmax=1.78 g/cm3，最佳含水率ωop=8.3%。

4 碾壓試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)安排

本試驗(yàn)?zāi)康囊皇菫榱撕藢?shí)填料設(shè)計(jì)填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的合理性，二是在已選定的壓實(shí)機(jī)具和施工機(jī)械條件下，確定達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，經(jīng)濟(jì)的、合理的壓實(shí)參數(shù)，包括鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)孔隙率等，并通過(guò)試驗(yàn)確定填筑料壩體填料施工工藝，包括：鋪填方式、碾壓方法、行車速度、灑水情況等。

基于以上目的，并參照已有的工程實(shí)踐，確定碾壓試驗(yàn)的場(chǎng)次安排(由于工期條件，鋪料厚度暫不研究，參考已有工程確定)，見(jiàn)表2。

表2 碾壓試驗(yàn)場(chǎng)次安排

參考已有工程，松鋪厚度比碾壓厚度大10%，采用反鏟裝料、自卸車運(yùn)輸。堆石料、過(guò)渡料采用“進(jìn)占法”填筑，反濾料、細(xì)砂采用“退鋪法”填筑，在各試驗(yàn)條帶范圍線內(nèi)，反鏟整平，并測(cè)量高程，以確保填料松鋪厚度。在試驗(yàn)料攤鋪整平之后，用白灰畫出試驗(yàn)單元，用灑水車在試驗(yàn)單元內(nèi)灑水，用流量表控制加水量，加水量按填料體積百分率計(jì)算。然后先進(jìn)行靜碾2遍，然后振碾。碾壓機(jī)械采用22 t振動(dòng)碾，選擇2～3 km/h的碾壓速度，碾壓方法采用進(jìn)退錯(cuò)距法。

試驗(yàn)程序：碾壓場(chǎng)開辟→碾壓場(chǎng)壓實(shí)→布設(shè)控制點(diǎn)、平整度測(cè)量→進(jìn)料推平→灑水→靜碾→松鋪高程測(cè)量→碾壓→沉降測(cè)量、壓實(shí)密度、含水量、級(jí)配檢測(cè)→回填試坑→碾壓→基面測(cè)量→下一場(chǎng)。

4.2 試驗(yàn)取樣與測(cè)量

各試驗(yàn)組合均按1.5 m×1.5 m布置網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)，用全站儀測(cè)量基面、鋪填層面及不同壓實(shí)遍數(shù)后，在同一測(cè)點(diǎn)上測(cè)量高程以計(jì)算松鋪厚度和不同碾壓遍數(shù)沉降率，沉降點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)點(diǎn)場(chǎng)地沉降網(wǎng)點(diǎn)控制(單位：m)

試驗(yàn)中在相應(yīng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了壓實(shí)密度測(cè)定、顆粒篩分、含水率測(cè)定及原位滲透試驗(yàn)。壓實(shí)后的干密度用試坑灌水法測(cè)定，取樣深度為壓實(shí)層厚度，水位測(cè)量采用測(cè)針?lè)āＤ雺呵昂缶M(jìn)行顆粒篩分，碾壓前從料堆取料篩分，碾壓后在每個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)挖3個(gè)坑(對(duì)于反濾料在每個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)挖5個(gè)坑)，對(duì)坑內(nèi)的填料進(jìn)行全級(jí)配篩分試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)僅進(jìn)行20 mm以上顆粒篩分，小于20 mm試樣，在現(xiàn)場(chǎng)稱取不少于4 000 g送室內(nèi)烘干后進(jìn)行含水率和篩分試驗(yàn)。反濾料采用小于5 mm試樣和大于5 mm顆粒試樣測(cè)定含水率，用炒干法或烘干法測(cè)定。本試驗(yàn)組合預(yù)定的所有檢測(cè)項(xiàng)目完成并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校核無(wú)誤后，將挖出的堆石料均勻回填。振動(dòng)碾壓回填部位，恢復(fù)至挖坑前的狀態(tài)。

原位滲透試驗(yàn)每種填筑料取3點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試坑注水試驗(yàn)，按《水利水電工程注水試驗(yàn)規(guī)程》(SL345-2007)采用單環(huán)注水法測(cè)定，滲透環(huán)直徑為30 cm，并計(jì)算近似滲透系數(shù)。測(cè)得堆石料和過(guò)渡料的滲透系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)原位滲透檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)操作按照《土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程》(NB/T 35016-2013)中規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

表2中，第1層反濾料鋪料厚度為50 cm，碾壓遍數(shù)為4、6、8遍時(shí)，對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度為0.726、0.926、0.963。細(xì)砂鋪料厚度為40 cm,碾壓遍數(shù)為4、6、8遍時(shí)的壓實(shí)度為89.2%、93.4%、95.3%。

4.3.1 顆粒級(jí)配

各壩料顆粒級(jí)配見(jiàn)圖3，圖3(a)、(b)和(c)分別為堆石料、過(guò)渡料和第2層反濾料的顆粒級(jí)配曲線，從圖3(a)中可以看出，堆石料大顆粒偏小(最大粒徑僅為280 mm)，級(jí)配曲線局部有超出設(shè)計(jì)包絡(luò)線的情況，碾壓后5 mm以下顆粒含量在設(shè)計(jì)要求的20%限度內(nèi)，Cu值為1.9，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)10的要求，主要是由于堆石料大顆粒過(guò)少導(dǎo)致的。0.1 mm粒徑以下含量、孔隙率、滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3(b)中可以看出，過(guò)渡料中小于5 mm顆粒含量超出上包線，即小于5 mm顆粒含量較少，碾壓后，隨著大顆粒的破碎，曲線完全在控制線內(nèi)。其不均勻系數(shù)為4.0，也小于設(shè)計(jì)值12的要求，其孔隙率和滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

第2層反濾料為骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)后摻合而成，進(jìn)行多次調(diào)整后，得到圖3(c)的曲線，從級(jí)配曲線可以看出，摻配料的連續(xù)性稍差，級(jí)配曲線不夠平滑。碾壓后的級(jí)配曲線顯示，3 mm以下顆粒含量略微超出了設(shè)計(jì)包絡(luò)線，但干密度和孔隙率滿足設(shè)計(jì)要求。第2層反濾料存在超40 mm粒徑限制的材料，主要是由于翻拌場(chǎng)地上的少許超徑石混入導(dǎo)致，施工中應(yīng)進(jìn)一步改善反濾料摻配工藝，做好上壩前反濾料的質(zhì)量檢測(cè)，同時(shí)加強(qiáng)料源控制，防止反濾料受到污染。

圖3 壩料顆粒級(jí)配曲線

4.3.2 干密度與灑水量關(guān)系

由圖4可以看出，隨著灑水量的增加，干密度顯著增大，這是因?yàn)樗诙咽系念w粒間起潤(rùn)滑作用，隨著灑水量的增加，顆粒間的潤(rùn)滑作用明顯，摩擦力減小，壓實(shí)效果增加。當(dāng)灑水量達(dá)到10%時(shí)，干密度隨灑水量的增加趨于平緩，最大為2.13 g/cm3。此后,隨著灑水量的增加，干密度反而減小，這是因?yàn)榧铀^(guò)多會(huì)降低顆粒的密度、剪切模量及泊松比，進(jìn)而影響碾壓質(zhì)量[9,10]。因此，碾壓過(guò)程中，控制灑水以10%為宜?？紤]到第1層反濾料較細(xì)，易壓實(shí)，加水過(guò)多反而影響施工，且第1層反濾料與壩基接觸，壩基有一定含水，因此控制加水量為5%。

4.3.3 干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系

干密度隨碾壓遍數(shù)的變化見(jiàn)表4，將結(jié)果繪成圖，見(jiàn)圖5。由圖5可以看出，隨著碾壓遍數(shù)增加，各壩料的干密度都增大，但第1層反濾料、第2層反濾料和細(xì)砂在碾壓6遍之前干密度增長(zhǎng)較快，6遍之后增長(zhǎng)變緩，而過(guò)渡料和堆石料這一現(xiàn)象分別發(fā)生在8遍和10遍。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，將第1層反濾料、第2層反濾料和細(xì)砂的碾壓遍數(shù)確定為6遍為宜。堆石料碾壓8遍時(shí)，滿足設(shè)計(jì)要求，且考慮具體施工時(shí)，過(guò)渡料與部分堆石料同時(shí)填筑施工，因此將兩者的碾壓遍數(shù)定為8遍。

圖5 壩料干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系

4.3.4 沉降與碾壓遍數(shù)關(guān)系

圖6為各碾壓遍數(shù)下，不同壩料的沉降率曲線(沉降率為沉降量與鋪料厚度的比值)。從圖6中可以看出，隨著碾壓遍數(shù)增加，各壩料的沉降率都增大，但其增加的速率大致都呈現(xiàn)先加快后變緩，即存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過(guò)與圖5對(duì)比，2圖中對(duì)應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致，即壩料沉降增加越快時(shí)，壓實(shí)干密度增加越大，反之，亦然。

圖6 壩料沉降與碾壓遍數(shù)關(guān)系

4.3.5 結(jié)果分析

由以上結(jié)果可以看出，堆石料在顆粒特征及含量上并不滿足要求，但在確定的碾壓8遍的參數(shù)下，其干密度為2.21 g/cm3,孔隙率為20.2%，滲透系數(shù)為3.52×10-1cm/s，均滿足設(shè)計(jì)要求，可以采用該施工參數(shù)；對(duì)于過(guò)渡料，其顆粒也有超出設(shè)計(jì)包線的情況，在碾壓8遍的情況下，顆粒特征也不滿足要求，尤其是不均勻系數(shù)，但干密度、孔隙率及滲透系數(shù)都滿足，因此，其試驗(yàn)參數(shù)可采用。另外，為了滿足顆粒特征要求，施工中應(yīng)對(duì)爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并加強(qiáng)料場(chǎng)管理，對(duì)堆料高度、卸料方式及料源分布等進(jìn)行記錄。

第1層反濾料、第2層反濾料及細(xì)砂都由灰窯子溝砂石骨料系統(tǒng)加工，由于細(xì)砂主要固定土工膜，對(duì)含泥量并沒(méi)有反濾料要求嚴(yán)格。細(xì)砂和第1層反濾料粒徑較相似，但設(shè)計(jì)要求不同，第1層反濾料按相對(duì)密度≥0.75控制，而細(xì)砂按壓實(shí)度控制，主要是因?yàn)楹嗔恳蟛煌?。由以上結(jié) 果可知，按碾壓6遍，第1層反濾料和第2層反濾料鋪料厚度為50cm，細(xì)砂鋪料厚度為40cm，加水量分別為5%、10%、0時(shí)均能滿足設(shè)計(jì)要求，且節(jié)省投資。

通過(guò)碾壓試驗(yàn)成果來(lái)看，碾壓試驗(yàn)存在一定的不均勻性，其主要原因有原材料分布的不均勻性和施工的不均勻性，尤其是堆石料，其粒徑為0.1～800 mm，施工過(guò)程中鏟、運(yùn)、卸料、攤鋪引起顆粒分離是很難避免的，攤鋪厚度的不均勻、碾壓的不均勻、灑水的不均勻等亦會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的離散性較大。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)要注意壩料的運(yùn)輸、下料與鋪料，盡可能保證上壩料材料的均勻性。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)豐寧抽水蓄能電站下庫(kù)攔沙壩壩料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，得到了壩料的物理參數(shù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，認(rèn)為壩料基本滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)施工，確定了施工碾壓參數(shù)以及填筑工藝，即主堆石料鋪料厚度為80 cm，振碾8遍，加水量10%；過(guò)渡料鋪料厚度為40 cm，振碾8遍，加水量為10%；第1層反濾料鋪料厚度為50 cm，振碾6遍，加水量為5%；第2層反濾料鋪料厚度為50 cm，振碾6遍，加水量為10%；細(xì)砂鋪料厚度為40 cm，振碾6遍，不加水。

(3)根據(jù)同類工程及該試驗(yàn)結(jié)果，建議施工時(shí)要注意壩料的運(yùn)輸、下料與鋪料，盡可能保證上壩料材料的均勻性，防止顆粒分離。

□