礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀研制及應(yīng)用

胡 建 立

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

雙江口水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州，是大渡河流域水電梯級(jí)開發(fā)的上游控制性水庫(kù)，電站裝機(jī)容量2 000 MW，為一等大(1)型工程。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程2 510.00 m，最大壩高312 m，為世界第一高礫石土心墻堆石壩。心墻防滲料采用摻合礫石土料，心墻礫石土料最大粒徑不大于100 mm，心墻料全料壓實(shí)度不小于0.98(相應(yīng)擊實(shí)功能2 685 kJ/m3)。

目前國(guó)內(nèi)已建、在建的大型礫石土心墻堆石壩防滲礫石土料最大粒徑已大幅度超過《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5356[1]和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123[2]中“粗粒土擊實(shí)試驗(yàn)最大粒徑不大于60 mm”的規(guī)定。如長(zhǎng)河壩水電站心墻礫石土料最大粒徑為150 mm，糯扎渡水電站及兩河口水電站心墻礫石土料最大粒徑為120 mm。按照試驗(yàn)規(guī)程的要求，土料最大粒徑大于60 mm進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)需對(duì)超徑部分進(jìn)行處理，按照《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5356規(guī)定，對(duì)超粒徑顆粒的處理有剔除法、等量替代法、相似級(jí)配法和結(jié)合法四種方法。

不論采取何種方法對(duì)土樣超粒徑顆粒進(jìn)行處理，經(jīng)過處理的土樣已改變其原始級(jí)配，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果不能真實(shí)反映原級(jí)配土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。為真實(shí)反映原級(jí)配土樣的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，筆者依托雙江口水電站大壩工程，對(duì)最大粒徑為100 mm的寬級(jí)配礫石土料，進(jìn)行新型全級(jí)配擊實(shí)儀及相適應(yīng)的擊實(shí)試驗(yàn)方法研究。

2 礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀研制

2.1 礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀基本技術(shù)參數(shù)的確定

(1)擊實(shí)筒：擊實(shí)筒應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，不變形，拆卸方便。擊實(shí)筒內(nèi)徑不小于土料最大粒徑的5倍，擊實(shí)筒高度不小于內(nèi)徑的0.96且不大于1.04。

(2)擊錘：擊錘底直徑為擊實(shí)筒內(nèi)徑的0.5倍。

(3)單位體積功能：2685 kJ/m3。

(4)單位面積沖量：7 kN·s/m2。

(5)確定錘擊點(diǎn)角度[5]，錘擊點(diǎn)均勻分布在土面上，錘擊點(diǎn)之間無擊實(shí)盲區(qū)、無重復(fù)擊實(shí)面積。

按照上述規(guī)定，經(jīng)計(jì)算確定礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型基本參數(shù)(見表1)。

表1 礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型基本參數(shù)

2.2 礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀研制技術(shù)難點(diǎn)

礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型研制的技術(shù)難點(diǎn)是如何保證錘擊點(diǎn)均勻分布在土面上，實(shí)現(xiàn)錘擊點(diǎn)之間無擊實(shí)盲區(qū)。通過數(shù)學(xué)計(jì)算及CAD制圖模擬錘擊點(diǎn)擊實(shí)軌跡，得出錘擊點(diǎn)角度53.5°較為適宜。

場(chǎng)景時(shí)代，移動(dòng)互聯(lián)呈現(xiàn)出越來越突出的商業(yè)社群化與場(chǎng)景個(gè)性化特征，不同企業(yè)通過商務(wù)場(chǎng)景拓展找到契合點(diǎn)，共同形成彼此互補(bǔ)的聯(lián)合商品。傳統(tǒng)商業(yè)模式品牌、營(yíng)銷、渠道、設(shè)計(jì)、研發(fā)、市場(chǎng)、公關(guān)、銷售和連接方式被場(chǎng)景重新塑造。

2.2.1 數(shù)學(xué)計(jì)算

擊錘底直徑為擊實(shí)筒內(nèi)徑的0.5倍，計(jì)算錘擊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡，建立錘擊一周的轉(zhuǎn)角公式為：

φ×n-δ= 360°

(1)

式中φ為每一擊的轉(zhuǎn)角；n為一周的擊數(shù)；δ為修正角。

經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn)，φ值取53.5°，修正角δ值為14.5°，錘擊7擊即完成一周擊實(shí)，具體實(shí)現(xiàn)過程為：

錘擊第1擊時(shí)擊實(shí)筒不轉(zhuǎn)動(dòng)，第2擊擊實(shí)筒開始轉(zhuǎn)動(dòng)53.5°，以此類推，以后的每一擊都轉(zhuǎn)動(dòng)53.5°，在第7擊時(shí)基本完成了第一周擊實(shí)；在第8擊(第2周第1擊)較第1擊(第1周)向前位移角度為53.5°×7-360°=14.5°。以此類推，在第22擊(第4周第1擊)就將第1擊和第2擊(第1周)與擊實(shí)筒之間的擊實(shí)盲區(qū)全部覆蓋(即14.5°×4-53.5°=4.5°>0°)。以此類推，擊實(shí)完成后不存在擊實(shí)盲區(qū)。

2.2.2 動(dòng)態(tài)模擬

動(dòng)態(tài)模擬錘擊點(diǎn)擊實(shí)軌跡示意圖見圖1。動(dòng)態(tài)制圖模擬表明：錘擊點(diǎn)角度為53.5°，在第8擊(第2周第1擊)較第1擊向前位移角度14.5°，在第22擊(第4周第1擊)就將第1擊和第2擊(第1周)與擊實(shí)筒之間的擊實(shí)盲區(qū)全部覆蓋。

圖1 動(dòng)態(tài)模擬錘擊點(diǎn)軌跡示意圖

2.3 礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀的工作原理

礫石土料全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型主要由底座、轉(zhuǎn)盤及轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、擊實(shí)筒、套筒、擊錘、導(dǎo)向桿、擊錘提升系統(tǒng)、落高位移裝置、擊實(shí)筒提升裝置、電器控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。其工作原理及工作步驟如下：

(1)開啟電源，預(yù)熱；

(2)采用手動(dòng)方式將擊錘提升，將擊實(shí)筒安裝在轉(zhuǎn)盤上，將套筒安裝在擊實(shí)筒上部，并將擊實(shí)筒及套筒固定在轉(zhuǎn)盤上；

(3)將備好的土樣分三層裝入擊實(shí)筒內(nèi)，采取手動(dòng)方式將擊錘放在土樣上，再將“手動(dòng)模式”調(diào)整為“自動(dòng)模式”；

(4)啟動(dòng)儀器工作，擊錘自動(dòng)提升，擊錘提升到規(guī)定高度時(shí)觸發(fā)限位裝置，擊錘抓手松開，擊錘沿導(dǎo)向桿自由落體到土樣表面，完成第一擊；

(5)完成第一擊后，擊錘抓手沿導(dǎo)向桿下落抓住擊錘，擊錘上升，同時(shí)轉(zhuǎn)盤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，轉(zhuǎn)動(dòng)53.5°，擊錘提升到規(guī)定高度時(shí)抓手松開，擊錘沿導(dǎo)向桿自由落體到土樣表面，完成第二擊；

(6)按照本條(4)和(5)步驟依次循環(huán)，完成第一層土樣擊實(shí)；

(7)完成第一層擊實(shí)后，將土樣裝入擊實(shí)筒，按照步驟(4)～(6)依次完成第二層、第三次擊實(shí)。

圖2 SD-500型全級(jí)配擊實(shí)儀結(jié)構(gòu)示意圖

3 全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型與傳統(tǒng)擊實(shí)儀相比所具有的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

根據(jù)雙江口水電站礫石土料最大粒徑為100 mm，研制出擊實(shí)筒直徑為500 mm的礫石土全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型。儀器研制時(shí)遵循簡(jiǎn)單、適用、方便、試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的原則。該儀器于2018年12月投入使用，累計(jì)已完成22組110桶擊實(shí)試驗(yàn)，累計(jì)擊實(shí)47 000余次，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

在礫石土狀況相同，單位體積擊實(shí)功能、單位面積沖量相同的工況下，SD-500型全級(jí)配擊實(shí)儀與傳統(tǒng)φ300 mm擊實(shí)儀比較具有以下特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)：

(1)將擊實(shí)筒安裝在轉(zhuǎn)盤上，通過底盤齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擊實(shí)筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)錘擊角度的調(diào)整，達(dá)到錘擊點(diǎn)均勻分布，無死角、無盲區(qū)、無重復(fù)的目的。

(2)SD-500型擊實(shí)儀設(shè)置有擊實(shí)筒提升裝置，達(dá)到擊實(shí)筒安裝、拆卸方便的目的。

(3)SD-500型擊實(shí)儀設(shè)有光電位移落高裝置控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制擊錘提升高度高，擊錘落高精準(zhǔn)，保證了單位體積擊實(shí)功能、單位面積沖量不變。

(4)傳統(tǒng)的φ300 mm擊實(shí)儀需對(duì)大于60 mm的超粒徑顆粒處理后才能進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，其擊實(shí)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差。而對(duì)大于60 mm的超粒徑顆粒SD-500型擊實(shí)儀則不需進(jìn)行處理，能夠進(jìn)行全級(jí)配擊實(shí)試驗(yàn)。用雙江口防滲摻合土料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，當(dāng)?shù)[石摻量30～60%時(shí)，最大干密度增大0.01～0.03 g/cm3，最優(yōu)含水率降低0.6～0.3%，由此可見，SD-500型擊實(shí)儀進(jìn)行心墻防滲土料全級(jí)配擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，能更真實(shí)地反應(yīng)寬級(jí)配防滲土料的壓實(shí)特性，為制定大壩填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。SD-500型擊實(shí)儀與φ300 mm擊實(shí)儀的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 SD-500型與φ300 mm擊實(shí)儀擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果比較

4 結(jié) 語

礫石土全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型的成功研制并應(yīng)用，其擊實(shí)試驗(yàn)成果應(yīng)用于大壩填筑質(zhì)量評(píng)價(jià)中更加真實(shí)地反應(yīng)了礫石土料的壓實(shí)特性。礫石土全級(jí)配擊實(shí)儀首次采用錘擊點(diǎn)角度為53.5°，實(shí)現(xiàn)了錘擊點(diǎn)均勻分布、無擊實(shí)盲區(qū)，在國(guó)內(nèi)已建類似工程中未見相關(guān)文獻(xiàn)資料，可供其他工程借鑒。

在雙江口水電站大壩工程建設(shè)中，已采用全級(jí)配擊實(shí)儀SD-500型的擊實(shí)試驗(yàn)成果評(píng)價(jià)礫石土料的壓實(shí)質(zhì)量，在控制工程質(zhì)量方面發(fā)揮了顯著作用，具有推廣價(jià)值。