文登水電站水庫(kù)大壩次堆石填筑采用擬合法檢測(cè)研究

謝小東，余萬(wàn)龍

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，成都，610091)

面板堆石壩作為水庫(kù)的一種常用擋水壩，相比混凝土重力壩經(jīng)濟(jì)適用、施工工藝較為簡(jiǎn)單，其主要組成為上游主堆石及下游次堆石。山東文登電站大壩下游次堆石(3C區(qū))填筑料主要采用全強(qiáng)風(fēng)化料填筑，堆石填筑要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定合理的最佳壓實(shí)參數(shù)。

1 工程背景

文登抽水蓄能電站為I等大(1)型工程，上水庫(kù)擋水壩是永久性主要建筑物，為1級(jí)建筑物。壩頂高程628.6m，壩頂寬10m，長(zhǎng)470m，壩軸線處最大壩高101.0m，上游壩坡1∶1.4，下游壩坡1∶2，下游壩坡設(shè)“之”字形上壩道路。上水庫(kù)堆石料全部來(lái)源于庫(kù)區(qū)開(kāi)挖可利用料。堆石壩填筑料分區(qū)自上游向下游依次為：碎石壓重區(qū)1B、粉煤灰鋪蓋區(qū)、墊層區(qū)2A、特殊墊層區(qū)2B、過(guò)渡層區(qū)3A、上游堆石區(qū)3B、反濾區(qū)、下游堆石區(qū)3C。

上水庫(kù)堆石壩采用庫(kù)區(qū)開(kāi)挖料筑壩，壩體填筑總量約為458萬(wàn)m3，上游主堆石區(qū)(3B區(qū))填筑量約251萬(wàn)m3，采用弱風(fēng)化及以下巖石上壩，下游次堆石區(qū)(3C區(qū))填筑量約176萬(wàn)m3，采用強(qiáng)風(fēng)化巖石及部分全風(fēng)化巖石上壩。

2 大壩填筑擬合法研究的背景

2.1 項(xiàng)目可研階段

文登電站可研階段上游堆石區(qū)與下游堆石區(qū)均采用弱風(fēng)化及以下巖石，且設(shè)計(jì)控制指標(biāo)相似，設(shè)計(jì)院結(jié)合碾壓試驗(yàn)成果提出的上游堆石區(qū)壩料的級(jí)配設(shè)計(jì)、壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)、碾壓施工參數(shù)基本合適，即孔隙率按照不大于21%控制，采用碾壓厚度80cm、26t振動(dòng)碾碾壓8遍。3B區(qū)壩料的滲透系數(shù)可按不小于1×10-2cm/s控制。為控制補(bǔ)充料場(chǎng)規(guī)模、減少上水庫(kù)庫(kù)區(qū)開(kāi)挖棄渣以及節(jié)省投資和減少環(huán)境破壞，可研階段采用庫(kù)區(qū)開(kāi)挖的全、強(qiáng)風(fēng)化巖石按照1∶1的比例摻配混合后作為下游堆石料。

2.2 施工詳圖階段

施工圖階段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖揭露的料源實(shí)際情況，全、強(qiáng)風(fēng)化料按照1∶1摻配不容易實(shí)施，且強(qiáng)風(fēng)化料碾壓后破碎，物理力學(xué)性質(zhì)與全風(fēng)化料差別不大，庫(kù)區(qū)料場(chǎng)弱風(fēng)化及以下料源不足，鑒于實(shí)際情況，設(shè)計(jì)院提出直接采用庫(kù)盆開(kāi)挖出的全、強(qiáng)風(fēng)化料作為下游堆石料，此設(shè)計(jì)需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及論證是否可行。

試驗(yàn)成果表明，全、強(qiáng)風(fēng)化料碾壓后含細(xì)粒砂，大于5mm顆粒的含量為0～50%，強(qiáng)度和模量隨著壓實(shí)度的增加有所提高，但力學(xué)指標(biāo)整體較可研階段更差。有限元計(jì)算成果表明，在壓實(shí)度95%的條件下，壩體變形較大，但在可接受范圍內(nèi)，壩坡穩(wěn)定滿足要求。鑒于國(guó)內(nèi)外百米級(jí)高面板壩大區(qū)域采用全風(fēng)化料筑壩的經(jīng)驗(yàn)很少，全強(qiáng)風(fēng)化料的力學(xué)性能較差，可能導(dǎo)致較大的壩體變形及面板應(yīng)力，設(shè)計(jì)及相關(guān)專(zhuān)家建議充分重視下游堆石區(qū)填筑質(zhì)量控制，結(jié)合實(shí)際的下游堆石區(qū)上壩料和已有的碾壓試驗(yàn)情況繼續(xù)開(kāi)展必要的試驗(yàn)和分析工作，并研究減少大壩填筑完成后變形的工程措施，這就意味著下游堆石區(qū)要通過(guò)大量的試驗(yàn)進(jìn)行分析論證，反復(fù)地碾壓試驗(yàn)工作量較大且現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)會(huì)影響大壩填筑進(jìn)度，為解決此問(wèn)題，文登電站上水庫(kù)大壩下游次堆石區(qū)采用擬合法進(jìn)行檢測(cè)。

3 試坑料擬合法重型擊實(shí)試驗(yàn)

3.1 堆石區(qū)填筑料技術(shù)要求

大壩下游堆石區(qū)材料技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 上水庫(kù)下游堆石區(qū)填筑料技術(shù)指標(biāo)及填筑標(biāo)準(zhǔn)

3.2 試坑料顆粒級(jí)配

料源采用上水庫(kù)大壩下游填筑高程537.4m碾壓合格的3C區(qū)試坑料。該高程碾壓合格的3C區(qū)試坑料(壩下0+123、壩0+300、高程537.40m)顆粒級(jí)配如表2所示。

表2 上水庫(kù)下游堆石區(qū)(3C區(qū))試坑料顆粒級(jí)配試驗(yàn)成果

3.3 擊實(shí)試驗(yàn)組數(shù)

對(duì)上水庫(kù)3C區(qū)537.4m高程試坑料進(jìn)行篩分。篩取小于20mm試樣，送室內(nèi)風(fēng)干后繼續(xù)篩分，將試樣篩分成<5mm、5mm～10mm、10mm～20mm顆粒含量備用，并按表3所示，假定不同粒組含量比例和礫石含量進(jìn)行等量代替法重型擊實(shí)試驗(yàn)。

表3 等量代替法重型擊實(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.4 室內(nèi)最大干密度試驗(yàn)

依據(jù)《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5355-2006)、《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5356-2006)，對(duì)3C區(qū)試坑料進(jìn)行室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)，重型擊實(shí)儀單位擊實(shí)功能為 2687.9kJ/m3。根據(jù)不同粒組含量比例和礫石含量進(jìn)行等量代替法重型擊實(shí)試驗(yàn)。最大干密度結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

(1)粒組含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶5，含礫量分別為60%、50、40%、30%時(shí)擊實(shí)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同含礫量干密度與含水率關(guān)系(粒組含量比例1∶5)

結(jié)論：經(jīng)對(duì)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果分析，含礫量60%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.19g/cm3，最優(yōu)含水率7.3%；含礫量50%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.18g/cm3，最優(yōu)含水率7.4%；含礫量40%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.15g/cm3，最優(yōu)含水率7.7%；含礫量30%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.14g/cm3，最優(yōu)含水率7.5%。

(2)粒組含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶4，含礫量分別為60%、50、40%、30%時(shí)擊實(shí)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同含礫量干密度與含水率關(guān)系(粒組含量比例1∶4)

結(jié)論：對(duì)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果分析，含礫量60%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.15g/cm3，最優(yōu)含水率7.6%；含礫量50%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.17g/cm3，最優(yōu)含水率7.6%；含礫量40%時(shí)擊實(shí)最大干密2.14g/cm3，最優(yōu)含水率7.5%；含礫量30%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.13g/cm3，最優(yōu)含水率7.7%。

(3)粒組含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶3，含礫量分別為60%、50、40%、30%時(shí)擊實(shí)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同含礫量干密度與含水率關(guān)系(粒組含量比例1∶3)

結(jié)論：對(duì)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果分析，含礫量60%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.20g/cm3，最優(yōu)含水率7.5%；含礫量50%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.19g/cm3，最優(yōu)含水率7.5%；含礫量40%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.17g/cm3，最優(yōu)含水率7.8%；含礫量30%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.16g/cm3，最優(yōu)含水率7.3%。

(4)粒組含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶2，含礫量分別為 60%、50、40%、30%時(shí)擊實(shí)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同含礫量干密度與含水率關(guān)系(粒組含量比例1∶2)

結(jié)論：經(jīng)對(duì)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果分析，含礫量60%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.16g/cm3，最優(yōu)含水率7.1%；含礫量50%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.17g/cm3，最優(yōu)含水率6.9%；含礫量40%時(shí)擊實(shí)最大干密度2.14g/cm3，最優(yōu)含水率7.6%；含礫量30%時(shí)擊實(shí)最大干密度 2.14g/cm3，最優(yōu)含水率7.4%。

4 擬合法重型擊實(shí)試驗(yàn)成果

(1)考慮到下游堆石區(qū)料源的特殊性，碾壓后級(jí)配明顯發(fā)生變化，特對(duì)碾壓后的試坑料采用擬合法擊實(shí)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合法擊實(shí)成果見(jiàn)表8。

(2)由表8可知，當(dāng)粒組含量比例 10mm～20mm∶5mm～10mm=1∶3 時(shí)，不同礫石含量下最大干密度均最大，此時(shí)粒組級(jí)配最佳，最易碾壓密實(shí)。

(3)由表8可知，隨著礫石含量增多，最大干密度也逐漸增大，但當(dāng)?shù)[石含量超過(guò) 50%以上，不同粒組含量表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，此時(shí)大料較多，不易擊實(shí)，離差較大。

表8 不同含礫量重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

5 建議

(1)當(dāng)料源性質(zhì)及級(jí)配變化比較大時(shí)，需及時(shí)進(jìn)行擬合法最大干密度試驗(yàn)，重新繪制曲線。

(2)考慮到料源特殊性，最終檢測(cè)結(jié)果，需以實(shí)際試坑料擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

(3)通過(guò)試坑料擬合法檢測(cè)時(shí)，需要與實(shí)際試坑料擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)調(diào)整檢測(cè)修改系數(shù)。

6 結(jié)語(yǔ)

文登抽水蓄能電站為I等大(1)型工程，壩軸線最大壩高為101m，為國(guó)內(nèi)較高的土石壩。大壩總填筑方量大，壩體填筑總量約為458萬(wàn)m3，上游主堆石區(qū)(3B區(qū))填筑量約251萬(wàn)m3，下游次堆石區(qū)(3C區(qū))填筑量約176萬(wàn)m3。采用全強(qiáng)風(fēng)化料填筑大壩較為少見(jiàn)，需要在填筑過(guò)程中通過(guò)試驗(yàn)控制壓實(shí)指標(biāo)，大量的試驗(yàn)不僅會(huì)增加工作量，而且會(huì)影響大壩填筑進(jìn)度，為解決這一難題，擬在文登電站開(kāi)展大壩次堆石填筑擬合法檢測(cè)研究。實(shí)踐證明，大壩次堆石填筑采用擬合法進(jìn)行檢測(cè)，效果良好，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試坑料擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)接近，達(dá)到了大壩填筑快速檢測(cè)的目的。