巴塘水電站圍堰壩料碾壓試驗研究

周 一 生， 張 偉， 張 剛， 賈 洪 波， 馮 加 棟

((1.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 610000))

1 工程概況

巴塘水電站位于川藏交界的金沙江干流上，周圍崇山峻嶺，壩址距巴塘縣以南9 km。電站采用瀝青混凝土心墻堆石壩、左岸溢洪道、明管引水、地面廠房的樞紐布置格局，以發(fā)電為主，是已獲得批復(fù)的金沙江上游水電規(guī)劃的13個梯級電站中第9級，總裝機(jī)容量750 MW。

電站導(dǎo)流采用上下游土石圍堰進(jìn)行擋水，導(dǎo)流洞及泄洪放空洞過流的導(dǎo)流方式。上游圍堰壩高2 533.8 m，堰頂高程2 502.5 m，水上填筑高度31.3 m，上游坡比1∶2，下游坡比1∶1.75。圍堰防滲體采用懸掛式混凝土防滲墻+復(fù)合土工膜的結(jié)構(gòu)形式。

圍堰填筑總方量約135萬m3，其中水上填筑部分96.5萬m3，水上碾壓堆石料(以下簡稱堆石料)89.5萬m3，過渡料Ⅰ1.14萬m3取自砂石加工系統(tǒng)細(xì)砂料，過渡料Ⅱ5.8萬m3為覆蓋層開挖料。為獲得各種筑壩材料的物理特性和填筑碾壓施工參數(shù)，借鑒已有工程的施工經(jīng)驗，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求[1-8]，進(jìn)行了室內(nèi)試驗以及現(xiàn)場碾壓試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 壩料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)圍堰的設(shè)計要求，圍堰壩體各分區(qū)材料及設(shè)計壓實指標(biāo)見表1。

表1 圍堰填筑分區(qū)材料和設(shè)計壓實指標(biāo)

3 室內(nèi)試驗

碾壓試驗前，為了解填筑料巖性特征，對壩料進(jìn)行了室內(nèi)試驗。其中巖石密度試驗，得到了堆石料、過渡料Ⅰ的巖石密度，平均值為2.81 g/cm3。對開挖料進(jìn)行飽和單軸抗壓強度測試，單軸抗壓平均強度為75.7 MPa。

按照《土工試驗規(guī)程》( SL237-1991)對過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ進(jìn)行室內(nèi)相對密度試驗，室內(nèi)擊實試驗成果表見表2。

表2 室內(nèi)擊實試驗成果表

4 碾壓試驗

4.1 試驗安排

碾壓試驗主要目的是按設(shè)計壓實度要求，確定經(jīng)濟(jì)合理的壓實機(jī)具、壓實方式、壓實遍數(shù)、層鋪厚度。具體有：填鋪方式、碾壓方法、行車速度、灑水率、鋪土厚度等。參照已有的工程實踐，結(jié)合規(guī)程規(guī)范要求，碾壓試驗場次安排如下，見表3。

表3 碾壓場次安排

參考已有工程經(jīng)驗，各試驗場次鋪土厚度比碾壓厚度大 10%，采用反鏟裝料、自卸車運輸。堆石料采用“進(jìn)占法”填筑，過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ采用“退鋪法”填筑，在各試驗條帶范圍線內(nèi)，反鏟整平，并測量高程，以確保填料鋪土厚度。在試驗料攤鋪整平之后，用白灰畫出試驗單元，用灑水車在試驗單元內(nèi)灑水，用流量表控制加水量，加水后按填料體積百分率計算。先進(jìn)行靜碾2遍，再進(jìn)行振碾。碾壓機(jī)械采用26t振動碾，行駛速度2～3 km/h，碾壓方法采用進(jìn)退錯距法。碾壓試驗場地布置見圖1。

圖1 堆石料碾壓試驗場地布置圖

試驗程序: 碾壓場開辟→碾壓場壓實→布設(shè)控制點、平整度測量→進(jìn)料推平→灑水→靜碾→鋪土高程測量→碾壓→沉降測量、壓實密度、含水量、級配檢測→堆料挖走→碾壓整平→基面測量→下一場。

4.2 試驗取樣與測量

沉降測量，按照圖1所示虛線交點處布置網(wǎng)格測點，用全站儀測量基面、鋪填層面及不同壓實遍數(shù)后，在同一測點上測量高程以計算鋪土厚度和不同碾壓遍數(shù)沉降率。碾壓完成后，在每個單元格中進(jìn)行壓實密度測定、顆粒篩分、含水率測定及原位滲透試驗。干密度采用試坑灌水法測定，取樣深度為壓實層厚度，水位測量采用測針法，每個試驗單元內(nèi)挖3個坑，對于過渡料Ⅰ每個試驗單元內(nèi)挖5個坑。顆粒篩分試驗，結(jié)合干密度試驗進(jìn)行，取試坑開挖料進(jìn)行全級配篩分試驗?，F(xiàn)場僅進(jìn)行20 mm以上顆粒篩分，小于20 mm試樣，在現(xiàn)場稱取不少于4 kg送室內(nèi)烘干后進(jìn)行含水率和篩分試驗。

原位滲透試驗，在試驗單元取3點進(jìn)行現(xiàn)場試坑注水試驗，按《水利水電工程注水試驗規(guī)程》( SL345-2007)采用單環(huán)注水法測定，滲透環(huán)直徑為30 cm，并計算近似滲透系數(shù)。

4.3 試驗結(jié)果

試驗操作按照《土石筑壩材料碾壓試驗規(guī)程》(NB/T35016-2013)中規(guī)定進(jìn)行，現(xiàn)場原位滲透試驗、碾壓試驗、顆粒配篩分試驗分別見表4、表5、表6。

表4 現(xiàn)場原位滲透試驗成果

表5 現(xiàn)場碾壓試驗成果

表6 顆粒級配篩分試驗成果

4.3.1 原位滲透試驗、顆粒級配

從表4～6成果數(shù)據(jù)可以看出：

(1)堆石料，最大顆粒粒徑為420 mm，0.1 mm以下顆粒含量在設(shè)計8%限度內(nèi)，5 mm以下顆粒含量在設(shè)計20%限度內(nèi)，Cu為29.0，Cc為1.1，孔隙率、滲透系數(shù)滿足設(shè)計要求。

籍此，本文以構(gòu)建“四驅(qū)雙核”高職院校服務(wù)型教工黨支部模式為探索，確定將“服務(wù)專業(yè)發(fā)展、服務(wù)學(xué)生培養(yǎng)”作為雙核心，通過“創(chuàng)新驅(qū)動、品牌驅(qū)動、目標(biāo)驅(qū)動和任務(wù)驅(qū)動”，有效提升教工黨支部黨建工作與學(xué)院專業(yè)發(fā)展、學(xué)生培養(yǎng)之間的契合度，以期實現(xiàn)黨建發(fā)展推動專業(yè)優(yōu)化、專業(yè)進(jìn)步滿足學(xué)生培養(yǎng)、人才質(zhì)量滿足社會服務(wù)需求的多元化、交互式的創(chuàng)建模式，為構(gòu)建高職院校特色服務(wù)型教工黨支部提供了一種有效的實現(xiàn)途徑。

(2)過渡料Ⅰ，粒徑滿足0.1～5 mm的要求，Cu為8.3，Cc為1.1，級配良好，孔隙率、滲透系數(shù)滿足設(shè)計要求。

(3)過渡料Ⅱ，最大粒徑152 mm，20 mm以下顆粒含量在設(shè)計15%限度內(nèi)，大于200 mm的顆粒含量在設(shè)計15%限度內(nèi)，Cu為10.2，Cc為1.1，級配良好，孔隙率、滲透系數(shù)滿足設(shè)計要求。

4.3.2 干密度與含水率、碾壓遍數(shù)的關(guān)系

干密度與含水率、碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖2。

(a) (b)圖2 堆石料干密度隨含水率的關(guān)系

圖2(a)為堆石料鋪筑層厚度為120 cm且在碾壓遍數(shù)不同情況下，干密度隨含水率變化的關(guān)系。從中可以看出，堆石料的碾壓干密度隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，其中含水率在10%時最為明顯，但超過10%后，就會影響到堆石料的碾壓效果。其原因是水在堆石料的顆粒間起潤滑作用，隨著含水量的增加，顆粒間的潤滑作用明顯，摩擦力減小，壓實效果增加。當(dāng)含水量超過10%后，水會降低顆粒的密度、剪切模量及泊松比，進(jìn)而影響碾壓質(zhì)量[9]。從試驗成果可知，堆石料含水量控制以10%為宜。同時，隨碾壓遍數(shù)的增加，堆石料有增大的趨勢，但超過8遍以后，堆石料干密度增加效果不明顯。

圖3(b)為碾壓遍數(shù)10遍，且在堆石料不同鋪筑料厚度情況下，干密度隨含水率而變化的關(guān)系。從中可以看出，堆石料同樣表現(xiàn)出干密度隨含水率呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。從圖(b)中還可以明顯看出，鋪筑層80 cm、120 cm干密度差異變化不大，鋪筑層厚度150cm時，堆石料的碾壓后干密度較其余兩組較小。從試驗成果可知，堆石料鋪筑層厚度宜控制在120 cm以內(nèi)。

(a) (b)圖3 碾壓遍數(shù)與干密度和沉降率的關(guān)系

過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ已進(jìn)行了室內(nèi)擊實試驗，故不再進(jìn)行含水率的碾壓試驗研究，參照表2的成果，按最優(yōu)含水率大致對應(yīng)的體積比10%控制。

4.3.3 碾壓遍數(shù)、干密度和沉降率的關(guān)系

碾壓遍數(shù)、干密度和沉降率的關(guān)系見圖3。

從圖3可以看出，堆石料、過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ干密度都隨碾壓遍數(shù)的增加呈增大趨勢。但堆石料在碾壓遍數(shù)達(dá)到8遍以后，干密度和沉降率增長趨于平緩，滿足設(shè)計干密度2.15 g/cm3要求。過渡料Ⅰ碾壓5遍，滿足設(shè)計干密度2.0 g/cm3要求；過渡料Ⅱ碾壓5遍滿足設(shè)計相對密度Dr=0.75對應(yīng)的干密度2.16 g/cm3要求。

綜合以上試驗數(shù)據(jù)，堆石料碾壓遍數(shù)應(yīng)按8遍控制，過渡料Ⅰ和過渡料Ⅱ碾壓遍數(shù)都應(yīng)按5遍控制。

5 結(jié) 語

為準(zhǔn)確確定巴塘水電站圍堰填筑及碾壓施工的參數(shù)，巴塘公司進(jìn)行了填筑料的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗。通過室內(nèi)試驗獲得了填筑料的物理特性，以及過渡料Ⅰ、過渡料Ⅱ的最大、最小干密度和最優(yōu)含水率。同時，在現(xiàn)場進(jìn)行了碾壓試驗，取得了不同壩料在不同加水量、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)情況下干密度和沉降變化，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨含水量和碾壓遍數(shù)的增減，壩料的干密度、沉降呈規(guī)律性變化，并存在最優(yōu)值。因此，現(xiàn)場施工參數(shù)應(yīng)參照最優(yōu)值，并考慮施工便利進(jìn)行綜合確定。確定圍堰填筑的施工工藝參數(shù)，即堆石料鋪填厚度120 cm，振碾8遍，加水量10%；過渡料Ⅰ鋪填厚度40 cm，振碾5遍，加水量10%；過渡料Ⅱ鋪填厚度40 cm，振碾5遍，加水10%。為確?，F(xiàn)場施工質(zhì)量，應(yīng)注意壩料的開采、運輸、下料與鋪料各個環(huán)節(jié)，確保壩料均勻性，防止顆粒分離。