二類土制備礫石土料的P5穩(wěn)定性研究

李 勇

(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310030)

1 兩河口項目概況

兩河口水電站大壩工程為300 m級礫石土心墻堆石壩,其中礫石土心墻防滲體通過開采土料與加工礫石料按照一定比例摻配形成。P5含量作為心墻摻礫土料關(guān)鍵技術(shù)控制標準之一。土料中摻入一定比例的礫石料可改善和提高土料最大干密度、提高抗變形指標以及抗剪強度,減小與壩殼料的變形差,降低心墻拱效應(yīng),改善心墻的應(yīng)力應(yīng)變,減少心墻裂縫的發(fā)生幾率,防止水力劈裂的產(chǎn)生。P5含量偏小起不到土料改性的作用,偏大造成骨料集中容易產(chǎn)生滲流通道,因此控制P5含量的波動對壩體填筑質(zhì)量至關(guān)重要。

心墻土料來自于五個土料場,各料場分散、土料特性各不相同,同一料場又根據(jù)P5含量的不同進行劃分為一類土(P5含量≤15%)、二類土(含量15%25%)[1]。由于一類土P5含量更為穩(wěn)定,故為保證心墻質(zhì)量,優(yōu)先采用一類土制備合格礫石土料上壩進行填筑。

受客觀條件限制,五大土料場雖然經(jīng)精細化開采,盡可能的將一類土取干用盡,但仍無法采用一類土將大壩填筑至頂,故啟動二類土制備礫石土料的P5穩(wěn)定性研究勢在必行。

2 二類土制備難點

與一類土相比,二類土料源P5波動范圍大,以現(xiàn)場瓜里B1土料場為例,P5含量波動范圍為1.5%～37.8%,相應(yīng)碾壓后二類土最優(yōu)含水率略低、干密度略大,同時在平面上及立面上變化較大,細粒土與粗粒土呈夾層狀或互層狀分布,以上特性導(dǎo)致采用現(xiàn)有的工藝工法難以制備出P5含量穩(wěn)定的礫石土料。

3 二類土制備工藝提出

針對上述難點,對比長河壩、糯扎渡的P5含量調(diào)整方法,研究并提出了以下三種解決方案:

(1)預(yù)篩分法:將土料場開采的二類土運至篩分系統(tǒng),通過篩分調(diào)整其P5含量,保證土料P5含量穩(wěn)定,之后將篩好的土料運至摻拌場,經(jīng)過互層攤鋪摻拌均勻,達到礫石土料P5含量穩(wěn)定的目的。

(2)土料開采預(yù)均化法:將土料場開采的二類土運至預(yù)摻拌場,進行機械平鋪立采混合,提高土料均勻性,之后將混合均勻的土料運至摻拌場,經(jīng)過互層攤鋪摻拌均勻,達到礫石土料P5含量穩(wěn)定的目的。

(3)動態(tài)調(diào)整摻拌法:將土料場開采的二類土運至摻拌場,進行互層攤鋪摻拌均勻,過程中根據(jù)試驗檢測結(jié)果動態(tài)調(diào)整,達到礫石土料P5含量穩(wěn)定的目的。

4 二類土制備工藝對比

為更好的進行二類土制備合格礫石土料,現(xiàn)從技術(shù)可行性、安全性、經(jīng)濟性、時效性四個方面對三種方案進行了對比:

4.1 預(yù)篩分法

(1)技術(shù)可行性:經(jīng)過調(diào)查,目前市面上廣泛用于礦山及骨料生產(chǎn)系統(tǒng)的棒條式振動篩分喂料機經(jīng)過少量的技改后可用于二類土篩分;兩河口工區(qū)各料場的土料黏粒含量均較大,篩分時容易掛網(wǎng),造成黏粒損失,影響土料品質(zhì),施工技術(shù)要求高。

(2)安全性:涉及到使用液壓挖掘機、推土機、自卸汽車等用于二類土開采、運輸及摻拌,有一定的機械操作及運輸風(fēng)險,設(shè)置專職人員進行現(xiàn)場指揮及提高駕駛?cè)藛T安全意識,可一定程度上規(guī)避此類安全風(fēng)險;篩分系統(tǒng)在使用過程中,存在高空墜物、機械傷害等危險,且日常使用維護也需要人員進行高空作業(yè),有一定的安全風(fēng)險?？傮w上有2個方面的安全隱患,安全風(fēng)險較高。

(3)經(jīng)濟性:相較于一類土制備工藝,此方法需要建設(shè)一套篩分系統(tǒng),所需費用約500萬元,成本過高,經(jīng)濟性差。

(4)時效性:篩分系統(tǒng)理論產(chǎn)能為500 t/h,每天平均生產(chǎn)約18 h,一天可生產(chǎn)約9 000 t,換算為土方約5 200 m3,生產(chǎn)強度能夠滿足備料需要;完成3個互層鋪料約需要2 d時間;一個備料倉摻拌完成所需時間為2 d。綜上,制備1倉礫石土料(方量約12 000 m3)需要約4 d,時間較短。

4.2 土料開采預(yù)均化法

(1)技術(shù)可行性:采用對開采的二類土在預(yù)摻場進行平鋪立采混合的方法,提高級配均勻性,施工技術(shù)要求低。

(2)安全性:涉及到使用液壓挖掘機、推土機、自卸汽車等用于二類土開采、運輸及摻拌,有一定的機械操作及運輸風(fēng)險,設(shè)置專職人員進行現(xiàn)場指揮及提高駕駛?cè)藛T安全意識,可一定程度上規(guī)避此類安全風(fēng)險?？傮w上只有1個方面的安全隱患且具有可控性,安全風(fēng)險小。

(3)經(jīng)濟性:相較于一類土制備工藝,此方法有一個預(yù)均化過程,需要增加鋪、摻、裝一整套工序,所需費用約280萬元,成本較高,經(jīng)濟性適中。

(4)時效性:二類土預(yù)均化約需要2 d時間;完成3個互層鋪料約需要3 d時間;一個備料倉摻拌完成所需時間為2 d。綜上,制備1倉礫石土料(方量約12 000 m3)需要約5天,時間適中。

4.3 動態(tài)調(diào)整摻拌法

(1)技術(shù)可行性:采用在過程中進行試驗檢測,根據(jù)P5檢測結(jié)果動態(tài)調(diào)整開采區(qū)域及互層攤鋪厚度,施工技術(shù)要求低。

(2)安全性:涉及到使用液壓挖掘機、推土機、自卸汽車等用于二類土開采、運輸及摻拌,有一定的機械操作及運輸風(fēng)險,設(shè)置專職人員進行現(xiàn)場指揮及提高駕駛?cè)藛T安全意識,可一定程度上規(guī)避此類安全風(fēng)險?？傮w上只有1個方面的安全隱患且具有可控性,安全風(fēng)險小。

(3)經(jīng)濟性:相較于一類土制備工藝,此方法只是增加了試驗檢測頻次,所需費用約90萬元(后期取得規(guī)律后頻次會降低,所需費用還會減少),成本較低,經(jīng)濟性較好。

(4)時效性:完成3個互層鋪料約需要4 d時間;一個備料倉摻拌完成所需時間為2 d。綜上,制備1倉礫石土料(方量約12 000 m3)需要約6 d,時間較長。

通過對比,不采用預(yù)篩分法、土料開采預(yù)均化法,最終選擇了施工技術(shù)要求低、安全風(fēng)險小、經(jīng)濟性較好的“動態(tài)調(diào)整摻拌法”。

5 動態(tài)調(diào)整摻拌法實施

5.1 土料場開采

將料場按每5米P5含量平均值進行分區(qū),將料場劃分為若干個平均P5含量波動在5%以內(nèi)的區(qū)域,在劃分的小范圍內(nèi)通過液壓反鏟挖掘機進行開采二類土。二類土開挖從上而下按5 m分層進行開挖,且對土料進行混合的方法。同時,現(xiàn)場管理人員應(yīng)密切關(guān)注每個開采區(qū)域內(nèi)料源變化情況,如發(fā)現(xiàn)料源性質(zhì)發(fā)生明顯變化時,應(yīng)及時通知試驗人員進行加密取樣,當P5波動值與規(guī)劃區(qū)域平均值波動變化相對較大時,通知參建各方共同去現(xiàn)場查看并重新規(guī)劃開采區(qū)域。

5.2 攤鋪工藝

由于二類土P5含量較高且波動大,若按照一類土的定礫調(diào)土方式進行鋪料(3個互層),將導(dǎo)致互層高度極高,若降低互層層數(shù)又會造成P5含量波動太大。故經(jīng)研究,將攤鋪工藝改成定土調(diào)礫方式。

定土調(diào)礫即先鋪土料層,土料層鋪筑厚度為一固定值。根據(jù)前期二類土均化試驗成果,土料鋪料厚度固定為80 cm。土料攤鋪完成后按照10～15 m×10～15 m的網(wǎng)格網(wǎng)進行測量畫線,然后在網(wǎng)格內(nèi)進行取樣檢測,根據(jù)本層土料平均P5含量計算礫石料鋪料厚度。礫石料鋪筑采用進占法進行,土料筑采用后退法進行。

制備礫石土料目標P5值暫按40%進行控制,摻配后P5波動范圍控制在35%～45%之間,因此,在本方案中計算礫石料鋪料厚度時,目標P5值按40%進行控制,礫石料鋪料厚度的計算公式為:

(1)

式中:0.982為礫石P5含量;ρ礫為礫石料干密度,取1.88 g/cm3;H礫為礫石料鋪料厚度,根據(jù)土料P5含量調(diào)整;P5為料源檢測P5值,根據(jù)現(xiàn)場取樣結(jié)果確定;×ρ土為干密度,瓜里土料場取1.72 g/cm3;H±為土料鋪料厚度,取80 cm。

5.3 含水量調(diào)整

補水量根據(jù)室內(nèi)擊實試驗成果進行確定,在最優(yōu)含水率基礎(chǔ)上+0.5%,即,則每方土的補水量為:

V水=(ωop+0.5%/0.72-ω0土)×ρ土

(2)

式中:V水為每方土的加水量m3;ωop為各料場土料最優(yōu)含水率,根據(jù)室內(nèi)擊實試驗確定;ω0土為土料實測平均含水率 %;ρ土為土的干密度;0.72為每方成品礫石土中土料所占比例。

確定補水量后,采用摻拌場內(nèi)已有補水管路進行,通過水表控制補水量,如供水難以滿足需求時,可采用灑水車進行補充補水。補水前,摻拌場內(nèi)管理人員根據(jù)摻拌試驗場地的面積、每層土料鋪料厚度確定每層土料方量,然后補水量計算公式確定該層土料所需補水量,根據(jù)補水量的多少確定所需10 t灑水車的車數(shù),補水過程中對水槍流量及補水時間有明確認識,防止少補或過補。

5.4 現(xiàn)場摻拌

料堆鋪料完成后(調(diào)水料堆則要調(diào)水完成),采用正鏟挖掘機進行立采摻混。

正鏟挖掘機從料堆底面展開工作線,自下而上挖料,每次挖料要切透所有鋪料層,將料舉高后開斗自然拋落,同一斗料拋落1次即摻配1遍,二類土摻拌遍數(shù)為3遍[2]。

6 試驗檢測

二類土摻配完成后,對礫石土料的P5含量進行了多組檢測,成品礫石土料的P5含量穩(wěn)定在36.2%～47.1%,平均值40.9%。

7 結(jié)語

根據(jù)檢測結(jié)果可知,從料場開采檢測二類土P5含量→鋪料過程中檢測二類土P5含量→摻拌完成后檢測礫石土料P5含量,離散系數(shù)明顯降低,波動區(qū)間減小,成品礫石土料P5含量平均值為40.9%,與目標值40%接近,波動范圍在35%～45%之間的占比達到95.1%,達到了設(shè)計要求,且與前期一類土P5數(shù)據(jù)相比,兩者數(shù)據(jù)基本一致,說明通過采取“料場小區(qū)域立采、料倉小倉面摻拌、全程加密檢測、逐層定土調(diào)礫”措施后,二類土摻拌后能達到一類土的效果,可用于大壩斷面填筑,也為后續(xù)其他類似項目提供的借鑒,具有較大的推廣價值。