黃金林，劉添俊，李政偉

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木學(xué)院，廣州 510642;2.廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣州 510060;3.廣州交通投資集團(tuán)有限公司，廣州 510030)

1 工程簡介

廣東惠州抽水蓄能電站裝機(jī)容量2 400 MW，位于廣東省博羅縣城郊。本工程為I等工程，永久性建筑物為I級(jí)建筑物。副壩位于主壩左側(cè)，為黏土心墻堆石壩，壩頂長220 m，壩頂寬7 m，壩頂高程237.36 m，最大壩高27.86 m。壩體上游邊坡比1∶2.75，下游邊坡比1∶2.25。上、下游坡面均設(shè)干砌石護(hù)坡。黏土心墻防滲體頂部高程為236.81 m，上、下游邊坡比均為1∶0.2，心墻厚度3.0～14.8 m。在黏土心墻防滲體兩側(cè)設(shè)置過渡料。壩體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大壩斷面圖(單位:mm)

由于本工程的重要性和填筑量大等原因，筑壩材料的選擇、填筑質(zhì)量控制指標(biāo)的合理性和確定經(jīng)濟(jì)合理的施工參數(shù)至關(guān)重要。在土石壩正式填筑施工之前，必須進(jìn)行符合規(guī)范的碾壓試驗(yàn)，以核實(shí)壩料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實(shí)機(jī)械等)和填筑效果(如土的密實(shí)度)的關(guān)系，確定達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)方法，包括選擇壓實(shí)機(jī)械類型和型號(hào)，確定相應(yīng)的碾壓參數(shù)(如壓實(shí)遍數(shù)、速度及鋪土層厚)，優(yōu)化施工工藝。因此，現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)也就顯得極為必要和具有重要意義。

堆石體的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn):要求采用開挖的新鮮洞渣料，碾壓壓實(shí)后上游堆石區(qū)干密度 ρd≥2.10 t/m3，空隙率為22%;下游堆石區(qū)干密度 ρd≥2.05 t/m3，空隙率為25%，最大粒徑 dmax≤800 mm，填筑層厚 80 cm，灑水后用18 t振動(dòng)碾碾壓。

2 碾壓堆石體壓實(shí)性能的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

堆石料碾壓試驗(yàn)，鋪料厚度H=80 cm，主要研究在相同鋪厚，相同行駛速度條件下不同加水量、碾壓遍數(shù)及不同壓實(shí)機(jī)具的壓實(shí)效果。各小場(chǎng)的加水量Q分別為0、5%、10%、20%(體積比)，采用自行式 18 t振動(dòng)碾碾壓，遍數(shù)分別為 n=6、n=8、n=10。

為節(jié)省成本，本工程堆石體采用新鮮洞渣料。在堆石碾壓試驗(yàn)前，對(duì)各堆石料進(jìn)行顆分試驗(yàn)，顆分成果見圖2。除第三組級(jí)配曲線超出堆石區(qū)的上包絡(luò)線，其他試樣試驗(yàn)成果級(jí)配曲線均落在包絡(luò)線范圍內(nèi)，是良好的填筑料。

圖2 原材料顆粒分析

從圖2中可知，碾壓堆石體d10=3.4～40.5 mm，d30=19.4～252.4 mm，d60=59.3～425.3 mm，則碾壓堆石體的不均勻系數(shù)Cu=4.1～18.0，曲率系數(shù)Cc=0.93～1.96。

由顆粒組成可知:采用新鮮的洞渣料級(jí)配不連續(xù)，缺少細(xì)小顆粒和中粗砂，有的試樣細(xì)顆粒<20 mm的含量僅有5.53%。有的大粒徑甚至>800 mm，所以對(duì)于堆石體原料應(yīng)該先剔除超粒徑塊石。通過初步處理后級(jí)配曲線與原材料顆粒分析對(duì)比曲線如圖3所示，可以看到，初步處理后的明顯優(yōu)于沒有初步處理的。

圖3 初步處理后的級(jí)配曲線對(duì)比

3 碾壓試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)踐證明，對(duì)無黏性粗粒土，振動(dòng)法效果最好，而且工效高。振動(dòng)碾壓時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生的快速連續(xù)沖擊力作用于土體表面，每沖擊一次對(duì)土體產(chǎn)生一個(gè)壓力波，使土體顆粒間的摩擦力減小，尤其是對(duì)無黏性粗粒土，顆粒間黏結(jié)力甚小，振動(dòng)使顆粒間摩擦力減小，小顆粒易處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，彼此相互充填，壓實(shí)效果比較顯著。再加上振動(dòng)碾靜壓力的作用，進(jìn)一步促使顆粒的充填，其壓實(shí)效果更為突出。振動(dòng)碾使土體壓實(shí)，實(shí)質(zhì)上是靜重產(chǎn)生的靜力和振動(dòng)產(chǎn)生的壓力波式的動(dòng)力聯(lián)合作用，在土體內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力和剪應(yīng)力的結(jié)果。同時(shí)，由于碾壓使顆粒相互移動(dòng)，相互摩擦，使得有些大顆粒間接觸點(diǎn)局部破碎、尖角破碎，變圓、變滑，也同時(shí)生成一些細(xì)顆粒，這樣會(huì)使細(xì)顆粒含量有少許增加。本場(chǎng)地碾壓試驗(yàn)也證明了這點(diǎn)，通過顆粒分析得知:P5(顆粒直徑小于5 mm的顆粒累積百分含量)含量碾壓前平均3.29%，碾壓試驗(yàn)后平均5.32%;P200含量碾壓前平均55.27%，碾壓試驗(yàn)后平均63.25%。由圖4也可看到，堆石料通過碾壓后，級(jí)配曲線也有變化，曲線基本都位于級(jí)配曲線的上下包絡(luò)線之間，能滿足堆石料的級(jí)配要求。

圖4 碾壓后顆粒分析曲線

圖5 碾壓堆石體干密度與P5含量的關(guān)系

碾壓堆石體干密度與P5含量有密切的關(guān)系，在達(dá)到最大干密度之前，其干密度隨P5含量的增加而緩慢升高，隨后，P5含量的增加反而會(huì)使干密度略有減小。如圖5所示，P5含量在3.57% ～8.92%之間干密度較大，達(dá)到2.21～2.36 t/m3。由此可見，在碾壓堆石體中P5組細(xì)顆粒主要起著充填大顆?？障兜淖饔茫赑5含量較低時(shí)，不能足以充填滿大顆粒之間的空隙，從而造成在宏觀上碾壓堆石體的干密度較小。隨著P5含量的逐漸增加，大顆粒之間的空隙也隨之被充填直至密實(shí)，此時(shí)碾壓堆石體的干密度達(dá)最大值。之后，隨P5含量的增加，大顆粒的含量就相應(yīng)降低，而大顆粒是較致密的塊體，本身密度較高，在碾壓堆石體宏觀密度中占主要地位，其含量的降低使碾壓堆石體的宏觀密度也隨之緩慢降低。

圖6 碾壓堆石體干密度與P 200含量的關(guān)系

P200含量顆粒對(duì)碾壓堆石體的干密度影響顯著，圖6可知，當(dāng)P 200含量<60.24% 時(shí)，其干密度較小，這是因?yàn)榧?xì)顆粒含量過高，與粗料顆粒有局部接觸，開始起骨架作用，沒有足夠的小顆粒來充填大顆粒之間的空隙，從而導(dǎo)致碾壓堆石體干密度降低;當(dāng)P 200含量在60.24% ～74.65%時(shí)，粗料顆粒完全形成骨架，細(xì)料又能填滿空隙，碾壓堆石體較易獲得比較大的干密度，干密度達(dá)到2.19～2.36 t/m3;當(dāng)P 200含量超過74.65%之后，因粗料顆粒形成骨架，壓實(shí)特性主要決定于粗料級(jí)配和性質(zhì)，細(xì)料顆粒只起填充作用，直接導(dǎo)致了碾壓堆石體的干密度的減小。

在圖7、圖8表示壩料碾壓試驗(yàn)中加水 Q=0，Q=5%、Q=10%、Q=20%(體積比)，碾壓遍數(shù)分別為 n=6遍、n=8遍、n=10遍時(shí)，各種情況的壓實(shí)效果比較(加水Q=0時(shí)，只進(jìn)行了 n=10遍的碾壓試驗(yàn))。鋪層厚度不變的情況下，傳遞至堆石料的能量與碾壓遍數(shù)成正比。由圖7可以看到，加水5%、10%、20%時(shí)，干密度都隨碾壓遍數(shù)增加而增大，若以設(shè)計(jì)干密度2.1 t/m3為參數(shù)，加水Q=5%時(shí)，碾壓遍數(shù)n=8相對(duì)n=6時(shí)，干密度增加率為5.7%，碾壓遍數(shù)n=10相對(duì)n=8時(shí)干密度增加率為2.9%;加水Q=10%時(shí)，碾壓遍數(shù)n=8相對(duì)n=6時(shí)，干密度增加率為4.3%，碾壓遍數(shù)n=10相對(duì)n=8時(shí)，干密度增加率為3.8%;加水Q=20%時(shí)，碾壓遍數(shù)n=8相對(duì)n=6時(shí)，干密度增加率為4.8%。碾壓遍數(shù)增加，加水量也應(yīng)相應(yīng)增加，Q=5%時(shí)，碾壓10遍時(shí)干密度增加率明顯減小，則可以得到n=8為最佳碾壓遍數(shù)，再增加碾壓遍數(shù)，基本沒有大的效果，不經(jīng)濟(jì)。Q=10%時(shí)，碾壓10遍時(shí)干密度增加率沒有明顯減小，由于沒有做Q=10%時(shí)，n=12和Q=20%時(shí)，n=10和n=12的碾壓試驗(yàn)，沒有得到相關(guān)曲線，但由已知曲線可以得到加水Q=10%或Q=20%時(shí)，碾壓遍數(shù) n≥10。

圖7 碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系

砂礫石因自身顆粒粗，透水性強(qiáng)，具有自由排水能力，其本身含量較小。灑水壓實(shí)可使堆石料充分濕潤，軟化細(xì)顆粒，并降低粗顆粒的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，使巖塊的尖角易于破碎，同時(shí)起到一定潤滑作用，以利于壩料的碾壓。其碾壓壓實(shí)效果與加水量關(guān)系密切，壩體填筑最好采用碾壓前加水施工方法，使巖塊充分吸水軟化，同時(shí)加水后可增加顆粒間的潤滑作用，以提高壓實(shí)質(zhì)量。圖8可以看到:加水5%時(shí)，碾壓遍數(shù)為6、8、10遍時(shí)，其沉降率為5.5%、7.0%、8.0%;加水10%，碾壓遍數(shù)為 6、8、10遍時(shí)，其沉降率為 5.4%、6.8%、7.9%;加水20%，碾壓遍數(shù)為6、8遍時(shí)，其沉降率為8.5%、8.6%。說明堆石料適當(dāng)加水對(duì)碾壓提高密實(shí)度，減小大壩后期沉降是有利的。根據(jù)碾壓試驗(yàn)結(jié)果和其它工程的施工經(jīng)驗(yàn)，建議加水量應(yīng)控制不少于5%(體積比)，爭取達(dá)到10%以上，將有助于堆石的壓實(shí)。

圖8 碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系

4 結(jié)論

1)新鮮的洞渣料，料質(zhì)堅(jiān)硬密實(shí)，碾壓后級(jí)配曲線均落在包絡(luò)線范圍內(nèi)，為理想的填壩材料。但原材料要經(jīng)過初步處理，剔除超粒徑的大塊石。同時(shí)，P5含量控制在 3.57% ～8.92%，P200含量控制在60.24% ～74.65%，這樣容易達(dá)到較大的干密度。

2)其碾壓壓實(shí)效果與加水量關(guān)系密切，壩體填筑最好采用碾壓前加水施工方法，使巖塊充分吸水軟化，同時(shí)加水后可增加顆粒間的潤滑作用，以提高壓實(shí)質(zhì)量。建議加水量應(yīng)控制不少于5%(體積比)，爭取達(dá)到10%以上，將有助于堆石的壓實(shí)。加水5%時(shí)，最佳碾壓遍數(shù)為8遍，加水量增大時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加碾壓遍數(shù)。

[1] 張國輝，盧學(xué)巖.碾壓式土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制中若干問題的淺析［J］.吉林水利，2008，317(10):5-9.

[2] 侯慶國，武杏彩.尼爾基水利樞紐工程心墻壩黏性土料壓實(shí)參數(shù)的確定［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，5(2):33-35.

[3] 唐新軍，鳳家驥，鳳煒.“635”水利樞紐黏土心墻壩反濾料特性分析與試驗(yàn)研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2002，35(2):5-10.

[4] 中華人民共和國水利部.SL274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社，2002.

[5] 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用［M］.鄭州:黃河水利出版社，1998.