魯 濤，李小泉，李 建，甘 霖

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

長(zhǎng)河壩水電站礫石土心墻料擊實(shí)功能的選擇試驗(yàn)研究

魯 濤，李小泉，李 建，甘 霖

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

以長(zhǎng)河壩水電站的湯壩礫石土心墻料為研究對(duì)象，對(duì)其在擊實(shí)試驗(yàn)過(guò)程中擊實(shí)功能的選擇進(jìn)行了研究。研究成果表明：同一擊實(shí)功能下，干密度隨含水率增大出現(xiàn)先增大后減小的上凸拋物線特征變化的關(guān)系；最大干密度隨著擊實(shí)功能的增大前期增幅較大后期增幅逐漸減小，最優(yōu)含水率隨著擊實(shí)功能的增大前期減幅較大后期減幅逐漸減小；綜合經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，該礫石土料填筑標(biāo)準(zhǔn)選取2000 kJ/m3的擊實(shí)功能較為合適。

礫石土；心墻料；擊實(shí)功能；壓實(shí)特性；長(zhǎng)河壩水電站

0 引 言

長(zhǎng)河壩水電站大壩為礫石土心墻堆石壩,最大壩高240 m，裝機(jī)容量2 600 MW。大壩需心墻防滲土料611.42萬(wàn)m3，主要料源有湯壩料場(chǎng)和新聯(lián)料場(chǎng)，總儲(chǔ)量993.8萬(wàn)m3，其中湯壩料場(chǎng)確定為主料場(chǎng)。

作為240 m級(jí)的高心墻堆石壩，心墻土料首先要保證其具有防滲、一定的抗剪強(qiáng)度的基本特性，其次與壩料之間較好的變形協(xié)調(diào)以及低壓縮性等也是必不可少的，故大壩心墻料的研究選擇尤為重要。礫石土作為一種天然筑壩材料，由于滿(mǎn)足其上所述的各類(lèi)特性，已被廣泛地運(yùn)用于快速發(fā)展的西南高土石壩的設(shè)計(jì)建設(shè)之中[1]。為使所采用的礫石土心墻料能充分發(fā)揮其防滲、抗穩(wěn)定及低沉降變形的特性，那么壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的制定及施工中壓實(shí)質(zhì)量的控制就顯得極為關(guān)鍵。對(duì)礫石土心墻土料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的制定可為工程設(shè)計(jì)提供合理的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并可為后期大壩施工填筑提供壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者[2- 4]對(duì)礫石土的壓實(shí)特性進(jìn)行了相關(guān)的研究，并提出了礫石土的擊實(shí)最大干密度與擊實(shí)方法、擊實(shí)功能、含水率以及P5含量(粒徑>5 mm含量)均有著密切的關(guān)系。然而其中針對(duì)高土石壩工程的礫石土心墻料壓實(shí)特性中擊實(shí)功能選擇的系統(tǒng)研究并不多，對(duì)此，本文以240 m級(jí)的長(zhǎng)河壩水電工程為例，對(duì)心墻礫石土料的壓實(shí)特性中擊實(shí)功能的選擇進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)、全面的研究，進(jìn)一步豐富和發(fā)展高土石壩壓實(shí)指標(biāo)及壓實(shí)質(zhì)量控制的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

1 系列擊實(shí)功能下的擊實(shí)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本試驗(yàn)采用的心墻土料來(lái)自于主料場(chǎng)的湯壩料場(chǎng)，依據(jù)料場(chǎng)成因及土料質(zhì)量該料場(chǎng)被分為2個(gè)區(qū)，分別為冰積堆積區(qū)(Ⅰ區(qū))及坡洪積堆積區(qū)(Ⅱ區(qū))，其中土料主要屬冰積堆積含碎礫石土，少量為坡洪積堆積含碎礫石土。本試驗(yàn)土料采用冰積堆積含碎礫石土，其中碎礫石成份以灰?guī)r、大理巖、片巖以及石英為主，多呈棱角狀、次棱角狀。該礫石土料液限為33.8%，塑限為19.3%，塑性指數(shù)為14.3，比重為2.69。統(tǒng)計(jì)平均線<5 mm、<0.075 mm粒徑顆粒含量分別為53.73%和28.90%，其定名為黏土質(zhì)礫(GC)。試驗(yàn)級(jí)配采用具代表性的防滲土料統(tǒng)計(jì)平均線(剔除>200 mm的極少顆粒)，力學(xué)試驗(yàn)前依照DL/T 5356—2006《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》[5]對(duì)>60 mm粒徑的超徑顆粒采用等量替代法進(jìn)行處理，處理前后的顆分級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 試樣顆分級(jí)配

顆粒直徑/mm顆分級(jí)配/%原級(jí)配(剔除200mm)等量替換顆粒直徑/mm顆分級(jí)配/%原級(jí)配(剔除200mm)等量替換200～1003.92—10～58.3110.55100～605.92—5～0.07524.8324.8360～406.388.10<0.07528.9028.9040～2011.2014.23<0.0059.979.9720～1010.5413.39

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[5]，擊實(shí)儀采用大型擊實(shí)儀，擊實(shí)桶直徑為300 mm，適用于粒徑不大于60 mm的土料。該擊實(shí)儀擊錘質(zhì)量為34.6 kg，擊錘直徑為15 cm，落高為59 cm，擊實(shí)桶體積為20 347.2 cm3，層數(shù)為3層，沖量為7 kN·s/m2。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)動(dòng)能定理，擊實(shí)功能的計(jì)算公式為

Ee=WR×h×NL×NB/V

(1)

式中，Ee為擊實(shí)功能；WR為擊錘質(zhì)量；h為落高；NL為擊實(shí)層數(shù)；V為擊實(shí)桶體積；NB為每層擊實(shí)次數(shù)。本試驗(yàn)采用改變每層擊數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)擊實(shí)功能大小的系列變化。試驗(yàn)研究擊實(shí)功能分別為604、1 000、1 500、2 000、2 400、2 740 kJ/m3下礫石土的壓實(shí)特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

礫石土擊實(shí)試驗(yàn)成果如表2所示，列出了6種不同擊實(shí)功能下的最大干密度、最優(yōu)含水率及孔隙比的試驗(yàn)結(jié)果。圖1給出了不同擊實(shí)功能下礫石土的干密度與含水率關(guān)系。圖2給出了最大干密度、最優(yōu)含水率與擊實(shí)功能的關(guān)系。

表2 礫石土料擊實(shí)試驗(yàn)成果

試驗(yàn)編號(hào)擊實(shí)功能/kJ·m-3最大干密度ρdmax/g·cm-3最優(yōu)含水率Wop/%孔隙比e湯壩平均線6046041.9909.40.36湯壩平均線100010002.0828.70.30湯壩平均線150015002.1648.00.25湯壩平均線200020002.1947.60.23湯壩平均線240024002.2057.30.22湯壩平均線274027402.2107.20.22

圖1 不同擊實(shí)功能下干密度與含水率關(guān)系曲線

圖2 最大干密度、最優(yōu)含水率與擊實(shí)功能關(guān)系曲線

由圖1可知，每一擊實(shí)功能下的干密度ρd與含水率w曲線為上凸的拋物線形，這與細(xì)粒類(lèi)黏性土有著相同的特性，即同一擊實(shí)功能下干密度先隨著含水率的增大而增大，當(dāng)含水率增大到一定值時(shí)干密度達(dá)到最大值，隨后干密度隨著含水率的增大而減小。這與細(xì)粒類(lèi)黏性土的規(guī)律相似，主要是由于黏性土中的黏土礦物顆粒間存在著粘結(jié)力、水分子引力等作用在含水率不同時(shí)產(chǎn)生的不同的作用而致。

由圖1、圖2可知，從604～2 000 kJ/m3的擊實(shí)功能大小逐漸變化，隨著擊實(shí)功能的增大最大干密度顯著增大，增幅高達(dá)1.4%～4.6%；當(dāng)擊實(shí)功能達(dá)到2 000 kJ/m3并增大至2 740 kJ/m3的過(guò)程中，隨著擊實(shí)功能的增加最大干密度值增幅減小至0.2%～0.5%，此段最大干密度增幅較小。同時(shí)，最優(yōu)含水率隨著擊實(shí)功能的增大而逐漸減小，并出現(xiàn)降幅值隨著功能的增大而逐漸減小。原因主要是對(duì)于該黏性粗粒土來(lái)說(shuō)，其組成成分是由充當(dāng)骨架作用的礫石和充填骨架的細(xì)粒黏土料構(gòu)成，擊實(shí)作用產(chǎn)生的瞬間沖擊力克服顆粒間的粘結(jié)阻力使顆粒間發(fā)生位移，相互充填并擠密，增大土體密度。當(dāng)擊實(shí)功能增加到足以克服顆粒間的阻力后，隨著擊實(shí)功能的增加最大干密度值增加甚小，考慮到大壩現(xiàn)場(chǎng)碾壓壓實(shí)的經(jīng)濟(jì)性因素，所以壓實(shí)功能并不是越大越好，存在一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)壓實(shí)功能。其次，礫石土防滲料不同于路基土料填筑時(shí)密度越大越好，超壓密時(shí)土體結(jié)構(gòu)會(huì)壓壞，使土料破碎率提高，沉降量加大[3]。最優(yōu)含水率隨著擊實(shí)功能的增大而減小，這說(shuō)明原來(lái)較小擊實(shí)功能下達(dá)到最大干密度及最大含水率的狀態(tài)由于擊實(shí)功能的增加導(dǎo)致水分進(jìn)一步地被擠壓排出，土體變得更加密實(shí)。

根據(jù)表2的試驗(yàn)成果作出孔隙比與擊實(shí)功能的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，孔隙比隨著擊實(shí)功能的增大逐漸減小至后期趨于穩(wěn)定。由于孔隙比為計(jì)算值，并且孔隙比與試樣的干密度成反比關(guān)系，而且干密度隨著擊實(shí)功能的增大而逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定的關(guān)系，因此從數(shù)學(xué)的角度較容易解釋孔隙比與擊實(shí)功能的這種變化關(guān)系。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)性和安全性雙重考慮，對(duì)湯壩冰積堆積礫石土料的擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)功能定為2 000 kJ/m3，在此壓實(shí)功能下為工程設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)指標(biāo)，為大壩工程施工提供壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 孔隙比與擊實(shí)功能關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1)同一擊實(shí)功能下，干密度先隨著含水率的增大而增大并達(dá)到最大值，隨后干密度隨著含水率的增大而減小，呈現(xiàn)出上凸拋物線形特征。

(2)最大干密度隨著擊實(shí)功能的增大前期增幅較大后期增幅逐漸減小，最優(yōu)含水率隨著擊實(shí)功能的增大前期減幅較大后期減幅逐漸減小。

(3)作為經(jīng)濟(jì)性和安全性的綜合考慮，湯壩冰堆積礫石土料選取2 000 kJ/m3的擊實(shí)功能較為合適，可為工程設(shè)計(jì)和工程施工壓實(shí)質(zhì)量提供控制標(biāo)準(zhǔn)。

[1]屈智炯. 寬級(jí)配礫質(zhì)土在土石壩防滲體中的應(yīng)用及其滲流控制的進(jìn)展[J]. 水電站設(shè)計(jì)， 1992， 8(3)： 46- 53．

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

[3]馮業(yè)林， 孫君實(shí)， 劉強(qiáng). 糯扎渡心墻堆石壩防滲土料研究[J]. 水力發(fā)電， 2005， 25(5)： 55- 57．

[4]楊凌云， 王曉謀， 尚濤. 粘性粗粒土的擊實(shí)試驗(yàn)研究[J]. 路基工程， 2009， 145(4)： 84- 86．

[5]DL/T 5356—2006 水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程[S].

(責(zé)任編輯王 琪)

Experimental Study of Compaction Power Selection for Gravelly Soil as Core Wall of Changheba Hydropower Station

LU Tao, LI Xiaoquan, LI Jian, GAN Lin

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

Taking the gravelly soil excavated from the Tangba stockyard in Changheba Hydropower Station as the study case, the selection of compaction power in compaction experiments is studied. The experimental results show that: (a) under same compaction power, the dry density increases fast in the beginning and then slows down with the increase of water content; and (b) with the increase of compaction power, the maximum dry density increases fast in the beginning and slows down in the latter, while the optimal water content decreases fast in the beginning and slows down in the latter. With consideration of both economy and safety, it is proposed that the compaction power of 2 000 kJ/m3is adopted as the filling standard of gravelly soil．

gravelly soil; core material; compaction power; compaction characteristics; Changheba Hydropower Station

2015- 02- 19

魯濤(1986—)，男，湖北宜昌人，工程師，碩士，主要從事土石壩筑壩材料的試驗(yàn)研究工作．

TV443(271)

A

0559- 9342(2015)12- 0109- 03