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豐寧抽水蓄能電站攔沙壩壩料碾壓試驗(yàn)研究

2018-10-12 11:38:20于春亮張愛軍
中國農(nóng)村水利水電 2018年9期
關(guān)鍵詞:鋪料遍數(shù)石料

于春亮,李 斌,張 偉,張愛軍

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2. 國網(wǎng)新源河北豐寧抽水蓄能有限公司, 河北 承德 068350;3. 浙江華東工程咨詢有限公司,杭州 311122)

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi),工程區(qū)距豐寧縣公路里程約62 km,電站對外有國道、省道和簡易鄉(xiāng)村道路相通。工程規(guī)劃裝機(jī)容量3 600 MW,為1等工程,大(1)型規(guī)模。分2期建設(shè),本期裝機(jī)容量1 800 MW,安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組。電站建成后,在京津唐電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。

攔沙壩為下水庫重要的擋沙建筑物,壩型為復(fù)合土工膜防滲心墻堆石壩,壩頂高程為1 066.0 m,最大壩高23.5 m,壩頂長度548 m,壩頂寬度8.0 m,上下游壩坡均為1∶2.2。壩體從上游到下游依次分為:塊石護(hù)坡、堆石料、過渡料、細(xì)砂、復(fù)合土工膜、細(xì)砂、過渡料、堆石料、塊石護(hù)坡,壩基與振沖碎石樁復(fù)合地基接觸部位設(shè)置反濾層,見圖1。

圖1 下水庫攔沙壩典型斷面

攔沙壩填筑總量約為65 萬m3,壩料主要來自下水庫一二期進(jìn)出水口開挖料及加工料,為獲得各種筑壩料的物理特性和填筑及碾壓施工參數(shù),參照已有的工程實(shí)踐和相應(yīng)規(guī)范[1-8],進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場碾壓試驗(yàn),確定了施工方案,并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2 壩料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)土石壩設(shè)計(jì)要求,壩體分區(qū)材料及設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。其中,第1層反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配為小于5 mm的連續(xù)級(jí)配,第2層反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配為5~40 mm的連續(xù)級(jí)配,能為面板提供均勻可靠的支承,具有良好的排水性能。

表1 下水庫壩體分區(qū)材料和設(shè)計(jì)壓實(shí)指標(biāo)

3 室內(nèi)試驗(yàn)

碾壓試驗(yàn)前,為了了解壩料的巖性,對壩料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。單軸抗壓試驗(yàn)進(jìn)行6組,對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均,測得巖塊干燥情況下單軸抗壓強(qiáng)度為58.6 MPa,飽和情況下的單軸抗壓強(qiáng)度為38.8 MPa,軟化系數(shù)為0.62,按《巖土工程勘察規(guī)程》以巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度分類,填筑料整體屬于中等堅(jiān)硬巖石;2組吸水率試驗(yàn),得到巖石的吸水率為1.4 %;通過全料巖石密度試驗(yàn),得到堆石料、過渡料和反濾料的巖石密度為2.66 g/cm3。

反濾料由攔沙壩砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn),室內(nèi)進(jìn)行了相對密度試驗(yàn),測得其最大干密度為1.97 g/cm3,其最小干密度為1.54 g/cm3;細(xì)砂由灰窯子溝砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn),按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1991),進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)測得其最大干密度ρdmax=1.78 g/cm3,最佳含水率ωop=8.3%。

4 碾壓試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)安排

本試驗(yàn)?zāi)康囊皇菫榱撕藢?shí)填料設(shè)計(jì)填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的合理性,二是在已選定的壓實(shí)機(jī)具和施工機(jī)械條件下,確定達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí),經(jīng)濟(jì)的、合理的壓實(shí)參數(shù),包括鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)孔隙率等,并通過試驗(yàn)確定填筑料壩體填料施工工藝,包括:鋪填方式、碾壓方法、行車速度、灑水情況等。

基于以上目的,并參照已有的工程實(shí)踐,確定碾壓試驗(yàn)的場次安排(由于工期條件,鋪料厚度暫不研究,參考已有工程確定),見表2。

表2 碾壓試驗(yàn)場次安排

參考已有工程,松鋪厚度比碾壓厚度大10%,采用反鏟裝料、自卸車運(yùn)輸。堆石料、過渡料采用“進(jìn)占法”填筑,反濾料、細(xì)砂采用“退鋪法”填筑,在各試驗(yàn)條帶范圍線內(nèi),反鏟整平,并測量高程,以確保填料松鋪厚度。在試驗(yàn)料攤鋪整平之后,用白灰畫出試驗(yàn)單元,用灑水車在試驗(yàn)單元內(nèi)灑水,用流量表控制加水量,加水量按填料體積百分率計(jì)算。然后先進(jìn)行靜碾2遍,然后振碾。碾壓機(jī)械采用22 t振動(dòng)碾,選擇2~3 km/h的碾壓速度,碾壓方法采用進(jìn)退錯(cuò)距法。

試驗(yàn)程序:碾壓場開辟→碾壓場壓實(shí)→布設(shè)控制點(diǎn)、平整度測量→進(jìn)料推平→灑水→靜碾→松鋪高程測量→碾壓→沉降測量、壓實(shí)密度、含水量、級(jí)配檢測→回填試坑→碾壓→基面測量→下一場。

4.2 試驗(yàn)取樣與測量

各試驗(yàn)組合均按1.5 m×1.5 m布置網(wǎng)格測點(diǎn),用全站儀測量基面、鋪填層面及不同壓實(shí)遍數(shù)后,在同一測點(diǎn)上測量高程以計(jì)算松鋪厚度和不同碾壓遍數(shù)沉降率,沉降點(diǎn)布置見圖2。

圖2 測點(diǎn)場地沉降網(wǎng)點(diǎn)控制(單位:m)

試驗(yàn)中在相應(yīng)測點(diǎn)進(jìn)行了壓實(shí)密度測定、顆粒篩分、含水率測定及原位滲透試驗(yàn)。壓實(shí)后的干密度用試坑灌水法測定,取樣深度為壓實(shí)層厚度,水位測量采用測針法。碾壓前后均進(jìn)行顆粒篩分,碾壓前從料堆取料篩分,碾壓后在每個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)挖3個(gè)坑(對于反濾料在每個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)挖5個(gè)坑),對坑內(nèi)的填料進(jìn)行全級(jí)配篩分試驗(yàn)?,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4 000 g送室內(nèi)烘干后進(jìn)行含水率和篩分試驗(yàn)。反濾料采用小于5 mm試樣和大于5 mm顆粒試樣測定含水率,用炒干法或烘干法測定。本試驗(yàn)組合預(yù)定的所有檢測項(xiàng)目完成并經(jīng)現(xiàn)場校核無誤后,將挖出的堆石料均勻回填。振動(dòng)碾壓回填部位,恢復(fù)至挖坑前的狀態(tài)。

原位滲透試驗(yàn)每種填筑料取3點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場試坑注水試驗(yàn),按《水利水電工程注水試驗(yàn)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(jì)算近似滲透系數(shù)。測得堆石料和過渡料的滲透系數(shù)見表3。

表3 現(xiàn)場原位滲透檢測成果統(tǒng)計(jì)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)操作按照《土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程》(NB/T 35016-2013)中規(guī)定進(jìn)行,試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表4 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

表2中,第1層反濾料鋪料厚度為50 cm,碾壓遍數(shù)為4、6、8遍時(shí),對應(yīng)的相對密度為0.726、0.926、0.963。細(xì)砂鋪料厚度為40 cm,碾壓遍數(shù)為4、6、8遍時(shí)的壓實(shí)度為89.2%、93.4%、95.3%。

4.3.1 顆粒級(jí)配

各壩料顆粒級(jí)配見圖3,圖3(a)、(b)和(c)分別為堆石料、過渡料和第2層反濾料的顆粒級(jí)配曲線,從圖3(a)中可以看出,堆石料大顆粒偏小(最大粒徑僅為280 mm),級(jí)配曲線局部有超出設(shè)計(jì)包絡(luò)線的情況,碾壓后5 mm以下顆粒含量在設(shè)計(jì)要求的20%限度內(nèi),Cu值為1.9,遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)10的要求,主要是由于堆石料大顆粒過少導(dǎo)致的。0.1 mm粒徑以下含量、孔隙率、滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3(b)中可以看出,過渡料中小于5 mm顆粒含量超出上包線,即小于5 mm顆粒含量較少,碾壓后,隨著大顆粒的破碎,曲線完全在控制線內(nèi)。其不均勻系數(shù)為4.0,也小于設(shè)計(jì)值12的要求,其孔隙率和滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

第2層反濾料為骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)后摻合而成,進(jìn)行多次調(diào)整后,得到圖3(c)的曲線,從級(jí)配曲線可以看出,摻配料的連續(xù)性稍差,級(jí)配曲線不夠平滑。碾壓后的級(jí)配曲線顯示,3 mm以下顆粒含量略微超出了設(shè)計(jì)包絡(luò)線,但干密度和孔隙率滿足設(shè)計(jì)要求。第2層反濾料存在超40 mm粒徑限制的材料,主要是由于翻拌場地上的少許超徑石混入導(dǎo)致,施工中應(yīng)進(jìn)一步改善反濾料摻配工藝,做好上壩前反濾料的質(zhì)量檢測,同時(shí)加強(qiáng)料源控制,防止反濾料受到污染。

圖3 壩料顆粒級(jí)配曲線

4.3.2 干密度與灑水量關(guān)系

由圖4可以看出,隨著灑水量的增加,干密度顯著增大,這是因?yàn)樗诙咽系念w粒間起潤滑作用,隨著灑水量的增加,顆粒間的潤滑作用明顯,摩擦力減小,壓實(shí)效果增加。當(dāng)灑水量達(dá)到10%時(shí),干密度隨灑水量的增加趨于平緩,最大為2.13 g/cm3。此后,隨著灑水量的增加,干密度反而減小,這是因?yàn)榧铀^多會(huì)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[9,10]。因此,碾壓過程中,控制灑水以10%為宜。考慮到第1層反濾料較細(xì),易壓實(shí),加水過多反而影響施工,且第1層反濾料與壩基接觸,壩基有一定含水,因此控制加水量為5%。

4.3.3 干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系

干密度隨碾壓遍數(shù)的變化見表4,將結(jié)果繪成圖,見圖5。由圖5可以看出,隨著碾壓遍數(shù)增加,各壩料的干密度都增大,但第1層反濾料、第2層反濾料和細(xì)砂在碾壓6遍之前干密度增長較快,6遍之后增長變緩,而過渡料和堆石料這一現(xiàn)象分別發(fā)生在8遍和10遍。因此,現(xiàn)場施工時(shí),將第1層反濾料、第2層反濾料和細(xì)砂的碾壓遍數(shù)確定為6遍為宜。堆石料碾壓8遍時(shí),滿足設(shè)計(jì)要求,且考慮具體施工時(shí),過渡料與部分堆石料同時(shí)填筑施工,因此將兩者的碾壓遍數(shù)定為8遍。

圖5 壩料干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系

4.3.4 沉降與碾壓遍數(shù)關(guān)系

圖6為各碾壓遍數(shù)下,不同壩料的沉降率曲線(沉降率為沉降量與鋪料厚度的比值)。從圖6中可以看出,隨著碾壓遍數(shù)增加,各壩料的沉降率都增大,但其增加的速率大致都呈現(xiàn)先加快后變緩,即存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)。通過與圖5對比,2圖中對應(yīng)曲線的變化趨勢與轉(zhuǎn)折點(diǎn)一致,即壩料沉降增加越快時(shí),壓實(shí)干密度增加越大,反之,亦然。

圖6 壩料沉降與碾壓遍數(shù)關(guān)系

4.3.5 結(jié)果分析

由以上結(jié)果可以看出,堆石料在顆粒特征及含量上并不滿足要求,但在確定的碾壓8遍的參數(shù)下,其干密度為2.21 g/cm3,孔隙率為20.2%,滲透系數(shù)為3.52×10-1cm/s,均滿足設(shè)計(jì)要求,可以采用該施工參數(shù);對于過渡料,其顆粒也有超出設(shè)計(jì)包線的情況,在碾壓8遍的情況下,顆粒特征也不滿足要求,尤其是不均勻系數(shù),但干密度、孔隙率及滲透系數(shù)都滿足,因此,其試驗(yàn)參數(shù)可采用。另外,為了滿足顆粒特征要求,施工中應(yīng)對爆破參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并加強(qiáng)料場管理,對堆料高度、卸料方式及料源分布等進(jìn)行記錄。

第1層反濾料、第2層反濾料及細(xì)砂都由灰窯子溝砂石骨料系統(tǒng)加工,由于細(xì)砂主要固定土工膜,對含泥量并沒有反濾料要求嚴(yán)格。細(xì)砂和第1層反濾料粒徑較相似,但設(shè)計(jì)要求不同,第1層反濾料按相對密度≥0.75控制,而細(xì)砂按壓實(shí)度控制,主要是因?yàn)楹嗔恳蟛煌?。由以上結(jié) 果可知,按碾壓6遍,第1層反濾料和第2層反濾料鋪料厚度為50cm,細(xì)砂鋪料厚度為40cm,加水量分別為5%、10%、0時(shí)均能滿足設(shè)計(jì)要求,且節(jié)省投資。

通過碾壓試驗(yàn)成果來看,碾壓試驗(yàn)存在一定的不均勻性,其主要原因有原材料分布的不均勻性和施工的不均勻性,尤其是堆石料,其粒徑為0.1~800 mm,施工過程中鏟、運(yùn)、卸料、攤鋪引起顆粒分離是很難避免的,攤鋪厚度的不均勻、碾壓的不均勻、灑水的不均勻等亦會(huì)導(dǎo)致結(jié)果的離散性較大。因此,現(xiàn)場施工時(shí)要注意壩料的運(yùn)輸、下料與鋪料,盡可能保證上壩料材料的均勻性。

5 結(jié) 語

(1)對豐寧抽水蓄能電站下庫攔沙壩壩料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場碾壓試驗(yàn),得到了壩料的物理參數(shù),對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,認(rèn)為壩料基本滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)場施工,確定了施工碾壓參數(shù)以及填筑工藝,即主堆石料鋪料厚度為80 cm,振碾8遍,加水量10%;過渡料鋪料厚度為40 cm,振碾8遍,加水量為10%;第1層反濾料鋪料厚度為50 cm,振碾6遍,加水量為5%;第2層反濾料鋪料厚度為50 cm,振碾6遍,加水量為10%;細(xì)砂鋪料厚度為40 cm,振碾6遍,不加水。

(3)根據(jù)同類工程及該試驗(yàn)結(jié)果,建議施工時(shí)要注意壩料的運(yùn)輸、下料與鋪料,盡可能保證上壩料材料的均勻性,防止顆粒分離。

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