姚朝洪
(中國水利水電第十工程局有限公司 四川成都 610072)
淺談老撾南湃水電站混凝土面板堆石壩壩料填筑碾壓試驗(yàn)
姚朝洪
(中國水利水電第十工程局有限公司 四川成都 610072)
對水電站壩體壩料實(shí)施碾壓試驗(yàn)的目的,在于了解分析壩料的壓實(shí)特性,從而采取滿足填筑標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)方法,以達(dá)到工程的預(yù)期效果。本文則主要結(jié)合老撾南湃水電站的壩體填筑碾壓試驗(yàn)進(jìn)行了分析,以供同類工程借鑒。
水電站;混凝土面板堆石壩;壩料;碾壓試驗(yàn)
在水電站的大壩建設(shè)過程中,為了滿足面板堆石壩大壩填筑的設(shè)計(jì)要求,確保工程的施工質(zhì)量,需要在施工前按照相關(guān)規(guī)范對填筑壩料分類進(jìn)行現(xiàn)場生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn),以確保壩體壩料質(zhì)量滿足工程要求,從而保障工程整體性能。
混凝土面板堆石壩形式,通常是由三大部分組成,即混凝土防滲面板、防滲接地結(jié)構(gòu)和堆石壩體,其具備的優(yōu)點(diǎn)在于施工速度快、造價(jià)低且地形地質(zhì)條件影響小。
堆石壩壩體的填筑質(zhì)量控制,與混凝土面板質(zhì)量之間有直接關(guān)系。在實(shí)際施工之前,應(yīng)當(dāng)通過碾壓試驗(yàn)的方式,確定相適應(yīng)的壓實(shí)機(jī)具、壓實(shí)方法、壓實(shí)參數(shù)及其他處理措施,將碾壓試驗(yàn)所得的指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)相比較,核實(shí)設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性。合理的碾壓參數(shù)則是壓實(shí)質(zhì)量的根本保證,對于壩料類別多、性質(zhì)差異大的面板堆石壩而言,通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)槭┕ぬ岢鼋?jīng)濟(jì)、適宜的碾壓參數(shù),完善填筑的施工工藝和措施,保證壩體填筑的質(zhì)量。
老撾南湃水電站位于老撾萬象省北部Phoun區(qū),距萬象249.5km。壩址位于湄公河的1級支流南俄河支流南湃河上游峽谷中,電站廠房位于南樂克河右岸山腳。整個(gè)樞紐由面板堆石壩、開敞式溢洪洞、電站進(jìn)水口、引水隧洞、壓力鋼管、電站廠房等組成,總庫容2.059億m3?;炷撩姘宥咽瘔螇雾旈L度為230.5m,壩頂高程1145.00m,最大壩高97m,壩體填筑總量約131萬m3。
壩體分為上游鋪蓋區(qū)(1A)、蓋重區(qū)(1B)、墊層區(qū)(2A)、特殊墊層區(qū)(2B)、過渡區(qū)(3A)、主堆石區(qū)(3B)、次堆石區(qū)(3C)、下游塊石護(hù)坡(3D)及混凝土面板(F),詳見圖1。
圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)剖面示意圖
3.1 壩料碾壓試驗(yàn)的目的
實(shí)施填筑碾壓試驗(yàn)的主要目的,在于為施工選擇更加經(jīng)濟(jì)合理、科學(xué)可靠的施工碾壓相關(guān)參數(shù),從而確定壩料填筑的壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo),驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)階段所確定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)等,確保碾壓試驗(yàn)?zāi)軌蜃裱饾u收斂法的原則。
3.2 試驗(yàn)工藝流程
場地平整→測量放線→埋設(shè)鋼板(高程測量)→壩料開采(料場選擇)→壩料的裝運(yùn)攤鋪(厚度測量控制)→壓前的級配篩分→碾壓(遍數(shù)振幅頻率速度)→壓后的級配篩分(測量壓實(shí)厚度)→試坑描述、挖坑取樣篩分、灌水→基礎(chǔ)鋼板測量→資料整理→下一工序。
3.3 碾壓試驗(yàn)主要環(huán)節(jié)
對于鋪料厚度的控制,以及沉降量的測量,都可以運(yùn)用全站儀來配合三等水準(zhǔn)進(jìn)行測量控制,以確保其精度能夠滿足試驗(yàn)的要求。挖掘機(jī)采用立面開采方式,20t自卸汽車運(yùn)輸,墊層料(2A)、過渡料(3A)則采用后退法上料,主堆石區(qū)(3B)、次堆石區(qū)(3C)均采用的是進(jìn)占法上料,320HP推土機(jī)平料。
使用的各種壩料碾壓設(shè)備都為≥18t自行式振動(dòng)碾,采用整輪錯(cuò)位進(jìn)退法,在兩碾輪之間搭接10cm。各種壩料密度的測定則采用的是灌水法,而壩料加水量則按照加水時(shí)問控制;加水量少時(shí),采用水表控制。
3.4 試驗(yàn)內(nèi)容
碾壓試驗(yàn)應(yīng)遵照《碾壓式土石壩施工規(guī)范》(DL/T5129-2013)附錄B的要求進(jìn)行,碾壓試驗(yàn)涉及的填筑料包括墊層料2A、特殊墊層料2B、過渡料3A、主堆石料3B、下游堆石料3C。墊層小區(qū)料的碾壓試驗(yàn)應(yīng)模擬斜坡部位的實(shí)際施工情況,應(yīng)結(jié)合壩料碾壓試驗(yàn)的最后一次成果,進(jìn)行原位滲透系數(shù)、變形模量測試。
3.5 試驗(yàn)方法和基本要求
(1)碾壓試驗(yàn)全部采用大壩施工時(shí)所擬采用的壩料、施工設(shè)備、施工方法、施工工序、施工工藝實(shí)地仿真。各填筑料建議壓實(shí)參數(shù)見表1。
表1 各填筑料建議壓實(shí)參數(shù)
(2)碾壓試驗(yàn)組合方法宜采用淘汰法(又稱逐步收斂法)。即每次只變動(dòng)一種參數(shù),固定其他參數(shù),通過試驗(yàn)求出該參數(shù)的適宜值;再變動(dòng)另一參數(shù),用試驗(yàn)求得第二個(gè)參數(shù)的適宜值,依次類推。待各項(xiàng)參數(shù)選定后,用選定參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。
(3)碾壓前后參數(shù)測定
①壓實(shí)沉陷量測量,每一試驗(yàn)單元應(yīng)布置方格網(wǎng)點(diǎn),網(wǎng)點(diǎn)間排距不大于1.5m,并在填筑區(qū)外設(shè)置控制基樁。分別測量各網(wǎng)格測點(diǎn)在碾壓前后的相對高程變化,從而計(jì)算出壓實(shí)率(測尺精度1mm);②密度測定,用試坑灌水法測定壓實(shí)后的干密度;③顆粒級配,碾壓前后均應(yīng)進(jìn)行顆粒級配分析,繪制級配曲線。
(4)原位滲透系數(shù)測試
①對墊層料(包括墊層小區(qū))、過渡料、主堆石料、下游堆石料進(jìn)行滲透性測試,試驗(yàn)次數(shù)至少各為3點(diǎn);②試驗(yàn)方法可采用試坑注水法。
(5)原位變形模量測試
①對墊層料、過渡料、主堆石料、下游堆石料均需進(jìn)行測試,試驗(yàn)次數(shù)至少各為3點(diǎn);②試驗(yàn)方法采用承壓板法。在一定面積的承壓板上向壩料逐級施加荷載,觀測壩料的壓力與變形特性。它反映承壓板下1.5~2.0倍承壓板直徑(或?qū)挾龋┥疃确秶鷥?nèi)壩料強(qiáng)度、變形的綜合性狀。
3.6 試驗(yàn)步驟
(1)整平場地,開挖試坑。試坑底面寬度不小于承壓板直徑的3倍。試驗(yàn)前應(yīng)在試坑邊取原始壩料土樣2個(gè)。
(2)設(shè)備安裝如圖2~3所示,其次序應(yīng)當(dāng)滿足如下要求:①安裝承壓板之前,應(yīng)當(dāng)整平試坑面,鋪設(shè)約1cm厚的中砂墊層,用水平尺進(jìn)行找平,將承壓板和試驗(yàn)面平整接觸;②在安放加荷千斤頂、載荷臺(tái)架或者反力構(gòu)架時(shí),保持中心和承壓板中心一致,調(diào)整反力構(gòu)架以避免承壓板的壓力施加;③安裝沉降觀測裝置,其固定點(diǎn)應(yīng)設(shè)在不受變形影響的位置處。沉降觀測點(diǎn)應(yīng)對稱設(shè)置。
圖2 重物式裝置示意圖
圖3 反力式裝置示意圖
(3)試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)避免曝曬、雨淋,必要時(shí)設(shè)置工作棚。
(4)荷載一般按等量分級施加,并保持靜力條件和沿承壓板中心傳遞。垂直主應(yīng)力按 lMPa、2MPa、3MPa、4MPa、4.5MPa、5MPa施加,采用逐級一次循環(huán)法加壓。
(5)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn):通常采用的是相對穩(wěn)定法,即每施加一級荷載,等到沉降速率相對穩(wěn)定之后,再施加下一級荷載。
(6)應(yīng)當(dāng)按時(shí)、準(zhǔn)確地觀測沉降量,在每級荷載下,觀測沉降時(shí)間間隔,采用的標(biāo)準(zhǔn)如下:從加荷開始,按照10min、10min、10min、15min、15min的時(shí)間間隔進(jìn)行,而此后則每隔30~60min觀測1次,直至1h沉降量控制在0.1mm以內(nèi)為止。
(7)試驗(yàn)通常適用于在試驗(yàn)壩料難以達(dá)到破壞階段終止的情況下。如果出現(xiàn)以下情況,則可以終止試驗(yàn):①處于本級荷載下,沉降急劇增加,承壓板周邊會(huì)出現(xiàn)裂縫或隆起;②處于本級荷載下,持續(xù)24h沉降速率,且出現(xiàn)加速;③總沉降量超過了承壓板直徑的1/10;④在未達(dá)到極限荷載時(shí),最大的壓力應(yīng)當(dāng)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)壓力的2.0倍,或超過第一拐點(diǎn)至少三級荷載。
(8)當(dāng)卸載觀測回彈時(shí),每級卸載量可為加載增量的2倍,歷時(shí)1h,每隔15min觀測一次。荷載安全卸除后繼續(xù)觀測3h。
3.7 計(jì)算與制圖
繪制p~S曲線,其比例尺一般按最終荷載與所對應(yīng)的最大沉降量在圖幅上之比以0.9:1.0~1.0:1.2為宜。p坐標(biāo)單位為kPa,S坐標(biāo)單位為mm。按下列公式計(jì)算變形模量:
式中:E0-試驗(yàn)土層的變形模量,kPa;p-施加的壓力,kPa;S-對應(yīng)于施加壓力的沉降量,cm;d-承壓板的直徑,cm;μ-泊松比。
3.8 注意事項(xiàng)
(1)在填筑前,必須清除堆石區(qū)內(nèi)的施工便道。
(2)混凝土建筑物、岸坡與主堆石區(qū)之間的接觸帶,應(yīng)當(dāng)回填過渡料,寬度一般控制為1~2m。
(3)壩體堆石區(qū)縱、橫兩個(gè)方向的接坡施工宜采用臺(tái)階收坡法,臺(tái)階寬度一般不小于1m。接坡部位分次填筑的高差應(yīng)嚴(yán)格控制、不宜過大。作業(yè)空間有限時(shí)可以按穩(wěn)定邊坡的情形進(jìn)行收坡施工,回填接坡鋪料前應(yīng)進(jìn)行削坡處理,并嚴(yán)格控制碾壓質(zhì)量。
(4)填筑料卸車后應(yīng)及時(shí)攤鋪并使碾壓面平整,鋪料厚度的控制應(yīng)貫穿施工過程,不能出現(xiàn)超厚或超薄的情況。
(5)大壩下游護(hù)坡宜采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行整坡、堆碼,或使用人工干砌,石塊之間應(yīng)嵌合牢固。護(hù)坡石料以大尺寸為宜,一般與大壩主體填筑同時(shí)施工。
本次試驗(yàn)成果經(jīng)工程檢驗(yàn)應(yīng)用效果良好,大壩填筑單元工程合格率100%,優(yōu)良率達(dá)到91.5%。試驗(yàn)利用各料區(qū)碾壓遍數(shù)、鋪層厚度與孔隙率的關(guān)系確定了一套經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)施工碾壓參數(shù),并得出了一些對堆石料填筑施工十分有用的參考結(jié)論:
(1)墊層料、過渡料碾壓遍數(shù)采用6遍,壓實(shí)厚度45cm;主堆石、次堆石碾壓遍數(shù)采用8遍,壓實(shí)厚度90cm,碾重(20t)不易增加,綜合試驗(yàn)結(jié)果,壓實(shí)效果比較理想。
(2)墊層料、過渡料的級配要求較為嚴(yán)格,上、下包絡(luò)線的區(qū)間很窄,料源的級配控制是工程質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn),在施工中墊層料和過渡料一層鋪平后同時(shí)騎縫碾壓。墊層料要根據(jù)壩料的實(shí)際含水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,以免碾壓后出現(xiàn)“彈簧土”等不良現(xiàn)象。
(3)堆石壩對筑壩石料的抗壓強(qiáng)度要求不高,而對堆石料的級配有要求,IIIC次堆石和IIIB主堆石屬同一料源,設(shè)計(jì)顆粒級配要求相同,采用同樣的碾壓施工參數(shù)值。料源和堆石粒徑大小不同,孔隙率隨碾壓遍數(shù)、鋪料厚度的增加量是不同的,在大壩填筑施工中要特別應(yīng)重視堆石料的級配要求,注意控制取料及鋪料的均勻。
經(jīng)過以上試驗(yàn)成果可證明設(shè)計(jì)的相關(guān)指標(biāo)是合理的,滿足相關(guān)施工要求,同時(shí)為筑壩后續(xù)施工提供了較為科學(xué)的施工控制參數(shù)?;炷撩姘宥咽瘔蔚氖┕ぜ夹g(shù)仍然處于不斷發(fā)展的過程中,隨著科技的進(jìn)步,更多新設(shè)備、新材料、新工藝以及新技術(shù)都將逐漸應(yīng)用于水利水電工程建設(shè)中,以促進(jìn)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展。
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1004-7344(2016)07-0120-02
2016-2-9
姚朝洪(1986-),男,助理工程師,大專,主要從事檢驗(yàn)試驗(yàn)工作。