(中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司，西安 710061)

1 概 述

目前，我國已建、在建的超高堆石壩水電工程中，糯扎渡、長河壩已經(jīng)建成，兩河口正在進(jìn)行大壩填筑，雙江口尚未進(jìn)行主體工程施工。超高堆石壩壩高一般大于200m，技術(shù)難度大，我國在建的高堆石壩壩高已完成200m向300m的跨越。就超高堆石壩核心技術(shù)——心墻料的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)而言，盡管糯扎渡、長河壩、兩河口等水電工程取得了一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗，但因需要專題研究的技術(shù)問題多，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范無法有效涵蓋，尚未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及方法。

目前國內(nèi)超高堆石壩均在現(xiàn)有規(guī)范基礎(chǔ)上提出各自的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，不同工程不盡一致，但都嚴(yán)格遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。自瀑布溝工程開始，行業(yè)內(nèi)對摻礫土料的摻配方法與摻配工藝進(jìn)行了深入的研究，目前這一研究仍在進(jìn)行中。

P5含量(指大于5mm顆粒含量)是心墻摻礫土料關(guān)鍵技術(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)之一。土料中摻入一定比例的礫石料(P5含量)可改善和提高土料最大干密度、提高抗變形指標(biāo)以及抗剪強(qiáng)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[1]。 但P5含量偏小起不到土料改性的作用，偏大則造成骨料集中宜產(chǎn)生滲流通道，因此P5含量的波動對壩體填筑質(zhì)量至關(guān)重要。本文總結(jié)和分析近年來在建、已建的超高堆石壩摻礫土料的研究成果，提出摻礫土料的摻配工藝，為在建和擬建超高堆石壩摻礫土料的鋪料、摻配工藝提供借鑒。

2 摻礫石土料工藝及質(zhì)量控制

2.1 糯扎渡水電工程

2.1.1 工程簡介

糯扎渡心墻堆石壩壩高261.5m，其壩頂高程821.5m，寬18m，長627.87m；大壩總填量3360萬m3，心墻礫石土468萬m3，水庫庫容為237.03億m3，電站裝機(jī)容量585萬kW(9×650MW)。

2.1.2 摻拌設(shè)備選型

糯扎渡采用設(shè)備為PC1000、6m3正鏟配合4m3正鏟，以原地?fù)桨璧姆绞竭M(jìn)行摻礫石土料制備。

2.1.3 摻礫土料摻配流程

心墻礫石土料摻配采用天然混合土料與人工骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的礫石料按照重量比摻配而成，摻配比例為土料∶礫料=65∶35。同時為快速循環(huán)利用，且有效控制備料質(zhì)量，將一個大料倉劃分為4個區(qū)域小料倉，倉與倉之間采用砂漿砌石擋墻隔開(砌石高度高于備料高度)，避免混倉，同時有利于混合料與礫料間層厚控制。主要摻配工藝如下：

a.對摻配料料源質(zhì)量進(jìn)行檢測。

b.根據(jù)現(xiàn)場試驗確定互層鋪料的厚度，礫石料固定為50cm、土料110cm。

c.料倉鋪料時鋪料順序為：第一層鋪礫石料(厚50cm)，第二層鋪土厚度通過計算(厚110cm)，依次互鋪三層。

d.每層料推土機(jī)平倉后采用5m×5m網(wǎng)格測量，誤差控制在5cm以下。

e.摻配料鋪筑完成后采用正鏟挖機(jī)立采混摻三遍(見圖1)。

圖1 摻礫石土料混摻工藝

2.2 長河壩水電工程

2.2.1 工程簡介

長河壩心墻堆石壩壩高240m，其壩頂高程1697.0m，長502m；大壩總填量3417萬m3，心墻土料428.3萬m3，水庫庫容為10.75億m3，電站裝機(jī)容量260萬kW。

2.2.2 摻拌設(shè)備選型

礫石土料摻拌設(shè)備選擇及參數(shù)見表1。

表1 礫石土料摻拌設(shè)備及參數(shù)

2.2.3 填筑料劃分區(qū)域

料場合格料區(qū)(30%50%)和細(xì)料區(qū)(P5<30%)。從粗料區(qū)選取偏下包線粗樣與細(xì)料區(qū)偏下包線的細(xì)料進(jìn)行質(zhì)量比摻配。

2.2.4 鋪料厚度計算方法

鋪料時P5含量按40%中值控制，鋪料過程遵循先粗料后細(xì)料的原則進(jìn)行循環(huán)鋪料，先固定粗料鋪料厚度0.5m，細(xì)料鋪料厚度根據(jù)粗、細(xì)料質(zhì)量比6∶4進(jìn)行計算。通過對粗料顆分及干密度檢測，計算下層細(xì)料鋪料厚度和驗證粗料含粒量，其計算公式如下：

H細(xì)=H粗(p粗·4/p細(xì)·6)

式中H粗——摻配料粗料鋪料厚度，按0.5m進(jìn)行鋪料；

H細(xì)——為摻配料細(xì)料鋪料厚度，按上述公式進(jìn)行計算；

p粗——摻配料粗料干密度加權(quán)平均值；

p細(xì)——摻配料細(xì)料干密度加權(quán)平均值。

2.2.5 摻礫土料摻配流程

由于長河壩土料場粗、細(xì)料各指標(biāo)變化幅度較大，需采取動態(tài)調(diào)整摻配比例的方法，因此固定粗料鋪料厚度，結(jié)合上述計算細(xì)料鋪料厚度，摻配工藝如下：

固定粗料鋪料厚度；計算細(xì)料鋪料厚度。

粗、細(xì)料互鋪，測量網(wǎng)格點(diǎn)5m×5m控制鋪料厚度，直至鋪料高度滿足摻配設(shè)備的經(jīng)濟(jì)作業(yè)高度。

采用正鏟將土料從底部到頂部薄層一次摻配，反鏟挖掘機(jī)配合后均勻摻配的方法。

長河壩根據(jù)6∶4質(zhì)量比固定粗料鋪料厚度0.5m，通過檢測粗料干密度，計算細(xì)料鋪料厚度基本在0.45m(動態(tài)調(diào)整)，摻礫石土料總厚度不超過5m。

經(jīng)試驗驗證摻配遍數(shù)達(dá)到4遍后摻礫石土料均質(zhì)性達(dá)到最優(yōu)，其中正鏟一遍、反鏟三遍。

2.3 兩河口水電工程

2.3.1 工程簡介

兩河口心墻堆石壩壩高295m，其壩頂高程2875.0m，長668m，寬16m；大壩總填量約4000萬m3，心墻土料約441.14 萬m3、黏土料約17.96萬m3；水庫庫容為101.5億m3，電站裝機(jī)容量300萬kW。

2.3.2 摻拌設(shè)備選型

表2 礫石土料摻拌設(shè)備及參數(shù)

2.3.3 摻配土料

兩河口礫石土料與糯扎渡礫石土料，從料源生產(chǎn)加工到制備具有非常相似之處。兩河口摻配的三種土料，一類土與糯扎渡土料場混合土料(存在個別大孤石，易于剔除)較為接近，P5含量基本上在0%～10%，礫石土料同樣采用加工系統(tǒng)生產(chǎn)的摻礫碎石與土料(一類)進(jìn)行4∶6(糯扎渡35∶65)的重量比進(jìn)行摻配。

2.3.4 鋪料厚度計算方法

固定礫石料0.5m，計算土料鋪料厚度，計算公式如下：

H土=H礫×ρ礫×6/ρ土×4

式中H礫——摻配料礫石料鋪料厚度；

H土——摻配料土料鋪料厚度，按照上述公式進(jìn)行計算；

ρ礫——摻配料礫石料干密度加權(quán)平均值；

ρ土——摻配料土料干密度加權(quán)平均值。

通過礫、土密度計算，兩河口亞中A區(qū)一類土鋪料厚度基本在0.83m(動態(tài)調(diào)整，見表3)。

表3 正鏟摻配鋪料厚度計算

2.3.5 摻礫土料摻配流程

固定礫料和土料鋪料厚度。土料鋪料厚度根據(jù)摻礫碎石、土料干密度、P5含量指標(biāo)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。主要摻配工藝與長河壩摻拌工藝類似，先采用正鏟從底部到頂部薄層一次摻配，反鏟挖機(jī)配合倒運(yùn)摻拌的方式，互鋪三層(礫石土料采用進(jìn)占法、土料采用后退法)，共摻拌三次。

3 摻拌成果分析

3.1 糯扎渡

料源混合土料試驗成果見表4，摻礫碎石試驗結(jié)果見表5，摻拌三遍后摻礫石土料見表6、圖2。

表4 料源混合土顆粒分析試驗結(jié)果

表5 摻礫用碎石篩分結(jié)果

表6 摻礫石土料摻拌三遍后各級篩余量

續(xù)表

圖2 摻拌3遍土料顆粒級配曲線

3.2 長河壩

粗細(xì)料摻拌前試驗結(jié)果見表7，摻拌4遍后試驗成果見表8，典型曲線見圖3。

表7 粗細(xì)料摻拌前試驗成果

圖3 摻拌4遍土料顆粒級配曲線

粒徑/mm15010080604020105210.50.250.0750.050.0240.010.0050.002小于該孔徑質(zhì)量百數(shù)/%10089.2 82.1 80.0 67.3 55.9 48.9 44.3 38.5 36.5 33.4 31.6 29.5 27.0 20.5 14.6 10.7 4.4 10087.1 78.6 73.6 62.6 54.0 47.5 43.7 38.1 36.3 33.4 31.9 30.1 26.4 20.0 14.0 10.5 4.9 10085.0 76.3 71.6 62.8 53.4 45.6 41.0 35.5 33.8 30.9 28.8 27.4 25.6 20.6 12.9 9.2 5.2 10093.6 91.9 88.1 79.8 68.1 59.8 54.8 47.2 44.4 41.3 39.3 37.1 33.8 25.8 16.6 12.0 5.2 10091.7 86.4 81.6 69.3 57.7 50.1 45.8 39.4 37.2 34.5 32.7 30.9 27.7 20.6 15.4 10.3 4.7 10087.0 81.9 75.0 66.3 57.5 50.3 47.2 41.1 38.6 35.4 33.9 32.0 29.2 22.3 14.8 10.1 5.3

3.3 兩河口

土料摻拌前試驗成果見表9，礫石料生成過程中試驗成果見表10，不同設(shè)備、摻配遍數(shù)、摻配方式情況下P5、粉粒(0.075mm)含量波動見圖4、圖5。

表9 土料摻配前料源檢測級配情況

表10 礫石料生產(chǎn)過程中料源檢測級配情況

圖4 不同設(shè)備、摻配遍數(shù)、摻配方式情況下P5含量波動關(guān)系

圖5 不同設(shè)備、摻配遍數(shù)、摻配方式情況下粉粒含量波動關(guān)系

4 試驗成果分析

從上述試驗成果分析可知，采用不同的摻拌施工工藝，摻礫土料的質(zhì)量均能滿足要求，但不同的工程需要專項試驗進(jìn)行驗證。

4.1 糯扎渡摻拌方式

優(yōu)點(diǎn)：采用大型6m3正鏟摻拌效率較高；摻拌完成后裝車效率高；采用正鏟可有效控制底部礫料的摻拌厚度及質(zhì)量控制；料場可利用空間大，同時在雨季施工時，可達(dá)到邊摻拌邊上壩，避免完全摻拌后，易被雨水浸泡、冬季上部土易受凍等問題。

缺點(diǎn)：需加強(qiáng)現(xiàn)場質(zhì)量控制，監(jiān)督摻拌遍數(shù)達(dá)到工藝要求，目前此問題可以通過數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到質(zhì)控效果。

4.2 長河壩摻拌方式

優(yōu)點(diǎn)：由于長河壩土料特性的原因，采用正鏟或反鏟均能滿足摻配試驗預(yù)期目標(biāo)，對底部料摻拌控制影響因素略小些，采用正鏟或反鏟各摻三遍的倒運(yùn)摻拌方式可有效控制摻礫料的上壩質(zhì)量。

缺點(diǎn)：需有較大場地供礫石土料倒運(yùn)摻拌，同時易失水，冬季施工保溫較困難。

4.3 兩河口摻拌方式

優(yōu)點(diǎn)：通過采用倒摻的方式，正鏟摻第一遍、反鏟配合摻拌第二、三遍可達(dá)到摻拌較均的質(zhì)量控效果，此種摻拌方式可確保摻拌遍數(shù)，保證摻拌質(zhì)量。

缺點(diǎn)：兩河口與長河壩土料性質(zhì)有所不同，采用反鏟不易控制底部倉面的平整度；正鏟設(shè)備偏小，不能將三互層礫料由底部一次兜起，增加后續(xù)摻拌質(zhì)量強(qiáng)度；結(jié)合兩河口明顯的冬雨季特點(diǎn)，倒運(yùn)摻拌不利于雨季防水、冬季保溫的特點(diǎn)，同時倒運(yùn)摻拌占地面積大，備料效率略低。

5 結(jié) 語

目前，國內(nèi)在建、已建的超高堆石壩工程質(zhì)量尤為重要，每個工程使用的材料具有不同的特性、施工場地、地理環(huán)境及人文環(huán)境，應(yīng)選取適合本工程的摻拌工藝，建議礫石與土料的摻拌采用正鏟大型設(shè)備(6m3左右)進(jìn)行摻拌，可確保底部礫料水平開采，且倉面平整，直接裝車可提高生產(chǎn)效率，節(jié)約摻拌用地；對于粗礫土與細(xì)礫土的摻拌，建議優(yōu)先選用正鏟，在結(jié)合現(xiàn)有施工場地及設(shè)備條件下應(yīng)考慮采用反鏟配合摻拌施工。

注：瀑布溝(186m)、糯扎渡(261.5m)、長河壩(240m)、兩河口(295m)、雙江口(314m)。