王櫻畯，趙 琳，劉斯宏

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311122 3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210024)

0 引 言

瀝青混凝土面板堆石壩對(duì)地形地質(zhì)條件的適應(yīng)性能良好，建設(shè)速度快，運(yùn)行安全，投資節(jié)省，容易維修，因此該壩型近幾十年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展。目前，我國(guó)已建、在建抽水蓄能電站已超過(guò)60座，瀝青混凝土面板堆石壩在天荒坪、寶泉、張河灣等抽水蓄能電站工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。

在堆石壩建設(shè)過(guò)程中，早期的200 m級(jí)高堆石壩沿用100 m級(jí)壩的經(jīng)驗(yàn)，在施工期或運(yùn)行期出現(xiàn)了墊層料坡面裂縫、壩體沉降變形大和面板破壞等問(wèn)題[3]。根據(jù)以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)確定的壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)不合適，密實(shí)程度偏低，整體變形過(guò)大是出現(xiàn)問(wèn)題的重要原因之一。因此，對(duì)于150 m以上的高堆石壩，控制上、下游堆石料的壓縮模量差，保證其變形協(xié)調(diào)是非常必要的。

某抽水蓄能電站上水庫(kù)主壩最大壩高182.3 m，為世界最高的瀝青混凝土面板堆石壩。在招標(biāo)設(shè)計(jì)和施工圖階段，分別開(kāi)展了下游堆石料碾壓試驗(yàn)研究，根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)提出的堆石孔隙率及施工參數(shù)，為工程順利施工及控制大壩變形提供了依據(jù)[4-7]。

本文全面闡述了某在建抽水蓄能電站的上水庫(kù)主壩下游堆石料碾壓試驗(yàn)開(kāi)展情況及成果分析，總結(jié)了其不同于其他工程的特點(diǎn)。

圖1 上水庫(kù)主壩壩體分區(qū)典型斷面(單位：m)

1 上水庫(kù)工程布置

上水庫(kù)流域面積約0.63 km2，由主壩、副壩和庫(kù)周山嶺圍成。正常蓄水位267.00 m，死水位239.00 m，總庫(kù)容1 748萬(wàn)m3，有效庫(kù)容1 577萬(wàn)m3。主、副壩壩型均為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程272.40 m，主壩最大壩高182.30 m，壩頂長(zhǎng)度811.45 m，壩頂寬度10.0 m。

庫(kù)盆由一庫(kù)底大平臺(tái)及庫(kù)周1∶1.7坡比的開(kāi)挖坡形成，平臺(tái)高程237.00 m。開(kāi)挖后采用“庫(kù)岸瀝青混凝土面板+庫(kù)底土工膜”防滲。上水庫(kù)沿庫(kù)周設(shè)庫(kù)岸公路，路面高程272.40 m，路面寬7.5 m，總長(zhǎng)約3.0 km(含壩頂公路)。

2018年10月，電站主體工程土建標(biāo)正式開(kāi)工，2021年12月，大壩已填筑至230.0 m高程。

2 上水庫(kù)主壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 壩體分區(qū)

上水庫(kù)主壩壩體上游面坡比1∶1.7，采用瀝青混凝土面板防滲，下游面240 m高程以上坡比為1∶1.9，以下1∶1.8，下游壩坡每隔35 m設(shè)一級(jí)寬3 m的馬道。下游壩坡均采用“混凝土框格梁+草皮”護(hù)坡。

大壩壩體填筑材料分成墊層區(qū)、過(guò)渡區(qū)、上、下游堆石區(qū)等。墊層區(qū)及過(guò)渡區(qū)坡比均為1∶1.7，水平寬3.0、5.0 m。上、下游堆石區(qū)之間分界坡比為1∶0.4(傾向下游)。

大壩瀝青混凝土面板與庫(kù)底土工膜之間采用混凝土連接板銜接，連接板頂高程237.00 m。連接板以下的壩體分區(qū)為反濾料、過(guò)渡料及上、下游堆石料。反濾料、過(guò)渡料水平寬度分別為2、3 m。

為保證壩體排水，在下游堆石料下部設(shè)置堆石排水層，岸坡部位厚3.0～5.0 m，河床部位厚8.0 m。壩體分區(qū)見(jiàn)圖1。

2.2 筑壩材料

上水庫(kù)主壩共需填筑料約1 642萬(wàn)m3，庫(kù)底填筑1 124萬(wàn)m3。根據(jù)土石方平衡規(guī)劃，主壩下游堆石料采用上水庫(kù)庫(kù)盆B區(qū)石料場(chǎng)開(kāi)采的弱、微風(fēng)化白云巖與蝕變閃長(zhǎng)玢巖的混合料填筑，玢巖含量不超過(guò)33%。弱～微風(fēng)化白云巖類飽和抗壓強(qiáng)度為30～60 MPa，干密度為2.71～2.76 g/cm3，為中硬巖，平均軟化系數(shù)0.66～0.71，不易軟化，巖石質(zhì)量良好；閃長(zhǎng)玢巖脈開(kāi)挖巖體多呈強(qiáng)～弱風(fēng)化，物理力學(xué)性質(zhì)差，巖脈易蝕變、崩解，強(qiáng)風(fēng)化巖飽和抗壓強(qiáng)度5～10 MPa，弱風(fēng)化巖25～40 MPa。

3 招標(biāo)設(shè)計(jì)階段碾壓試驗(yàn)

參考其他工程壩料填筑碾壓試驗(yàn)[8-11]，開(kāi)展了本工程的招標(biāo)設(shè)計(jì)階段碾壓試驗(yàn)。2016年6月～8月，在上水庫(kù)庫(kù)盆外靠北面的一塊場(chǎng)地上，開(kāi)展4大場(chǎng)共計(jì)18小場(chǎng)的下游堆石料碾壓試驗(yàn)，每個(gè)小場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)面積為10 m×6 m(長(zhǎng)×寬)。試驗(yàn)堆石料由附近石料爆破開(kāi)采得到的弱～微風(fēng)化白云巖與閃長(zhǎng)玢巖按不同比例摻配而成，挖掘機(jī)拌料。

加水：在鋪料平整完成并用靜碾兩遍后，用軟水管在其表面人工均勻?yàn)⑺?/p>

碾壓：采用26t自行式振動(dòng)平碾碾壓，進(jìn)退搭接法，相鄰兩條帶碾跡重疊10～15 cm，碾壓行駛速度2～3 km/h。鋪料平整后，先靜碾2遍，然后按試驗(yàn)規(guī)定的遍數(shù)進(jìn)行振動(dòng)碾壓。碾壓試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 下游堆石料碾壓試驗(yàn)成果匯總

試驗(yàn)表明，下游堆石采用白云巖摻33%～60%全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖，在鋪料厚度1 m及適量加水情況下，碾壓6～8遍后能夠達(dá)到孔隙率小于18%的設(shè)計(jì)要求。

實(shí)際碾壓過(guò)程中，顆粒破碎現(xiàn)象不明顯，碾壓前后顆粒級(jí)配變化不大，見(jiàn)圖2。

圖2 上水庫(kù)主壩下游堆石料碾壓前后級(jí)配曲線

堆石料的沉降與碾壓遍數(shù)和加水量密切相關(guān)。總體規(guī)律為隨著碾壓遍數(shù)和加水量的增加，沉降逐漸增大并趨于穩(wěn)定。碾壓10 遍后最大沉降達(dá)11.3 cm。

原位滲透試驗(yàn)表明，33%～60%全風(fēng)化玢巖摻量的下游堆石料滲透系數(shù)在10-5cm/s量級(jí)，透水性較差。

現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)表明，不同摻量全風(fēng)化玢巖的試驗(yàn)料抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化范圍為c=11～31.66 kPa，φ=34.98°～42.76°。

4 施工圖階段現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)

施工圖階段開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)，2018年10月～11月，在上水庫(kù)主壩下游的場(chǎng)地上開(kāi)展3大場(chǎng)共計(jì)7小場(chǎng)的下游堆石料碾壓試驗(yàn)，每個(gè)小場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)面積為15 m×6 m(長(zhǎng)×寬)，兩試驗(yàn)區(qū)之間預(yù)留2～3 m的過(guò)渡區(qū)，長(zhǎng)度方向前后各預(yù)留8～10 m的施工錯(cuò)碾?yún)^(qū)。下游堆石料采用上水庫(kù)B區(qū)石料場(chǎng)開(kāi)采的弱、微風(fēng)化白云巖與不大于33%的蝕變閃長(zhǎng)玢巖混合料。

本次試驗(yàn)采用反鏟裝料、自卸車裝卸，在各試驗(yàn)條帶范圍線內(nèi)，采用“進(jìn)占法”鋪料、推土機(jī)整平。碾壓設(shè)備采用YZ32Y2型32t大型自行式振動(dòng)碾，激振力680 kN。

加水：灑水量是指白云巖的灑水量，碾壓前在層面上一次性灑水，采用固定用水量方法，按堆石體體積百分率計(jì)算。玢巖不灑水，與灑水后的白云巖混合均勻。

碾壓：采用進(jìn)退搭接法，相鄰兩條帶碾跡重疊15～20 cm，碾壓行駛速度為2～3 km/h。碾壓試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)表明，下游堆石采用白云巖摻5%～33%全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖，在壓實(shí)厚度0.8 m及適量加水情況下，碾壓8遍后能夠達(dá)到孔隙率小于18%的設(shè)計(jì)要求。

表2 下游堆石料現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)成果匯總

碾壓前后顆粒級(jí)配見(jiàn)圖3。

圖3 下游堆石料碾壓后級(jí)配曲線(部分場(chǎng)次)

堆石料的沉降與碾壓遍數(shù)密切相關(guān)。碾壓10 遍后最大沉降達(dá)8.5 cm，沉降率10.6%。

5 下游堆石料碾壓試驗(yàn)成果分析

本工程上水庫(kù)主壩高達(dá)182.3 m，壩體工作應(yīng)力高，因此應(yīng)按照高堆石壩要求，保證堆石體碾壓密實(shí)，同時(shí)嚴(yán)格控制上、下游堆石區(qū)壓縮模量差，確保壩體各區(qū)變形協(xié)調(diào)。對(duì)下游堆石料碾壓深入開(kāi)展碾壓試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)，確定施工參數(shù)是非常必要的。

5.1 控制指標(biāo)

下游堆石料的顆分級(jí)配曲線表明，小于5 mm顆粒含量20%～30%，大于5 mm顆粒含量超過(guò)70%，因此應(yīng)按照堆石體的控制指標(biāo)(孔隙率)來(lái)評(píng)價(jià)其壓實(shí)程度。從實(shí)際施工考慮，鋪層厚度宜與上游堆石料同厚度，以方便施工。

謝臘德認(rèn)為，填筑質(zhì)量控制主要是施工參數(shù)的控制，壓實(shí)度檢查是作為施工記錄及調(diào)整施工參數(shù)依據(jù)?？紤]到本工程下游堆石區(qū)料源較復(fù)雜，混合料中的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖含量時(shí)多時(shí)少，同時(shí)開(kāi)采、運(yùn)輸、卸料及填筑過(guò)程中也存在不均勻現(xiàn)象，應(yīng)按照“孔隙率+施工參數(shù)” 雙指標(biāo)控制的原則，進(jìn)行下游堆石區(qū)填筑料施工。

5.2 碾壓機(jī)具選擇

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，碾壓試驗(yàn)采用26 t振動(dòng)碾，碾壓8遍及以上時(shí)，孔隙率均小于18%。由于受取料條件限制，料源不是取自上水庫(kù)B區(qū)石料場(chǎng)，而是采用工程區(qū)內(nèi)同樣巖性的石料摻配，其成果會(huì)與工程實(shí)際存在一定偏差。

施工圖階段碾壓試驗(yàn)表明，當(dāng)采用32 t大型振動(dòng)碾碾壓8遍后，可以達(dá)到孔隙率小于18%的設(shè)計(jì)要求。若采用26 t振動(dòng)碾，則需碾壓10～12遍才能滿足設(shè)計(jì)要求?？紤]到上水庫(kù)大壩填筑為本工程關(guān)鍵線路，堆石碾壓進(jìn)度對(duì)工期影響很大，從經(jīng)濟(jì)合理性方面分析，采用32 t振動(dòng)碾、盡量減少碾壓遍數(shù)更加合理可行。同時(shí)，32 t振動(dòng)碾碾壓8遍后，堆石破碎率在5%～8%范圍，碾壓前后的級(jí)配曲線變化不大，說(shuō)明采用32 t振動(dòng)碾是合適的。

5.3 碾壓遍數(shù)

招標(biāo)設(shè)計(jì)、施工圖階段的下游堆石料碾壓遍數(shù)與孔隙率關(guān)系見(jiàn)圖4、圖5。由圖4、5可知，當(dāng)層厚80～100 cm時(shí)，大型振動(dòng)碾碾壓8遍以上，孔隙率均小于18%，符合設(shè)計(jì)要求。為保證壩體變形可控，根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，設(shè)計(jì)指標(biāo)孔隙率最終調(diào)整為小于17.6%。當(dāng)混合料中的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖含量較大甚至接近33%時(shí)，由于堆石體中細(xì)顆粒較多，顆粒之間的孔隙填充較好，較易滿足設(shè)計(jì)孔隙率要求。當(dāng)混合料中的全、強(qiáng)風(fēng)化玢巖含量較小時(shí)，孔隙率是否偏大是一個(gè)待研究的問(wèn)題，為此施工圖階段開(kāi)展了玢巖含量5%的堆石料碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)成果表明，當(dāng)玢巖含量5%時(shí)，其堆石孔隙率甚至比玢巖含量33%時(shí)更小，分析認(rèn)為這可能是由于取料偏差所致，但也說(shuō)明了此種混合料的復(fù)雜性。

圖5 下游堆石料碾壓遍數(shù)與孔隙率關(guān)系對(duì)比(施工圖階段)

5.4 沉降率

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段和施工圖階段的堆石料壓實(shí)最大沉降率均在11%左右，其極值呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

下游堆石料的壓實(shí)沉降率隨碾壓遍數(shù)增加而增大，隨著碾壓遍數(shù)遞增，不同碾壓遍數(shù)的沉降率呈遞減趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。施工圖階段碾壓試驗(yàn)表明，當(dāng)碾壓8遍時(shí)，沉降率達(dá)到10%左右，已基本趨于穩(wěn)定，再繼續(xù)增加遍數(shù)，沉降率已無(wú)明顯變化，且玢巖摻量33%比5%的沉降量要大。

圖6 碾壓遍數(shù)與沉降率關(guān)系(招標(biāo)設(shè)計(jì)、施工圖階段)

對(duì)于高堆石壩來(lái)說(shuō)，不僅要重視孔隙率要求，也要關(guān)注沉降率。最終選擇的施工參數(shù)，應(yīng)使沉降率趨于穩(wěn)定，從而降低大壩后期變形。

5.5 灑水量及灑水方式

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，針對(duì)灑水量開(kāi)展了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)成果表明，當(dāng)加水量小于10%時(shí)，經(jīng)過(guò)10遍碾壓的下游堆石料碾壓效果優(yōu)于碾壓8遍的堆石料；而當(dāng)加水量等于10%時(shí)，10遍的碾壓效果反而次于8遍的碾壓效果，呈現(xiàn)出“灑水量越大，越碾質(zhì)量越差”的規(guī)律，見(jiàn)圖7。主要原因是堆石中摻了細(xì)料玢巖料，降低了堆石料的滲透性，在振動(dòng)作用下孔隙水壓力提高，降低了有效應(yīng)力，從而弱化了碾壓質(zhì)量。

圖7 孔隙率與灑水量關(guān)系

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段試驗(yàn)時(shí)，采用先靜碾后灑水的灑水方式，靜碾后在碾壓層表面形成了一薄層不透水層，水沉積在碾壓層表面，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)碾壓困難的狀況。施工圖階段試驗(yàn)時(shí)，采用灑水后的白云巖料與不灑水的玢巖料混合均勻，進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。這在石料開(kāi)采過(guò)程中是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)锽區(qū)開(kāi)采料一旦裝車就是混合料。后來(lái)大壩剛開(kāi)始填筑時(shí)，采用在壩面灑水的方式，發(fā)現(xiàn)施工倉(cāng)面起漿，碾壓施工難以進(jìn)行。

因此，考慮下游堆石料不同于其他工程的特殊性，施工中應(yīng)嚴(yán)格控制灑水量，采用合理的灑水方式。由于下游堆石料中的玢巖含量高，滲透系數(shù)小，過(guò)量灑水會(huì)適得其反。灑水方式上，若在壩面灑水，不僅難以均勻，也會(huì)使水集中于壩面，難以下滲，使得表層起漿，造成碾壓施工困難。因此，大壩填筑過(guò)程中，混合料在加水站加水，并嚴(yán)格控制加水量。

5.6 施工參數(shù)及施工措施

根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，確定下游堆石料的施工參數(shù)為采用32 t大型振動(dòng)碾，壓實(shí)厚度80 cm，碾壓遍數(shù)8遍，灑水量5%～10%，行車速度2～3 km/h，控制孔隙率小于17.6%(原設(shè)計(jì)18%)。

下游堆石料全強(qiáng)風(fēng)化玢巖含量不超過(guò)33%，為確保玢巖不局部集中，采取合理可行的施工管理措施，比如石料場(chǎng)采用立采的開(kāi)采方式，并在裝車及攤鋪過(guò)程中，讓白云巖與玢巖充分混合均勻，大于5 mm的粗顆粒形成堆石骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)大壩安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。

5.7 現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，針對(duì)白云巖中摻微、弱風(fēng)化玢巖，以及摻全風(fēng)化玢巖分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，不同摻量全風(fēng)化玢巖試驗(yàn)料抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化范圍為c=11～31.66 kPa，φ=34.98°～42.76°，見(jiàn)圖8。白云巖中摻微、弱風(fēng)化玢巖試驗(yàn)料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)范圍為c=0.3～19.5 kPa，φ=38.18°～41.01°。由圖8可知，下游堆石料中摻入全風(fēng)化玢巖，抗剪強(qiáng)度并未降低，粘聚力c值反而有所提高。這充分說(shuō)明，目前的下游堆石料，摻入33%～60%玢巖料后，其力學(xué)指標(biāo)有所提高，粗顆粒已形成骨架結(jié)構(gòu)，粗顆粒之間由細(xì)顆粒填充密實(shí)，因此具有更高的粘聚力，這對(duì)壩坡穩(wěn)定是有利的。

圖8 下游堆石料抗剪強(qiáng)度線

6 下游堆石料填筑施工情況

2019年1月，進(jìn)行上水庫(kù)主壩下游堆石料填筑施工。根據(jù)填筑料檢測(cè)資料，堆石體級(jí)配連續(xù)，總體在合理范圍，見(jiàn)圖9，取樣檢測(cè)孔隙率均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)17.6%的要求，說(shuō)明根據(jù)碾壓試驗(yàn)所確定的施工參數(shù)是合理的。

圖9 下游堆石料填筑碾壓后級(jí)配曲線

7 結(jié) 語(yǔ)

某抽水蓄能電站上水庫(kù)主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，工程規(guī)模大，技術(shù)難度高。在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段和施工圖階段，分別開(kāi)展了下游堆石料碾壓試驗(yàn)研究。根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)孔隙率指標(biāo)及施工參數(shù)，保證了工程順利施工。

在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，選擇上水庫(kù)附近的一塊場(chǎng)地開(kāi)展碾壓試驗(yàn)，所用白云巖石料、玢巖料均取自庫(kù)盆外，且為按照一定比例人工摻配，料源與施工圖階段取自庫(kù)盆B區(qū)石料場(chǎng)的白云巖與玢巖的混合料相比，具有一定的差異性，因此2個(gè)階段的試驗(yàn)成果比如孔隙率等可比性較差。但仍可以發(fā)現(xiàn)一些共性的規(guī)律，如碾壓8遍后孔隙率均小于18%的設(shè)計(jì)指標(biāo)，每層最大沉降率基本上在11%左右，灑水超過(guò)10%時(shí)，會(huì)造成倉(cāng)面起漿、施工困難等。

對(duì)于高堆石壩來(lái)說(shuō)，采用重型碾壓設(shè)備進(jìn)行大壩碾壓施工，可大大提高施工效率，較好地控制大壩變形，保證大壩填筑質(zhì)量。當(dāng)下游堆石料中全、強(qiáng)風(fēng)化料含量較高時(shí)，為確保全、強(qiáng)風(fēng)化料不局部集中，采取合理可行的施工管理措施，對(duì)大壩安全運(yùn)行非常關(guān)鍵。采用“孔隙率+施工參數(shù)”雙指標(biāo)控制的原則，在加水站適量加水，對(duì)于復(fù)雜料源的堆石料應(yīng)用是非常有必要的。