張建博，葛小博，鄭 星，段興林，王道明

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

礫石土經(jīng)碾壓后一般可獲得較高的壓實密度及抗剪強度、較低的壓縮性，已在土石壩工程中被廣泛地用作防滲材料[1-2]。高壩采用礫石土作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，但受地理、地質(zhì)等條件限制，很多地區(qū)的天然土料不能同時滿足高壩防滲與抗剪性能要求，需對心墻土料的級配等進行改善以提高其工程特性[3-7]。

礫石防滲土料的級配調(diào)整方式主要有以下幾種：一是以已建Nurek大壩(300m)、Tehri大壩(260.5m)[8-9]、糯扎渡大壩(261.5m)和在建兩河口大壩(295m)、雙江口大壩(314m)為代表的偏細(xì)土料中摻入粗粒料[10]；二是以已建瀑布溝大壩(216.5m)[11]、長河壩大壩(240m)為代表的天然寬級配礫石料剔除一定粒徑以上的粗粒料；三是以已建長河壩(240m)[12]為代表的不同料區(qū)礫質(zhì)土料混摻工藝。某水電工程攔河大壩為礫石土心墻壩，壩高為300m級，工程選取的防滲土料存在“粗顆粒含量較多、黏粒含量偏少和均勻性較差”的特點，如何解決防滲土料的級配質(zhì)量問題、生產(chǎn)合格的防滲土料對該工程高壩安全至關(guān)重要，更是保障大壩安全運行的關(guān)鍵因素。然而從心墻堆石壩的發(fā)展看，我國的土質(zhì)防滲體心墻堆石壩建設(shè)尚處于積累經(jīng)驗的階段，對心墻土料的級配調(diào)整實踐積累偏少，尚未形成成熟、統(tǒng)一的工藝和設(shè)備。

結(jié)合土料特性和工程設(shè)計指標(biāo)要求，通過篩分、摻和、破碎等土料級配改善措施的比選，提出采用篩分工藝(篩除大于60mm粒徑的顆粒)調(diào)整防滲土料級配、采用混合攪拌工藝解決土料不均勻性的問題。針對相關(guān)改性工藝開展了防滲土料級配調(diào)整現(xiàn)場試驗，相關(guān)成果、設(shè)備技術(shù)參數(shù)等在天然寬級配礫石土的級配調(diào)整和改善工藝研究方面具有一定的意義。

1 現(xiàn)場試驗

1.1 試驗內(nèi)容

某特高堆石壩選用的防滲土料為天然寬級配礫石土，開展的現(xiàn)場級配調(diào)整試驗主要包括篩分試驗和混合攪拌試驗。

篩分試驗包含以下2個階段：①進行篩分設(shè)備篩網(wǎng)尺寸的調(diào)試試驗。根據(jù)室內(nèi)試驗成果，初步擬定60、70、80mm共3組篩網(wǎng)尺寸的試驗，通過測定土料篩前和篩后的顆粒級配、土料獲得率等參數(shù)，對比選擇適應(yīng)本工程土料要求的篩網(wǎng)尺寸。②在確定篩網(wǎng)尺寸后，進行篩分工藝的篩分效率試驗。以確定篩分工藝進行規(guī)模化生產(chǎn)時的生產(chǎn)能力、篩分效率、成品料獲得率。對試驗系統(tǒng)暴露的問題進行分析，進行篩分系統(tǒng)的改進措施研究。

混合攪拌試驗在篩分工藝完全確定后，進行土料的混合攪拌試驗。即將不同開采區(qū)的2種土料經(jīng)過配料機控制比例摻配后進入攪拌機攪拌，分析對比攪拌后土料的級配及均勻性。

1.2 試驗流程

篩分試驗是采用水電工程砂石加工系統(tǒng)的篩分工藝，具體流程為：推土機清表→挖掘機立面開采取料→自卸汽車運輸供料至受料倉→振動棒條給料機(剔除大于200mm的超大粒徑顆粒)→皮帶機供料至振動篩篩分→成品料堆。同時，超徑無用料用皮帶機運輸至棄料堆。篩分試驗的場地布置如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場篩分試驗場地布置

篩分試驗完成篩網(wǎng)尺寸等的確定后，再進行攪拌試驗。具體流程為：裝載機裝料→配料機供料→強力攪拌機攪拌→轉(zhuǎn)運皮帶機→成品料堆。

篩分及攪拌試驗的具體流程示意如圖2所示。

圖2 篩分及攪拌試驗工藝流程示意圖

1.3 試驗設(shè)備

1.3.1計量設(shè)備

(1)現(xiàn)場采用100t地磅進行毛料及篩分后的成品料的稱重計量。

(2)采用PLD4800型混凝土配料機進行定量給料實現(xiàn)不同區(qū)域土料按1∶1摻配攪拌。

1.3.2振動篩

型號3YK2570，3層篩網(wǎng)，分別為60、70、80mm。技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 3YK2570振篩技術(shù)參數(shù)

1.3.3振動棒條給料機

尺寸為4.5m×6m(長×寬)，1套。技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 振動棒條給料機技術(shù)參數(shù)

1.3.4攪拌設(shè)備

WCZ400型攪拌機1臺，額定生產(chǎn)能力400t/h。技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 WCZ400型攪拌機技術(shù)參數(shù)

1.3.5其它設(shè)備

皮帶機(帶寬650mm/800mm、帶速2m/s)、3m3挖掘機、25t自卸汽車、輪式裝載機等。

1.4 土料開采及運輸

根據(jù)土料料源及試驗需要的土料數(shù)量，在土料場選定了2個開采區(qū)域(ⅠA以及ⅠB開采區(qū))?？紤]到土料在平面上和立面上的不均勻性，在ⅠA區(qū)平面上布置了6個開采點，每個開采點按2m一層進行開采，每個開采點開挖4層，開采深度為8m。ⅠB區(qū)平面上布置了2個開采點，每個開采點按2m一層進行開采，每個開采點也開挖4層。開采土料由自卸汽車運輸至篩分受料倉。

2 試驗成果及分析

現(xiàn)場共計完成IA區(qū)、IB區(qū)全級配土料開采、振動篩分26場，約8410t。其中IA區(qū)約5845t、18場，IB區(qū)約2565t、8場。

2.1 土料級配特性分析

2.1.1天然土料(原級配土料)級配

原級配土料的P5含量(大于5mm的顆粒含量)、小于0.075mm顆粒含量、小于0.005mm黏粒含量特征值見表4。

表4 原級配土料特征粒徑含量統(tǒng)計

從天然土料原級配可以看出，天然土料最大粒徑顆粒偏大，P5含量過高，細(xì)粒和黏粒含量偏低，不適宜直接用作特高礫石土心墻壩的心墻防滲土料。

2.1.2成品土料(60mm篩網(wǎng)下土料)級配

(1)成品料(60mm篩網(wǎng)下土料)的顆粒級配

從成品料人工篩分成果來看，ⅠA區(qū)(204組)、ⅠB區(qū)土料(80組)從取樣場地的不同平面位置、不同深度開采的土料，開采區(qū)土料成品料(60mm篩網(wǎng)下土料)的顆粒級配基本滿足設(shè)計要求。ⅠA、ⅠB區(qū)土料篩除60mm以上顆粒后控制性粒徑含量統(tǒng)計見表5。

表5 ⅠA、ⅠB區(qū)土料60mm以下顆粒控制性粒徑含量統(tǒng)計 單位：%

(2)成品料(小于60mm)中大于5mm礫石含量分析

為了解機械篩分后的成品土料5mm以上礫石含量中各粒組礫石相對含量的差異性及礫石級配的連續(xù)性，對機械篩分后成品料中大于5mm部分礫石進行分析。

結(jié)果表明，5mm以上的5個粒組中(大于60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm)，40～20mm粒組礫石所占比例最高。5mm以上礫石級配連續(xù)，未出現(xiàn)某粒組缺失情況，且ⅠA、ⅠB區(qū)土料規(guī)律相似。

2.2 篩網(wǎng)孔徑的選擇及成品土料獲得率

2.2.1篩網(wǎng)孔徑選擇

根據(jù)現(xiàn)場振動篩篩分及人工篩分試驗結(jié)果，采用篩網(wǎng)孔徑分別為80、70、60mm時，篩下部分(成品土料)的IA、IB區(qū)控制性粒徑含量見表6—7。

表6 不同篩網(wǎng)孔徑下ⅠA區(qū)P5、小于0.075mm、小于0.005mm含量統(tǒng)計 單位：%

表7 不同篩網(wǎng)孔徑下ⅠB區(qū)P5、小于0.075mm、小于0.005mm含量統(tǒng)計表 單位：%

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出：ⅠA區(qū)和ⅠB區(qū)土料各篩網(wǎng)下的小于0.075mm顆粒含量、小于0.005mm顆粒含量均能滿足設(shè)計要求，但P5含量不完全滿足要求，篩網(wǎng)孔徑為60mm時，P5含量滿足設(shè)計要求的比例均最優(yōu)，因而成品土料的篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸宜為60mm。

2.2.2成品土料獲得率

成品土料獲得率為選定篩網(wǎng)孔徑下的通過篩網(wǎng)的土料質(zhì)量與總質(zhì)量的百分比。篩網(wǎng)孔徑為60mm時，統(tǒng)計篩分后成品土料的獲得率見表8。

表8 成品土料(小于等于60mm)獲得率

從試驗成果可知，成品土料的獲得率最低為51.2%，最高為81.6%，平均為67.5%，平均值略低于可研勘探大口徑鉆孔取樣室內(nèi)篩分成果(71.6%)。經(jīng)過復(fù)核防滲土料場土料的儲量仍然滿足工程防滲土料設(shè)計需要量的要求。

2.3 篩分損耗分析

土料在經(jīng)過振動篩篩分時，由于網(wǎng)孔堵塞、進料速度、振動篩性能等諸多原因，并不是所有小于篩網(wǎng)孔徑的顆粒都會順利通過篩孔，而會出現(xiàn)小于篩網(wǎng)孔徑的顆粒隨著粗顆粒篩出的現(xiàn)象或者篩下成品料中出現(xiàn)部分超徑顆粒。

2.3.1細(xì)料流失分析

現(xiàn)場振動篩篩網(wǎng)是方孔篩，為分析本篩分系統(tǒng)的細(xì)料流失率，現(xiàn)場試驗人員對孔網(wǎng)尺寸60、70mm的篩網(wǎng)留篩樣進行人工2次篩分，以測試這2個篩網(wǎng)上試樣中所含的小于60mm顆粒含量(損耗量)，試驗成果見表9。

從試驗成果可知，60mm篩網(wǎng)上(留篩試樣粒組60～70mm)含<60mm顆粒占該粒組比例的最小值為10.2%，最大值為37.8%，平均值為24.4%；70mm篩網(wǎng)上(留篩試樣粒組70～80mm)含有<60mm顆粒占該粒組比例的最小值為7.2%，最大值為33.3%，平均值為19.0%。該損耗在60～70mm、70～80mm粒組含量的占比相對較大，但由于該2組粒徑的含量在全料中所占比例較小(分別平均占6.6%和2.9%)，總體而言對成品料(60mm篩網(wǎng)下顆粒)的獲得率影響不大(由于細(xì)料流失獲得率分別降低約1.59%和0.55%)。

2.3.2篩分超徑顆粒分析

對機械振動篩得到的60mm以下成品料取樣進行人工室內(nèi)篩分發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)成品料中還含有60mm以上的超徑顆粒，含量約占4%。該部分超徑顆粒是由于現(xiàn)場采用的方孔篩篩網(wǎng)形式與室內(nèi)篩分所采用的圓孔土工篩不同所致。超徑顆粒所占含量較小，對成品料的P5含量影響較小，增加值為2%左右。見表10。

表10 小于60mm成品土料超徑顆粒含量統(tǒng)計(P5理論值和實測值比較) 單位：%

2.4 攪拌試驗成果分析

根據(jù)土料篩分試驗的級配成果，分別對ⅠA區(qū)土料、ⅠA和ⅠB區(qū)土料各進行了1場攪拌試驗。IA區(qū)、IA區(qū)+IB區(qū)2次攪拌試驗前后的級配如圖3—4所示。

圖3 ⅠA區(qū)攪拌試驗級配變化

圖4 ⅠA區(qū)+ⅠB區(qū)攪拌試驗級配變化

從攪拌試驗的成果可知，對于級配(主要是P5含量)相差較大的2類土料，攪拌可以顯著的改善其級配，攪拌后土料的級配趨于粗細(xì)料的平均值。

前期室內(nèi)試驗工作認(rèn)為ⅠA區(qū)篩分后級配指標(biāo)完全滿足設(shè)計要求，工藝設(shè)計不考慮ⅠA區(qū)攪拌，僅考慮ⅠA和ⅠB區(qū)土料混合攪拌。但考慮到ⅠA區(qū)不均勻，鑒于攪拌對改善土料均勻性效果較好，實施簡單、費用增加不多，建議實施階段對ⅠA區(qū)不同開挖面的土料也考慮混合攪拌。

3 級配調(diào)整工藝的改進

現(xiàn)場篩分試驗過程中暴露了一些超出原設(shè)計方案的問題和現(xiàn)象，針對不同的問題現(xiàn)場進行了及時改進和調(diào)整，使得篩分工藝及設(shè)備更好的滿足了試驗要求。

3.1 振動篩篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式

3.1.1問題分析

現(xiàn)場振動篩分設(shè)備經(jīng)測算，正常運轉(zhuǎn)時能滿足設(shè)計處理能力，但振動篩易出現(xiàn)篩孔堵塞現(xiàn)象，即振動篩的方孔篩網(wǎng)網(wǎng)孔易被碎(礫)石堵塞，從而出現(xiàn)細(xì)顆粒隨著粗礫流失的現(xiàn)象。在正常天氣條件下，篩分系統(tǒng)每篩分5車(約250t)天然含水率狀態(tài)下的土料即需對篩網(wǎng)進行一次人工清理。

現(xiàn)場篩分試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)篩分土料達(dá)到一定數(shù)量后，3層篩網(wǎng)都會出現(xiàn)不同程度的堵塞，具體表現(xiàn)為粗顆?？ㄈ刖W(wǎng)孔中，較小的顆粒再填充其間。當(dāng)篩網(wǎng)被堵塞后，細(xì)顆粒不能自如穿過篩孔，進而被粗顆粒夾帶出現(xiàn)在輸送粗顆粒的皮帶上。當(dāng)出現(xiàn)篩孔堵塞現(xiàn)象后，必須人工進行清理。此時篩分工作必須暫停，清理篩網(wǎng)時間約2～3h/次，從而影響了篩分效率。

3.1.2解決措施

(1)更換篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式：鑒于初始采購的篩分系統(tǒng)篩網(wǎng)易出現(xiàn)堵塞的情況，通過分析堵塞原因，重新設(shè)計加工了新型篩網(wǎng)并進行了更換。新型篩網(wǎng)網(wǎng)孔大致呈矩形，由圓鋼彎曲后在一個平面上焊接而成，整體構(gòu)造為單層，安裝后結(jié)構(gòu)相較于之前的篩網(wǎng)更加簡單。

后續(xù)采用新篩網(wǎng)，還進行了大量篩分作業(yè)，篩分土料總量估計在2000t以上，篩網(wǎng)仍保持良好的工作性能，未發(fā)生嚴(yán)重的堵塞情況，超徑料中也未見明顯的細(xì)料流失現(xiàn)象，自新篩網(wǎng)安裝至試驗完畢，均未進行過人工清理作業(yè)。

(2)考慮備用篩分設(shè)備：實施階段，根據(jù)防滲土料填筑強度，土料加工廠需配置4臺標(biāo)準(zhǔn)圓振篩(YK2570)，考慮長時間、大規(guī)模土料供應(yīng)的保證率，在土料加工篩分場地考慮至少1臺同型號的振動篩做為篩分設(shè)備檢修、清孔等作業(yè)的備用。

3.2 超大顆粒料源處理

3.2.1問題分析

現(xiàn)場土料開挖及篩分試驗過程發(fā)現(xiàn)，天然原級配土料中超徑料顆粒較多，最大粒徑達(dá)到1500mm以上，存在部分大孤石?，F(xiàn)場開挖機械在開采時特意剔除了部分大于500mm的大顆粒，但運至篩分設(shè)備的土料中，200mm以上顆粒仍然較多，導(dǎo)致篩分設(shè)備受料斗處時?？ㄗ　?/p>

3.2.2解決措施

本工程土料天然含水率不高、粗細(xì)顆粒分離較為容易，考慮后期實施階段，在料場開采的裝運過程中擬采用“特大孤石(大于1000mm)清除不上車、車載固定條篩剔除大于300mm的超徑塊石”減少進入篩分系統(tǒng)大于200mm超徑料的粒徑和數(shù)量；并改變受料倉通過振動棒條篩后出料方式“200mm以上顆粒采用裝載機轉(zhuǎn)汽車運輸方式、小于等于200mm顆粒采用皮帶機運輸”。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場共計完成26場大型篩分試驗，篩分工藝系統(tǒng)可以實現(xiàn)粗細(xì)顆粒比較徹底的分離，天然土料可以順暢篩分。篩分設(shè)備的篩分效率可以達(dá)到預(yù)期的生產(chǎn)能力。

(2)采用篩網(wǎng)孔徑60mm的方孔篩時，成品料的小于0.075mm顆粒含量和小于0.005mm顆粒含量均滿足設(shè)計要求，P5含量滿足設(shè)計要求的比例較孔徑為70、80mm時最優(yōu)，因此推薦選擇篩網(wǎng)孔徑為60mm。

(3)攪拌試驗結(jié)果表明，級配相差較大的2類土料(主要是P5含量偏高和偏低)經(jīng)攪拌后，級配趨于偏粗料和偏細(xì)料的平均值，能顯著改善級配?？紤]到ⅠA區(qū)土料也存在不均勻問題，鑒于攪拌對改善土料均勻性效果較好，實施簡單，費用增加不多，建議實施階段對土料場開挖區(qū)全部進行混合攪拌。

(4)綜合本文所做的工作，認(rèn)為采用適當(dāng)?shù)暮Y分工藝、混合攪拌工藝進行天然寬級配礫石土的級配調(diào)整和改善土料的不均勻性是有效的。這對天然寬級配礫石土心墻料的制備具有工程借鑒意義。