長(zhǎng)河壩水電站大壩礫石土心墻料含水率調(diào)整工藝及設(shè)備選擇

熊　亮/中國(guó)水利水電第五工程局有限公司

【摘　要】　土料的含水率對(duì)壓實(shí)效果影響較大，必須將其含水率調(diào)整至最優(yōu)含水率左右，土料才能碾壓密實(shí)，從而保證獲得較高的壓實(shí)度和較好的防滲效果。本文對(duì)天然土料的減水工藝進(jìn)行了系列試驗(yàn)論證，最終使礫石土料在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)大大提高了土料的調(diào)水效率。

【關(guān)鍵詞】　長(zhǎng)河壩水電站　天然土料　減水工藝

1　概述

1.1　工程概況

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)大渡河上游金湯河口以下4～7km河段，是大渡河流域水電梯級(jí)近期開(kāi)發(fā)的大型水電工程之一。電站裝機(jī)容量2600MW，正常蓄水位1690.00m，總庫(kù)容為10.75億m3，具有季調(diào)節(jié)能力。

大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240m，設(shè)計(jì)需要碎礫石土防滲料壓實(shí)方約為430萬(wàn)m3，主要料場(chǎng)為湯壩料場(chǎng)和新蓮料場(chǎng)。

湯壩料場(chǎng)位于壩區(qū)上游金湯河左岸與湯壩溝之間的邊坡上，距下壩址22km，有17km重丘4級(jí)公路與沿大渡河省道S211公路連接，開(kāi)采條件較好，但運(yùn)距相對(duì)較遠(yuǎn)。料場(chǎng)土料主要屬冰積堆積含碎礫石土，少量為坡積堆積。地形坡度一般為20°～30°，局部為10°～15°及35°～40°，分布高程在2050.00～2260.00m之間，面積51萬(wàn)m2，多為耕地并有極少量農(nóng)舍。

1.2　礫石土料設(shè)計(jì)技術(shù)要求

礫石土料設(shè)計(jì)技術(shù)要求如下：

（1）填筑料最大粒徑宜不大于150mm和鋪土厚度的2/3；粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過(guò)50％、不宜低于30％；小于0.075mm的顆粒含量不應(yīng)小于15％；小于0.005mm的顆粒含量不小于8％。

（2）顆粒級(jí)配應(yīng)連續(xù)，并防止粗料集中架空現(xiàn)象。

（3）碾壓后的礫石土心墻料滲透系數(shù)不大于1×10-5cm/s，抗?jié)B透變形的破壞坡降應(yīng)大于5，其滲透破壞型式應(yīng)為流土。

（4）礫石土心墻料的塑性指數(shù)宜大于10，小于20。

（5）碾壓后的礫石土心墻料壓實(shí)度以全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度進(jìn)行雙控制，全料的壓實(shí)度應(yīng)不低于0.97（擊實(shí)功2688kJ/m3），土料中粒徑大于5.0mm的顆粒（以下簡(jiǎn)稱(chēng)P5）含量分別為30％、40％、50％時(shí)壓實(shí)后干密度分別不小于2.07g/cm3、2.10g/cm3、2.14g/cm3，其他P5含量土料控制干密度可根據(jù)上述控制干密度內(nèi)插；細(xì)料壓實(shí)度不低于1.00（擊實(shí)功592kJ/m3），壓實(shí)后干密度不小于1.82g/cm3。全料壓實(shí)度=挖坑灌水法得到的全料干密度/室內(nèi)大型擊實(shí)試驗(yàn)所得全料最大干密度；細(xì)料（＜5mm料）壓實(shí)度檢測(cè)宜采用三點(diǎn)擊實(shí)法。

（6）湯壩心墻防滲土料全料填筑含水率應(yīng)為w0-1％≤w≤w0+2％，w0為最優(yōu)含水率。

1.3　土料含水率調(diào)整的必要性

湯壩土料場(chǎng)料源質(zhì)量分布不均勻，土料的天然含水率一般與最優(yōu)含水率均有不同程度的差值，極少量處于允許范圍。根據(jù)前期湯壩土料場(chǎng)復(fù)勘成果、近期開(kāi)采過(guò)程中料源檢測(cè)情況及現(xiàn)階段新增探坑所確定含水率偏高土料范圍，現(xiàn)階段湯壩土料場(chǎng)內(nèi)70％土料含水率偏高。土料的含水率對(duì)壓實(shí)效果影響較大，必須將其含水率調(diào)整至最優(yōu)含水率左右，土料才能碾壓密實(shí)，從而保證獲得較高的壓實(shí)度和較好的防滲效果，因此土料含水率的調(diào)整是土石壩填筑的關(guān)鍵工序。

湯壩土料場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)含水率偏低土料，本文主要介紹礫石土料的減水工藝。

2　土料調(diào)水量的計(jì)算

2.1　礫石土料填筑含水率確定

天然土料的最優(yōu)含水率與P5含量的關(guān)系需經(jīng)過(guò)系列的擊實(shí)試驗(yàn)求得，不同礫石含量的土料均對(duì)應(yīng)不同的最優(yōu)含水率，P5含量與最優(yōu)含水率的關(guān)系如圖1所示。

礫石土料P5含量與含水率在上述情況下，通過(guò)系列碾壓試驗(yàn)?zāi)塬@得滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度，同時(shí)獲得礫石土料的填筑含水率為w0-1％≤w≤w0+2％，w0為最優(yōu)含水率。

2.2　礫石土料減水量的確定

考慮土料調(diào)水完成后需經(jīng)過(guò)裝車(chē)、運(yùn)輸（28km）、攤鋪、碾壓幾個(gè)重要工序，將損失部分水分。為此在確保土料填筑含水率控制在最優(yōu)含水率的-1％～2％范圍內(nèi)，土料調(diào)水完成后的含水率應(yīng)按最優(yōu)含水率的1％～2％范圍進(jìn)行控制。

一般調(diào)水過(guò)程中含水量檢測(cè)消耗時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致各調(diào)水時(shí)段土料的含水率不能及時(shí)獲得。為此長(zhǎng)河壩水電站礫石土料含水率均采用快速檢測(cè)方法求得，具體方法如下：

（1）測(cè)定粒徑小于5mm土料與粒徑大于5mm土料所占的百分?jǐn)?shù)。

（2）大于5mm土料的含水率采用飽和面干含水率代替，小于5mm土料的含水率采用酒精燃燒法獲得。

（3）根據(jù)兩者的含水率及對(duì)應(yīng)的礫石含量按照加權(quán)法計(jì)算全料的含水率。

待調(diào)水土料的含水率檢測(cè)完成后，根據(jù)各土料最優(yōu)含水率的+1％～+2％確定土料的調(diào)水量。

3　土料調(diào)水工藝選擇

結(jié)合湯壩土料場(chǎng)料源質(zhì)量分布情況，針對(duì)含水偏高的土料制定了調(diào)水工藝（圖2）。

3.1　調(diào)水工藝試驗(yàn)

根據(jù)已建類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合湯壩土料場(chǎng)礫石土料料源質(zhì)量分布情況及含水率的差異，針對(duì)礫石土料的含水率調(diào)整分別擬定了三個(gè)調(diào)水工藝。

3.1.1　常規(guī)調(diào)水工藝

常規(guī)調(diào)水工藝為推土機(jī)將待調(diào)水的土料按照確定的調(diào)水厚度（50cm）進(jìn)行含水偏高土料的鋪筑，在自然條件下進(jìn)行含水調(diào)整。調(diào)水過(guò)程中試驗(yàn)檢測(cè)人員進(jìn)行含水率的跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行運(yùn)輸上壩填筑。

3.1.2　農(nóng)用四鏵犁調(diào)水工藝

農(nóng)用四鏵犁調(diào)水工藝為推土機(jī)將待調(diào)水的土料按照確定的調(diào)水厚度（50cm）進(jìn)行含水偏高土料的鋪筑，鋪筑完成后采用農(nóng)用四鏵犁進(jìn)行含水偏高土料的翻土調(diào)水。調(diào)水過(guò)程中試驗(yàn)檢測(cè)人員進(jìn)行含水率的跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行運(yùn)輸上壩填筑。

3.1.3　推土機(jī)掛松土器調(diào)水工藝

推土機(jī)掛松土器調(diào)水工藝為推土機(jī)將待調(diào)水的土料按照確定的調(diào)水厚度（50cm）進(jìn)行含水偏高土料的鋪筑，鋪筑完成后采用推土機(jī)掛松土器進(jìn)行含水偏高土料的翻土調(diào)水。調(diào)水過(guò)程中試驗(yàn)檢測(cè)人員進(jìn)行含水率的跟蹤檢測(cè)，檢測(cè)合格后進(jìn)行運(yùn)輸上壩填筑。

根據(jù)不同調(diào)水工藝，結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性調(diào)水試驗(yàn)，其試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

上述試驗(yàn)檢測(cè)成果表明，各調(diào)水工藝均能將土料含水率調(diào)整至施工含水率范圍內(nèi)。但由于調(diào)水工藝的差異，土料的調(diào)水效率明顯不同。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)水過(guò)程中對(duì)各調(diào)水工藝進(jìn)行了對(duì)比分析，各調(diào)水工藝的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

3.2　調(diào)水工藝要求

長(zhǎng)河壩水電站礫石土心墻堆石壩技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高。另外受發(fā)電工期與度汛工期的限制，施工強(qiáng)度高于已建同類(lèi)工程。結(jié)合前期料場(chǎng)復(fù)勘及上壩過(guò)程中料源檢測(cè)情況統(tǒng)計(jì)，湯壩土料場(chǎng)礫石土料絕大部分含水率高于施工含水率要求，需對(duì)含水偏高的土料進(jìn)行規(guī)模調(diào)水，其調(diào)水強(qiáng)度方能滿(mǎn)足大壩填筑需求。

3.3　工藝選擇

綜合已建類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)及各調(diào)水工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，為確保礫石土料的調(diào)水強(qiáng)度及調(diào)水質(zhì)量滿(mǎn)足上壩填筑要求，長(zhǎng)河壩水電站礫石土料調(diào)水工藝采用推土機(jī)掛松土器翻土的方式進(jìn)行含水偏高土料的調(diào)整。

4　調(diào)水設(shè)備改進(jìn)與論證

為了提高調(diào)水效率及調(diào)水質(zhì)量，結(jié)合推土機(jī)的動(dòng)力及調(diào)水試驗(yàn)過(guò)程中暴露出的問(wèn)題對(duì)調(diào)水設(shè)備進(jìn)行了以下改進(jìn)：

（1）結(jié)合SD220推土機(jī)的寬度，根據(jù)犁地的犁鏵設(shè)計(jì)制作了翻土裝置。

（2）根據(jù)SD220推土機(jī)的動(dòng)力，設(shè)計(jì)制作了5個(gè)犁鏵，兩次翻土能將待調(diào)水土料全部刨松，且翻土深度可達(dá)50cm。

（3）將翻土板設(shè)計(jì)制作為傾斜狀態(tài)，滿(mǎn)足翻料的要求，能將下部的土料翻到表面，提高了土料調(diào)水效率。

調(diào)水設(shè)備改進(jìn)后，進(jìn)行了調(diào)水效率及調(diào)水質(zhì)量的論證（表3）。

結(jié)合調(diào)水設(shè)備改進(jìn)后的綜合調(diào)水效率、大壩填筑過(guò)程中礫石土料的供料強(qiáng)度及調(diào)水周期，礫石土料采用推土機(jī)掛犁鏵的工藝進(jìn)行調(diào)水時(shí)，在含水偏高土料鋪料厚度固定為0.5m及外界環(huán)境不變的情況下，翻土頻率固定為4h/次。考慮土料的攤鋪、調(diào)水、裝運(yùn)等工序，含水偏高土料在一個(gè)工作日內(nèi)能將含水率調(diào)整至施工允許的范圍內(nèi)。

為提高調(diào)水效率，減小調(diào)水場(chǎng)地的使用面積，結(jié)合大壩填筑過(guò)程中礫石土料的供料需求，將調(diào)水場(chǎng)地規(guī)劃為三個(gè)作業(yè)區(qū)。各作業(yè)區(qū)調(diào)水面積一致，面積大小根據(jù)調(diào)水強(qiáng)度及土料需求量確定。

5　結(jié)語(yǔ)

推土機(jī)掛犁鏵的土料翻土設(shè)備已設(shè)計(jì)制作完成，并在長(zhǎng)河壩碎石土料的含水量調(diào)整中投入運(yùn)用，運(yùn)用結(jié)果說(shuō)明，調(diào)水設(shè)備改進(jìn)后其調(diào)水質(zhì)量及調(diào)水強(qiáng)度均滿(mǎn)足上壩填筑要求。目前共完成40余萬(wàn)m3含水偏高土料的調(diào)整，該部分土料上壩碾壓后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明其含水率及壓實(shí)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

采用推土機(jī)掛犁鏵進(jìn)行含水偏高土料的調(diào)整，能有效地利用推土機(jī)的動(dòng)力，避免浪費(fèi)，翻土效率得到了顯著的提高。同時(shí)減小調(diào)水場(chǎng)地，減少設(shè)備配置，節(jié)約設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，降低燃油消耗和燃?xì)獾呐欧牛欣诃h(huán)境保護(hù)，能取得較好的綜合效率。可為類(lèi)似工程提供參考依據(jù)。