惠州抽水蓄能电站黏土心墙堆石坝碾压试验研究

黄金林，刘添俊，李政伟

(1.华南农业大学 水利与土木学院，广州 510642;2.广州市市政集团有限公司，广州 510060;3.广州交通投资集团有限公司，广州 510030)

1 工程简介

广东惠州抽水蓄能电站装机容量2 400 MW，位于广东省博罗县城郊。本工程为I等工程，永久性建筑物为I级建筑物。副坝位于主坝左侧，为黏土心墙堆石坝，坝顶长220 m，坝顶宽7 m，坝顶高程237.36 m，最大坝高27.86 m。坝体上游边坡比1∶2.75，下游边坡比1∶2.25。上、下游坡面均设干砌石护坡。黏土心墙防渗体顶部高程为236.81 m，上、下游边坡比均为1∶0.2，心墙厚度3.0～14.8 m。在黏土心墙防渗体两侧设置过渡料。坝体结构如图1所示。

图1 大坝断面图(单位:mm)

由于本工程的重要性和填筑量大等原因，筑坝材料的选择、填筑质量控制指标的合理性和确定经济合理的施工参数至关重要。在土石坝正式填筑施工之前，必须进行符合规范的碾压试验，以核实坝料设计填筑标准的合理性，充分了解填筑条件(如土料、堆填方法、压实机械等)和填筑效果(如土的密实度)的关系，确定达到设计填筑标准的压实方法，包括选择压实机械类型和型号，确定相应的碾压参数(如压实遍数、速度及铺土层厚)，优化施工工艺。因此，现场碾压试验也就显得极为必要和具有重要意义。

堆石体的设计填筑标准:要求采用开挖的新鲜洞渣料，碾压压实后上游堆石区干密度 ρd≥2.10 t/m3，空隙率为22%;下游堆石区干密度 ρd≥2.05 t/m3，空隙率为25%，最大粒径 dmax≤800 mm，填筑层厚 80 cm，洒水后用18 t振动碾碾压。

2 碾压堆石体压实性能的现场测试与分析

堆石料碾压试验，铺料厚度H=80 cm，主要研究在相同铺厚，相同行驶速度条件下不同加水量、碾压遍数及不同压实机具的压实效果。各小场的加水量Q分别为0、5%、10%、20%(体积比)，采用自行式 18 t振动碾碾压，遍数分别为 n=6、n=8、n=10。

为节省成本，本工程堆石体采用新鲜洞渣料。在堆石碾压试验前，对各堆石料进行颗分试验，颗分成果见图2。除第三组级配曲线超出堆石区的上包络线，其他试样试验成果级配曲线均落在包络线范围内，是良好的填筑料。

图2 原材料颗粒分析

从图2中可知，碾压堆石体d10=3.4～40.5 mm，d30=19.4～252.4 mm，d60=59.3～425.3 mm，则碾压堆石体的不均匀系数Cu=4.1～18.0，曲率系数Cc=0.93～1.96。

由颗粒组成可知:采用新鲜的洞渣料级配不连续，缺少细小颗粒和中粗砂，有的试样细颗粒<20 mm的含量仅有5.53%。有的大粒径甚至>800 mm，所以对于堆石体原料应该先剔除超粒径块石。通过初步处理后级配曲线与原材料颗粒分析对比曲线如图3所示，可以看到，初步处理后的明显优于没有初步处理的。

图3 初步处理后的级配曲线对比

3 碾压试验结果分析

实践证明，对无黏性粗粒土，振动法效果最好，而且工效高。振动碾压时，振动产生的快速连续冲击力作用于土体表面，每冲击一次对土体产生一个压力波，使土体颗粒间的摩擦力减小，尤其是对无黏性粗粒土，颗粒间黏结力甚小，振动使颗粒间摩擦力减小，小颗粒易处于运动状态，彼此相互充填，压实效果比较显著。再加上振动碾静压力的作用，进一步促使颗粒的充填，其压实效果更为突出。振动碾使土体压实，实质上是静重产生的静力和振动产生的压力波式的动力联合作用，在土体内产生压应力和剪应力的结果。同时，由于碾压使颗粒相互移动，相互摩擦，使得有些大颗粒间接触点局部破碎、尖角破碎，变圆、变滑，也同时生成一些细颗粒，这样会使细颗粒含量有少许增加。本场地碾压试验也证明了这点，通过颗粒分析得知:P5(颗粒直径小于5 mm的颗粒累积百分含量)含量碾压前平均3.29%，碾压试验后平均5.32%;P200含量碾压前平均55.27%，碾压试验后平均63.25%。由图4也可看到，堆石料通过碾压后，级配曲线也有变化，曲线基本都位于级配曲线的上下包络线之间，能满足堆石料的级配要求。

图4 碾压后颗粒分析曲线

图5 碾压堆石体干密度与P5含量的关系

碾压堆石体干密度与P5含量有密切的关系，在达到最大干密度之前，其干密度随P5含量的增加而缓慢升高，随后，P5含量的增加反而会使干密度略有减小。如图5所示，P5含量在3.57% ～8.92%之间干密度较大，达到2.21～2.36 t/m3。由此可见，在碾压堆石体中P5组细颗粒主要起着充填大颗粒空隙的作用，在P5含量较低时，不能足以充填满大颗粒之间的空隙，从而造成在宏观上碾压堆石体的干密度较小。随着P5含量的逐渐增加，大颗粒之间的空隙也随之被充填直至密实，此时碾压堆石体的干密度达最大值。之后，随P5含量的增加，大颗粒的含量就相应降低，而大颗粒是较致密的块体，本身密度较高，在碾压堆石体宏观密度中占主要地位，其含量的降低使碾压堆石体的宏观密度也随之缓慢降低。

图6 碾压堆石体干密度与P 200含量的关系

P200含量颗粒对碾压堆石体的干密度影响显著，图6可知，当P 200含量<60.24% 时，其干密度较小，这是因为细颗粒含量过高，与粗料颗粒有局部接触，开始起骨架作用，没有足够的小颗粒来充填大颗粒之间的空隙，从而导致碾压堆石体干密度降低;当P 200含量在60.24% ～74.65%时，粗料颗粒完全形成骨架，细料又能填满空隙，碾压堆石体较易获得比较大的干密度，干密度达到2.19～2.36 t/m3;当P 200含量超过74.65%之后，因粗料颗粒形成骨架，压实特性主要决定于粗料级配和性质，细料颗粒只起填充作用，直接导致了碾压堆石体的干密度的减小。

在图7、图8表示坝料碾压试验中加水 Q=0，Q=5%、Q=10%、Q=20%(体积比)，碾压遍数分别为 n=6遍、n=8遍、n=10遍时，各种情况的压实效果比较(加水Q=0时，只进行了 n=10遍的碾压试验)。铺层厚度不变的情况下，传递至堆石料的能量与碾压遍数成正比。由图7可以看到，加水5%、10%、20%时，干密度都随碾压遍数增加而增大，若以设计干密度2.1 t/m3为参数，加水Q=5%时，碾压遍数n=8相对n=6时，干密度增加率为5.7%，碾压遍数n=10相对n=8时干密度增加率为2.9%;加水Q=10%时，碾压遍数n=8相对n=6时，干密度增加率为4.3%，碾压遍数n=10相对n=8时，干密度增加率为3.8%;加水Q=20%时，碾压遍数n=8相对n=6时，干密度增加率为4.8%。碾压遍数增加，加水量也应相应增加，Q=5%时，碾压10遍时干密度增加率明显减小，则可以得到n=8为最佳碾压遍数，再增加碾压遍数，基本没有大的效果，不经济。Q=10%时，碾压10遍时干密度增加率没有明显减小，由于没有做Q=10%时，n=12和Q=20%时，n=10和n=12的碾压试验，没有得到相关曲线，但由已知曲线可以得到加水Q=10%或Q=20%时，碾压遍数 n≥10。

图7 碾压遍数与干密度的关系

砂砾石因自身颗粒粗，透水性强，具有自由排水能力，其本身含量较小。洒水压实可使堆石料充分湿润，软化细颗粒，并降低粗颗粒的无侧限抗压强度，使岩块的尖角易于破碎，同时起到一定润滑作用，以利于坝料的碾压。其碾压压实效果与加水量关系密切，坝体填筑最好采用碾压前加水施工方法，使岩块充分吸水软化，同时加水后可增加颗粒间的润滑作用，以提高压实质量。图8可以看到:加水5%时，碾压遍数为6、8、10遍时，其沉降率为5.5%、7.0%、8.0%;加水10%，碾压遍数为 6、8、10遍时，其沉降率为 5.4%、6.8%、7.9%;加水20%，碾压遍数为6、8遍时，其沉降率为8.5%、8.6%。说明堆石料适当加水对碾压提高密实度，减小大坝后期沉降是有利的。根据碾压试验结果和其它工程的施工经验，建议加水量应控制不少于5%(体积比)，争取达到10%以上，将有助于堆石的压实。

图8 碾压遍数与沉降量的关系

4 结论

1)新鲜的洞渣料，料质坚硬密实，碾压后级配曲线均落在包络线范围内，为理想的填坝材料。但原材料要经过初步处理，剔除超粒径的大块石。同时，P5含量控制在 3.57% ～8.92%，P200含量控制在60.24% ～74.65%，这样容易达到较大的干密度。

2)其碾压压实效果与加水量关系密切，坝体填筑最好采用碾压前加水施工方法，使岩块充分吸水软化，同时加水后可增加颗粒间的润滑作用，以提高压实质量。建议加水量应控制不少于5%(体积比)，争取达到10%以上，将有助于堆石的压实。加水5%时，最佳碾压遍数为8遍，加水量增大时应适当增加碾压遍数。

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