惠州抽水蓄能电站黏土心墙坝黏土碾压试验研究

黄金林，鞠海燕，王贵杰

(1.华南农业大学 水利与土木学院，广州 510642;2.南昌工程学院 土木与建筑工程学院，南昌 330099;3.聊城大学 建筑学院，山东 聊城 252059)

1 工程简介

本电站装机容量2 400 MW，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，坝顶宽度7 m，坝顶高程237.36 m，最大坝高27.86 m。坝体上游边坡1∶2.75，下游边坡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。坝体结构详见图1。

图1 大坝断面

由于本工程的重要性和填筑方量大等原因，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。在土石坝正式填筑之前，必须进行碾压试验，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，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。因而，现场碾压试验也就显得极为必要和具有重要意义［1-4］。

为了提高填土的密实度和均匀性，使填土具有足够的抗剪强度和较低的压缩性，满足变形、渗流控制要求，必须对填土进行压实。根据安全和经济的要求，应选用合理的填筑标准。在确定填筑标准时，应考虑下列诸多因素:坝的等级、坝高、坝型及坝的不同部位，土石料的压实特性、填土干重度、含水量与其力学性质的关系(特别是与压缩性、湿陷性、渗透性、抗剪强度及孔隙水压力的关系)，以及气候和施工难易性等。

大坝黏土心墙的设计填筑标准:大坝的黏土心墙料的含水率控制在最优含水量的1% ～3%左右，黏土心墙料碾压后要求黏土料压实度达100%，渗透系数不大于1×10-5cm/s。高塑性黏土要求黏粒含量不小于30%，填筑含水率控制在25%左右，干密度控制在1.50 ～1.55 g/cm3。

2 室内土工试验分析

碾压式土石坝施工一般以含水量和干密度为施工控制标准。黏土心墙直接以压实度指标形式为设计控制指标，为了对土样的级配、含水量、重度等物理力学参数有充分了解，对现场取土样进行土工试验分析，其结果如表1所示。

3 现场碾压试验

3.1 试验布置

根据已有的工程经验，拟定黏性土铺料厚度分别为30 cm，40 cm，碾压遍数分别为4遍、6遍、8遍，主要试验研究不同层厚及碾压遍数的压实效果。共布置6小场，每小场有效面积6 m×10 m，场地布置如图2所示。铺料用自卸汽车运料，卸料后由推土机整平。铺料主要采用进占法，即汽车始终行驶在铺好的料面上。碾压采用18 t自行式振动碾进退错距法碾压，碾迹搭接20 cm。碾压完成后，根据碾压遍数每一小场采用环刀法取样10个。图3、图4、图5、图6分别为二种不同铺土厚度，三种碾压遍数下干密度与含水量、渗透系数及压缩量的关系曲线。

表1 黏土心墙土工试验结果

图2 碾压场地布置

图3 含水量与干密度的关系

3.2 碾压试验结果分析

3.2.1 埃尔米特插值

在室内标准击实试验中，测出一系列的干密度ρd与含水量ω数值，然后绘制 ρd-ω曲线，通过图解法找到曲线的峰值即为最大干密度 ρdmax，对应的含水量则为最佳含水量(ωop)。这种图解法因简便直观而在实际工作中广泛采用。由文献［5-8］可知此法的随意性、经验性大，得到的结果差异大。

图4 碾压遍数与干密度关系

图5 碾压遍数与渗透系数关系

图6 沉降量与厚度及碾压遍数的关系

大量的试验结果表明，击实试验所要求的最大干密度(ρdmax)就在某组试验干密度数据大者附近，因而插值节点可选取该组试验数据中干密度较大者。已知ω0，ω1，ω2为击实试验一系列含水量点［a，b］上 3 个互异的节点，函数 y=f(ω)［a，b］上具有连续的四阶导数，满足插值条件 H(ωi)=f(ωi)(i=0，1，2)的插值函数即为要求的插值函数［9］。

根据上述给定的插值条件，显然可确定一个次数不超过3次的埃尔米特插值多项式H(ω)。

式中:A 为待定系数，f［ω0，ω1］、f［ω0，ω1，ω2］分别为牛顿一阶差商、二阶差商。显然上式确定的H(ω)满足 H(ωi)=f(ωi)。

两边求导得

3.2.2 误差估计

插值函数与被插值函数间的误差可用下式表示

3.2.3 算例

利用埃尔米特插值问题求解，分别取 ω0=17.8，ω1=20.1，ω2=24.2，ω3=27.6。对应的 f(ωi)分别为1.56，1.65，1.59 和 1.53，见表 2。

根据牛顿差商与导数的关系

表2 试验结果

由H'(ω)=0，得到 ω=20.8%，再代入式(3)

3.2.4 误差分析

根 据 表 1 的 数 据 可 得 到 f［ω0，ω1，ω2］ =-0.008 4和 f［ω1，ω2，ω3］ =0.000 401 7，则 可 得f［ω0，ω1，ω2，ω3］=0.000 898 1，根据公式(1)、(2)可得|R(ω)|=1.5%。

根据误差分析，最大干密度和最佳含水量的求解精度是很高的。

从图3可以看到，铺土厚度不同，对同一碾压设备，最优含水量是不同的。铺土厚度为30 cm，最优含水量为20%，铺土厚度为40 cm，最优含水量为21%。

从图4中可看出，无论铺土厚度如何变化，碾压遍数小于6遍时，干密度随碾压遍数增加而增大。但对于铺土厚度为30 cm，碾压遍数大于6遍时，干密度随碾压遍数而减小;对于铺土厚度为40 cm，碾压遍数大于6遍时，干密度随碾压遍数而增大，但增大幅度明显减小。则可以得到铺土厚度为30 cm时，最佳碾压遍数为6遍;铺土厚度为40 cm时，最佳碾压遍数为8遍。

黏土心墙现场渗透试验反映出，黏土心墙的渗透系数随碾压遍数增加而减少，碾压6～8遍后的渗透系数为 5.6×10-6～9.6×10-6cm/s，符合渗透系数≤1×10-5cm/s的设计要求。控制黏土含水量，增加干重度，以进一步减小其渗透系数。

从图6可以看到，不论铺土厚度，随着碾压遍数增加，压缩量也随之增大，但曲线斜率逐渐减小。

4 结论

1)每次碾压铺土厚度30 cm和40 cm都能满足要求，但要注意施工时铺土厚度不同，最优含水量不同。铺土厚度为30 cm时，最优含水量为20%;铺土厚度为40 cm，最优含水量为21%。现场取样试验的结果表明土料的天然含水量超出最优含水量，土料运至碾压场地进行翻晒，经测定土料的含水量接近最优含水量时才进行平整碾压。

2)对不同铺土厚度，碾压遍数小于6遍时，干密度随碾压遍数增加而增大。铺土厚度为30 cm时，最佳碾压遍数为6遍，铺土厚度为40 cm时，最佳碾压遍数为8遍。

3)黏土心墙的渗透系数随碾压遍数增加而减少，碾压6～8遍后的渗透系数为5.6×10-6～9.6×10-6cm/s，符合渗透系数≤1×10-5cm/s的设计要求。

［1］张国辉，卢学岩.碾压式土石坝压实质量控制中若干问题的浅析［J］.吉林水利，2008，317(10):5-9.

［2］侯庆国，武杏彩.尼尔基水利枢纽工程心墙坝黏性土料压实参数的确定［J］.长春工程学院学报(自然科学版)，2004，5(2):33-35.

［3］唐新军，凤家骥，凤炜.“635”水利枢纽黏土心墙坝反滤料特性分析与试验研究［J］.武汉大学学报(工学版)，2002，35(2):5-10.

［4］王向峰，曹新文，程燕.武广客运专线路涵过度段振动压实试验研究［J］.铁道建筑，2009(5):89-92.

［5］冯忠居，谢永利.标准击实试验最佳含水量和最大干密度的理论计算［J］.长安大学学报，2002(2):10-13.

［6］龚新法，方煮，袁民豪.标准击实试验的一种数据处理方法研究［J］.华东交通大学学报，2004(5):74-76.

［7］吕鹏，邓海，张的.填料最大干密度的曲线拟合解［J］.岩土工程技术，2003(4):230-232.

［8］彭玲，章劲松，孙东根.用数值分析方法求解材料的最大干密度和最佳含水量［J］.安徽建筑工业学院学报(自然科学版)，2004(3):47-50.

［9］沈剑华.数值计算基础［M］.上海:同济大学出版社，1999.