苗尾水电站高含水率心墙防渗土料碾压试验研究

李朝政,李 伟,沈 蓉,胡春凤

(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科学研究分院,云南昆明 650033)

苗尾水电站高含水率心墙防渗土料碾压试验研究

李朝政,李 伟,沈 蓉,胡春凤

(中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科学研究分院,云南昆明 650033)

土质心墙堆石坝作为目前水电站设计的主要坝型之一,其上坝的心墙防渗土料的各项物理力学参数能否满足要求是设计上首先要解决的问题。苗尾寨土料场作为苗尾水电站的主料场,勘察阶段室内试验成果表明其天然含水率高于最优含水率5%～8%,故需通过碾压试验研究其不经翻晒直接上坝的可能性。通过现场碾压试验研究及调整击实试验制样过程后,试验结果表明上坝土料的含水率基本上满足规范要求,苗尾寨土料场土料可直接上坝。同时提出的苗尾寨土料场砾质土心墙防渗料的压实度控制标准可供设计参考。

苗尾水电站;三点击实法;击实试验;心墙;防渗土料

苗尾水电站位于云南省大理州云龙县旧州镇境内的澜沧江河段上,是澜沧江上游河段一库七级开发方案中的最下游一级电站,枢纽建筑物主要由砾质土心墙堆石坝、左岸溢洪道、冲沙兼放空洞、引水系统及地面厂房等组成。砾质土心墙堆石坝坝顶高程1 414.80 m,最大坝高139.80 m。

坝体心墙料填筑总量188.73×104m3(含高塑性黏土料7.11×104m3)。根据土料料源选择规划,优先开采使用坝址左岸土料场和苗尾寨土料场,丹梯村与临建设施布置重合区土料作为备用料源使用。

勘探及室内试验成果表明,坝址左岸、苗尾寨和丹梯村土料场土料均为宽级配砾石土料。从颗粒级配及物理力学性能指标分析,各土料场土料均有较高抗剪强度及压实性能。从上坝填筑施工条件分析,坝址左岸土料场土料天然含水率略高于最优含水率,可以直接上坝填筑施工;苗尾寨和丹梯村土料场土料天然含水率均高于最优含水率5%～8%(击实功能1 470 kJ/m3),按目前规范要求,不宜直接上坝填筑施工,需采取翻晒等工程措施,降低土料天然含水率,达到上坝填筑要求[1]。

1 试验目的

本次选取苗尾寨土料场土料开展现场碾压试验,了解土料开采、运输过程中含水率损失情况,研究土料填筑含水率与干密度、压实度之间关系,验证击实试验中最大干密度与最优含水率关系,从而掌握土料的压实特性,达到复核并优化大坝心墙防渗土料填筑设计指标,初步确定土料填筑含水率合适范围,进而研究土料直接上坝的可行性,故本次碾压试验选用苗尾寨土料场土料进行。

2 料场简介及土料特性

据勘测设计资料,苗尾寨土料场位于下坝址右岸上游苗尾寨村附近,距下坝址约1 km,地形由上、下两个台地及其之间的斜坡组成,高程1 340 m～1 590 m,料场面积约0.35 km2。地表为农田或旱地,均种植农作物。土层以残坡积为主,局部有冲洪积堆积物,表层耕植土厚0.4 m～0.6m,下部含碎石粘土,厚度1.9 m～25 m。砾石含量一般5%～15%,局部含量最大达20%～40%。料场有简易公路至苗尾寨村(高程约1 450 m)。

根据钻孔、探坑所揭露情况,表层耕植土为无用层,含碎石粘土为有用层,采用平行断面法计算,苗尾寨土料场有用层储量288万m3,可采储量243万m3。

苗尾寨土料场土料全级配的小于0.005 mm粘粒含量为0.8%～53.3%,平均为14.6%;P5的含量为4.2%～65.6%,平均为26.8%,级配曲线见图1。

图1 苗尾寨土料级配曲线(图中SJ:竖井;TC:探槽)

室内击实试验(干法制样)成果表明,击实功为592 kJ/m3的击实试验平均最大干密度为1.89 g/cm3,最优含水率12.8%;击实功为1 470 kJ/m3的击实试验平均最大干密度为2.07 g/cm3,最优含水率9.8%。

苗尾寨土料场可研选坝阶段(2006年6月)勘察时为雨季,表层土天然含水率16.5%～27.9%,平均值20.9%。在随后的可研阶段(2007年4月)勘察时为旱季,表层天然含水率为11.8%～16.7%,平均14.2%;下部含水率为 13.7%～22.5%,平均17.5%,低于塑限约3%,料场上部土料的含水率季节变化较大。由于料场为缓坡地形,无较大的低洼地形,土料的渗透系数小,不利于地表水的下渗,据勘探期间降雨下渗量观测,地表水入渗深在0.5 m以内,因此,非极端天气条件,下部的含水率不会出现较大变化。料场上部旱季平均含水率,低于塑限约6%,高于最优含水率5.2%,雨季与塑限接近,高于最优含水率10.9%;下部平均含水率低于塑限约6%,高于最优含水率8.5%[1]。

3 试验方案

3.1 取料点的选择

苗尾寨土料场以1 500 m高程为界分为陡坡段和缓坡段两部分。本次碾压试验共选取3个取料点,其中两个取料点分布在1 500 m高程以下的陡坡段,另一个取料点位于1 500 m高程以上的缓坡段。

1#取料点附近可研阶段布有SJ8、SJ9、SJ10三个竖井,井口高程分别为1 390.84 m、1 401.92 m、1 466.44 m,有用层厚度分别为5.8 m、14.7 m、9.6 m,土料为残坡积含碎石粘土。1#取料点土料物理性指标与料场土料物理性指标的平均值较接近,故1#取料点作为第一、二大场碾压试验取料点。

但碾压试验过程中1#取料点土料天然平均含水率在14%～15%左右,无法达到研究高含水率土料直接上坝可能性的目的,故在复核场1、2小场中选取2#取料点土料进行试验,2#取料点亦位于1 500 m高程以下的陡坡段,通过开挖15 m深竖井取料,该取料点土料大于5 mm含量平均在28.8%左右,铺土前平均含水率14.7%,仍然没有达到研究高含水率土料直接上坝的问题。

虽然在第二大场中进行过通过加水提高土料含水率的碾压试验,但加水湿闷的时间较短,土料含水率不均。因此,经各方研究,复核场增加2小场高含水率土料碾压试验,在3#取料点通过竖井方式取料。

苗尾土料场不同位置土料的含砾量和天然含水率有一定变化,总体可分为陡坡段和缓坡段两部分,陡坡段含水率相对低,而含砾量相对高,1#、2#取料点土料基本代表了料场陡坡体土料特征,3#取料点基本代表了料场缓坡体土料特征,本次试验选用的土料,具有较好的代表性。

3.2 碾压试验规划

(1)第一大场采用1#取料点的天然土料,进行3种铺料厚度(25 cm、30 cm、35 cm),3个碾压遍数(每小场先静碾2遍,再振碾6、8、10遍)共计9个小场碾压试验。

根据第一大场碾压试验结果,分析碾压遍数、铺料厚度与压实度间关系,确定后续碾压试验的铺料厚度及碾压遍数。

(2)第二大场采用1#取料点的土料,按第一大场试验确定的铺料厚度和碾压遍数,进行6种含水率(10%、12%、14%、16%、18%、20%)碾压试验 ,每种含水率各2小场,共计12个小场碾压试验。

为验证有、无静碾对压实效果影响,各种含水率土料的两试验小场分别进行有、无静碾对比试验。

根据第二大场碾压试验结果,了解土料不同含水率情况下的压实特性,验证土料最大干密度与最优含水率关系,初步确定土料合适的填筑含水率范围。

(3)第三大场为复核试验。

在本大场各小场还分别开展10组592 kJ/m3击实功能下小于20mm细料压实度指标和1 470 kJ/m3击实功能下全料压实度指标间的对应关系试验,初步确定土料压实度指标和现场控制标准。

3.3 初拟土料填筑设计指标及质量控制标准

大坝心墙防渗土料填筑料设计指标及有关颗粒级配等要求如下:

苗尾寨土料在1 470 kJ/m3击实功能全料压实度要求≥98%。该1 470 kJ/m3击实功能是设计人员根据已建糯扎渡等电站的经验及大坝实际情况而初步拟定的击实功能。

级配要求:最大粒径150 mm,粒径＞5 mm的颗粒含量≤50%,小于0.075 mm的颗粒含量≥15%,小于0.005 mm的颗粒含量≥8%。

3.4 碾压机械主要性能参数

本次碾压试验碾压机械采用自行式振动压路机,机械性能参数见表1。

表1 振动压路机(配凸块碾)主要性能参数

4 三点击实和室内击实试验介绍

4.1 三点击实试验

在目前的心墙堆石坝中,控制心墙料碾压质量的方法一般采用压实度控制,而不用干密度控制,计算压实度需要知道击实试验的最大干密度,但正规的击实试验约需二天才能得到结果,显然无法满足施工进度要求,因此需要采用一种快速质量控制方法,本次碾压试验采用三点击实法来控制碾压质量。

三点击实法又称西尔夫(Hilf)快速控制法,该法根据填土现场碾压湿密度及同种土料三种含水率情况下标准击实试验所得湿密度,就可以确定填土的压实度(D)和最优含水率与填土含水率的差值(ωop-ωf),其特点为不需要测定含水率。该法自1957年试用后,美国垦务局建设的土坝均采用此法控制粘性土的压实质量,至1957年已经令人满意地用于大约65座土坝。我国1989年建成的鲁布革土石坝土料压实质量控制全部采用此种方法,目前正在施工中的糯扎渡、瀑布沟等土石坝也采用此法进行土料压实质量的控制[2]。

具体的试验和计算方式参照《碾压式土石坝施工规范》(DL/T5129-2001)附录C4[3]。

4.2 室内击实试验

击实试验分干法制样和湿法制样[4]。

规范规定当土样中大于5 mm的粗粒含量小于50%或含强风化粗粒时,宜采用湿法制样。苗尾寨土料场土料大于5 mm颗粒含量低于50%,故本次碾压试验过程中击实试验采用湿法制样。昆明院科研分院曾在糯扎渡水电站采用干、湿法制样进行对比击实试验,湿法制样最优含水率比干法高约1%～2%左右。

本次碾压试验采用直径为300 mm和150 mm的击实仪。直径为300 mm的击实仪用于全料击实试验,超过60 mm的土料根据试验规程采用等量替代法替代至60 mm～5 mm的各颗粒中。在复核场试验中采用直径为150 mm的击实仪用于小于等于20 mm颗粒的粗粒土的击实试验。开展592 kJ/m3击实功能下小于20 mm细料压实度指标和1 470 kJ/m3击实功能下全料压实度指标间的对应关系试验,初步确定土料压实度指标和现场控制标准。

全料压实度试验土料用量约150 kg～200 kg左右,全部采用碾压后密度检测试坑周边土料;而小于等于20 mm颗粒用量在15 kg～20 kg左右,全部采用密度检测试坑内土料经筛除大于20mm后剩余的土料,这样可以保证二者试验用土料物理性质有较好的对应性。

5 试验成果及分析

5.1 室内击实试验成果及分析

击实试验主要采用大型(击实筒直径300 mm)击实仪进行。试料采自1#取料点,采用湿法(即依来料含水率增或减含水率)制样,避免了土料经风干再加水后可能造成的压实性不可逆影响,更符合实际情况。

全料室内击实试验成果见表2。

从击实成果看,592 kJ/m3击实功能比 1 470 kJ/m3击实功能下,最大干密度减小 0.11 g/cm3;2 690 kJ/m3击实功能比1 470 kJ/m3击实功能下,最大干密度仅增大0.02 g/cm3,相差不大。

5.2 第一大场碾压试验成果及分析

各小场试验用土料取自1#取料点,土料相对均一,颗粒级配情况满足设计指标。

第一大场碾压试验土料的压实干密度及压实度见表3。

从表3压实干密度成果可看出,在不同铺土厚度下,铺土厚度越大,平均压实干密度越低,在同一碾压遍数下,随着铺土厚度的增加,压实干密度平均值降低约0.01 g/cm3～0.02 g/cm3,降幅不大。在同一铺土厚度下,随着碾压遍数的增加,压实干密度增大,但振碾6遍后(一个来回按2遍计,下同),增大不是特别明显,振碾8遍后比6遍时增加约0.02 g/cm3,振碾10遍时比8遍干密度只增加了约0.01 g/cm3,甚至更低,说明土料在振碾6遍后,干密度已增加很小,振碾8遍时,干密度已相对稳定。

表3 第一大场碾压试验土料压实成果汇总表

从同一铺土厚度下,压实度基本上随碾压遍数的增加而增大;同一碾压遍数下,压实度随铺土厚度增加而减小。从压实度平均值看,只有铺土厚25 cm、碾压8遍时,全料压实度平均能达到大于98%的设计要求,但合格率低于90%以上的规范要求。

值得提出的是铺土25 cm,碾压10遍时干密度反而会有所降低,这可能是由于振动碾的凸块的特殊作用,当铺土厚度降低到一定程度,由于土层越薄,凸块对土料的扰动越明显。

综上所述,根据第一大场试验成果,从振动凸块碾对土料的扰动、土料压实度设计指标、与其它料区铺层厚度协调及经济性等方面考虑,并结合同类工程实例,同时经与设计商定,铺料厚度在25 cm～30 cm之间选取,故最终选取后续场次的碾压施工参数为:铺料厚度28 cm,碾压8遍。

在1#取料点,对应每小场试验料还进行1组混合料含水率检测。摊铺前,对每小场试验料进行3组含水率检测,以检测运输过程含水率变化。摊铺后,碾压前对每小场进行3组含水率测试,以检测摊铺过程含水率变化。料场土料运至试验场(坝址附近),并摊铺完成,含水率损失平均在0.5%左右。

5.3 第二大场碾压试验成果及分析

从整个大场颗分成果看,碾压前与第一大场碾压前后颗粒级配基本一致,细颗粒控制含量满足设计指标。

按照第一大场确定的铺料厚度28 cm、振碾8遍 ,进行 10%、12%、14%、16%、18%、20%六种含水率的碾压试验,每种含水率各2小场,共计12个小场试验。根据本场碾压试验成果,找出在确定铺料厚度及碾压遍数下,全料填筑含水率与全料干密度、全料压实度关系。

为验证有、无静碾对压实效果影响,各含水率的两小场次分别进行有、无静碾对比试验。无静碾是指对铺土直接进行8遍振动碾压,有静碾是指在进行振动碾压前先对铺土进行2遍无振动碾压,然后再进行8遍振动碾压。

试验过程中,含水率为20%的场次,由于含水率较高,已无法承载凸块碾,整个土层出现剪切破坏,故取消这两小场试验。

试验成果见表4。

表4 第二大场碾压试验土料压实成果汇总表

土料均取自1#取料点,各场土料物理力学性基本一致,碾压后干密度主要随含水率变化。从五种含水率土料的压实成果看,含水率为14%的场次压实干密度最大,12%和16%的场次次之,其余两场最小。

从压实度试验成果可知,含静碾2遍及不含静碾的场次,对压实度基本没有影响(见表4)。土料含水率从10%以2%步长增加至18%时,压实度平均值分别对应为 94.9%、96.7%、98.6%、97.1%、95.4%,与压实干密度有相同的规律。从五种含水率的压实度成果来看,仅含水率为14%的场次全料平均压实度达到大于98%的初拟设计标准。与表2中1 470 kJ/m3击实功能下最优含水率比较,土料在最优含水率偏湿2%～3%一侧压实效果较好;最佳碾压土料的含水率与592 kJ/m3击实功能下最优含水率基本相当。

在1#取料点,对应每小场试验料进行1组混合料含水率检测;摊铺前,对每小场试验料进行3组含水率检测;摊铺后,碾压前对每小场进行3组含水率测试,以检测摊铺过程含水率变化。

土料摊铺前至摊铺完成,含水率损失基本在0.5%以内。

5.4 复核试验

复核场1、2两小场试验土料取自2#取料点,3、4两小场试验土料取自3#取料点,各控制粒径含量满足设计指标。但2#取料点大于5 mm砾石含量比1#取料点大,3#取料点大于5 mm砾石含量比1#取料点小。

碾压试验成果见表5。

表5 复核场碾压试验土料压实成果汇总表

通过对复核场两个取料点土料在全料1 470 kJ/m3击实功能与小于等于20mm细料592 kJ/m3击实功能对压实度影响对比试验研究表明,小于等于20 mm土料,在592.2 kJ/m3击实功能下,其压实度比全料在1 470 kJ/m3击实功能下的压实度高2%左右。

从成果分析,2#取料点土料P5含量与苗尾寨土料场土料基本一致,比1#取料点含量高约6%,全料击实最优含水率比1#取料点略高,规律正确。碾前含水率较全料击实最优含水率高约2%～3%,压实度较高,达到压实度95%的合格率为100%,大于98%的占90%,与第二大场碾压试验压实度成果规律基本一致。

3#取料点土料P5含量比苗尾寨土料场土料低约13%,比1#取料点含量低约6%,全料击实最优含水率比1#取料点低,规律正确。但需要说明的是虽然该取料点土料含水率较高,但由于其含砾量低,最优含水率会随之增大,碾前含水率较最优含水率仅高约2%,没有达到碾压试验用土料含水率大于其最优含水率5%～8%的要求。

5.5 压实控制标准及上坝土料含水率的确定

在《碾压式土石坝设计规范》[5](DL/T5395-2007)中对黏性土的压实度的要求是:

(1)用标准击实的方法,如采用轻型击实试验,对1级、2级坝和高坝的压实度应不小于 98%～100%,3级及其以下的坝(高坝除外)压实度应不小于96%～98%;对高坝如采用重型击实试验,压实度可适当降低,但不低于95%。

(2)设计地震烈度为Ⅷ度、Ⅸ度的地区,宜取上述规定的大值。

通过规范上规定对高坝如采用重型击实试验,压实度可适当降低,但不低于95%。同时考虑到设计上的要求,将防渗土料填筑压实度控制在不低于96%(击实功能1 470 kJ/m3)是比较合适的,碾压后土料含水率范围约在11.5%～17.0%,考虑到土料开采、运输及填筑过程中含水率的损失,料场土料的含水率控制范围应在12.0%～17.5%,苗尾寨土料场土料基本上是可以直接上坝的。

在《碾压式土石坝设计规范》[5](DL/T5395-2007)中还规定,黏性土的填筑含水率应根据土料性质、填筑部位、气候条件和施工机械等条件,控制在最优含水率的-2%～+3%偏差范围以内。从表2击实成果看,在592 kJ/m3击实功能下,击实试验最优含水率为 13.8%,料场土料的含水率范围在12.0%～17.5%,基本上是满足规范要求的。

根据第三大场复核试验全料在1 470 kJ/m3击实功能下压实度比小于等于20 mm颗粒在592 kJ/m3击实功能下压实度低约2%,说明按小于等于20 mm颗粒在592 kJ/m3击实功能下来控制,压实度应不低于98%。以小于等于20 mm粒径的颗粒进行试验,试验工作量大大降低,且对坝体的破坏要小的多,且当大颗粒砾石含量过多时,细料若不能填满粗料孔隙而得不到压实,在渗透水流的作用下,很容易产生渗透破坏(管涌),此时若细颗粒的压实度达不到要求,则表明填筑土体的压实达不到标准,建议采用小于等于20 mm细料的压实度来控制填筑土体的压实效果。

目前由于心墙堆石坝越来越高,基于安全考虑,设计上也希望压实度越高越好,但实际上现场施工机械的压实效果与室内击实功能相匹配才是合适的,单方面提高室内击实功能,从而提高击实最大干密度,只会使压实度的计算值降低,反而会低于规范上对压实度的要求。从第二大场及复核场碾压试验成果看,初拟设计指标中全料压实度需大于等于98%(击实功能1 470 kJ/m3)的要求是偏高的。

6 结论及建议

(1)通过第一大场试验铺层厚度和碾压遍数比较,结合本工程与其它料区铺料参数,并参考已建或在建类似工程的经验,确定本次碾压试验施工参数为:采用22 t凸块振动碾,铺土厚度28 cm,振碾8遍。

(2)通过第二大场各场次有、无静碾对压实度影响的碾压试验比较,增加两遍静碾基本不影响土料压实效果,在大坝心墙防渗土料施工时,取消静碾,直接有振碾压。

(3)由于采用全料压实度检测控制施工质量工作量较大,耗时较长,而土料用料大,也会对坝体产生较大破坏;同时当砾石含量超过一定含量时,细料不能填满粗料孔隙而得不到充分压实,在渗透水流的作用下很容易产生渗透破坏(管涌),所以黏土心墙堆石坝防渗土料的压实度检测宜采用小于等于20 mm颗粒细料的压实度指标控制。目前该方法已应用于糯扎渡水电站心墙防渗土料的压实效果检测中[6]。

根据碾压试验成果,在592 kJ/m3击实功能下,防渗填筑土体小于等于20mm颗粒细料的压实度指标应不低于98%为宜,该控制标准亦与目前糯扎渡水电站心墙防渗土料的压实控制标准一致[7]。

(4)苗尾寨土料场土料填筑含水率宜范围控制在12.0%～17.5%,苗尾寨土料场土料基本上可以直接上坝,也基本满足填筑土料在最优含水率-2%～+3%偏差范围的规范要求。

[1]李朝政,李 伟,等.苗尾水电站可行性研究阶段大坝心墙防渗土料现场碾压试验报告[R].昆明:中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院科学研究分院,2010:1-14.

[2]杨荫华.土石料压实和质量控制[M].北京:水利电力出版社,1992:222-223.

[3]中华人民共和国国家国家经济贸易委员会.DL/T5129-2001.碾压式土石坝施工规范[S].北京:中国电力出版社,2001:61-65.

[4]中华人民共和国水利部.SL/237-1999.土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999:425-426.

[5]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T5395-2007.碾压式土石坝设计规范[S].北京:中国电力出版社,2008:18-20.

[6]李朝政,李 伟,陈 江.苗尾水电站心墙防渗土料压实质量检测方法及控制标准研究[J].水力发电,2011,37(10):51-53.

[7]赵 川,刘盛乾,等.糯扎渡水电站粘土心墙压实度检测方法及控制标准[J].云南水力发电,2009,25(5):58-61.

Research on Compaction Test for Impervious Earth Material of High-moisture-content Core Wall in Miaowei Hydropower Station

LI Chao-zheng,LI Wei,SHEN Rong,HU Chun-feng
(Scientific Research Branch of Kunming Investigation and Design Institute,China Hydropower Engineering Consultant Group,Kunming,Yunnan650033,China)

The rock-fill dam with earth core wall is one of the main dam types for the design of hydroelectric station at present.Whether the physical and mechanical parameters for the impervious earth material of its core wall could meet the requirements or not is the first problem of the design to be solved.Miaoweizhai soil field is the main material field of Miaowei Hydropower Station,the indoor tests results show that the natural moisture content is higher than the optimum moisture content by 5%to 8%,so the possibility of directly using on the dam without drying would be studied through the rolling tests.By using the field rolling tests to research and adjust the compaction test sample preparation process,the test results indicate that the moisture content of the dam earthmaterial would basically meet the requirements of the code,and the soil material of Miaoweizhai field could be directly used on the dam.Simultaneously,the control standard of the compaction degree about the impervious earth material of the gravelly soil core wall inMiaoweizhai earth field is proposed here so as to provide references for the design.

Miaowei Hydropower Station;three-point compaction;compaction test;core;impervious earth material

TV641.4+1

A

1672—1144(2013)02—0158—06

2012-10-29

2012-12-10

李朝政(1981—),男,山东海阳人,硕士,工程师,主要从事岩土力学试验研究工作。