丰宁抽水蓄能电站拦沙坝坝料碾压试验研究

于春亮，李 斌，张 伟，张爱军

(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2. 国网新源河北丰宁抽水蓄能有限公司， 河北 承德 068350;3. 浙江华东工程咨询有限公司，杭州 311122)

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁满族自治县境内，工程区距丰宁县公路里程约62 km，电站对外有国道、省道和简易乡村道路相通。工程规划装机容量3 600 MW，为1等工程，大(1)型规模。分2期建设，本期装机容量1 800 MW，安装6台单机容量为300 MW的可逆式水泵水轮机组。电站建成后，在京津唐电网系统中承担调峰、调频、调相和事故备用任务。

拦沙坝为下水库重要的挡沙建筑物，坝型为复合土工膜防渗心墙堆石坝，坝顶高程为1 066.0 m，最大坝高23.5 m，坝顶长度548 m，坝顶宽度8.0 m，上下游坝坡均为1∶2.2。坝体从上游到下游依次分为：块石护坡、堆石料、过渡料、细砂、复合土工膜、细砂、过渡料、堆石料、块石护坡，坝基与振冲碎石桩复合地基接触部位设置反滤层，见图1。

图1 下水库拦沙坝典型断面

拦沙坝填筑总量约为65 万m3，坝料主要来自下水库一二期进出水口开挖料及加工料，为获得各种筑坝料的物理特性和填筑及碾压施工参数，参照已有的工程实践和相应规范[1-8]，进行了室内试验及现场碾压试验，确定了施工方案，并对结果进行分析。

2 坝料设计标准

依据土石坝设计要求，坝体分区材料及设计指标见表1。其中，第1层反滤料的设计级配为小于5 mm的连续级配，第2层反滤料的设计级配为5～40 mm的连续级配，能为面板提供均匀可靠的支承，具有良好的排水性能。

表1 下水库坝体分区材料和设计压实指标

3 室内试验

碾压试验前，为了了解坝料的岩性，对坝料进行了室内试验。单轴抗压试验进行6组，对试验结果进行平均，测得岩块干燥情况下单轴抗压强度为58.6 MPa，饱和情况下的单轴抗压强度为38.8 MPa，软化系数为0.62，按《岩土工程勘察规程》以岩石饱和单轴抗压强度分类，填筑料整体属于中等坚硬岩石；2组吸水率试验，得到岩石的吸水率为1.4 %；通过全料岩石密度试验，得到堆石料、过渡料和反滤料的岩石密度为2.66 g/cm3。

反滤料由拦沙坝砂石加工系统生产，室内进行了相对密度试验，测得其最大干密度为1.97 g/cm3，其最小干密度为1.54 g/cm3；细砂由灰窑子沟砂石加工系统生产，按照《土工试验规程》(SL237-1991)，进行室内击实试验测得其最大干密度ρdmax=1.78 g/cm3，最佳含水率ωop=8.3%。

4 碾压试验

4.1 试验安排

本试验目的一是为了核实填料设计填筑压实标准的合理性，二是在已选定的压实机具和施工机械条件下，确定达到设计压实标准时，经济的、合理的压实参数，包括铺料厚度、碾压遍数、压实孔隙率等，并通过试验确定填筑料坝体填料施工工艺，包括：铺填方式、碾压方法、行车速度、洒水情况等。

基于以上目的，并参照已有的工程实践，确定碾压试验的场次安排(由于工期条件，铺料厚度暂不研究，参考已有工程确定)，见表2。

表2 碾压试验场次安排

参考已有工程，松铺厚度比碾压厚度大10%，采用反铲装料、自卸车运输。堆石料、过渡料采用“进占法”填筑，反滤料、细砂采用“退铺法”填筑，在各试验条带范围线内，反铲整平，并测量高程，以确保填料松铺厚度。在试验料摊铺整平之后，用白灰画出试验单元，用洒水车在试验单元内洒水，用流量表控制加水量，加水量按填料体积百分率计算。然后先进行静碾2遍，然后振碾。碾压机械采用22 t振动碾，选择2～3 km/h的碾压速度，碾压方法采用进退错距法。

试验程序：碾压场开辟→碾压场压实→布设控制点、平整度测量→进料推平→洒水→静碾→松铺高程测量→碾压→沉降测量、压实密度、含水量、级配检测→回填试坑→碾压→基面测量→下一场。

4.2 试验取样与测量

各试验组合均按1.5 m×1.5 m布置网格测点，用全站仪测量基面、铺填层面及不同压实遍数后，在同一测点上测量高程以计算松铺厚度和不同碾压遍数沉降率，沉降点布置见图2。

图2 测点场地沉降网点控制(单位：m)

试验中在相应测点进行了压实密度测定、颗粒筛分、含水率测定及原位渗透试验。压实后的干密度用试坑灌水法测定，取样深度为压实层厚度，水位测量采用测针法。碾压前后均进行颗粒筛分，碾压前从料堆取料筛分，碾压后在每个试验单元内挖3个坑(对于反滤料在每个试验单元内挖5个坑)，对坑内的填料进行全级配筛分试验。现场仅进行20 mm以上颗粒筛分，小于20 mm试样，在现场称取不少于4 000 g送室内烘干后进行含水率和筛分试验。反滤料采用小于5 mm试样和大于5 mm颗粒试样测定含水率，用炒干法或烘干法测定。本试验组合预定的所有检测项目完成并经现场校核无误后，将挖出的堆石料均匀回填。振动碾压回填部位，恢复至挖坑前的状态。

原位渗透试验每种填筑料取3点进行现场试坑注水试验，按《水利水电工程注水试验规程》(SL345-2007)采用单环注水法测定，渗透环直径为30 cm，并计算近似渗透系数。测得堆石料和过渡料的渗透系数见表3。

表3 现场原位渗透检测成果统计

4.3 试验结果

试验操作按照《土石筑坝材料碾压试验规程》(NB/T 35016-2013)中规定进行，试验结果见表3、表4。

表4 现场碾压试验成果统计

表2中，第1层反滤料铺料厚度为50 cm，碾压遍数为4、6、8遍时，对应的相对密度为0.726、0.926、0.963。细砂铺料厚度为40 cm,碾压遍数为4、6、8遍时的压实度为89.2%、93.4%、95.3%。

4.3.1 颗粒级配

各坝料颗粒级配见图3，图3(a)、(b)和(c)分别为堆石料、过渡料和第2层反滤料的颗粒级配曲线，从图3(a)中可以看出，堆石料大颗粒偏小(最大粒径仅为280 mm)，级配曲线局部有超出设计包络线的情况，碾压后5 mm以下颗粒含量在设计要求的20%限度内，Cu值为1.9，远小于设计10的要求，主要是由于堆石料大颗粒过少导致的。0.1 mm粒径以下含量、孔隙率、渗透系数均满足设计要求。

图3(b)中可以看出，过渡料中小于5 mm颗粒含量超出上包线，即小于5 mm颗粒含量较少，碾压后，随着大颗粒的破碎，曲线完全在控制线内。其不均匀系数为4.0，也小于设计值12的要求，其孔隙率和渗透系数满足设计要求。

第2层反滤料为骨料加工系统生产后掺合而成，进行多次调整后，得到图3(c)的曲线，从级配曲线可以看出，掺配料的连续性稍差，级配曲线不够平滑。碾压后的级配曲线显示，3 mm以下颗粒含量略微超出了设计包络线，但干密度和孔隙率满足设计要求。第2层反滤料存在超40 mm粒径限制的材料，主要是由于翻拌场地上的少许超径石混入导致，施工中应进一步改善反滤料掺配工艺，做好上坝前反滤料的质量检测，同时加强料源控制，防止反滤料受到污染。

图3 坝料颗粒级配曲线

4.3.2 干密度与洒水量关系

由图4可以看出，随着洒水量的增加，干密度显著增大，这是因为水在堆石料的颗粒间起润滑作用，随着洒水量的增加，颗粒间的润滑作用明显，摩擦力减小，压实效果增加。当洒水量达到10%时，干密度随洒水量的增加趋于平缓，最大为2.13 g/cm3。此后,随着洒水量的增加，干密度反而减小，这是因为加水过多会降低颗粒的密度、剪切模量及泊松比，进而影响碾压质量[9,10]。因此，碾压过程中，控制洒水以10%为宜。考虑到第1层反滤料较细，易压实，加水过多反而影响施工，且第1层反滤料与坝基接触，坝基有一定含水，因此控制加水量为5%。

4.3.3 干密度与碾压遍数关系

干密度随碾压遍数的变化见表4，将结果绘成图，见图5。由图5可以看出，随着碾压遍数增加，各坝料的干密度都增大，但第1层反滤料、第2层反滤料和细砂在碾压6遍之前干密度增长较快，6遍之后增长变缓，而过渡料和堆石料这一现象分别发生在8遍和10遍。因此，现场施工时，将第1层反滤料、第2层反滤料和细砂的碾压遍数确定为6遍为宜。堆石料碾压8遍时，满足设计要求，且考虑具体施工时，过渡料与部分堆石料同时填筑施工，因此将两者的碾压遍数定为8遍。

图5 坝料干密度与碾压遍数关系

4.3.4 沉降与碾压遍数关系

图6为各碾压遍数下，不同坝料的沉降率曲线(沉降率为沉降量与铺料厚度的比值)。从图6中可以看出，随着碾压遍数增加，各坝料的沉降率都增大，但其增加的速率大致都呈现先加快后变缓，即存在转折点。通过与图5对比，2图中对应曲线的变化趋势与转折点一致，即坝料沉降增加越快时，压实干密度增加越大，反之，亦然。

图6 坝料沉降与碾压遍数关系

4.3.5 结果分析

由以上结果可以看出，堆石料在颗粒特征及含量上并不满足要求，但在确定的碾压8遍的参数下，其干密度为2.21 g/cm3,孔隙率为20.2%，渗透系数为3.52×10-1cm/s，均满足设计要求，可以采用该施工参数；对于过渡料，其颗粒也有超出设计包线的情况，在碾压8遍的情况下，颗粒特征也不满足要求，尤其是不均匀系数，但干密度、孔隙率及渗透系数都满足，因此，其试验参数可采用。另外，为了满足颗粒特征要求，施工中应对爆破参数进行优化，并加强料场管理，对堆料高度、卸料方式及料源分布等进行记录。

第1层反滤料、第2层反滤料及细砂都由灰窑子沟砂石骨料系统加工，由于细砂主要固定土工膜，对含泥量并没有反滤料要求严格。细砂和第1层反滤料粒径较相似，但设计要求不同，第1层反滤料按相对密度≥0.75控制，而细砂按压实度控制，主要是因为含泥量要求不同。由以上结 果可知，按碾压6遍，第1层反滤料和第2层反滤料铺料厚度为50cm，细砂铺料厚度为40cm，加水量分别为5%、10%、0时均能满足设计要求，且节省投资。

通过碾压试验成果来看，碾压试验存在一定的不均匀性，其主要原因有原材料分布的不均匀性和施工的不均匀性，尤其是堆石料，其粒径为0.1～800 mm，施工过程中铲、运、卸料、摊铺引起颗粒分离是很难避免的，摊铺厚度的不均匀、碾压的不均匀、洒水的不均匀等亦会导致结果的离散性较大。因此，现场施工时要注意坝料的运输、下料与铺料，尽可能保证上坝料材料的均匀性。

5 结 语

(1)对丰宁抽水蓄能电站下库拦沙坝坝料进行了室内试验与现场碾压试验，得到了坝料的物理参数，对试验结果进行了分析，认为坝料基本满足设计要求。

(2)根据试验结果及现场施工，确定了施工碾压参数以及填筑工艺，即主堆石料铺料厚度为80 cm，振碾8遍，加水量10%；过渡料铺料厚度为40 cm，振碾8遍，加水量为10%；第1层反滤料铺料厚度为50 cm，振碾6遍，加水量为5%；第2层反滤料铺料厚度为50 cm，振碾6遍，加水量为10%；细砂铺料厚度为40 cm，振碾6遍，不加水。

(3)根据同类工程及该试验结果，建议施工时要注意坝料的运输、下料与铺料，尽可能保证上坝料材料的均匀性，防止颗粒分离。

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