文登水电站水库大坝次堆石填筑采用拟合法检测研究

谢小东，余万龙

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，成都，610091)

面板堆石坝作为水库的一种常用挡水坝，相比混凝土重力坝经济适用、施工工艺较为简单，其主要组成为上游主堆石及下游次堆石。山东文登电站大坝下游次堆石(3C区)填筑料主要采用全强风化料填筑，堆石填筑要通过现场试验确定合理的最佳压实参数。

1 工程背景

文登抽水蓄能电站为I等大(1)型工程，上水库挡水坝是永久性主要建筑物，为1级建筑物。坝顶高程628.6m，坝顶宽10m，长470m，坝轴线处最大坝高101.0m，上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶2，下游坝坡设“之”字形上坝道路。上水库堆石料全部来源于库区开挖可利用料。堆石坝填筑料分区自上游向下游依次为：碎石压重区1B、粉煤灰铺盖区、垫层区2A、特殊垫层区2B、过渡层区3A、上游堆石区3B、反滤区、下游堆石区3C。

上水库堆石坝采用库区开挖料筑坝，坝体填筑总量约为458万m3，上游主堆石区(3B区)填筑量约251万m3，采用弱风化及以下岩石上坝，下游次堆石区(3C区)填筑量约176万m3，采用强风化岩石及部分全风化岩石上坝。

2 大坝填筑拟合法研究的背景

2.1 项目可研阶段

文登电站可研阶段上游堆石区与下游堆石区均采用弱风化及以下岩石，且设计控制指标相似，设计院结合碾压试验成果提出的上游堆石区坝料的级配设计、压实度控制标准、碾压施工参数基本合适，即孔隙率按照不大于21%控制，采用碾压厚度80cm、26t振动碾碾压8遍。3B区坝料的渗透系数可按不小于1×10-2cm/s控制。为控制补充料场规模、减少上水库库区开挖弃渣以及节省投资和减少环境破坏，可研阶段采用库区开挖的全、强风化岩石按照1∶1的比例掺配混合后作为下游堆石料。

2.2 施工详图阶段

施工图阶段根据现场开挖揭露的料源实际情况，全、强风化料按照1∶1掺配不容易实施，且强风化料碾压后破碎，物理力学性质与全风化料差别不大，库区料场弱风化及以下料源不足，鉴于实际情况，设计院提出直接采用库盆开挖出的全、强风化料作为下游堆石料，此设计需要大量的试验数据分析及论证是否可行。

试验成果表明，全、强风化料碾压后含细粒砂，大于5mm颗粒的含量为0～50%，强度和模量随着压实度的增加有所提高，但力学指标整体较可研阶段更差。有限元计算成果表明，在压实度95%的条件下，坝体变形较大，但在可接受范围内，坝坡稳定满足要求。鉴于国内外百米级高面板坝大区域采用全风化料筑坝的经验很少，全强风化料的力学性能较差，可能导致较大的坝体变形及面板应力，设计及相关专家建议充分重视下游堆石区填筑质量控制，结合实际的下游堆石区上坝料和已有的碾压试验情况继续开展必要的试验和分析工作，并研究减少大坝填筑完成后变形的工程措施，这就意味着下游堆石区要通过大量的试验进行分析论证，反复地碾压试验工作量较大且现场试验会影响大坝填筑进度，为解决此问题，文登电站上水库大坝下游次堆石区采用拟合法进行检测。

3 试坑料拟合法重型击实试验

3.1 堆石区填筑料技术要求

大坝下游堆石区材料技术要求见表1。

表1 上水库下游堆石区填筑料技术指标及填筑标准

3.2 试坑料颗粒级配

料源采用上水库大坝下游填筑高程537.4m碾压合格的3C区试坑料。该高程碾压合格的3C区试坑料(坝下0+123、坝0+300、高程537.40m)颗粒级配如表2所示。

表2 上水库下游堆石区(3C区)试坑料颗粒级配试验成果

3.3 击实试验组数

对上水库3C区537.4m高程试坑料进行筛分。筛取小于20mm试样，送室内风干后继续筛分，将试样筛分成<5mm、5mm～10mm、10mm～20mm颗粒含量备用，并按表3所示，假定不同粒组含量比例和砾石含量进行等量代替法重型击实试验。

表3 等量代替法重型击实试验设计

3.4 室内最大干密度试验

依据《水电水利工程土工试验规程》(DL/T 5355-2006)、《水电水利工程粗粒土试验规程》(DL/T 5356-2006)，对3C区试坑料进行室内重型击实试验，重型击实仪单位击实功能为 2687.9kJ/m3。根据不同粒组含量比例和砾石含量进行等量代替法重型击实试验。最大干密度结果汇总如下：

(1)粒组含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶5，含砾量分别为60%、50、40%、30%时击实结果见表4。

表4 不同含砾量干密度与含水率关系(粒组含量比例1∶5)

结论：经对室内击实试验成果分析，含砾量60%时击实最大干密度2.19g/cm3，最优含水率7.3%；含砾量50%时击实最大干密度2.18g/cm3，最优含水率7.4%；含砾量40%时击实最大干密度2.15g/cm3，最优含水率7.7%；含砾量30%时击实最大干密度2.14g/cm3，最优含水率7.5%。

(2)粒组含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶4，含砾量分别为60%、50、40%、30%时击实结果见表5。

表5 不同含砾量干密度与含水率关系(粒组含量比例1∶4)

结论：对室内击实试验成果分析，含砾量60%时击实最大干密度2.15g/cm3，最优含水率7.6%；含砾量50%时击实最大干密度2.17g/cm3，最优含水率7.6%；含砾量40%时击实最大干密2.14g/cm3，最优含水率7.5%；含砾量30%时击实最大干密度2.13g/cm3，最优含水率7.7%。

(3)粒组含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶3，含砾量分别为60%、50、40%、30%时击实结果见表6。

表6 不同含砾量干密度与含水率关系(粒组含量比例1∶3)

结论：对室内击实试验成果分析，含砾量60%时击实最大干密度2.20g/cm3，最优含水率7.5%；含砾量50%时击实最大干密度2.19g/cm3，最优含水率7.5%；含砾量40%时击实最大干密度2.17g/cm3，最优含水率7.8%；含砾量30%时击实最大干密度2.16g/cm3，最优含水率7.3%。

(4)粒组含量比例(10mm～20mm∶5mm～10mm)=1∶2，含砾量分别为 60%、50、40%、30%时击实结果见表7。

表7 不同含砾量干密度与含水率关系(粒组含量比例1∶2)

结论：经对室内击实试验成果分析，含砾量60%时击实最大干密度2.16g/cm3，最优含水率7.1%；含砾量50%时击实最大干密度2.17g/cm3，最优含水率6.9%；含砾量40%时击实最大干密度2.14g/cm3，最优含水率7.6%；含砾量30%时击实最大干密度 2.14g/cm3，最优含水率7.4%。

4 拟合法重型击实试验成果

(1)考虑到下游堆石区料源的特殊性，碾压后级配明显发生变化，特对碾压后的试坑料采用拟合法击实试验，通过试验得到的数据进行分析，拟合法击实成果见表8。

(2)由表8可知，当粒组含量比例 10mm～20mm∶5mm～10mm=1∶3 时，不同砾石含量下最大干密度均最大，此时粒组级配最佳，最易碾压密实。

(3)由表8可知，随着砾石含量增多，最大干密度也逐渐增大，但当砾石含量超过 50%以上，不同粒组含量表现出不同的趋势，此时大料较多，不易击实，离差较大。

表8 不同含砾量重型击实试验结果

5 建议

(1)当料源性质及级配变化比较大时，需及时进行拟合法最大干密度试验，重新绘制曲线。

(2)考虑到料源特殊性，最终检测结果，需以实际试坑料击实试验数据为准。

(3)通过试坑料拟合法检测时，需要与实际试坑料击实试验数据进行对比，及时调整检测修改系数。

6 结语

文登抽水蓄能电站为I等大(1)型工程，坝轴线最大坝高为101m，为国内较高的土石坝。大坝总填筑方量大，坝体填筑总量约为458万m3，上游主堆石区(3B区)填筑量约251万m3，下游次堆石区(3C区)填筑量约176万m3。采用全强风化料填筑大坝较为少见，需要在填筑过程中通过试验控制压实指标，大量的试验不仅会增加工作量，而且会影响大坝填筑进度，为解决这一难题，拟在文登电站开展大坝次堆石填筑拟合法检测研究。实践证明，大坝次堆石填筑采用拟合法进行检测，效果良好，与现场实际试坑料击实试验数据接近，达到了大坝填筑快速检测的目的。