高陡邊坡滾落石料用作圍堰填筑材料研究與應用

田中濤，車維斌

(中國水利水電第五工程局有限公司長河壩施工局，四川成都 610066)

1 問題的提出

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河水電開發的第10級電站，工程區地處大渡河上游金湯河口以下約4～7 km河段上。長河壩水電站樞紐工程建筑物主要由礫石土心墻壩、泄洪系統、引水發電系統組成;總裝機容量2 600 MW;主要建筑物為一等大(1)工程。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m。

長河壩電站左右岸開挖高邊坡四個，分別為339 m高的右岸邊坡、304 m高的左岸邊坡、226 m高的進水口邊坡、158 m高的開關站邊坡。大壩區域河谷呈較寬的“V”型，兩岸自然邊坡陡峻，臨江坡高700 m左右，地形坡度一般為60°～65°。邊坡開挖料在施工作業過程中，因地形高陡不具備運輸設備出渣條件，所有開挖石渣通過邊坡翻到河床積渣平臺，在積渣平臺上運輸出渣。

上游圍堰最大堰高約53.5 m，采用復合土工膜心墻與封閉混凝土防滲墻防滲，堰體堆筑總量約為82.05萬m3。下游圍堰最大堰高約14.5 m，采用復合土工膜心墻與封閉混凝土防滲墻防滲，堰體堆筑總量約為4.65萬m3。圍堰填筑料計劃分別利用高邊坡開挖料和石料場開采料。由于石料場移民征地無法解決，施工中全部從高邊坡開挖料中取用。

筆者通過工程應用實踐，論證了長河壩水電站工程圍堰填筑石料可利用250 m高陡邊坡開挖滾落石料的可行性及其需要采取的工程措施與應用特性。

2 問題關鍵點分析

高邊坡石料與常規開采石料的主要差別在于多了翻料——滾落——堆積三個過程，這些過程都是對石料級配的再造過程，因此，級配的變化及其對石料性能的影響是問題的關鍵點，是可行性研究分析必須解決的問題。

針對石料在工程中的應用問題，上述條件下形成的堆積石料級配是否滿足設計要求，石料壓實后性能是否滿足設計指標要求是問題的兩個關鍵方面。

經分析，從級配改變的角度分析翻料過程不會對石料級配產生根本性改變，滾落、堆積是石料級配經過邊坡分選再重新自然形成的過程。在挖、裝、運過程中的挖、裝可以通過挖裝設備根據需要對級配進行人為的再次調整，同時，碾壓過程對不同石料級配會生產一定程度的改變，這種改變無法人為控制。

3 論證分析過程

通過現場勘察分析、生產性碾壓試驗和論證分析三個過程，最終確定250 m高邊坡滾落石料是否可以作為圍堰填筑料使用，其中試驗研究過程主要是進行生產性碾壓試驗。

3.1 現場勘察分析

經過實地查看，坡腳堆積石渣表面級配差，在中、上部可以看到各種粒組分布。因此，確定試驗取料時利用反鏟搭配里外側粗細料簡單混合后裝車。

3.2 生產性碾壓試驗

生產性碾壓試驗的目的是為了核實壩料設計填筑標準的合理性，通過生產性碾壓試驗可以直接論證石渣料是否可以作為填筑料使用及其施工工藝。

3.3 試驗成果論證分析

根據生產性碾壓試驗實測石料級配指標，壓實后的孔隙率、滲透系數參數與設計指標比較分析，分析其作為填筑料使用對設計指標的滿足性，論證其作為填筑料的可行性。

4 生產性碾壓試驗成果

4.1 級 配

通過對高邊坡滾落、堆積重組石料碾壓試驗前后級配分析，可以說明其組成情況。碾壓試驗的取樣代表性有局限性，到后期施工級配明顯好于試驗取樣情況。

4.1.1 碾壓前級配

在碾壓試驗前，通過反鏟摻和均勻后取石料進行試驗，主要成果見圖1。

圖1 碾壓前原狀料級配曲線圖

碾壓前取樣石料級配粒徑小于5 mm含量為0.4%～4.1%，小于 0.075 mm 含量為 0～0.4%，Cc值為0.89～1.25，Cu值為5.3～10.4;平均值小于5 mm含量為1.6%，小于0.075 mm含量為0.2%，Cc值為1，Cu 值為7.2。

4.1.2 碾壓后級配

碾壓試驗后，通過人工挖坑取石料進行試驗，主要成果見圖2。

碾壓后石料級配粒徑小于5 mm含量為1.2%～16.2%，小于 0.075 mm 含量為 0.1%～1.2%，Cc值為0.51～2.01，Cu 值為4.3～17.9;平均值小于5 mm含量為7.6%，小于0.075 mm含量為0.4%，Cc值為1，Cu值為10.8。

4.1.3 碾壓前后級配對比分析

圖2 碾壓后石料級配曲線圖

通過對碾壓前后的級配進行對比分析，可以得出以下結論:

(1)碾壓前、后級配均屬于不良級配石料;

(2)碾壓過程對石料級配有所影響，表現在細料有所增加;

(3)碾壓前后石料級配均存在級配不良現象，但整體平均級配曲線滿足Cu≥5，Cc為1～3(級配良好)的范圍。

碾壓前、后級配均屬于不良級配是可以預計的結果，兩者之間的不同在于后者經過26 t自行碾在鋪料1 m的情況下碾壓8遍。

4.2 其他指標

4.2.1 碾壓沉降量

根據不同遍數、厚度實測的碾壓沉降平均值見表1。

表1 不同松鋪料厚度、碾壓遍數與沉降關系分析表

通過分析得知，石料碾壓4～8遍后沉降率為3%～5%。

4.2.2 干密度及空隙率

初次試驗鋪料1 m、碾壓8遍后干密度為2.14～2.19 g/cm3，平均為 2.16 g/cm3;孔隙率為18.7～20.6%，平均為 19.7%;復核試驗干密度為2.18～2.23 g/cm3，平均為 2.2 g/cm3;孔隙率為17.24～19.11%，平均為 18.07%

4.2.3 滲透系數

經過碾壓密實后現場滲透試驗測試平均滲透系數為8×10－2cm/s。

5 試驗成果的分析論證

5.1 設計壩料指標

設計提出的圍堰填筑石料標準見表2。

表2 設計填筑石料技術指標表

5.2 設計指標的滿足性分析

5.2.1 級配指標分析

(1)最大粒徑:14組均滿足設計≤800 mm要求。

(2)粒徑小于5 mm顆粒含量:14組均滿足設計＜20%要求。

(3)粒徑小于0.075 mm顆粒含量:14組均滿足設計＜5%要求。

(4)根據Cu≧5、Cc為1～3(級配良好)的標準控制，碾壓前后共計14組，有7組達不到級配良好要求，為4.3～5.8，不良級配率為50%。

5.2.2 孔隙率

試驗實測值范圍為17%～21%，滿足設計≤23%的要求。

5.2.3 滲透系數

試驗實測值為8×10－2cm/s，滿足設計1×10－2的要求。

5.3 與通常條件下開采石料指標進行的對比分析

(1)排除取料因素干擾后，最大粒徑、粒徑小于5 mm顆粒含量、小于0.075 mm顆粒含量均同于通常條件下的開采石料。與通常情況下開采石料相比較，主要表現在滾落、堆積重組后石料級配變差。

(2)與通常情況下開采石料壓實后干密度、滲透指標接近，說明重組后石料級配有所變差，并對其壓實特性影響有限，仍可滿足施工指標要求。

(3)高邊坡滾落、堆積重組后石料壓實過程沉降率為3%～5%，說明重組后石料級配有所變差但并沒有引起其作為圍堰填筑石料的性質變化。

6 填筑施工應用

6.1 圍堰填筑施工

長河壩水電站圍堰工程填筑施工工期緊，沒有設置專門開采石料場，圍堰填筑全部使用開挖利用料。經統計，圍堰填筑共計利用壩肩高邊坡甩渣滾落料接近50萬m3，開挖上圍堰過程基本上由反鏟將粗細料有選擇性的簡單搭配裝車混合，壩面卸料粗細混搭。石料開采作業面現場實際情況見圖3。

圖3 石料開采作業面現場實際情況

6.2 圍堰填筑質量檢測

為保證施工質量并檢驗高邊坡料填筑的實際情況，在施工質量檢測過程中，將高邊坡滾落填筑區料和其他部位填筑料進行區別，施工取樣情況說明如下。

6.2.1 施工過程摻和均勻性分析

根據Cu≧5、Cc為1～3(級配良好)的標準控制，施工過程中共計統計在高邊坡取料上壩組數為36組，其中級配7組為不良，壩面填筑摻和均勻率達80%以上。

6.2.2 施工過程摻和均勻性分析

碾壓試驗后，通過人工挖坑取石料進行試驗，主要成果見圖4。

圖4 高邊坡石料壩面填筑取樣級配曲線圖

碾壓后取石料級配粒徑小于5 mm含量為9.7%～29.0%，小于0.075 mm 含量為0.3%～1.4%，Cc值為0.56～3.75，Cu 值為 11.4～39;平均值粒徑小于5mm含量為13.74%，小于0.075 mm 含量為0.54%，Cc值為 1.71，Cu 值為25.49。

6.2.3 干密度及空隙率

施工過程中，36組干密度為2.14～2.24 g/cm3，平均為2.19 g/cm3;孔隙率為17.04%～20.74%，平均為 18.89%。

6.2.4 施工生產與碾壓試驗成果對比

根據兩個階段成果數據的對比，發現有以下情況:

(1)施工生產階段較試驗階段粒徑小于5 mm含量平均增加約5%，小于0.075 mm含量平均增加為0.1%，Cc值增加0.7，Cu值為10。級配不良率指標由試驗階段的50%左右降低到施工階段的20%左右。

分析上述變化的原因，主要是試驗階段取樣只能是堆積石渣的外部，其偏粗，而施工階段全斷面取料經施工工藝過程簡單摻和，級配整體情況比試驗階段好。

(2)試驗與施工成果表明石渣料的干密度、孔隙率基本一致，仍保持在17%～21%的水平。

7 結語

(1)通過上述論證分析可知，高陡巖石邊坡滾落、堆積重組后的石料經壓實后除其級配外其他指標均能夠滿足設計指標要求且與通常情況下開采石料沒有發生根本性的變化。

(2)經過分析得知，滾落、堆積重組后的石料級配的變異發生在一定空間尺度范圍內，這種空間尺度范圍屬于較小空間尺度范圍且與石料最大粒徑所在空間尺度范圍一致。滾落、堆積重組后的石料級配的變異對生產條件下檢測指標產生的影響很小，稍大空間尺度其性狀表現與通常情況下開采的石料差異不大。

(3)通過對試驗與施工應用情況進行的對比分析論證，結合其形成原理分析表明:在長河壩工程中，圍堰填筑使用高陡巖石邊坡滾落、堆積重組后的石料經過施工過程自然摻和是可行的，石料可用于圍堰填筑。