土石壩7A 細(xì)反濾料級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

葉連奇 羅紅琦

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 611730; 2.河南省鄭州水利學(xué)校，河南 鄭州 450008)

1 概述

蘇丹羅賽雷斯大壩始建于20世紀(jì)60年代，修建此工程的目的旨在攔蓄青尼羅河之水以灌溉羅賽雷斯與蘇丹首都喀土穆之間的大片土地，并通過壩后式電站生產(chǎn)電力。

羅賽雷斯大壩加高工程坐落在青尼羅河上，位于蘇丹首都喀土穆東南550 km處的青尼羅州首府達(dá)馬津市。大壩加高完成后，大壩整體將抬高10 m，壩體全長將從目前的13.5 km增加至25.1 km，水庫總庫容也將從目前的34億m3增加到74億m3。同時(shí)，大壩加高完工后，不僅羅賽雷斯大壩項(xiàng)目本身的水電站發(fā)電能力將增加40%，而且隨著上游水庫的蓄水量增加和水位調(diào)節(jié)，羅賽雷斯下游水電站的發(fā)電量也將隨之增加。這項(xiàng)工程的建設(shè)對蘇丹中東部灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到極大的推進(jìn)作用，為蘇丹經(jīng)濟(jì)的騰飛打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

蘇丹羅賽雷斯大壩主要建筑物由左、右岸土石壩以及中部混凝土壩段構(gòu)成，是一項(xiàng)主要用于發(fā)電和灌溉的控制性樞紐工程。現(xiàn)有大壩全長13.5 km，大壩加高完工后，全長增加至25.1 km，其中左、右岸土石壩全長占24.1 km。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在土石壩的基礎(chǔ)部位水平排水系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置7A細(xì)反濾料，總設(shè)計(jì)方量約為72萬m3。按照技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，該細(xì)反濾料將利用人工反濾料系統(tǒng)進(jìn)行破碎，篩分和沖洗進(jìn)行加工制備，毛料全部來自于青尼羅河河道的天然沉積沙礫石料。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化的背景

根據(jù)咨詢工程師的原始設(shè)計(jì)中對于7A細(xì)反濾料級(jí)配包絡(luò)線的要求，7A細(xì)反濾料中1 mm～5 mm組分的含量至少要達(dá)到35%。結(jié)合業(yè)主提供的原始勘探資料，承包商在進(jìn)場后對青尼羅河天然沙礫石料場進(jìn)行了一系列的補(bǔ)充勘探和驗(yàn)證勘探，勘探結(jié)果表明天然沙礫石料中1 mm～5 mm組分的含量最大僅為8%。隨后，承包商在反濾料生產(chǎn)系統(tǒng)具備運(yùn)行條件后進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)，生產(chǎn)性試驗(yàn)表明，經(jīng)過破碎、篩分和沖洗后制備而成的人工細(xì)反濾料中1 mm～5 mm組分的含量也僅為21.5%左右。正因?yàn)槿绱耍瑢?dǎo)致反濾料生產(chǎn)系統(tǒng)制備出的細(xì)反濾料無法滿足設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，為了制備合格的細(xì)反濾料，承包商不得不對天然沙礫石料進(jìn)行選擇性開采，由此也導(dǎo)致反濾料生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率極低，即使在滿負(fù)荷雙班運(yùn)行條件下月生產(chǎn)強(qiáng)度也僅達(dá)到1.5 萬 m3左右。

然而根據(jù)土石壩施工進(jìn)度要求，7A細(xì)反濾料的月生產(chǎn)強(qiáng)度需達(dá)到5萬m3左右方能滿足工期要求，鑒于反濾料生產(chǎn)系統(tǒng)的月生產(chǎn)能力僅1.5萬m3，故此遠(yuǎn)不能滿足施工進(jìn)度的需要。為解決7A細(xì)反濾料的生產(chǎn)問題，承包商組織了專題研究，并最終結(jié)合與7A細(xì)反濾料成反濾關(guān)系的2A料級(jí)配的實(shí)際情況對7A細(xì)反濾料進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3 7A細(xì)反濾料與其互為反濾的2A反濾料(天然凈沙)的設(shè)計(jì)級(jí)配情況

7A細(xì)反濾料與其互為反濾的2A反濾料的設(shè)計(jì)級(jí)配見圖1。

圖1 工程師提供的2A和7A級(jí)配包絡(luò)線

4 我方經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后建議的7A細(xì)反濾料級(jí)配包絡(luò)線

經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化后建議的7A細(xì)反濾料級(jí)配包絡(luò)線見圖2。

圖2 建議的7A料級(jí)配包絡(luò)線

5 設(shè)計(jì)優(yōu)化的背景7A細(xì)反濾料優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)

參照美國陸軍工程兵團(tuán)規(guī)范(U.S.Army Corps of Engineers)1110-2-1901，并結(jié)合本大壩加高工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，7A細(xì)反濾料作為2A料(天然凈沙)的反濾料，確定其級(jí)配需要通過已有的2A料級(jí)配來進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算公式:

d10——在過篩率為10%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

d15——在過篩率為15%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

d30——在過篩率為30%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

d60——在過篩率為60%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

粒徑;

Ce——2A 料曲率系數(shù);

Cu——2A反濾料不均勻率系數(shù)。

通過式(1)結(jié)合2A料級(jí)配曲線，計(jì)算出過篩率為15%時(shí)反濾料7A細(xì)反濾料的粒徑d15;通過式(2)和式(3)結(jié)合2A料級(jí)配曲線可計(jì)算出2A料曲率系數(shù)Ce和2A料不均勻率系數(shù)Cu。

原則上，7A細(xì)反濾料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)與2A料不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)一致時(shí)是設(shè)計(jì)最優(yōu)情況，為此進(jìn)行7A細(xì)反濾料級(jí)配設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，認(rèn)為7A細(xì)反濾料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)就是2A料不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)。

由于7A細(xì)反濾料的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)與2A料一致，為此可通過2A料d15與d10，d0和d85以及d100之間的關(guān)系，推算出過篩率為10%時(shí)反濾料7A細(xì)反濾料的粒徑d10，d0和d85以及d100，繼而通過式(2)和式(3)推算出過篩率為30%時(shí)反濾料7A細(xì)反濾料的粒徑d30和過篩率為60%時(shí)反濾料7A細(xì)反濾料的粒徑d60。

最后制作出反濾料7A細(xì)反濾料粗料的級(jí)配限制曲線。

6 7A細(xì)反濾料優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算過程

如圖1所示，查詢2A料的細(xì)料級(jí)配曲線可知:

d0為過篩率為0%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的粒徑為0.16 mm;d10為過篩率為10%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的粒徑為0.3 mm;d15為過篩率為15%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的粒徑為0.38 mm;d30為過篩率為30%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的粒徑為0.6 mm;d60為過篩率為60%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的粒徑為1.7 mm;為過篩率為85%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料細(xì)料限制的粒徑為0.63 mm;d85為過篩率為85%時(shí)被保護(hù)的2A反濾料粗料限制的粒徑為3.5 mm。

根據(jù)式(1)計(jì)算可知:

根據(jù)式(2)計(jì)算可知:

根據(jù)式(3)計(jì)算可知:

即 Dc10=2.49 mm。

將咨詢工程師給定的2A料級(jí)配曲線和7A細(xì)反濾料級(jí)配曲線，以及上述計(jì)算出的7A細(xì)反濾料粗料限制粒徑繪制成的曲線匯總至一張表格內(nèi)，如圖2所示。

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的依據(jù)和計(jì)算過程即是承包商上報(bào)的第一版設(shè)計(jì)優(yōu)化建議的理論基礎(chǔ)。在與咨詢工程師進(jìn)行多次溝通之后，達(dá)成共識(shí)的是:將式(1)修改為(按照更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn))，且必須以2A料的勘探實(shí)驗(yàn)資料為基礎(chǔ)。據(jù)此，承包商最終更新了7A細(xì)反濾料的級(jí)配包絡(luò)線并提交咨詢工程師，最終獲得了咨詢工程師的有條件批準(zhǔn)。

獲得咨詢工程師的帶條件批準(zhǔn)之后，承包商立即進(jìn)行了大規(guī)模的生產(chǎn)性試驗(yàn)，通過對生產(chǎn)性試驗(yàn)進(jìn)行取樣和測試分析結(jié)果來看，制備出的材料滿足質(zhì)量要求，可以用于大壩大規(guī)模施工生產(chǎn)需要。

7 結(jié)語

7A細(xì)反濾料的級(jí)配包絡(luò)線設(shè)計(jì)優(yōu)化獲得咨詢工程師認(rèn)可是因?yàn)樵搩?yōu)化基于合理的利用了通用設(shè)計(jì)規(guī)范。對于海外施工項(xiàng)目而言，歐洲的監(jiān)理咨詢工程師對于承包商提交的設(shè)計(jì)優(yōu)化均多少程度上抱有質(zhì)疑的態(tài)度，要說服咨詢工程師必須有理論基礎(chǔ)支持。就7A細(xì)反濾料的級(jí)配包絡(luò)線設(shè)計(jì)優(yōu)化而言，咨詢工程師剛開始確實(shí)持有不信任態(tài)度，但經(jīng)過多次的溝通和討論，咨詢工程師才最終給予認(rèn)可，帶條件同意了承包商的設(shè)計(jì)優(yōu)化建議。

目前，盡管國內(nèi)水電施工行業(yè)的施工、技術(shù)及設(shè)計(jì)規(guī)范均已趨于完善，然而，對于中國水電海外施工項(xiàng)目仍未達(dá)到與國際接軌的情況下，要得到歐洲咨詢工程師的認(rèn)可，必須要學(xué)習(xí)和應(yīng)用他們所熟知的技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)范。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)優(yōu)化的成功實(shí)施，希望能為從事海外項(xiàng)目技術(shù)工作的水電同仁提供一個(gè)解決現(xiàn)場問題的思路。