土石壩7A 細反濾料級配優化設計分析

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.河南省鄭州水利學校，河南 鄭州 450008)

1 概述

蘇丹羅賽雷斯大壩始建于20世紀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，大壩加高完工后，不僅羅賽雷斯大壩項目本身的水電站發電能力將增加40%，而且隨著上游水庫的蓄水量增加和水位調節，羅賽雷斯下游水電站的發電量也將隨之增加。這項工程的建設對蘇丹中東部灌區農業的發展起到極大的推進作用，為蘇丹經濟的騰飛打下堅實的基礎。

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成，是一項主要用于發電和灌溉的控制性樞紐工程。現有大壩全長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。根據設計要求，在土石壩的基礎部位水平排水系統內設置7A細反濾料，總設計方量約為72萬m3。按照技術規范的規定，該細反濾料將利用人工反濾料系統進行破碎，篩分和沖洗進行加工制備，毛料全部來自于青尼羅河河道的天然沉積沙礫石料。

2 設計優化的背景

根據咨詢工程師的原始設計中對于7A細反濾料級配包絡線的要求，7A細反濾料中1 mm～5 mm組分的含量至少要達到35%。結合業主提供的原始勘探資料，承包商在進場后對青尼羅河天然沙礫石料場進行了一系列的補充勘探和驗證勘探，勘探結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系統具備運行條件后進行了生產性試驗，生產性試驗表明，經過破碎、篩分和沖洗后制備而成的人工細反濾料中1 mm～5 mm組分的含量也僅為21.5%左右。正因為如此，導致反濾料生產系統制備出的細反濾料無法滿足設計要求。與此同時，為了制備合格的細反濾料，承包商不得不對天然沙礫石料進行選擇性開采，由此也導致反濾料生產系統的生產效率極低，即使在滿負荷雙班運行條件下月生產強度也僅達到1.5 萬 m3左右。

然而根據土石壩施工進度要求，7A細反濾料的月生產強度需達到5萬m3左右方能滿足工期要求，鑒于反濾料生產系統的月生產能力僅1.5萬m3，故此遠不能滿足施工進度的需要。為解決7A細反濾料的生產問題，承包商組織了專題研究，并最終結合與7A細反濾料成反濾關系的2A料級配的實際情況對7A細反濾料進行了設計優化。

3 7A細反濾料與其互為反濾的2A反濾料(天然凈沙)的設計級配情況

7A細反濾料與其互為反濾的2A反濾料的設計級配見圖1。

圖1 工程師提供的2A和7A級配包絡線

4 我方經過設計優化后建議的7A細反濾料級配包絡線

經過設計優化后建議的7A細反濾料級配包絡線見圖2。

圖2 建議的7A料級配包絡線

5 設計優化的背景7A細反濾料優化設計計算依據

參照美國陸軍工程兵團規范(U.S.Army Corps of Engineers)1110-2-1901，并結合本大壩加高工程項目的設計進行分析，7A細反濾料作為2A料(天然凈沙)的反濾料，確定其級配需要通過已有的2A料級配來進行計算。

計算公式:

d10——在過篩率為10%時被保護的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

d15——在過篩率為15%時被保護的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

d30——在過篩率為30%時被保護的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

d60——在過篩率為60%時被保護的2A反濾料粗料限制的

粒徑;

粒徑;

Ce——2A 料曲率系數;

Cu——2A反濾料不均勻率系數。

通過式(1)結合2A料級配曲線，計算出過篩率為15%時反濾料7A細反濾料的粒徑d15;通過式(2)和式(3)結合2A料級配曲線可計算出2A料曲率系數Ce和2A料不均勻率系數Cu。

原則上，7A細反濾料的不均勻系數和曲率系數與2A料不均勻系數和曲率系數一致時是設計最優情況，為此進行7A細反濾料級配設計計算時，認為7A細反濾料的不均勻系數和曲率系數就是2A料不均勻系數和曲率系數。

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

最后制作出反濾料7A細反濾料粗料的級配限制曲線。

6 7A細反濾料優化設計計算過程

如圖1所示，查詢2A料的細料級配曲線可知:

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

根據式(1)計算可知:

根據式(2)計算可知:

根據式(3)計算可知:

即 Dc10=2.49 mm。

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

上述優化設計的依據和計算過程即是承包商上報的第一版設計優化建議的理論基礎。在與咨詢工程師進行多次溝通之后，達成共識的是:將式(1)修改為(按照更為嚴謹的設計標準)，且必須以2A料的勘探實驗資料為基礎。據此，承包商最終更新了7A細反濾料的級配包絡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。

獲得咨詢工程師的帶條件批準之后，承包商立即進行了大規模的生產性試驗，通過對生產性試驗進行取樣和測試分析結果來看，制備出的材料滿足質量要求，可以用于大壩大規模施工生產需要。

7 結語

7A細反濾料的級配包絡線設計優化獲得咨詢工程師認可是因為該優化基于合理的利用了通用設計規范。對于海外施工項目而言，歐洲的監理咨詢工程師對于承包商提交的設計優化均多少程度上抱有質疑的態度，要說服咨詢工程師必須有理論基礎支持。就7A細反濾料的級配包絡線設計優化而言，咨詢工程師剛開始確實持有不信任態度，但經過多次的溝通和討論，咨詢工程師才最終給予認可，帶條件同意了承包商的設計優化建議。

目前，盡管國內水電施工行業的施工、技術及設計規范均已趨于完善，然而，對于中國水電海外施工項目仍未達到與國際接軌的情況下，要得到歐洲咨詢工程師的認可，必須要學習和應用他們所熟知的技術設計規范。本項目設計優化的成功實施，希望能為從事海外項目技術工作的水電同仁提供一個解決現場問題的思路。