豐寧抽水蓄能電站攔沙壩壩料碾壓試驗研究

于春亮，李 斌，張 偉，張愛軍

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 國網新源河北豐寧抽水蓄能有限公司， 河北 承德 068350;3. 浙江華東工程咨詢有限公司，杭州 311122)

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內，工程區距豐寧縣公路里程約62 km，電站對外有國道、省道和簡易鄉村道路相通。工程規劃裝機容量3 600 MW，為1等工程，大(1)型規模。分2期建設，本期裝機容量1 800 MW，安裝6臺單機容量為300 MW的可逆式水泵水輪機組。電站建成后，在京津唐電網系統中承擔調峰、調頻、調相和事故備用任務。

攔沙壩為下水庫重要的擋沙建筑物，壩型為復合土工膜防滲心墻堆石壩，壩頂高程為1 066.0 m，最大壩高23.5 m，壩頂長度548 m，壩頂寬度8.0 m，上下游壩坡均為1∶2.2。壩體從上游到下游依次分為：塊石護坡、堆石料、過渡料、細砂、復合土工膜、細砂、過渡料、堆石料、塊石護坡，壩基與振沖碎石樁復合地基接觸部位設置反濾層，見圖1。

圖1 下水庫攔沙壩典型斷面

攔沙壩填筑總量約為65 萬m3，壩料主要來自下水庫一二期進出水口開挖料及加工料，為獲得各種筑壩料的物理特性和填筑及碾壓施工參數，參照已有的工程實踐和相應規范[1-8]，進行了室內試驗及現場碾壓試驗，確定了施工方案，并對結果進行分析。

2 壩料設計標準

依據土石壩設計要求，壩體分區材料及設計指標見表1。其中，第1層反濾料的設計級配為小于5 mm的連續級配，第2層反濾料的設計級配為5～40 mm的連續級配，能為面板提供均勻可靠的支承，具有良好的排水性能。

表1 下水庫壩體分區材料和設計壓實指標

3 室內試驗

碾壓試驗前，為了了解壩料的巖性，對壩料進行了室內試驗。單軸抗壓試驗進行6組，對試驗結果進行平均，測得巖塊干燥情況下單軸抗壓強度為58.6 MPa，飽和情況下的單軸抗壓強度為38.8 MPa，軟化系數為0.62，按《巖土工程勘察規程》以巖石飽和單軸抗壓強度分類，填筑料整體屬于中等堅硬巖石；2組吸水率試驗，得到巖石的吸水率為1.4 %；通過全料巖石密度試驗，得到堆石料、過渡料和反濾料的巖石密度為2.66 g/cm3。

反濾料由攔沙壩砂石加工系統生產，室內進行了相對密度試驗，測得其最大干密度為1.97 g/cm3，其最小干密度為1.54 g/cm3；細砂由灰窯子溝砂石加工系統生產，按照《土工試驗規程》(SL237-1991)，進行室內擊實試驗測得其最大干密度ρdmax=1.78 g/cm3，最佳含水率ωop=8.3%。

4 碾壓試驗

4.1 試驗安排

本試驗目的一是為了核實填料設計填筑壓實標準的合理性，二是在已選定的壓實機具和施工機械條件下，確定達到設計壓實標準時，經濟的、合理的壓實參數，包括鋪料厚度、碾壓遍數、壓實孔隙率等，并通過試驗確定填筑料壩體填料施工工藝，包括：鋪填方式、碾壓方法、行車速度、灑水情況等。

基于以上目的，并參照已有的工程實踐，確定碾壓試驗的場次安排(由于工期條件，鋪料厚度暫不研究，參考已有工程確定)，見表2。

表2 碾壓試驗場次安排

參考已有工程，松鋪厚度比碾壓厚度大10%，采用反鏟裝料、自卸車運輸。堆石料、過渡料采用“進占法”填筑，反濾料、細砂采用“退鋪法”填筑，在各試驗條帶范圍線內，反鏟整平，并測量高程，以確保填料松鋪厚度。在試驗料攤鋪整平之后，用白灰畫出試驗單元，用灑水車在試驗單元內灑水，用流量表控制加水量，加水量按填料體積百分率計算。然后先進行靜碾2遍，然后振碾。碾壓機械采用22 t振動碾，選擇2～3 km/h的碾壓速度，碾壓方法采用進退錯距法。

試驗程序：碾壓場開辟→碾壓場壓實→布設控制點、平整度測量→進料推平→灑水→靜碾→松鋪高程測量→碾壓→沉降測量、壓實密度、含水量、級配檢測→回填試坑→碾壓→基面測量→下一場。

4.2 試驗取樣與測量

各試驗組合均按1.5 m×1.5 m布置網格測點，用全站儀測量基面、鋪填層面及不同壓實遍數后，在同一測點上測量高程以計算松鋪厚度和不同碾壓遍數沉降率，沉降點布置見圖2。

圖2 測點場地沉降網點控制(單位：m)

試驗中在相應測點進行了壓實密度測定、顆粒篩分、含水率測定及原位滲透試驗。壓實后的干密度用試坑灌水法測定，取樣深度為壓實層厚度，水位測量采用測針法。碾壓前后均進行顆粒篩分，碾壓前從料堆取料篩分，碾壓后在每個試驗單元內挖3個坑(對于反濾料在每個試驗單元內挖5個坑)，對坑內的填料進行全級配篩分試驗。現場僅進行20 mm以上顆粒篩分，小于20 mm試樣，在現場稱取不少于4 000 g送室內烘干后進行含水率和篩分試驗。反濾料采用小于5 mm試樣和大于5 mm顆粒試樣測定含水率，用炒干法或烘干法測定。本試驗組合預定的所有檢測項目完成并經現場校核無誤后，將挖出的堆石料均勻回填。振動碾壓回填部位，恢復至挖坑前的狀態。

原位滲透試驗每種填筑料取3點進行現場試坑注水試驗，按《水利水電工程注水試驗規程》(SL345-2007)采用單環注水法測定，滲透環直徑為30 cm，并計算近似滲透系數。測得堆石料和過渡料的滲透系數見表3。

表3 現場原位滲透檢測成果統計

4.3 試驗結果

試驗操作按照《土石筑壩材料碾壓試驗規程》(NB/T 35016-2013)中規定進行，試驗結果見表3、表4。

表4 現場碾壓試驗成果統計

表2中，第1層反濾料鋪料厚度為50 cm，碾壓遍數為4、6、8遍時，對應的相對密度為0.726、0.926、0.963。細砂鋪料厚度為40 cm,碾壓遍數為4、6、8遍時的壓實度為89.2%、93.4%、95.3%。

4.3.1 顆粒級配

各壩料顆粒級配見圖3，圖3(a)、(b)和(c)分別為堆石料、過渡料和第2層反濾料的顆粒級配曲線，從圖3(a)中可以看出，堆石料大顆粒偏小(最大粒徑僅為280 mm)，級配曲線局部有超出設計包絡線的情況，碾壓后5 mm以下顆粒含量在設計要求的20%限度內，Cu值為1.9，遠小于設計10的要求，主要是由于堆石料大顆粒過少導致的。0.1 mm粒徑以下含量、孔隙率、滲透系數均滿足設計要求。

圖3(b)中可以看出，過渡料中小于5 mm顆粒含量超出上包線，即小于5 mm顆粒含量較少，碾壓后，隨著大顆粒的破碎，曲線完全在控制線內。其不均勻系數為4.0，也小于設計值12的要求，其孔隙率和滲透系數滿足設計要求。

第2層反濾料為骨料加工系統生產后摻合而成，進行多次調整后，得到圖3(c)的曲線，從級配曲線可以看出，摻配料的連續性稍差，級配曲線不夠平滑。碾壓后的級配曲線顯示，3 mm以下顆粒含量略微超出了設計包絡線，但干密度和孔隙率滿足設計要求。第2層反濾料存在超40 mm粒徑限制的材料，主要是由于翻拌場地上的少許超徑石混入導致，施工中應進一步改善反濾料摻配工藝，做好上壩前反濾料的質量檢測，同時加強料源控制，防止反濾料受到污染。

圖3 壩料顆粒級配曲線

4.3.2 干密度與灑水量關系

由圖4可以看出，隨著灑水量的增加，干密度顯著增大，這是因為水在堆石料的顆粒間起潤滑作用，隨著灑水量的增加，顆粒間的潤滑作用明顯，摩擦力減小，壓實效果增加。當灑水量達到10%時，干密度隨灑水量的增加趨于平緩，最大為2.13 g/cm3。此后,隨著灑水量的增加，干密度反而減小，這是因為加水過多會降低顆粒的密度、剪切模量及泊松比，進而影響碾壓質量[9,10]。因此，碾壓過程中，控制灑水以10%為宜。考慮到第1層反濾料較細，易壓實，加水過多反而影響施工，且第1層反濾料與壩基接觸，壩基有一定含水，因此控制加水量為5%。

4.3.3 干密度與碾壓遍數關系

干密度隨碾壓遍數的變化見表4，將結果繪成圖，見圖5。由圖5可以看出，隨著碾壓遍數增加，各壩料的干密度都增大，但第1層反濾料、第2層反濾料和細砂在碾壓6遍之前干密度增長較快，6遍之后增長變緩，而過渡料和堆石料這一現象分別發生在8遍和10遍。因此，現場施工時，將第1層反濾料、第2層反濾料和細砂的碾壓遍數確定為6遍為宜。堆石料碾壓8遍時，滿足設計要求，且考慮具體施工時，過渡料與部分堆石料同時填筑施工，因此將兩者的碾壓遍數定為8遍。

圖5 壩料干密度與碾壓遍數關系

4.3.4 沉降與碾壓遍數關系

圖6為各碾壓遍數下，不同壩料的沉降率曲線(沉降率為沉降量與鋪料厚度的比值)。從圖6中可以看出，隨著碾壓遍數增加，各壩料的沉降率都增大，但其增加的速率大致都呈現先加快后變緩，即存在轉折點。通過與圖5對比，2圖中對應曲線的變化趨勢與轉折點一致，即壩料沉降增加越快時，壓實干密度增加越大，反之，亦然。

圖6 壩料沉降與碾壓遍數關系

4.3.5 結果分析

由以上結果可以看出，堆石料在顆粒特征及含量上并不滿足要求，但在確定的碾壓8遍的參數下，其干密度為2.21 g/cm3,孔隙率為20.2%，滲透系數為3.52×10-1cm/s，均滿足設計要求，可以采用該施工參數；對于過渡料，其顆粒也有超出設計包線的情況，在碾壓8遍的情況下，顆粒特征也不滿足要求，尤其是不均勻系數，但干密度、孔隙率及滲透系數都滿足，因此，其試驗參數可采用。另外，為了滿足顆粒特征要求，施工中應對爆破參數進行優化，并加強料場管理，對堆料高度、卸料方式及料源分布等進行記錄。

第1層反濾料、第2層反濾料及細砂都由灰窯子溝砂石骨料系統加工，由于細砂主要固定土工膜，對含泥量并沒有反濾料要求嚴格。細砂和第1層反濾料粒徑較相似，但設計要求不同，第1層反濾料按相對密度≥0.75控制，而細砂按壓實度控制，主要是因為含泥量要求不同。由以上結 果可知，按碾壓6遍，第1層反濾料和第2層反濾料鋪料厚度為50cm，細砂鋪料厚度為40cm，加水量分別為5%、10%、0時均能滿足設計要求，且節省投資。

通過碾壓試驗成果來看，碾壓試驗存在一定的不均勻性，其主要原因有原材料分布的不均勻性和施工的不均勻性，尤其是堆石料，其粒徑為0.1～800 mm，施工過程中鏟、運、卸料、攤鋪引起顆粒分離是很難避免的，攤鋪厚度的不均勻、碾壓的不均勻、灑水的不均勻等亦會導致結果的離散性較大。因此，現場施工時要注意壩料的運輸、下料與鋪料，盡可能保證上壩料材料的均勻性。

5 結 語

(1)對豐寧抽水蓄能電站下庫攔沙壩壩料進行了室內試驗與現場碾壓試驗，得到了壩料的物理參數，對試驗結果進行了分析，認為壩料基本滿足設計要求。

(2)根據試驗結果及現場施工，確定了施工碾壓參數以及填筑工藝，即主堆石料鋪料厚度為80 cm，振碾8遍，加水量10%；過渡料鋪料厚度為40 cm，振碾8遍，加水量為10%；第1層反濾料鋪料厚度為50 cm，振碾6遍，加水量為5%；第2層反濾料鋪料厚度為50 cm，振碾6遍，加水量為10%；細砂鋪料厚度為40 cm，振碾6遍，不加水。

(3)根據同類工程及該試驗結果，建議施工時要注意壩料的運輸、下料與鋪料，盡可能保證上壩料材料的均勻性，防止顆粒分離。

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