超高土石壩礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝研究

張 海 龍，喬 介 平，方 德 揚(yáng)，邱 銀 寶

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610056)

超高心墻堆石壩常采用礫石土代替黏土以增強(qiáng)心墻防滲體的協(xié)調(diào)變形能力，降低沉降裂縫發(fā)生幾率[1-4]。天然礫石土由于含礫量較少，需要人工添加礫石以減小其變形模量，礫石土互層工藝是人工添加礫石的常用手段。糯扎渡[5]、長(zhǎng)河壩[6]、兩河口[7]等水電站工程均采用了礫石土互層工藝人工添加礫石。

礫石土主要功能以防滲為主，在兼顧與其他填筑料協(xié)調(diào)變形的前提下，其礫石含量需控制在一定的范圍，以達(dá)到減小拱效應(yīng)的目的[8-10]。礫石土礫石含量常用大于5 mm顆粒含量來(lái)表示[11-12]，礫石土互層厚度是決定礫石含量的重要指標(biāo)。常規(guī)方法[13]確定礫石土厚度時(shí)未考慮料源礫石含量波動(dòng)的影響，導(dǎo)致礫石土互層在料源礫石含量差別較大情況下，所得的厚度相同，易導(dǎo)致?lián)脚浜蟮牡[石土礫石含量分布不均勻，進(jìn)而影響礫石土的協(xié)調(diào)變形性能。

本文通過(guò)礫石含量守恒及敏感性分析原理，提出礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整法，明確了礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝流程及料源礫石含量允許波動(dòng)范圍，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)論證了礫石土互層動(dòng)態(tài)調(diào)整法的優(yōu)越性，對(duì)工程具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工程概況及料源特性

1.1 工程概況

兩河口水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流，壩高295 m，控制流域面積6.57萬(wàn)km2，相應(yīng)庫(kù)容107.67億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容65.6億m3。電站裝機(jī)容量300萬(wàn)kW，多年平均年發(fā)電量為110.0億kW·h。大壩為礫石土心墻堆石壩(見(jiàn)圖1)。

圖1 兩河口水電站大壩典型剖面Fig.1 Typical dam section of Lianghekou Hydropower Station

1.2 土料料源特性

兩河口水電站礫石土心墻料工程量為441.93 萬(wàn)m3。礫石土心墻料料源分散，共有西地、蘋果園(A、B區(qū))、亞中(A、C區(qū))、瓜里(A、B區(qū))、普巴絨(A、B區(qū))5個(gè)料場(chǎng)，各料場(chǎng)含水率、大于5mm顆粒含量不同，具體見(jiàn)表1。

表1 礫石土各料場(chǎng)料源特性Tab.1 Material source characteristics of each gravel soil yard

1.3 礫石土設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)《四川省雅礱江兩河口水電站壩體填筑施工技術(shù)要求B版》，兩河口水電站大壩礫石土心墻料壓實(shí)度控制指標(biāo)如下：礫石土心墻料P5含量(大于5 mm的顆粒含量)控制在30%～50%以內(nèi)，以40%～45%作為控制目標(biāo)。

2 礫石土互層厚度控制的常規(guī)方法

根據(jù)NB/T 35062《碾壓式土石壩施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》，礫石土互層厚度控制公式為

(1)

式中：H土為土料層厚度，m；H礫為礫石層厚度，m；ρd土為土料松鋪干密度，g/cm3；ρd礫為礫石料松鋪干密度，g/cm3；Kt為推薦土石摻配比(干重比，具體見(jiàn)表1) 。

糯扎渡、長(zhǎng)河壩、兩河口等水電站工程均采用“定礫調(diào)土”的方式確定土料層厚度，即先假定礫石層厚度，再通過(guò)公式(1) 計(jì)算土料層厚度。糯扎渡、長(zhǎng)河壩、兩河口等水電站工程礫石土互層試驗(yàn)結(jié)果均表明：當(dāng)?shù)[石層厚度為0.5 m、礫石土互層為3層、摻拌遍數(shù)為3遍時(shí)，礫石土摻拌均勻性能夠滿足工程要求，也最為經(jīng)濟(jì)，故礫石厚度取值為0.5 m。

由公式(1) 知，在推薦土石摻配比一定條件下，土料鋪層厚度與料源礫石含量無(wú)關(guān)，與礫石層厚度成正比。而由表1可知：同一料場(chǎng)料源P5含量波動(dòng)較大，最小相差7.5%(普巴絨A區(qū))，最大值相差48.3%(普巴絨B區(qū))，但由公式(1) 計(jì)算而得的土料層厚度卻相同，必然導(dǎo)致?lián)脚浜蟮[石土礫石含量的波動(dòng)(見(jiàn)圖2) 。當(dāng)兩組礫石土礫石含量差異較大時(shí)，其變形模量也將存在一定差異，可能導(dǎo)致礫石土防滲體發(fā)生不均勻沉降破壞。

圖2 礫石土常規(guī)摻配法P5含量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics on content of particles larger than 5 mm in gravel soil by conventional mixing method

3 礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整方法

為減小摻拌后礫石土礫石含量波動(dòng)范圍，降低礫石土不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)，充分考慮料源礫石含量影響，根據(jù)礫石含量守恒關(guān)系，得到：

(2)

式中：P5土為松鋪土料大于5 mm顆粒含量，%；P5礫為松鋪礫石料大于5 mm顆粒含量，%(由于兩河口水電站工程料源及生產(chǎn)工藝較為穩(wěn)定，人工礫石P5礫含量實(shí)測(cè)值在96.0%～97.4%，平均值為97.0%，故取固定值為97.0%)；P5控為礫石土P5含量控制目標(biāo)值，%(兩河口水電站礫石土P5含量以40%～45%作為控制目標(biāo)，計(jì)算取中值42%)。

將公式(2) 進(jìn)行變換得：

(3)

定義M為土石厚度比系數(shù)：

(4)

則公式(3) 可轉(zhuǎn)化為

(5)

由公式(3)可知：當(dāng)P5土≤P5控時(shí)，H土隨著P5土的增大而增大，土料層厚度為動(dòng)態(tài)變化值，而非固定值；當(dāng)P5土>P5控時(shí)，H土為負(fù)值，將失去意義。

由公式(4)可知，土石厚度比系數(shù)為變動(dòng)值，隨著土料料源礫石含量的變化而變化。對(duì)比公式(1)及公式(5)，對(duì)同一料場(chǎng)，推薦土石摻配比為固定值(由表1查值)，土石厚度比系數(shù)為變動(dòng)值。當(dāng)推薦土石摻配比與土石厚度比系數(shù)相等時(shí)，常規(guī)方法與動(dòng)態(tài)調(diào)整法計(jì)算的厚度一致，因而常規(guī)方法僅為動(dòng)態(tài)調(diào)整法的一種特殊形式。

4 工程實(shí)例對(duì)比分析

4.1 試驗(yàn)材料

為進(jìn)一步說(shuō)明兩種方法的優(yōu)劣，開(kāi)展了常規(guī)方法及動(dòng)態(tài)調(diào)整法對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)用土料料源為亞中A區(qū)土料，礫石料為慶大河摻反系統(tǒng)加工的人工礫石料。各料源指標(biāo)檢測(cè)值見(jiàn)表2。

表2 料源指標(biāo)檢測(cè)值Tab.2 Inspection value of material source index

4.2 試驗(yàn)儀器及方法

本次試驗(yàn)儀器主要為孔徑5 mm超遜徑篩及中興偉業(yè)101-4A電熱鼓風(fēng)干燥箱。試驗(yàn)操作按照《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》中的具體步驟進(jìn)行。試驗(yàn)分兩種工況，其中工況1為常規(guī)摻配法，工況2為動(dòng)態(tài)調(diào)整摻配法。

首先根據(jù)公式(1)、(3)及表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算出兩種工況下的土料厚度；然后取礫石濕重30 kg，根據(jù)礫石厚度(0.5 m)，換算出互層面積；再根據(jù)兩種工況下的土料厚度、互層面積及土料濕密度分別計(jì)算出土料濕重取樣值；最后取樣并人工摻拌均勻，并對(duì)摻拌后的礫石土礫石含量進(jìn)行檢測(cè)。具體檢測(cè)成果見(jiàn)表3。

表3 工況分析及檢測(cè)成果Tab.3 Working condition analysis and test results

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由表3知：在摻配礫石料厚度相同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整法摻配后的礫石含量平均值為41.7%，較常規(guī)方法(44.8%)更接近控制目標(biāo)值(42.0%)，因而礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整法對(duì)礫石含量的控制較常規(guī)方法更為精確。

5 料源礫石含量允許波動(dòng)范圍

由于動(dòng)態(tài)調(diào)整法是根據(jù)土料料源礫石含量實(shí)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整土料鋪層厚度，因此土料料源礫石含量的不斷變化，勢(shì)必增加礫石土互層厚度調(diào)整頻次，使工序變得更為繁雜，一定程度上制約了工程進(jìn)度。

為減少礫石土互層厚度調(diào)整頻次，允許料源礫石含量在一定范圍內(nèi)波動(dòng)但不對(duì)礫石互層厚度進(jìn)行調(diào)整。可利用敏感性分析原理來(lái)確定料源礫石含量允許波動(dòng)的范圍。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，摻配后的礫石土大于5 mm顆粒含量以40%～45%作為控制目標(biāo)，P5控取中值42%，則礫石土大于5 mm顆粒含量控制目標(biāo)變動(dòng)范圍約為P5控1-7.1%，P5控1+7.1%

假定摻配土料松鋪干密度不隨P5含量變化而變化，設(shè)α為礫石土P5含量控制目標(biāo)極值較中值增加的比例(兩河口水電站工程取7.1%)，%；P′5土為礫石土P5含量變動(dòng)α?xí)r對(duì)應(yīng)的土料料源P5含量，%。則由公式(2)知：

(6)

公式(6)與公式(2)相減，得：

(7)

則土料料源P5含量在不調(diào)整土料層厚度條件下的允許波動(dòng)范圍為

(8)

當(dāng)將表2中數(shù)據(jù)代入公式(8)，該區(qū)域料源礫石含量允許波動(dòng)范圍為[5.5%，14.9%]，即當(dāng)料源礫石含量在該范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，可不對(duì)鋪料厚度進(jìn)行調(diào)整。

6 礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝

6.1 工藝流程

動(dòng)態(tài)調(diào)整法需在料源開(kāi)采前，對(duì)料源進(jìn)行取樣檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果完成后，方能確定土料鋪層厚度。較常規(guī)工藝，由于試驗(yàn)檢測(cè)工作量的增加，動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝在一定程度上制約了工程進(jìn)度。為減少試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)工程的制約，對(duì)動(dòng)態(tài)調(diào)整法工藝流程做出以下規(guī)定：

(1) 結(jié)合地質(zhì)復(fù)勘，對(duì)土料場(chǎng)料源進(jìn)行大范圍取樣鑒定，并按料源礫石含量分布情況，參考礫石含量允許波動(dòng)范圍大致劃分采區(qū)域。

(2) 料源開(kāi)采前，先對(duì)各開(kāi)采區(qū)域取樣檢測(cè)5組，確定料源P5含量平均值及料源礫石含量允許波動(dòng)范圍，再根據(jù)公式(3)計(jì)算土料層厚度。

(3) 按規(guī)范要求及計(jì)算的料源厚度，對(duì)料源進(jìn)行開(kāi)采、鋪填。料源開(kāi)采過(guò)程中繼續(xù)按3組/d的頻次進(jìn)行取樣檢測(cè)，對(duì)當(dāng)層土料料源P5含量進(jìn)行校核，若連續(xù)3組礫石含量超過(guò)允許波動(dòng)范圍，則調(diào)整土層鋪料厚度。

(4) 下層土料鋪填前，要求必須完成上層土料礫石含量檢測(cè)試驗(yàn)，并利用上層土料礫石含量均值重新計(jì)算下層土料厚度。重復(fù)步驟(3)，直至完成礫石土3個(gè)互層的鋪填。

由于在地質(zhì)復(fù)勘階段根據(jù)料源礫石含量對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行了二次劃分，減少了礫石含量波動(dòng)范圍，且土料料源開(kāi)采前提前檢測(cè)、開(kāi)采過(guò)程中充分利用前層礫石含量動(dòng)態(tài)調(diào)整后層土料厚度，整個(gè)工序中試驗(yàn)檢測(cè)作業(yè)較互層鋪填作業(yè)提前或同步進(jìn)行，不占用鋪填作業(yè)的有效時(shí)間，因而減少了試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)工程進(jìn)度的制約。該措施在不影響工程進(jìn)度的前提下，又提高了礫石土礫石含量摻配的精確度，對(duì)工程具有一定的實(shí)用價(jià)值。

6.2 冬雨季施工措施

《碾壓式土石壩施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確礫石土互層采用“先石后土”的形式進(jìn)行鋪填。但兩河口水電站工程地處高原高寒區(qū)，冬季氣溫低，最低氣溫達(dá)-15.9 ℃，若采用“先石后土”鋪填形式，最外層土層在冬季低溫環(huán)境下易受凍。兩河口水電站工程冬季土料凍融機(jī)理及防控體系試驗(yàn)成果表明，冬季礫石土最大凍結(jié)深度為19.7 cm，平均凍結(jié)深度為9.4 cm。為避免土料受凍，兩河口冬季礫石土互層采取“先土后石”鋪填工藝，允許礫石受凍，保護(hù)土料不受凍。

雨季仍采用“先石后土”鋪填工藝，同時(shí)為減少雨水下滲對(duì)礫石土含水率的影響，采用平碾對(duì)最上層土料進(jìn)行光面封閉、雨停后拋毛翻曬措施。

7 結(jié) 論

(1) 礫石土互層工藝的常規(guī)方法未考慮料源礫石含量波動(dòng)的影響，易導(dǎo)致成品料礫石含量的大范圍波動(dòng)，影響摻配效果。根據(jù)礫石含量守恒原理，推導(dǎo)了礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整公式，定義土石厚度比系數(shù)，論證了常規(guī)方法為動(dòng)態(tài)調(diào)整法在土石厚度比系數(shù)與推薦土石摻配比相等時(shí)的一種特殊形式。

(2) 以兩河口水電站工程為例，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)礫石土互層厚度控制常規(guī)方法及動(dòng)態(tài)調(diào)整法進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整法所得到的礫石含量為41.7%，較常規(guī)方法(44.8%)更接近礫石含量控制目標(biāo)值(42%)，礫石含量摻配精準(zhǔn)度進(jìn)一步提高。

(3) 基于敏感性分析原理，推導(dǎo)了土料料源礫石含量允許波動(dòng)范圍公式。利用該公式確定土料料源礫石含量允許波動(dòng)范圍。當(dāng)含量在該范圍內(nèi)時(shí)，可不對(duì)礫石土厚度進(jìn)行調(diào)整，以減少因料源礫石含量波動(dòng)而頻繁調(diào)整礫石土互層厚度。

(4) 明確了礫石土互層厚度動(dòng)態(tài)調(diào)整工藝流程。充分利用料源開(kāi)采前勘測(cè)分區(qū)、開(kāi)采過(guò)程中由上層土料礫石含量均值動(dòng)態(tài)調(diào)整下層土料厚度的措施，減少了試驗(yàn)檢測(cè)對(duì)工程的制約；加強(qiáng)工序銜接，提高工作效率，同時(shí)明確了冬季采用“先土后石”、雨季采用“先石后土”工藝。