二類土制備礫石土料的P5穩定性研究

李 勇

(中國水利水電第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310030)

1 兩河口項目概況

兩河口水電站大壩工程為300 m級礫石土心墻堆石壩,其中礫石土心墻防滲體通過開采土料與加工礫石料按照一定比例摻配形成。P5含量作為心墻摻礫土料關鍵技術控制標準之一。土料中摻入一定比例的礫石料可改善和提高土料最大干密度、提高抗變形指標以及抗剪強度,減小與壩殼料的變形差,降低心墻拱效應,改善心墻的應力應變,減少心墻裂縫的發生幾率,防止水力劈裂的產生。P5含量偏小起不到土料改性的作用,偏大造成骨料集中容易產生滲流通道,因此控制P5含量的波動對壩體填筑質量至關重要。

心墻土料來自于五個土料場,各料場分散、土料特性各不相同,同一料場又根據P5含量的不同進行劃分為一類土(P5含量≤15%)、二類土(含量15%25%)[1]。由于一類土P5含量更為穩定,故為保證心墻質量,優先采用一類土制備合格礫石土料上壩進行填筑。

受客觀條件限制,五大土料場雖然經精細化開采,盡可能的將一類土取干用盡,但仍無法采用一類土將大壩填筑至頂,故啟動二類土制備礫石土料的P5穩定性研究勢在必行。

2 二類土制備難點

與一類土相比,二類土料源P5波動范圍大,以現場瓜里B1土料場為例,P5含量波動范圍為1.5%～37.8%,相應碾壓后二類土最優含水率略低、干密度略大,同時在平面上及立面上變化較大,細粒土與粗粒土呈夾層狀或互層狀分布,以上特性導致采用現有的工藝工法難以制備出P5含量穩定的礫石土料。

3 二類土制備工藝提出

針對上述難點,對比長河壩、糯扎渡的P5含量調整方法,研究并提出了以下三種解決方案:

(1)預篩分法:將土料場開采的二類土運至篩分系統,通過篩分調整其P5含量,保證土料P5含量穩定,之后將篩好的土料運至摻拌場,經過互層攤鋪摻拌均勻,達到礫石土料P5含量穩定的目的。

(2)土料開采預均化法:將土料場開采的二類土運至預摻拌場,進行機械平鋪立采混合,提高土料均勻性,之后將混合均勻的土料運至摻拌場,經過互層攤鋪摻拌均勻,達到礫石土料P5含量穩定的目的。

(3)動態調整摻拌法:將土料場開采的二類土運至摻拌場,進行互層攤鋪摻拌均勻,過程中根據試驗檢測結果動態調整,達到礫石土料P5含量穩定的目的。

4 二類土制備工藝對比

為更好的進行二類土制備合格礫石土料,現從技術可行性、安全性、經濟性、時效性四個方面對三種方案進行了對比:

4.1 預篩分法

(1)技術可行性:經過調查,目前市面上廣泛用于礦山及骨料生產系統的棒條式振動篩分喂料機經過少量的技改后可用于二類土篩分;兩河口工區各料場的土料黏粒含量均較大,篩分時容易掛網,造成黏粒損失,影響土料品質,施工技術要求高。

(2)安全性:涉及到使用液壓挖掘機、推土機、自卸汽車等用于二類土開采、運輸及摻拌,有一定的機械操作及運輸風險,設置專職人員進行現場指揮及提高駕駛人員安全意識,可一定程度上規避此類安全風險;篩分系統在使用過程中,存在高空墜物、機械傷害等危險,且日常使用維護也需要人員進行高空作業,有一定的安全風險?？傮w上有2個方面的安全隱患,安全風險較高。

(3)經濟性:相較于一類土制備工藝,此方法需要建設一套篩分系統,所需費用約500萬元,成本過高,經濟性差。

(4)時效性:篩分系統理論產能為500 t/h,每天平均生產約18 h,一天可生產約9 000 t,換算為土方約5 200 m3,生產強度能夠滿足備料需要;完成3個互層鋪料約需要2 d時間;一個備料倉摻拌完成所需時間為2 d。綜上,制備1倉礫石土料(方量約12 000 m3)需要約4 d,時間較短。

4.2 土料開采預均化法

(1)技術可行性:采用對開采的二類土在預摻場進行平鋪立采混合的方法,提高級配均勻性,施工技術要求低。

(2)安全性:涉及到使用液壓挖掘機、推土機、自卸汽車等用于二類土開采、運輸及摻拌,有一定的機械操作及運輸風險,設置專職人員進行現場指揮及提高駕駛人員安全意識,可一定程度上規避此類安全風險?？傮w上只有1個方面的安全隱患且具有可控性,安全風險小。

(3)經濟性:相較于一類土制備工藝,此方法有一個預均化過程,需要增加鋪、摻、裝一整套工序,所需費用約280萬元,成本較高,經濟性適中。

(4)時效性:二類土預均化約需要2 d時間;完成3個互層鋪料約需要3 d時間;一個備料倉摻拌完成所需時間為2 d。綜上,制備1倉礫石土料(方量約12 000 m3)需要約5天,時間適中。

4.3 動態調整摻拌法

(1)技術可行性:采用在過程中進行試驗檢測,根據P5檢測結果動態調整開采區域及互層攤鋪厚度,施工技術要求低。

(2)安全性:涉及到使用液壓挖掘機、推土機、自卸汽車等用于二類土開采、運輸及摻拌,有一定的機械操作及運輸風險,設置專職人員進行現場指揮及提高駕駛人員安全意識,可一定程度上規避此類安全風險?？傮w上只有1個方面的安全隱患且具有可控性,安全風險小。

(3)經濟性:相較于一類土制備工藝,此方法只是增加了試驗檢測頻次,所需費用約90萬元(后期取得規律后頻次會降低,所需費用還會減少),成本較低,經濟性較好。

(4)時效性:完成3個互層鋪料約需要4 d時間;一個備料倉摻拌完成所需時間為2 d。綜上,制備1倉礫石土料(方量約12 000 m3)需要約6 d,時間較長。

通過對比,不采用預篩分法、土料開采預均化法,最終選擇了施工技術要求低、安全風險小、經濟性較好的“動態調整摻拌法”。

5 動態調整摻拌法實施

5.1 土料場開采

將料場按每5米P5含量平均值進行分區,將料場劃分為若干個平均P5含量波動在5%以內的區域,在劃分的小范圍內通過液壓反鏟挖掘機進行開采二類土。二類土開挖從上而下按5 m分層進行開挖,且對土料進行混合的方法。同時,現場管理人員應密切關注每個開采區域內料源變化情況,如發現料源性質發生明顯變化時,應及時通知試驗人員進行加密取樣,當P5波動值與規劃區域平均值波動變化相對較大時,通知參建各方共同去現場查看并重新規劃開采區域。

5.2 攤鋪工藝

由于二類土P5含量較高且波動大,若按照一類土的定礫調土方式進行鋪料(3個互層),將導致互層高度極高,若降低互層層數又會造成P5含量波動太大。故經研究,將攤鋪工藝改成定土調礫方式。

定土調礫即先鋪土料層,土料層鋪筑厚度為一固定值。根據前期二類土均化試驗成果,土料鋪料厚度固定為80 cm。土料攤鋪完成后按照10～15 m×10～15 m的網格網進行測量畫線,然后在網格內進行取樣檢測,根據本層土料平均P5含量計算礫石料鋪料厚度。礫石料鋪筑采用進占法進行,土料筑采用后退法進行。

制備礫石土料目標P5值暫按40%進行控制,摻配后P5波動范圍控制在35%～45%之間,因此,在本方案中計算礫石料鋪料厚度時,目標P5值按40%進行控制,礫石料鋪料厚度的計算公式為:

(1)

式中:0.982為礫石P5含量;ρ礫為礫石料干密度,取1.88 g/cm3;H礫為礫石料鋪料厚度,根據土料P5含量調整;P5為料源檢測P5值,根據現場取樣結果確定;×ρ土為干密度,瓜里土料場取1.72 g/cm3;H±為土料鋪料厚度,取80 cm。

5.3 含水量調整

補水量根據室內擊實試驗成果進行確定,在最優含水率基礎上+0.5%,即,則每方土的補水量為:

V水=(ωop+0.5%/0.72-ω0土)×ρ土

(2)

式中:V水為每方土的加水量m3;ωop為各料場土料最優含水率,根據室內擊實試驗確定;ω0土為土料實測平均含水率 %;ρ土為土的干密度;0.72為每方成品礫石土中土料所占比例。

確定補水量后,采用摻拌場內已有補水管路進行,通過水表控制補水量,如供水難以滿足需求時,可采用灑水車進行補充補水。補水前,摻拌場內管理人員根據摻拌試驗場地的面積、每層土料鋪料厚度確定每層土料方量,然后補水量計算公式確定該層土料所需補水量,根據補水量的多少確定所需10 t灑水車的車數,補水過程中對水槍流量及補水時間有明確認識,防止少補或過補。

5.4 現場摻拌

料堆鋪料完成后(調水料堆則要調水完成),采用正鏟挖掘機進行立采摻混。

正鏟挖掘機從料堆底面展開工作線,自下而上挖料,每次挖料要切透所有鋪料層,將料舉高后開斗自然拋落,同一斗料拋落1次即摻配1遍,二類土摻拌遍數為3遍[2]。

6 試驗檢測

二類土摻配完成后,對礫石土料的P5含量進行了多組檢測,成品礫石土料的P5含量穩定在36.2%～47.1%,平均值40.9%。

7 結語

根據檢測結果可知,從料場開采檢測二類土P5含量→鋪料過程中檢測二類土P5含量→摻拌完成后檢測礫石土料P5含量,離散系數明顯降低,波動區間減小,成品礫石土料P5含量平均值為40.9%,與目標值40%接近,波動范圍在35%～45%之間的占比達到95.1%,達到了設計要求,且與前期一類土P5數據相比,兩者數據基本一致,說明通過采取“料場小區域立采、料倉小倉面摻拌、全程加密檢測、逐層定土調礫”措施后,二類土摻拌后能達到一類土的效果,可用于大壩斷面填筑,也為后續其他類似項目提供的借鑒,具有較大的推廣價值。