长河坝水电站大坝砾石土心墙料含水率调整工艺及设备选择

熊　亮/中国水利水电第五工程局有限公司

【摘　要】　土料的含水率对压实效果影响较大，必须将其含水率调整至最优含水率左右，土料才能碾压密实，从而保证获得较高的压实度和较好的防渗效果。本文对天然土料的减水工艺进行了系列试验论证，最终使砾石土料在满足设计要求的同时大大提高了土料的调水效率。

【关键词】　长河坝水电站　天然土料　减水工艺

1　概述

1.1　工程概况

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内大渡河上游金汤河口以下4～7km河段，是大渡河流域水电梯级近期开发的大型水电工程之一。电站装机容量2600MW，正常蓄水位1690.00m，总库容为10.75亿m3，具有季调节能力。

大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240m，设计需要碎砾石土防渗料压实方约为430万m3，主要料场为汤坝料场和新莲料场。

汤坝料场位于坝区上游金汤河左岸与汤坝沟之间的边坡上，距下坝址22km，有17km重丘4级公路与沿大渡河省道S211公路连接，开采条件较好，但运距相对较远。料场土料主要属冰积堆积含碎砾石土，少量为坡积堆积。地形坡度一般为20°～30°，局部为10°～15°及35°～40°，分布高程在2050.00～2260.00m之间，面积51万m2，多为耕地并有极少量农舍。

1.2　砾石土料设计技术要求

砾石土料设计技术要求如下：

（1）填筑料最大粒径宜不大于150mm和铺土厚度的2/3；粒径大于5mm的颗粒含量不宜超过50％、不宜低于30％；小于0.075mm的颗粒含量不应小于15％；小于0.005mm的颗粒含量不小于8％。

（2）颗粒级配应连续，并防止粗料集中架空现象。

（3）碾压后的砾石土心墙料渗透系数不大于1×10-5cm/s，抗渗透变形的破坏坡降应大于5，其渗透破坏型式应为流土。

（4）砾石土心墙料的塑性指数宜大于10，小于20。

（5）碾压后的砾石土心墙料压实度以全料压实度和细料压实度进行双控制，全料的压实度应不低于0.97（击实功2688kJ/m3），土料中粒径大于5.0mm的颗粒（以下简称P5）含量分别为30％、40％、50％时压实后干密度分别不小于2.07g/cm3、2.10g/cm3、2.14g/cm3，其他P5含量土料控制干密度可根据上述控制干密度内插；细料压实度不低于1.00（击实功592kJ/m3），压实后干密度不小于1.82g/cm3。全料压实度=挖坑灌水法得到的全料干密度/室内大型击实试验所得全料最大干密度；细料（＜5mm料）压实度检测宜采用三点击实法。

（6）汤坝心墙防渗土料全料填筑含水率应为w0-1％≤w≤w0+2％，w0为最优含水率。

1.3　土料含水率调整的必要性

汤坝土料场料源质量分布不均匀，土料的天然含水率一般与最优含水率均有不同程度的差值，极少量处于允许范围。根据前期汤坝土料场复勘成果、近期开采过程中料源检测情况及现阶段新增探坑所确定含水率偏高土料范围，现阶段汤坝土料场内70％土料含水率偏高。土料的含水率对压实效果影响较大，必须将其含水率调整至最优含水率左右，土料才能碾压密实，从而保证获得较高的压实度和较好的防渗效果，因此土料含水率的调整是土石坝填筑的关键工序。

汤坝土料场未发现含水率偏低土料，本文主要介绍砾石土料的减水工艺。

2　土料调水量的计算

2.1　砾石土料填筑含水率确定

天然土料的最优含水率与P5含量的关系需经过系列的击实试验求得，不同砾石含量的土料均对应不同的最优含水率，P5含量与最优含水率的关系如图1所示。

砾石土料P5含量与含水率在上述情况下，通过系列碾压试验能获得满足设计要求的压实度，同时获得砾石土料的填筑含水率为w0-1％≤w≤w0+2％，w0为最优含水率。

2.2　砾石土料减水量的确定

考虑土料调水完成后需经过装车、运输（28km）、摊铺、碾压几个重要工序，将损失部分水分。为此在确保土料填筑含水率控制在最优含水率的-1％～2％范围内，土料调水完成后的含水率应按最优含水率的1％～2％范围进行控制。

一般调水过程中含水量检测消耗时间较长，导致各调水时段土料的含水率不能及时获得。为此长河坝水电站砾石土料含水率均采用快速检测方法求得，具体方法如下：

（1）测定粒径小于5mm土料与粒径大于5mm土料所占的百分数。

（2）大于5mm土料的含水率采用饱和面干含水率代替，小于5mm土料的含水率采用酒精燃烧法获得。

（3）根据两者的含水率及对应的砾石含量按照加权法计算全料的含水率。

待调水土料的含水率检测完成后，根据各土料最优含水率的+1％～+2％确定土料的调水量。

3　土料调水工艺选择

结合汤坝土料场料源质量分布情况，针对含水偏高的土料制定了调水工艺（图2）。

3.1　调水工艺试验

根据已建类似工程经验，并结合汤坝土料场砾石土料料源质量分布情况及含水率的差异，针对砾石土料的含水率调整分别拟定了三个调水工艺。

3.1.1　常规调水工艺

常规调水工艺为推土机将待调水的土料按照确定的调水厚度（50cm）进行含水偏高土料的铺筑，在自然条件下进行含水调整。调水过程中试验检测人员进行含水率的跟踪检测，检测合格后进行运输上坝填筑。

3.1.2　农用四铧犁调水工艺

农用四铧犁调水工艺为推土机将待调水的土料按照确定的调水厚度（50cm）进行含水偏高土料的铺筑，铺筑完成后采用农用四铧犁进行含水偏高土料的翻土调水。调水过程中试验检测人员进行含水率的跟踪检测，检测合格后进行运输上坝填筑。

3.1.3　推土机挂松土器调水工艺

推土机挂松土器调水工艺为推土机将待调水的土料按照确定的调水厚度（50cm）进行含水偏高土料的铺筑，铺筑完成后采用推土机挂松土器进行含水偏高土料的翻土调水。调水过程中试验检测人员进行含水率的跟踪检测，检测合格后进行运输上坝填筑。

根据不同调水工艺，结合生产进行了现场生产性调水试验，其试验统计见表1。

上述试验检测成果表明，各调水工艺均能将土料含水率调整至施工含水率范围内。但由于调水工艺的差异，土料的调水效率明显不同。现场调水过程中对各调水工艺进行了对比分析，各调水工艺的优缺点见表2。

3.2　调水工艺要求

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝技术标准高。另外受发电工期与度汛工期的限制，施工强度高于已建同类工程。结合前期料场复勘及上坝过程中料源检测情况统计，汤坝土料场砾石土料绝大部分含水率高于施工含水率要求，需对含水偏高的土料进行规模调水，其调水强度方能满足大坝填筑需求。

3.3　工艺选择

综合已建类似工程经验及各调水工艺的优缺点，为确保砾石土料的调水强度及调水质量满足上坝填筑要求，长河坝水电站砾石土料调水工艺采用推土机挂松土器翻土的方式进行含水偏高土料的调整。

4　调水设备改进与论证

为了提高调水效率及调水质量，结合推土机的动力及调水试验过程中暴露出的问题对调水设备进行了以下改进：

（1）结合SD220推土机的宽度，根据犁地的犁铧设计制作了翻土装置。

（2）根据SD220推土机的动力，设计制作了5个犁铧，两次翻土能将待调水土料全部刨松，且翻土深度可达50cm。

（3）将翻土板设计制作为倾斜状态，满足翻料的要求，能将下部的土料翻到表面，提高了土料调水效率。

调水设备改进后，进行了调水效率及调水质量的论证（表3）。

结合调水设备改进后的综合调水效率、大坝填筑过程中砾石土料的供料强度及调水周期，砾石土料采用推土机挂犁铧的工艺进行调水时，在含水偏高土料铺料厚度固定为0.5m及外界环境不变的情况下，翻土频率固定为4h/次。考虑土料的摊铺、调水、装运等工序，含水偏高土料在一个工作日内能将含水率调整至施工允许的范围内。

为提高调水效率，减小调水场地的使用面积，结合大坝填筑过程中砾石土料的供料需求，将调水场地规划为三个作业区。各作业区调水面积一致，面积大小根据调水强度及土料需求量确定。

5　结语

推土机挂犁铧的土料翻土设备已设计制作完成，并在长河坝碎石土料的含水量调整中投入运用，运用结果说明，调水设备改进后其调水质量及调水强度均满足上坝填筑要求。目前共完成40余万m3含水偏高土料的调整，该部分土料上坝碾压后现场检测结果表明其含水率及压实度均满足设计要求。

采用推土机挂犁铧进行含水偏高土料的调整，能有效地利用推土机的动力，避免浪费，翻土效率得到了显著的提高。同时减小调水场地，减少设备配置，节约设备运行时间，降低燃油消耗和燃气的排放，有利于环境保护，能取得较好的综合效率。可为类似工程提供参考依据。