抽水蓄能电站上水库主坝工程

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莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗田县白莲河乡境内，白莲河水库右坝头上游侧。本工程为I等大（I）型工程，电站总装机1200MW，装有4台单机容量为300MW的可逆式电动发电机组。其上库挡水建筑物由1座主坝、3座副坝组成。
    主坝为混凝土面板堆石坝，座落在弱风化岩体上中上部，最大坝高59.40m。混凝土混凝土面板堆石坝过渡料全部利用引水发电系统开挖可利用料，勘探储量完全可满足大坝填筑要求，且岩石室内试验成果表明，岩石主要物理力学指标满足筑坝要求。按照《主坝土建工程I标施工招标文件》要求，我部承担填筑料的碾压试验工作，为施工提供经济、合理的施工参数。
    1、试验依据
    1.1《主坝土建工程I标施工招标文件》
    1.2《大坝填筑施工技术说明书》
    1.3《主坝生产性填筑碾压试验大纲》
    2、试验目的
    核实3A料设计填筑技术标准的合理性；确定达到设计填筑标准的压实参数与填筑工艺。
    3、压实机械
    根据过渡料的施工填筑要求，结合我部现有设备情况，试验采用20吨自行式光面振动碾碾压，其主要性能参数如下：
    碾重：20t碾压宽度：2.13m激振力：220~350KN振幅：1.9mm
    振动频率：30~33Hz工作速度：1.5~2.0 Km/h
    4、碾压试验规划
    4.1 压实参数和试验组合
    按照过渡料的设计压实参数，拟定3A料碾压试验组合如下：
    铺料厚度： 40cm60cm 80cm
    碾压遍数： 6遍、8遍、10遍
    加水量： 5% 、10%、15%
    试验采用淘汰法，预计分3轮（次）进行27个组合参数的试验，并在其中选定最优参数进行复核试验。
    4.2 试验场地
    试验场地布置在下游堆石区桩号0+120~180、高程273m的填筑面上。先用3A料在填筑面上铺压一层，压实合格（符合设计标准）后将该层作为基层，然后在其上进行碾压试验。试验区面积按照《试验大纲》中的图示进行布置。试验组合界线用全站仪测量定点，划定各试验组合的区域。
    4.3 试验坝料取自上库堆存转运料场，试验前在料场进行颗粒级配试验。
    5.试验概述
    5.1 加（洒）水：分坝前加水和现场洒水，根据每车的装载方量在坝前加水站加水，约为试验加水量的20~30%，用水表控制加水量。
    5.2 铺料采用进占法，推土机平铺入仓，现场由质检员随时用钢卷尺测量控制厚度。
    5.3 碾压采用20吨光面振动碾进退错距法碾压，工作速度控制在2 Km/h，错距带宽度大于0.4 m，碾压遍数由现场试验人员数记。
    5.4 试验填筑、碾压工作完成后，试验员在预定位置挖坑取样，检测干密度、孔隙率等指标；试验采用挖坑灌水法。
    6.试验成果整理与分析
    6.1 过渡料碾压试验检测结果统计表：见附表1。
    6.2 按照过渡料碾压试验检测结果，对各参数数据进行统计分析，绘制参数间关系图。
　　

　　图1（按加水量10%）：A、B、C分别代表铺料厚度40、60、80 cm。

    图1中，在相同的加水量条件下，3种铺料厚度的沉降量都在随着碾压遍数的增加在增大，沉降趋势变化明显，其中曲线B的沉降变化比较显著。3A料的最大粒径为30 cm，在施工过程中，由于重型机械和车辆进占法施工对填筑料形成先期碾压，其初始沉降并不大。当铺料厚度为40 cm时，其最大粒径超过层厚的%，沉降量变化不大；当铺料厚度为60 cm时，有效的振动碾压使得沉降量随遍数的增加变化明显；而当铺料厚度为80 cm时，其沉降量虽然较大，但是此时多为颗粒之间填充空隙的沉降，其最终的压实效果不如厚度40 cm和60 cm。

　　图2（按加水量10%）：A、B、C分别代表铺料厚度40、60 、80 cm。

    图2是选用加水量为10%的数据，绘制不同铺料厚度时的压实干密度与碾压遍数的关系曲线。在图中，干密度曲线呈上升趋，随着碾压遍数的增加，干密度在不断的增大。当铺料厚度为40 cm和60 cm时，经过6遍碾压后的干密度全部达到设计标准，并且随着进一步的增加碾压遍数，干密度仍在增大，说明过渡料具有良好的压实效果；而铺料厚度为80 cm时，碾压6遍后的干密度比设计值低，虽然在碾压10遍时干密度也达到设计标准，但是此时需要较多的碾压遍数。

　　图3中（按加水量10%）：A、B、C分别代表铺料厚度40 、60 、80 cm。

    图3中，在碾压遍数逐渐增加的情况下，孔隙率总体呈下降趋势，曲线A、B变化比较明显，孔隙率随着碾压遍数的增加在不断的减小，在碾压6遍时即可接近、达到设计标准。曲线C的变化趋势不明显，主要原因在于厚度增加，相同的碾压遍数时孔隙率减小较少，这与干密度的情况一致。
    6.3 过渡料碾压试验颗粒级配试验数据统计表：见附表2；
    过渡料碾压试验（统计）颗粒级配曲线图：见附图1；
    过渡料碾压试验前（料场）颗粒级配曲线图：见附图2；
    过渡料碾压试验后（最优参数）颗粒级配曲线图：见附图3。
    6.4 由于碾压试验采用淘汰法，一边做试验一边出结果，有效的提高了试验进度和效率，同时也对部分试验组合进行了淘汰，故干密度、孔隙率与含水率的关系曲线因试验样本不足，不能绘制。过渡料是新鲜的花岗岩石料，其吸水率不大、持水性不好，在坝前加水站加水仅对石料起到湿润作用，向车厢内石料加水过多，大部分水会流失，因此在坝前加水站加水约为20%~30%比较合理。从试验施工情况和现有试验数据来看，过渡料在加（洒）水后，特别是现场大量的洒水70%~80%，可以将表层的细料冲散，使其较好的填充粗料间的孔隙，有效的改善级配，在振动碾压下获得较大的密度，加速施工沉降，从而使得干密度相应的增大。
    7、复核试验
    7.1 复核试验组合参数
    经过对碾压试验检测结果的统计分析，结合各试验参数之间的变化关系，对干密度和孔隙率两项均达到设计标准的试验组合进行筛选，选定以下3个组合进行复核试验：

铺料厚度（cm） 40 60 60
碾压遍数（遍） 6 8 10
加水量（%） 10 10 5

    7.2 复核试验
    复核试验仍在试验场地上进行，其施工、试验等均按以前方法实施。各复核试验组合在碾压完成后进行挖坑取样。复核试验完成3个组合，取样9个。
    7.3 复核试验参数及试验检测结果：见附表3。
    复核试验结果显示，按照干密度和孔隙率两项压实控制指标筛选的3个试验组合全部达到设计标准，则最终的施工参数需要从施工工序流程和施工便利性等方面加以选择。
    7.4 最优参数时干密度、孔隙率数据的频率统计分析　　

　　图4：最优参数时干密度（18个，含复核试验）的频率分配。

　　图5：最优参数时孔隙率（18个，含复核试验）的频率分配。

    图4和5是对所有最优参数时干密度、孔隙率数据的频率统计。图中表明，现存于上库堆存转运料场的过渡料，选用合适的施工参数，经过适当的填筑碾压施工，完全可以达到甚至高于设计标准。需要指出的是，由于试验中是按照是干密度和孔隙率双重指标控制、选择，即使有干密度达到设计标准（2.10g/cm3）的试验参数，但是其孔隙率却不能达到（20.0%）。通过对试验数据的统计分析发现，在干密度至少要达到2.15g/cm3的情况下，其相应的孔隙率才能合格；即在干密度合格时（2.10g/cm3），仍需要通过增加碾压遍数来使孔隙率达到设计标准。

　　图6：最优参数时（18个，含复核试验）不同含砂量的干密度频率分配。

    图6是对所有最优参数时不同含砂量的干密度分布统计。现存于上库堆存转运料场的过渡料中含砂量不足（约在3.0%~6.0%）、存在超径石（约10%）；但是对碾压试验数据分析，在含砂量达到4.0%左右时，其干密度较易达到设计标准。由于含砂量较低，从而导致了如图4、图5的情况，在干密度合格的情况下，其孔隙率不合格，需要增加碾压遍数使石料颗粒更为密实以降低孔隙率，同时部分石料破碎后的细小颗粒对孔隙有一定的填补作用。
    8、碾压试验结论
    8.1 过渡料碾压试验，是严格按照设计填筑压实指标，依据技术规范、规程和《碾压试验大纲》，周密安排、科学组织实施的。对设计压实参数进行了循环淘汰试验，选择出最优参数组合进行复核试验，以做进一步的验证。在试验中，通过大量的现场试验，对试验过程中发生的现象、存在的问题，深入地进行观察和分析，改进和完善施工作业工艺，最终完成了碾压试验工作。
    8.2 经过对比分析，结合料源状况、施工设备、施工工艺等具体情况，按照设计标准进行过渡料的填筑施工和质量控制，基本可以达到施工规范和质量要求，设计标准具有一定的合理性。
    但是从碾压试验中反映出的问题和堆存料场过渡料颗粒级配的情况分析，目前堆存料场的过渡料级配不良，特别是存在超径石和含砂量不足的问题。按照设计提出的过渡料颗粒级配进行填筑，碾压干密度达到质量标准后，孔隙率应同时达到标准；但是堆存料场现有过渡料颗粒级配与设计级配范围不一致，导致施工中在干密度达到质量标准后，需要继续增加碾压遍数来补偿因超径石和含砂量不足引起的孔隙率过大问题，并且即使干密度和孔隙率达到质量标准后，也不能完全与施工图纸级配要求一致。
    根据此情况，是否可以适当的对过渡料干密度、孔隙率控制标准予以调整，并根据实际情况对过渡料级配范围适当调整，或者在过渡料中适量掺配细颗粒料以达到设计的颗粒级配要求，请监理协调考虑。
    8.3 按照复核试验结果，通过施工工序流程和经济效益等方面的对比分析，确定在目前的料源情况下，同时满足干密度和孔隙率的施工填筑压实参数为：铺料厚度60cm、加水量10%、碾压8遍，振动碾工作速度2Km/h，进退错距大于0.4m。
    考虑到现场施工填筑铺料60cm时，其压实厚度与堆石区、垫层区不能很好的搭接，容易造成过多的高差台阶（约10~20cm）和接缝。根据铺料厚度60cm时的沉降计算，在现场铺料控制时可以适当的将铺料厚度降低到50cm，其他参数仍按照选定的压实参数控制施工，在铺料厚度减少，压实参数不变情况下，更能保证填筑压实后的干密度和孔隙率满足要求。
    8.4 过渡料施工作业工艺
    （1）加（洒）水。加水站采用高位压力花管淋喷、水表计量。单车按车载方量计算加水量后，在加水站淋洒20%~30%，剩余加水量在填筑现场碾压前洒水。考虑到高峰填筑强度的要求，设计单车加水时间控制在1分钟内。
    （2）过渡料的填铺。填铺施工采用进占法，边铺边平。摊铺时要减少推平次数，避免反复；必要时对集中的卵块石进行分散；对于装运到坝面的超径石应清除填筑区外。铺料应按照试验确定的厚度严格控制，现场随时用钢卷尺监测量控。
    （3）碾压。过渡料的施工作业中，碾压是最重要的环节。在铺平后要均匀的洒一遍水（洒水量约为70%~80%），使细料进入粗料间的孔隙，在振动碾压时容易沉降和密实。洒水完成后按照试验确定的遍数进行碾压，碾压采用进退错距法，速度控制在2 Km/h以内，错距宽度大于0.4 m；当振动碾压前进和后退的碾辙基本重合时，记碾压遍数N=2遍，不重合或错向则只能记为N=1遍；根据现场施工情况，碾压遍数需要施工人员数记控制。
    （4）3B、3A填筑区间结合部位处理。按照设计要求，各填筑区要平起施工，均衡上升，但是3B、3A填筑区的石料技术指标要求不同，因此对于3B、3A填筑区间结合部位需要进行施工处理。主要采用细料向粗料侵占施工，即3A料向3B料侵占填筑的施工方法，以确保结合部位的压实质量，侵占填筑宽度应控制在允许的公差范围。碾压前，对结合部位要适当的增加洒水量，以利于碾压密实；在填筑厚度有高差时，振动碾紧贴边沿碾压，无高差时，振动碾骑缝碾压，碾压遍数按照两个填筑区的最高遍数控制。
    8.5 施工中注意的问题
    （1）要加强对料源颗粒级配试验监控工作，定期对取料部位料源变化情况进行监控，保证上坝石料级配良好。
    （2）过渡料加水后，在卸料时具有一定的流动性，容易造成分离现象。为此，摊铺时要边铺边平，粗细掺和均匀，并辅以机械和人工分散处理，保证填筑施工质量。
    （3）干旱和雨水季节施工时，要经常对石料的含水变化进行检测，适当调整加水量。