二类土制备砾石土料的P5稳定性研究

李 勇

(中国水利水电第十二工程局有限公司,浙江 杭州 310030)

1 两河口项目概况

两河口水电站大坝工程为300 m级砾石土心墙堆石坝,其中砾石土心墙防渗体通过开采土料与加工砾石料按照一定比例掺配形成。P5含量作为心墙掺砾土料关键技术控制标准之一。土料中掺入一定比例的砾石料可改善和提高土料最大干密度、提高抗变形指标以及抗剪强度,减小与坝壳料的变形差,降低心墙拱效应,改善心墙的应力应变,减少心墙裂缝的发生几率,防止水力劈裂的产生。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产生渗流通道,因此控制P5含量的波动对坝体填筑质量至关重要。

心墙土料来自于五个土料场,各料场分散、土料特性各不相同,同一料场又根据P5含量的不同进行划分为一类土(P5含量≤15%)、二类土(含量15%25%)[1]。由于一类土P5含量更为稳定,故为保证心墙质量,优先采用一类土制备合格砾石土料上坝进行填筑。

受客观条件限制,五大土料场虽然经精细化开采,尽可能的将一类土取干用尽,但仍无法采用一类土将大坝填筑至顶,故启动二类土制备砾石土料的P5稳定性研究势在必行。

2 二类土制备难点

与一类土相比,二类土料源P5波动范围大,以现场瓜里B1土料场为例,P5含量波动范围为1.5%～37.8%,相应碾压后二类土最优含水率略低、干密度略大,同时在平面上及立面上变化较大,细粒土与粗粒土呈夹层状或互层状分布,以上特性导致采用现有的工艺工法难以制备出P5含量稳定的砾石土料。

3 二类土制备工艺提出

针对上述难点,对比长河坝、糯扎渡的P5含量调整方法,研究并提出了以下三种解决方案:

(1)预筛分法:将土料场开采的二类土运至筛分系统,通过筛分调整其P5含量,保证土料P5含量稳定,之后将筛好的土料运至掺拌场,经过互层摊铺掺拌均匀,达到砾石土料P5含量稳定的目的。

(2)土料开采预均化法:将土料场开采的二类土运至预掺拌场,进行机械平铺立采混合,提高土料均匀性,之后将混合均匀的土料运至掺拌场,经过互层摊铺掺拌均匀,达到砾石土料P5含量稳定的目的。

(3)动态调整掺拌法:将土料场开采的二类土运至掺拌场,进行互层摊铺掺拌均匀,过程中根据试验检测结果动态调整,达到砾石土料P5含量稳定的目的。

4 二类土制备工艺对比

为更好的进行二类土制备合格砾石土料,现从技术可行性、安全性、经济性、时效性四个方面对三种方案进行了对比:

4.1 预筛分法

(1)技术可行性:经过调查,目前市面上广泛用于矿山及骨料生产系统的棒条式振动筛分喂料机经过少量的技改后可用于二类土筛分;两河口工区各料场的土料黏粒含量均较大,筛分时容易挂网,造成黏粒损失,影响土料品质,施工技术要求高。

(2)安全性:涉及到使用液压挖掘机、推土机、自卸汽车等用于二类土开采、运输及掺拌,有一定的机械操作及运输风险,设置专职人员进行现场指挥及提高驾驶人员安全意识,可一定程度上规避此类安全风险;筛分系统在使用过程中,存在高空坠物、机械伤害等危险,且日常使用维护也需要人员进行高空作业,有一定的安全风险。总体上有2个方面的安全隐患,安全风险较高。

(3)经济性:相较于一类土制备工艺,此方法需要建设一套筛分系统,所需费用约500万元,成本过高,经济性差。

(4)时效性:筛分系统理论产能为500 t/h,每天平均生产约18 h,一天可生产约9 000 t,换算为土方约5 200 m3,生产强度能够满足备料需要;完成3个互层铺料约需要2 d时间;一个备料仓掺拌完成所需时间为2 d。综上,制备1仓砾石土料(方量约12 000 m3)需要约4 d,时间较短。

4.2 土料开采预均化法

(1)技术可行性:采用对开采的二类土在预掺场进行平铺立采混合的方法,提高级配均匀性,施工技术要求低。

(2)安全性:涉及到使用液压挖掘机、推土机、自卸汽车等用于二类土开采、运输及掺拌,有一定的机械操作及运输风险,设置专职人员进行现场指挥及提高驾驶人员安全意识,可一定程度上规避此类安全风险。总体上只有1个方面的安全隐患且具有可控性,安全风险小。

(3)经济性:相较于一类土制备工艺,此方法有一个预均化过程,需要增加铺、掺、装一整套工序,所需费用约280万元,成本较高,经济性适中。

(4)时效性:二类土预均化约需要2 d时间;完成3个互层铺料约需要3 d时间;一个备料仓掺拌完成所需时间为2 d。综上,制备1仓砾石土料(方量约12 000 m3)需要约5天,时间适中。

4.3 动态调整掺拌法

(1)技术可行性:采用在过程中进行试验检测,根据P5检测结果动态调整开采区域及互层摊铺厚度,施工技术要求低。

(2)安全性:涉及到使用液压挖掘机、推土机、自卸汽车等用于二类土开采、运输及掺拌,有一定的机械操作及运输风险,设置专职人员进行现场指挥及提高驾驶人员安全意识,可一定程度上规避此类安全风险。总体上只有1个方面的安全隐患且具有可控性,安全风险小。

(3)经济性:相较于一类土制备工艺,此方法只是增加了试验检测频次,所需费用约90万元(后期取得规律后频次会降低,所需费用还会减少),成本较低,经济性较好。

(4)时效性:完成3个互层铺料约需要4 d时间;一个备料仓掺拌完成所需时间为2 d。综上,制备1仓砾石土料(方量约12 000 m3)需要约6 d,时间较长。

通过对比,不采用预筛分法、土料开采预均化法,最终选择了施工技术要求低、安全风险小、经济性较好的“动态调整掺拌法”。

5 动态调整掺拌法实施

5.1 土料场开采

将料场按每5米P5含量平均值进行分区,将料场划分为若干个平均P5含量波动在5%以内的区域,在划分的小范围内通过液压反铲挖掘机进行开采二类土。二类土开挖从上而下按5 m分层进行开挖,且对土料进行混合的方法。同时,现场管理人员应密切关注每个开采区域内料源变化情况,如发现料源性质发生明显变化时,应及时通知试验人员进行加密取样,当P5波动值与规划区域平均值波动变化相对较大时,通知参建各方共同去现场查看并重新规划开采区域。

5.2 摊铺工艺

由于二类土P5含量较高且波动大,若按照一类土的定砾调土方式进行铺料(3个互层),将导致互层高度极高,若降低互层层数又会造成P5含量波动太大。故经研究,将摊铺工艺改成定土调砾方式。

定土调砾即先铺土料层,土料层铺筑厚度为一固定值。根据前期二类土均化试验成果,土料铺料厚度固定为80 cm。土料摊铺完成后按照10～15 m×10～15 m的网格网进行测量画线,然后在网格内进行取样检测,根据本层土料平均P5含量计算砾石料铺料厚度。砾石料铺筑采用进占法进行,土料筑采用后退法进行。

制备砾石土料目标P5值暂按40%进行控制,掺配后P5波动范围控制在35%～45%之间,因此,在本方案中计算砾石料铺料厚度时,目标P5值按40%进行控制,砾石料铺料厚度的计算公式为:

(1)

式中:0.982为砾石P5含量;ρ砾为砾石料干密度,取1.88 g/cm3;H砾为砾石料铺料厚度,根据土料P5含量调整;P5为料源检测P5值,根据现场取样结果确定;×ρ土为干密度,瓜里土料场取1.72 g/cm3;H±为土料铺料厚度,取80 cm。

5.3 含水量调整

补水量根据室内击实试验成果进行确定,在最优含水率基础上+0.5%,即,则每方土的补水量为:

V水=(ωop+0.5%/0.72-ω0土)×ρ土

(2)

式中:V水为每方土的加水量m3;ωop为各料场土料最优含水率,根据室内击实试验确定;ω0土为土料实测平均含水率 %;ρ土为土的干密度;0.72为每方成品砾石土中土料所占比例。

确定补水量后,采用掺拌场内已有补水管路进行,通过水表控制补水量,如供水难以满足需求时,可采用洒水车进行补充补水。补水前,掺拌场内管理人员根据掺拌试验场地的面积、每层土料铺料厚度确定每层土料方量,然后补水量计算公式确定该层土料所需补水量,根据补水量的多少确定所需10 t洒水车的车数,补水过程中对水枪流量及补水时间有明确认识,防止少补或过补。

5.4 现场掺拌

料堆铺料完成后(调水料堆则要调水完成),采用正铲挖掘机进行立采掺混。

正铲挖掘机从料堆底面展开工作线,自下而上挖料,每次挖料要切透所有铺料层,将料举高后开斗自然抛落,同一斗料抛落1次即掺配1遍,二类土掺拌遍数为3遍[2]。

6 试验检测

二类土掺配完成后,对砾石土料的P5含量进行了多组检测,成品砾石土料的P5含量稳定在36.2%～47.1%,平均值40.9%。

7 结语

根据检测结果可知,从料场开采检测二类土P5含量→铺料过程中检测二类土P5含量→掺拌完成后检测砾石土料P5含量,离散系数明显降低,波动区间减小,成品砾石土料P5含量平均值为40.9%,与目标值40%接近,波动范围在35%～45%之间的占比达到95.1%,达到了设计要求,且与前期一类土P5数据相比,两者数据基本一致,说明通过采取“料场小区域立采、料仓小仓面掺拌、全程加密检测、逐层定土调砾”措施后,二类土掺拌后能达到一类土的效果,可用于大坝断面填筑,也为后续其他类似项目提供的借鉴,具有较大的推广价值。