300m级堆石坝天然砾石防渗土料级配调整现场试验

张建博，葛小博，郑 星，段兴林，王道明

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650214)

砾石土经碾压后一般可获得较高的压实密度及抗剪强度、较低的压缩性，已在土石坝工程中被广泛地用作防渗材料[1-2]。高坝采用砾石土作为防渗料已成为发展趋势，但受地理、地质等条件限制，很多地区的天然土料不能同时满足高坝防渗与抗剪性能要求，需对心墙土料的级配等进行改善以提高其工程特性[3-7]。

砾石防渗土料的级配调整方式主要有以下几种：一是以已建Nurek大坝(300m)、Tehri大坝(260.5m)[8-9]、糯扎渡大坝(261.5m)和在建两河口大坝(295m)、双江口大坝(314m)为代表的偏细土料中掺入粗粒料[10]；二是以已建瀑布沟大坝(216.5m)[11]、长河坝大坝(240m)为代表的天然宽级配砾石料剔除一定粒径以上的粗粒料；三是以已建长河坝(240m)[12]为代表的不同料区砾质土料混掺工艺。某水电工程拦河大坝为砾石土心墙坝，坝高为300m级，工程选取的防渗土料存在“粗颗粒含量较多、黏粒含量偏少和均匀性较差”的特点，如何解决防渗土料的级配质量问题、生产合格的防渗土料对该工程高坝安全至关重要，更是保障大坝安全运行的关键因素。然而从心墙堆石坝的发展看，我国的土质防渗体心墙堆石坝建设尚处于积累经验的阶段，对心墙土料的级配调整实践积累偏少，尚未形成成熟、统一的工艺和设备。

结合土料特性和工程设计指标要求，通过筛分、掺和、破碎等土料级配改善措施的比选，提出采用筛分工艺(筛除大于60mm粒径的颗粒)调整防渗土料级配、采用混合搅拌工艺解决土料不均匀性的问题。针对相关改性工艺开展了防渗土料级配调整现场试验，相关成果、设备技术参数等在天然宽级配砾石土的级配调整和改善工艺研究方面具有一定的意义。

1 现场试验

1.1 试验内容

某特高堆石坝选用的防渗土料为天然宽级配砾石土，开展的现场级配调整试验主要包括筛分试验和混合搅拌试验。

筛分试验包含以下2个阶段：①进行筛分设备筛网尺寸的调试试验。根据室内试验成果，初步拟定60、70、80mm共3组筛网尺寸的试验，通过测定土料筛前和筛后的颗粒级配、土料获得率等参数，对比选择适应本工程土料要求的筛网尺寸。②在确定筛网尺寸后，进行筛分工艺的筛分效率试验。以确定筛分工艺进行规模化生产时的生产能力、筛分效率、成品料获得率。对试验系统暴露的问题进行分析，进行筛分系统的改进措施研究。

混合搅拌试验在筛分工艺完全确定后，进行土料的混合搅拌试验。即将不同开采区的2种土料经过配料机控制比例掺配后进入搅拌机搅拌，分析对比搅拌后土料的级配及均匀性。

1.2 试验流程

筛分试验是采用水电工程砂石加工系统的筛分工艺，具体流程为：推土机清表→挖掘机立面开采取料→自卸汽车运输供料至受料仓→振动棒条给料机(剔除大于200mm的超大粒径颗粒)→皮带机供料至振动筛筛分→成品料堆。同时，超径无用料用皮带机运输至弃料堆。筛分试验的场地布置如图1所示。

图1 现场筛分试验场地布置

筛分试验完成筛网尺寸等的确定后，再进行搅拌试验。具体流程为：装载机装料→配料机供料→强力搅拌机搅拌→转运皮带机→成品料堆。

筛分及搅拌试验的具体流程示意如图2所示。

图2 筛分及搅拌试验工艺流程示意图

1.3 试验设备

1.3.1计量设备

(1)现场采用100t地磅进行毛料及筛分后的成品料的称重计量。

(2)采用PLD4800型混凝土配料机进行定量给料实现不同区域土料按1∶1掺配搅拌。

1.3.2振动筛

型号3YK2570，3层筛网，分别为60、70、80mm。技术参数见表1。

表1 3YK2570振筛技术参数

1.3.3振动棒条给料机

尺寸为4.5m×6m(长×宽)，1套。技术参数见表2。

表2 振动棒条给料机技术参数

1.3.4搅拌设备

WCZ400型搅拌机1台，额定生产能力400t/h。技术参数见表3。

表3 WCZ400型搅拌机技术参数

1.3.5其它设备

皮带机(带宽650mm/800mm、带速2m/s)、3m3挖掘机、25t自卸汽车、轮式装载机等。

1.4 土料开采及运输

根据土料料源及试验需要的土料数量，在土料场选定了2个开采区域(ⅠA以及ⅠB开采区)。考虑到土料在平面上和立面上的不均匀性，在ⅠA区平面上布置了6个开采点，每个开采点按2m一层进行开采，每个开采点开挖4层，开采深度为8m。ⅠB区平面上布置了2个开采点，每个开采点按2m一层进行开采，每个开采点也开挖4层。开采土料由自卸汽车运输至筛分受料仓。

2 试验成果及分析

现场共计完成IA区、IB区全级配土料开采、振动筛分26场，约8410t。其中IA区约5845t、18场，IB区约2565t、8场。

2.1 土料级配特性分析

2.1.1天然土料(原级配土料)级配

原级配土料的P5含量(大于5mm的颗粒含量)、小于0.075mm颗粒含量、小于0.005mm黏粒含量特征值见表4。

表4 原级配土料特征粒径含量统计

从天然土料原级配可以看出，天然土料最大粒径颗粒偏大，P5含量过高，细粒和黏粒含量偏低，不适宜直接用作特高砾石土心墙坝的心墙防渗土料。

2.1.2成品土料(60mm筛网下土料)级配

(1)成品料(60mm筛网下土料)的颗粒级配

从成品料人工筛分成果来看，ⅠA区(204组)、ⅠB区土料(80组)从取样场地的不同平面位置、不同深度开采的土料，开采区土料成品料(60mm筛网下土料)的颗粒级配基本满足设计要求。ⅠA、ⅠB区土料筛除60mm以上颗粒后控制性粒径含量统计见表5。

表5 ⅠA、ⅠB区土料60mm以下颗粒控制性粒径含量统计 单位：%

(2)成品料(小于60mm)中大于5mm砾石含量分析

为了解机械筛分后的成品土料5mm以上砾石含量中各粒组砾石相对含量的差异性及砾石级配的连续性，对机械筛分后成品料中大于5mm部分砾石进行分析。

结果表明，5mm以上的5个粒组中(大于60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm)，40～20mm粒组砾石所占比例最高。5mm以上砾石级配连续，未出现某粒组缺失情况，且ⅠA、ⅠB区土料规律相似。

2.2 筛网孔径的选择及成品土料获得率

2.2.1筛网孔径选择

根据现场振动筛筛分及人工筛分试验结果，采用筛网孔径分别为80、70、60mm时，筛下部分(成品土料)的IA、IB区控制性粒径含量见表6—7。

表6 不同筛网孔径下ⅠA区P5、小于0.075mm、小于0.005mm含量统计 单位：%

表7 不同筛网孔径下ⅠB区P5、小于0.075mm、小于0.005mm含量统计表 单位：%

从统计结果可以看出：ⅠA区和ⅠB区土料各筛网下的小于0.075mm颗粒含量、小于0.005mm颗粒含量均能满足设计要求，但P5含量不完全满足要求，筛网孔径为60mm时，P5含量满足设计要求的比例均最优，因而成品土料的筛网网孔尺寸宜为60mm。

2.2.2成品土料获得率

成品土料获得率为选定筛网孔径下的通过筛网的土料质量与总质量的百分比。筛网孔径为60mm时，统计筛分后成品土料的获得率见表8。

表8 成品土料(小于等于60mm)获得率

从试验成果可知，成品土料的获得率最低为51.2%，最高为81.6%，平均为67.5%，平均值略低于可研勘探大口径钻孔取样室内筛分成果(71.6%)。经过复核防渗土料场土料的储量仍然满足工程防渗土料设计需要量的要求。

2.3 筛分损耗分析

土料在经过振动筛筛分时，由于网孔堵塞、进料速度、振动筛性能等诸多原因，并不是所有小于筛网孔径的颗粒都会顺利通过筛孔，而会出现小于筛网孔径的颗粒随着粗颗粒筛出的现象或者筛下成品料中出现部分超径颗粒。

2.3.1细料流失分析

现场振动筛筛网是方孔筛，为分析本筛分系统的细料流失率，现场试验人员对孔网尺寸60、70mm的筛网留筛样进行人工2次筛分，以测试这2个筛网上试样中所含的小于60mm颗粒含量(损耗量)，试验成果见表9。

从试验成果可知，60mm筛网上(留筛试样粒组60～70mm)含<60mm颗粒占该粒组比例的最小值为10.2%，最大值为37.8%，平均值为24.4%；70mm筛网上(留筛试样粒组70～80mm)含有<60mm颗粒占该粒组比例的最小值为7.2%，最大值为33.3%，平均值为19.0%。该损耗在60～70mm、70～80mm粒组含量的占比相对较大，但由于该2组粒径的含量在全料中所占比例较小(分别平均占6.6%和2.9%)，总体而言对成品料(60mm筛网下颗粒)的获得率影响不大(由于细料流失获得率分别降低约1.59%和0.55%)。

2.3.2筛分超径颗粒分析

对机械振动筛得到的60mm以下成品料取样进行人工室内筛分发现，发现成品料中还含有60mm以上的超径颗粒，含量约占4%。该部分超径颗粒是由于现场采用的方孔筛筛网形式与室内筛分所采用的圆孔土工筛不同所致。超径颗粒所占含量较小，对成品料的P5含量影响较小，增加值为2%左右。见表10。

表10 小于60mm成品土料超径颗粒含量统计(P5理论值和实测值比较) 单位：%

2.4 搅拌试验成果分析

根据土料筛分试验的级配成果，分别对ⅠA区土料、ⅠA和ⅠB区土料各进行了1场搅拌试验。IA区、IA区+IB区2次搅拌试验前后的级配如图3—4所示。

图3 ⅠA区搅拌试验级配变化

图4 ⅠA区+ⅠB区搅拌试验级配变化

从搅拌试验的成果可知，对于级配(主要是P5含量)相差较大的2类土料，搅拌可以显著的改善其级配，搅拌后土料的级配趋于粗细料的平均值。

前期室内试验工作认为ⅠA区筛分后级配指标完全满足设计要求，工艺设计不考虑ⅠA区搅拌，仅考虑ⅠA和ⅠB区土料混合搅拌。但考虑到ⅠA区不均匀，鉴于搅拌对改善土料均匀性效果较好，实施简单、费用增加不多，建议实施阶段对ⅠA区不同开挖面的土料也考虑混合搅拌。

3 级配调整工艺的改进

现场筛分试验过程中暴露了一些超出原设计方案的问题和现象，针对不同的问题现场进行了及时改进和调整，使得筛分工艺及设备更好的满足了试验要求。

3.1 振动筛筛网结构形式

3.1.1问题分析

现场振动筛分设备经测算，正常运转时能满足设计处理能力，但振动筛易出现筛孔堵塞现象，即振动筛的方孔筛网网孔易被碎(砾)石堵塞，从而出现细颗粒随着粗砾流失的现象。在正常天气条件下，筛分系统每筛分5车(约250t)天然含水率状态下的土料即需对筛网进行一次人工清理。

现场筛分试验发现，当筛分土料达到一定数量后，3层筛网都会出现不同程度的堵塞，具体表现为粗颗粒卡入网孔中，较小的颗粒再填充其间。当筛网被堵塞后，细颗粒不能自如穿过筛孔，进而被粗颗粒夹带出现在输送粗颗粒的皮带上。当出现筛孔堵塞现象后，必须人工进行清理。此时筛分工作必须暂停，清理筛网时间约2～3h/次，从而影响了筛分效率。

3.1.2解决措施

(1)更换筛网结构形式：鉴于初始采购的筛分系统筛网易出现堵塞的情况，通过分析堵塞原因，重新设计加工了新型筛网并进行了更换。新型筛网网孔大致呈矩形，由圆钢弯曲后在一个平面上焊接而成，整体构造为单层，安装后结构相较于之前的筛网更加简单。

后续采用新筛网，还进行了大量筛分作业，筛分土料总量估计在2000t以上，筛网仍保持良好的工作性能，未发生严重的堵塞情况，超径料中也未见明显的细料流失现象，自新筛网安装至试验完毕，均未进行过人工清理作业。

(2)考虑备用筛分设备：实施阶段，根据防渗土料填筑强度，土料加工厂需配置4台标准圆振筛(YK2570)，考虑长时间、大规模土料供应的保证率，在土料加工筛分场地考虑至少1台同型号的振动筛做为筛分设备检修、清孔等作业的备用。

3.2 超大颗粒料源处理

3.2.1问题分析

现场土料开挖及筛分试验过程发现，天然原级配土料中超径料颗粒较多，最大粒径达到1500mm以上，存在部分大孤石。现场开挖机械在开采时特意剔除了部分大于500mm的大颗粒，但运至筛分设备的土料中，200mm以上颗粒仍然较多，导致筛分设备受料斗处时常卡住。

3.2.2解决措施

本工程土料天然含水率不高、粗细颗粒分离较为容易，考虑后期实施阶段，在料场开采的装运过程中拟采用“特大孤石(大于1000mm)清除不上车、车载固定条筛剔除大于300mm的超径块石”减少进入筛分系统大于200mm超径料的粒径和数量；并改变受料仓通过振动棒条筛后出料方式“200mm以上颗粒采用装载机转汽车运输方式、小于等于200mm颗粒采用皮带机运输”。

4 结论

(1)现场共计完成26场大型筛分试验，筛分工艺系统可以实现粗细颗粒比较彻底的分离，天然土料可以顺畅筛分。筛分设备的筛分效率可以达到预期的生产能力。

(2)采用筛网孔径60mm的方孔筛时，成品料的小于0.075mm颗粒含量和小于0.005mm颗粒含量均满足设计要求，P5含量满足设计要求的比例较孔径为70、80mm时最优，因此推荐选择筛网孔径为60mm。

(3)搅拌试验结果表明，级配相差较大的2类土料(主要是P5含量偏高和偏低)经搅拌后，级配趋于偏粗料和偏细料的平均值，能显著改善级配。考虑到ⅠA区土料也存在不均匀问题，鉴于搅拌对改善土料均匀性效果较好，实施简单，费用增加不多，建议实施阶段对土料场开挖区全部进行混合搅拌。

(4)综合本文所做的工作，认为采用适当的筛分工艺、混合搅拌工艺进行天然宽级配砾石土的级配调整和改善土料的不均匀性是有效的。这对天然宽级配砾石土心墙料的制备具有工程借鉴意义。