双江口水电站大坝心墙防渗土料掺合加工方式研究

吕 卫, 苏元舟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概况

双江口水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康县、金川县境内，是大渡河流域水电梯级开发的上游控制性水库。作为2003年大渡河流域调整规划的第五级电站，坝址位于大渡河上游足木足河与绰斯甲河汇合口以下约2 km处，坝址上距马尔康市约46 km，下距金川县城约45 km，经马尔康至成都的公路距离约382 km，工程区内有G317国道经过坝址上游约3 km的红旗桥， S211省道贯穿坝址区，对外交通方便。

双江口水电站工程为一等大(1)型工程，拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，在左岸布置引水发电系统和1条竖井泄洪洞(由后期导流洞改建)，在右岸布置1条放空洞(由中期导流洞改建)、1条深孔泄洪洞和1条洞式溢洪道。

砾石土心墙堆石坝坝顶高程2 510.00 m，大坝最大坝高312 m，为已建和在建的世界第一高坝，坝顶宽度16.00 m，坝顶长度648.66 m。上游坝坡为1 ∶2.0，2 430.00 m高程处设5 m宽的马道；下游坝坡1 ∶1.9。

2 大坝防渗土料选择及主要技术参数

双江口水电站防渗土料推荐采用下游近坝的当卡料场和上游的木尔宗料场，本文以当卡料场为例进行分析。

2.1 当卡料场

当卡料场土料为浅黄色粉质黏土，土料平均天然密度1.74 g/cm3，干密度1.52 g/cm3，比重2.72，孔隙比0.82，天然含水率15.1%(竖井)，属低液限黏土。颗粒组成中，粒径大于60 mm含量为2.1%，粒径60～2 mm砾石含量为5.4%，粒径2～0.075 mm砂含量为9.8%，小于5 mm颗粒含量94.0%，小于0.075 mm细粒含量82.6%，小于0.005 mm黏粒含量21.0%。其不均匀系数Cu为12.7，曲率系数Cc为0.89。

以修正普氏击实功能(2 685 kJ/m3)控制制样，土料室内击实最大干密度为1.82～1.85 g/cm3，最优含水率为13.5%～16.0%。渗透系数为3.6×10-8～3.29×10-7cm/s，属极微透水性；饱和固结快剪试验，内摩擦角为21.2°～24.6°，黏聚力为16～40 MPa。

力学及渗透试验成果表明，当卡土料偏细，其防渗抗渗性能可达到规程规范要求；但大于5 mm颗粒含量远低于《水电水利工程天然建筑材料勘察规程》(DL/T5388-2007)对高坝为20%～50%的规定，颗粒偏细，强度较低。

2.2 防渗土料设计参数

双江口心墙堆石坝最大坝高达312 m，对防渗土料的要求很高，除满足防渗性能外，还需有较好的力学性能。国内外类似高坝防渗土料实践表明，对于粗粒含量偏低的土料需要掺入部分砾石料进行级配调整，在保证掺合土料的防渗、抗渗性能满足设计要求的前提下，达到改善防渗土料力学指标及抗变形能力的目的。

通过大量的试验论证，双江口心墙防渗土料采用当卡土料场掺入花岗岩破碎料，破碎料控制最大粒径为100 mm，以土料与拟定级配的花岗岩平均线破碎料按50% ∶50%(质量比)掺合，掺合后平均线小于5 mm颗粒含量为49.9%，小于0.075 mm含量为41.9%，黏粒含量为10.6%，满足规范要求。

3 土料加工(掺合)方式研究

3.1 可研阶段的推荐方案

从国内外土石坝心墙防渗土料的掺合方法一般采用：掺合场平铺立采法；料场平铺立采法；填筑面堆放掺合法；带式输送机掺合法。通过对各种方法的标胶，报告推荐采用平铺立采法为当卡料场土料掺合加工方法。即：黏土料与砾石料按重量比折算成铺料厚度，分层、互层铺料，推土机平料，一般各铺3～5层，然后用挖掘机或装载机立采，并多次装卸，以增加混合料的均匀性。

3.2 平铺立采法在双江口水电站施工中面临的问题

3.2.1 当卡掺合场设计

当卡掺合场位于大坝下游右岸、当卡料场下方河滩地，平台布置高程2 240.00 m，占地面积7万 m2，长约900 m，平均宽约77 m。为满足大坝填筑高峰供料强度每月9万m3的需要，在该掺合场内布置A、B、C、D、E、F共6个掺合料堆，料堆堆料高度均为6 m，各料堆尺寸(长×宽)为：A料堆100 m×80 m，B料堆150 m×52 m，C料堆170 m×38 m，D料堆114 m×45 m，E料堆94 m×57 m，F料堆94 m×60 m。其中A、B、F共3个掺合堆采用钢桁架结构的工业厂房遮盖，以保证这三个掺合料堆不受雨雪天气影响。C、D、E三个料堆仅采用简易的防雨棚或防雨布进行遮盖。雨季(6～9月)采用A、B、F共3个掺合堆进行掺合，非雨季(10月～次年4月)填筑强度稍大，采用A、B、E、F共4个掺合堆进行掺合。C、D料堆作为雨季专用黏土备料堆。

3.2.2 当卡掺合场面临的问题

(1)从当卡掺合场设计可以看出，掺合场占地面积极大，对场地要求高，同时，掺合场内布置掺合料堆个数较多，需要按照铺料、掺合、调整含水率(闷料)的工序流水作业配置推土机、自卸汽车、挖掘机等大型设备。由于施工强度高，设备较多，且场地有限，掺合场布置较为困难。

(2)双江口水电站位于大渡河上游的深山峡谷地区，山高坡陡，可以用于布置施工场地的条件十分有限，且利用的场地大多位于大坝上游。由于双江口工程为世界第一高坝，施工采用初期、中期、后期的导流方式，初期导流洞下闸后，库水位将淹没上游绝大部分场地，这给掺合场地选择带来困难。

(3)双江口水电站下游为反调节的金川电站，按照建设规划，双江口电站、金川电站将同期发电。金川电站发电后，其最低发电水位将淹没双江口下游的沿河滩地，当卡掺合场要么进一步垫高至金川死水位以上，要么另行选址建设。但继续垫高后，场地面积减小不能满足后期坝体填筑强度要求，但坝址区附近50 km范围内均缺乏能满足掺合场面积的场地条件。

(4)平铺立采法虽然简单易行，应用较广，但是由于采用重量折算成厚度进行铺土，又用大型重载自卸汽车运输卸料、推土机平料的方式，使平土厚度存在误差并难以完全按设计要求进行，同时，重型设备对土料比对砾石料的压缩作用大，也增加了厚度误差。因此，掺合料的质量波动较大，与建设双江口智慧大坝工程存在差距。而为了保证掺合料的质量，往往采用增加土料比例的做法，也增加了土料的需求量。

3.3 双江口心墙防渗土料掺合方式研究思路

针对防渗土料掺合施工平铺立采法存在的问题，为满足工程建设顺利推进和建设智慧大坝工程的需要，土料的掺合施工要解决的主要问题：一是要简化掺合场占地，易于布置；二是要提高掺合料精度，便于主动控制质量。

实际上，在双江口水电站可研阶段，就曾经尝试过采用混凝土搅拌机进行土料和砾石的混合试验，但由于计量方式等配套措施不完善，掺合料的离散性反而比平铺立采方式更大，因此就简单地终止了该方式的深入研究。但这样的探索给我们优化土料掺合方式启发了思维，拓展了思路。

从理论上看，土料的掺合和混凝土的拌和具有相似的原理，因此，采用类似于混凝土拌合机的设备进行土料的掺合是可行的。通过对水泥厂混料(石灰岩、黏土、其他掺入料)工艺、设备的调研，我们认为在双江口水电站采用机械自动掺合配制防渗心墙土料是可能的。

(1)双江口现场初步探索试验证明，采用混凝土搅拌机可以实现土料的掺合。

(2)掺合土料的质量主要取决于两个方面：一是配料给料精度(也就是平铺立采法中的铺料环节)；二是掺合混匀避免料物分离(平铺立采法中的挖掘机多次挖卸环节)。而决定质量的关键还是在配料上，如果能保证在单元时间内进入设备的掺合料都是满足配比要求的，那么，通过一种连续设备加以混合后，均匀性可以得到保证。

(3)实践证明，采用连续掺合方式，可以有效地减小掺合系统的规模，而随着系统规模的变小，计量配料、设备规模都可以得到简化，有助于关键问题的解决。

(4)随着胶带机输送系统的发展，用于胶带机系统的给料系统、计量系统的精度(皮带称的计量精度可达0.5%)和运用都得到了发展。因此，利用转料仓连接上游运输工序并实现向胶带运输系统的转换，使系统成为连续工作方式，减小系统规模。在料仓下利用变量取料机和定量给料机的联动和反馈实现取料和供料，完成掺合加工的配料程序。

(5)通过大量的调研和理论分析，混凝土搅拌机、公路水稳层拌合机都有拌制混合料的成功实践，因此，研发一种类似于混凝土拌合机的强制式设备可以实现防渗土料的机械化生产。

(6)螺旋输送机广泛运用于料物的连续输送，输送过程中料物的翻滚可以有混合的作用，如果在螺旋上增设必要的辅助设施，可以增加混合的效果。

因此，利用螺旋输送机和混凝土搅拌机的工作原理，研发一种强制式连续拌和设备，利用胶带机的定量计量系统实现配料，并辅以自动化控制系统，就可以实现防渗土料的自动化机械掺合。

4 结 论

基于上述分析，在2016年双江口水电站招标过程中，我公司依托长期科研积累，会同相关设备厂家开展了科技攻关工作，通过几年来的分析计算和实践探索，形成了初步的设备模型。目前，已完成样机制造，并成功完成了厂内试验，初步试验结果达到预期。

经试验，该设备具有以下优势：

(1)可实现掺合土料的连续生产，有效较低系统强度规模。

(2)大大减少系统占地面积，特别适用于施工场地紧缺工程。

(3)掺合质量明显提高，计量误差可控制在1%以内。

(4)辅以自动化、智能化控制系统，可实现掺合土料的全过程精细控制，为智慧大坝工程建设提供坚实保障。