唐河水電站面板壩主堆料填筑碾壓參數(shù)的確定

蘇滿紅

1 工程概況

唐河水電站工程位于山西省靈丘縣東河南鎮(zhèn)韓淤地村，距靈丘縣城22 km，控制流域面積457 km2，總庫容998萬 m3，電站裝機(jī)容量200 kW。水電站由樞紐建筑物、供水發(fā)電引水管線及發(fā)電站組成，樞紐建筑物包括混凝土重力壩段、灌溉洞、供水發(fā)電引水口、泄洪沖沙閘、混凝土面板堆石壩段等部分。大壩壩型為混凝土面板堆石壩和重力壩混合壩型，壩頂高程1067.4 m，最大壩高30.4 m，壩頂長395 m，是一座以水力發(fā)電、工業(yè)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪等綜合利用功能的小(1)型水庫。

2 混凝土面板堆石壩布置與設(shè)計

混凝土面板堆石壩采用鋼筋混凝土面板防滲，堆石作壩殼，壩體填筑依次為墊層料填筑、過渡料填筑、主堆石及下游堆石料填筑。主堆石區(qū)填料來源于重力壩、泄洪閘基礎(chǔ)、庫區(qū)改線公路開挖石料，設(shè)計主堆石最大粒徑800 mm，孔隙率不大于22%，小于5 mm含量小于20%，小于0.075 mm含量小于10%，滲透系數(shù)不小于3 cm/s，石料飽和抗壓強度大于30 MPa，干密度ρd≥2110 kg/m3。

3 現(xiàn)場碾壓試驗

3.1 碾壓試驗場地

試驗場地布置在大壩上游料場，試驗區(qū)面積30 m×50 m，試驗區(qū)域先用推土機(jī)平整振動碾壓實，然后在上面鋪一層試驗料用振動碾壓實且達(dá)到與待測鋪層密度相同后灑水刨毛作為基層，在其上鋪料進(jìn)行碾壓試驗。主堆石碾壓試驗分加水5%和不加水兩個試驗區(qū)，共進(jìn)行4場試驗，前3場試驗鋪筑厚度分別為80 cm，100 cm，120 cm，最后一場試驗為最優(yōu)參數(shù)復(fù)核試驗，鋪筑厚度為100 cm，試驗用料含水率控制在標(biāo)準(zhǔn)最優(yōu)含水率±2%左右。

3.2 碾壓試驗參數(shù)組合

主堆石碾壓試驗采用20 t振動碾分9組進(jìn)行試驗。試驗以80 cm，100 cm，120 cm鋪筑厚度分別按4遍，6遍，8遍各3組碾壓;第10組為復(fù)核試驗，鋪筑厚度為100 cm，碾壓遍數(shù)為6遍。

3.3 碾壓試驗步驟

3.3.1 鋪料

鋪料方式模擬實際施工，采用自卸汽車進(jìn)占后退混合法鋪料，鋪料方向平行縱軸線，用推土機(jī)平料。鋪料厚度用間距10 m且?guī)в杏推針?biāo)記的標(biāo)桿控制，鋪填厚度誤差為松鋪厚度的±10%。

3.3.2 碾壓

采用最大激振力430 kN的自行式振動碾進(jìn)退錯距法碾壓，每次錯距為碾寬，輪壓重疊20 cm～30 cm，碾壓方向平行于試驗區(qū)縱軸線，相似于壩軸方向。碾壓遍數(shù)采用前進(jìn)、后退為兩遍計，振動碾行車速度控制在2 km/h以內(nèi)。

3.3.3 測量

每個試驗組合均按1.5 m×1.5 m布置網(wǎng)格測點，每個試驗組合布置10個測點，用水準(zhǔn)儀測量基面、鋪填前后層面及不同碾壓遍數(shù)后同一測點上的標(biāo)高，以計算松鋪厚度和不同碾壓遍數(shù)時的沉降量。

3.3.4 干密度、孔隙率檢測

壓實干密度按SL 273-1999土工試驗規(guī)程探坑灌水法測定，并依據(jù)干密度及巖石比重計算孔隙率，同時進(jìn)行顆粒分析和含水率測定，試坑直徑為填筑料最大粒徑的2倍～3倍，灌水法塑料布厚度0.1 mm，體積校正系數(shù)參考相關(guān)資料取1.003，每一組合用灌水法測3個干密度值。由于堆石料碾壓后其孔隙率較大，因此其滲透系數(shù)一般較大，不進(jìn)行專門滲透試驗?，F(xiàn)場滲透試驗利用密度試驗的試坑進(jìn)行簡易注水，采用鋼環(huán)試坑滲水法，按公式k=Q/F(k為滲透系數(shù)值，cm/s;Q為滲透流量，cm3/s;F為鋼環(huán)內(nèi)截面積，cm2)計算滲透系數(shù)值。干密度、孔隙率、滲透系數(shù)檢測結(jié)束后，對試坑進(jìn)行回填并碾壓，然后按規(guī)定的加水和不加水試驗區(qū)不同鋪筑厚度填鋪，進(jìn)行第二、第三場的碾壓試驗。

3.4 現(xiàn)場試驗

試驗采用1.2 m3挖掘機(jī)挖料，15 t自卸汽車運輸，TY320推土機(jī)進(jìn)占法平料，20 t自行式振動碾進(jìn)退錯距法碾壓。試驗期間天氣情況較好，最高氣溫32℃，最低氣溫20℃。

4 碾壓成果及分析

試驗測得主堆料碾壓檢測情況見表1。根據(jù)主堆料碾壓檢測結(jié)果可見，總體看壓實干密度加水較不加水情況大，4遍～6遍壓實干密度增長較大，8遍則增長率較小，壓實干密度在鋪料厚度相同時隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，碾壓遍數(shù)相同時隨鋪料厚度的增大而減小;孔隙率加水較不加水情況小，孔隙率在鋪料厚度相同時隨碾壓遍數(shù)的增大而減小，碾壓遍數(shù)相同時隨鋪料厚度的增大而增大;壓實后沉降量加水較不加水情況大，壓實后沉降量、最優(yōu)參數(shù)組合時的松鋪系數(shù)在鋪料厚度相同時隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，碾壓遍數(shù)相同時隨鋪料厚度的增大而增大。一般而言，為提高壓實密度，減少壩體變形，應(yīng)對壩料灑水壓實。對于主堆石料，由于壩體巖石屬于堅硬巖石，粒徑較大，軟弱巖石軟化系數(shù)較大，從沉降變形看灑水有一定效果，尤其對細(xì)料含量較多的壩料效果比較明顯。壩面灑水主要是使壩料進(jìn)一步濕透，并使顆粒表面形成水膜，從而減小顆粒之間的摩擦阻力，更有利于壓實。軟巖石吸水率最大為2%，一般在0.5%～1.0%，通過碾壓試驗過程中的觀察，過多灑水從碾壓層面流失，因此壩面灑水量根據(jù)石料巖性、細(xì)粒含量及其風(fēng)化程度按堆石體積5%控制可滿足要求。

表1 主堆料碾壓檢測結(jié)果

試驗過程中，鋪料厚度80 cm時碾壓6遍平均壓實干密度、孔隙率達(dá)到設(shè)計要求(孔隙率≤22%，設(shè)計干密度ρd＞2110 kg/m3)，但超過設(shè)計要求較多;鋪料厚度120 cm時碾壓6遍平均壓實干密度、孔隙率均不達(dá)設(shè)計要求;鋪料厚度100 cm時碾壓6遍、8遍平均壓實干密度、孔隙率達(dá)到設(shè)計要求，合格率100%，但碾壓6遍接近設(shè)計要求。根據(jù)以上分析，填料鋪料100 cm、碾壓6遍為合理施工參數(shù)，松鋪系數(shù)為1.06。復(fù)核試驗結(jié)果平均壓實干密度不加水2125 kg/m3，加水 2141 kg/m3，孔隙率不加水 21.3，加水20.7，合格率100%，松鋪系數(shù)為1.07，證明以上碾壓參數(shù)是合理的。可見，對于填料加水5%、不加水情況，在最優(yōu)參數(shù)下進(jìn)行碾壓均能達(dá)干密度、孔隙率設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

5.1 主堆石料施工碾壓參數(shù)

試驗測得主堆料碾壓參數(shù)見表2。

表2 主堆料施工碾壓參數(shù)表

5.2 填筑施工工藝

5.2.1 壩料級配

堆石料顆粒級配，是提高壓實密度、降低壩體沉降變形的關(guān)鍵，最大粒徑越大，壓實干密度愈高，材料不均勻系數(shù)愈大，壓實性能愈好也愈易獲得最大的壓實密度。

壩料最大粒徑?jīng)Q定于鋪料厚度，一般最大粒徑為鋪料厚度的2/3，若最大粒徑接近于鋪料厚度，則大粒徑料周圍的細(xì)料得不到有效壓實。只有控制好顆粒級配才會得到有效壓實，所以在填筑過程中，控制好進(jìn)場的料源是非常重要的，同時做好上壩材料的均勻性和施工的連續(xù)性。

5.2.2 壩料運輸、攤鋪、碾壓

采用1.2 m3挖掘機(jī)挖料，15 t自卸汽車運輸，進(jìn)入填料面平行壩軸線方向用進(jìn)占法進(jìn)行卸料。用推土機(jī)向前進(jìn)占平料，采用定點測量法及時檢查鋪層厚度，發(fā)現(xiàn)超厚立即進(jìn)行處理，鋪填層厚及邊線誤差控制在允許范圍內(nèi)。用20 t自行式振動碾采用進(jìn)退錯距法碾壓，保持填筑均衡上升，填筑高程基本保持一致。

5.2.3 層間結(jié)合處理

下層填料碾壓完畢后，只要填層保持濕潤狀態(tài)，即可進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，此時結(jié)合層良好，但因氣候原因或停工時間較長時，應(yīng)視下層填料表面失水情況對結(jié)合層面進(jìn)行灑水刨毛處理或?qū)⒏蓪用媲宄鬄⑺倜幚?，使料層保持在最?yōu)含水量范圍內(nèi)，再填筑上層填料。

5.2.4 岸坡結(jié)合部施工

主堆石區(qū)采用自卸汽車運、卸料及推土機(jī)平料時，在壩體與岸坡的結(jié)合部位易出現(xiàn)大塊石集中、架空現(xiàn)象，局部不易壓實，針對這種情況，應(yīng)用挖掘機(jī)進(jìn)行分散處理，在岸坡結(jié)合處2 m范圍內(nèi)，振動碾平行岸坡方向碾壓。不易壓實的邊角部位，減薄鋪料厚度，用輕型振動碾或振動板壓實，或者是在結(jié)合部位先填1 m～2 m寬的過渡料，再填堆石料。

5.2.5 堆石料接縫處理

堆石料分段分期填筑時，在壩殼內(nèi)形成了橫向或縱向的接縫。在接縫處采用留臺施工法，即先期鋪料時，每層預(yù)留1.0 m～1.5 m平臺，后期填筑的石料與先期石料接觸且在達(dá)到同一高程時，采用振動碾騎縫碾壓。

5.2.6 負(fù)溫下填筑碾壓

負(fù)溫下堆料填筑施工，灑水易凝結(jié)成冰且不利于壓實，因此不考慮灑水，主堆石料施工可采用不灑水鋪填100 cm碾壓遍數(shù)增加1遍(即7遍)，壓實干密度可達(dá)設(shè)計要求。

[1]DL/T 5128-2001，混凝土面板堆石壩施工規(guī)范[S].

[2]DL/T 5129-2001，碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].

[3]SDJ 213-83，碾壓式土石壩施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]SL 237-1999，土工試驗操作規(guī)程[S].

[5]GB/T 50123-1999，土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].