柏葉口水庫混凝土面板堆石壩壩料填筑碾壓試驗

李志鑫 張保勝 于秀明

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 工程概況

柏葉口水庫是一座以城市生活和工業供水、文峪河水庫防洪為主，兼顧提高現有灌區的灌溉保證率、發電等綜合利用的中型水利樞紐工程，主要由大壩、溢洪道、泄洪發電洞和水電站等建筑物組成。

大壩采用混凝土面板堆石壩型式，最大壩高88.30 m，壩頂長310 m，壩體填筑方量159萬m3,上下游壩坡坡度均為1：1.4，壩體堆石分區填筑，分區碾壓，上游到下游依次分為上游鋪蓋區（1A）、上游蓋重區（1B）、墊層區（2A）、特殊墊層區（2B）、過渡區（3A）、主堆石區（3B）、下游堆石區（3C）、下游坡面區（3D）。在堆石壩填筑施工過程中，通過碾壓試驗確定最優碾壓參數，確保工程質量。

2 碾壓試驗

2.1 試驗場地布置

試驗場地布置在大壩壩址下游平地上，面積52 m×38 m，每個試驗組合占地有效面積為6 m×10 m，在試驗前先填筑30 cm厚的碎石進行場地找平，20 t振動平碾碾壓8遍后，將這一層作為基層，然后在其上進行碾壓試驗，場地布置如圖1所示。

圖1 碾壓試驗場地平面布置

2.2 碾壓試驗方法及參數組合

2.2.1 設計指標與施工參數（1）本次試驗要確定的施工碾壓參數主要是與孔隙率直接相關的碾壓遍數、鋪料厚度及灑水量，其余設計與施工參數見表1。

（2）碾壓試驗基本原理、方法及試驗組合

采用逐漸收斂法進行試驗，其原理是固定其他參數，變動一個參數，通過試驗得出該參數的最優值。固定此最優參數，變動另一個參數，用試驗得出第二個最優參數，依次類推，每一次試驗得一個最優參數，最后用全部最優參數進行一次復核試驗，若結果滿足設計要求，即可定為施工碾壓參數。試驗組合共分為4組，分別對3C下游堆石、3B主堆石、3A過渡料、2A墊層料進行試驗，確定最優施工碾壓參數，試驗參數組合見表2。

表2 柏葉口水庫面板堆石壩壩料填筑生產性碾壓試驗參數組合

2.3 最優碾壓參數的確定

堆石料鋪填前，先測定每個區測點的基層面高程，每個區的測點為12個，然后采用1.6m3反鏟挖掘機裝料，20 t自卸汽車進占法卸料，T320推土機散料、平整，鋪土厚度采用方格網控制，堆石料鋪好后先靜壓一遍測定其虛鋪面高程，然后用8 t灑水車進行灑水，加水完成后采用振動平碾進退不錯距碾壓方式碾壓，進退時均應起振。碾壓完畢后，測量鋪層面測點高程，根據各網格測點在碾壓前后的相對高程變化，從而計算出每一次試驗單元的平均沉降量，測定有效壓實厚度。然后采用挖坑灌水法進行檢測，在各試區分別取樣測定壓實密度、孔隙率。

2.4 試驗過程

2.4.1 堆石料原材料物理性能試驗

主次堆石料來源于柏葉溝石料場和溢洪道開挖棄渣，墊層料、特殊墊層料由交城縣保同石料廠按級配要求加工供料，前期先對料場石料的物理力學性質做了檢驗，料場堆石料塊體干燥狀態下平均密度為2.67 g/cm3,墊層料、特殊墊層料塊體干燥狀態下平均密度為2.72 g/cm3,3B堆石料單軸飽和抗壓強度平均為42 MPa，3C堆石料單軸飽和抗壓強度平均為25.6 MPa，試驗結果顯示料源石料滿足設計要求（3B堆石料設計單軸飽和抗壓強度大于等于40 MPa，3C堆石料設計單軸飽和抗壓強度大于等于25 MPa）。碾壓試驗前，對各級料取樣現場做篩分實驗，級配要求滿足設計要求方可進行鋪料。

2.4.2 墊層區ⅡA料碾壓參數

表3給出了ⅡA料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數及鋪料厚度的變化關系，由表3可見：

（1）根據碾壓前后沉降數據分析：鋪料厚度45 cm、55 cm在碾壓6遍沉降量比碾壓4遍要大，平均沉降量為3.5 cm，但沉降趨勢不太明顯，主要由于鋪料厚度較薄，石料級配均勻，比較密實，與主堆石料沉降量相比，沉降量偏小。

（2）當鋪料厚度一定時，隨碾壓遍數的增加，干容重逐漸增大，孔隙率逐漸減少；當碾壓遍數一定時，隨鋪料厚度的增加，干容重逐漸變小，孔隙率逐漸增大。無論鋪層厚45 cm或55 cm，碾壓后實測孔隙率均滿足設計要求，為了與擠壓邊墻施工鋪料厚度相適應（擠壓邊墻高為40 cm），便于騎縫碾壓，采取如下參數進行復核試驗，選定參數為：加水量為5%，碾壓遍數為4遍，鋪料厚度為43 cm，在原試驗場地按選定參數鋪料、碾壓后，經碾壓取樣分析，干容重d=2.28 g/cm3、孔隙率ρ=16.2%＜18%，滿足設計要求。

因此，建議ⅡA區的最優施工碾壓參數為：碾壓機械：20 t振動平碾；鋪料厚度：43 cm；碾壓遍數：4遍；加水量：5%，碾壓后壓實厚度40 cm，孔隙率可以達到設計要求（ρ＜18%），對應的干容重控制值d＞2.23 g/cm3。

2.4.3 過渡區ⅢA料碾壓參數

表4給出了ⅢA料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數及鋪料厚度的變化關系，由表4可見：

（1）根據碾壓前后沉降數據分析：1區、2區堆石料虛鋪厚度平均為45.5 cm，平均沉降率為9.0%，3區、4區堆石料虛鋪厚度平均為56 cm，平均沉降率為7.5%，5區、6區堆石料虛鋪厚度平均為65.5 cm，平均沉降率為6.9%,1區、2區由于鋪料厚度較薄，壓實充分，沉降率偏大。

（2）鋪料厚度65 cm、碾壓4、6遍和鋪料厚度55 cm、碾壓4遍孔隙率均達不到設計要求。分析前者鋪料偏厚，后者碾壓遍數少。隨著碾壓遍數的增加，干密度亦逐漸增大，孔隙率逐漸減少，鋪料厚度45 cm，碾壓遍數由4遍增至6遍時，孔隙率增加幅度較小（相對增量為0.4%）。采取如下參數進行復核試驗，選定參數為：加水量為10%，碾壓遍數為4遍，鋪料厚度為45 cm，在原試驗場地按選定參數鋪料、碾壓后，經碾壓取樣分析，干容重d=2.18 kg/m3、孔隙率ρ=18.4%＜20%，滿足設計要求。

表3 ⅡA料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數、鋪料厚度關系比較

表4 ⅢA料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數、鋪料厚度關系比

因此，建議ⅢA區的最優施工碾壓參數為：碾壓機械：20T振動平碾；鋪料厚度：45 cm；碾壓遍數：4遍；加水量：10%，碾壓后壓實厚度40 cm，孔隙率可以達到設計要求（ρ＜20%），對應的干容重控制值d＞2.14 g/cm3。

2.4.4 主堆石區ⅢB料碾壓參數

表5給出了ⅢB料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數及鋪料厚度的變化關系，由表5可見：

（1）碾壓過程沉降觀測表明：1區、2區堆石料虛鋪厚度平均為106 cm，平均沉降率為8%，3區、4區堆石料虛鋪厚度平均為90 cm，平均沉降率為7.2%，5區、6區堆石料虛鋪厚度平均為83 cm，平均沉降率為6.7%，5區、6區由于級配比較均勻，受側向擠壓不太明顯，沉降量降低不明顯，但沉降量整體偏大，平均沉降量為6.5 cm。

（2）當鋪料厚度一定時，隨碾壓遍數的增加，干容重逐漸增大，孔隙率逐漸減少；當碾壓遍數一定時，隨鋪料厚度的增加，干容重逐漸較小，孔隙率逐漸增大。鋪料厚度82～107 cm，只有鋪料厚度107 cm、碾壓6遍時，孔隙率達不到設計要求，其余試驗單元區孔隙率均能達到設計要求（ρ＜20%），6區經8遍碾壓后，其孔隙率明顯比其他區域大，各項指標趨于穩定。采取如下參數進行復核試驗，選定參數為：加水量為10%，碾壓遍數為8遍，鋪土厚度為85 cm，在原試驗場地按選定參數鋪料、碾壓后，經碾壓取樣分析，干容重d=2.14 g/m3、孔隙率ρ=19.9%＜22%，滿足設計要求。

表5 ⅢB料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數、鋪料厚度關系比較

因此，建議ⅢB區的最優施工碾壓參數為：碾壓機械：20 t振動平碾；鋪料厚度：85 cm；碾壓遍數：8遍；加水量：10%，碾壓后壓實厚度80 cm，孔隙率可以達到設計要求（ρ＜22%），對應的干容重控制值d＞2.08 g/cm3。

2.4.5 下游堆石區ⅢC料碾壓參數

表6給出了ⅢC料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數及鋪料厚度的變化關系，由表6可見：

鋪料厚度一定時，隨碾壓遍數的增加，干容重逐漸增大，孔隙率逐漸減少；當碾壓遍數一定時，隨鋪料厚度的增加，干容重逐漸較小，孔隙率逐漸增大。無論碾壓遍數由6遍增至8遍，還是鋪料厚度由85 cm增至105 cm，各區域孔隙率均滿足設計要求。經過對ⅢB主堆石和ⅢC次堆石第6區試坑的堆石料進行級配分析對比，粒徑0.075 mm＜d≤5 mm顆粒含量:ⅢB主堆石區為9.19%，ⅢC次堆石區為18.2%；粒徑d≤0.075 mm顆粒含量:ⅢB主堆石區為1.23%，ⅢC次堆石區為4.3%,ⅢB主堆石第6區孔隙率為19.5%，ⅢC次堆石第6區孔隙率為21.7%，這恰恰說明了堆石料級配對碾壓效果的影響之大。考慮到ⅢC次堆石與ⅢB主堆石同時施工要求，采取如下參數進行復核試驗，選定參數為：加水量為10%，碾壓遍數為8遍，鋪土厚度為85 cm，在原試驗場地按選定參數鋪料、碾壓后，經碾壓取樣分析，干容重d=2.07 g/cm3、孔隙率ρ=22.5%＜24%，滿足設計要求。

表6 ⅢC料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數、鋪料厚度關系比較

因此，建議ⅢC區的最優施工碾壓參數為：碾壓機械：20 t振動平碾；鋪料厚度：85 cm；碾壓遍數：8遍；加水量：10%，碾壓后壓實厚度80 cm，孔隙率可以達到設計要求（ρ＜24%），對應的干容重控制值d＞2.03 g/cm3。

3 結論與意見

本次試驗成果經工程檢驗應用效果良好，大壩填筑單元工程合格率100%，優良率達到91.5%。

試驗利用各料區碾壓遍數、鋪層厚度與孔隙率的關系確定了一套經濟合理的最優施工碾壓參數，并得出了一些對堆石料填筑施工十分有用的參考結論：

（1）墊層料、過渡料碾壓遍數采用4遍，壓實厚度40 cm；主堆石、次堆石碾壓遍數采用8遍，壓實厚度80 cm,碾重（20 t）不易增加，綜合試驗結果，壓實效果比較理想。

（2）墊層料、過渡料的級配要求較為嚴格，上、下包絡線的區間很窄，料源的級配控制是工程質量的關鍵點，在施工中墊層料和過渡料一層鋪平后同時騎縫碾壓。墊層料要根據壩料的實際含水量進行適當調整，以免碾壓后出現“彈簧土”等不良現象。

（3）堆石壩對筑壩石料的抗壓強度要求不高，而對堆石料的級配有要求,ⅢC次堆石和ⅢB主堆石屬同一料源，設計顆粒級配要求相同，采用同樣的碾壓施工參數值。料源和堆石粒徑大小不同,孔隙率隨碾壓遍數、鋪料厚度的增加量是不同的，在大壩填筑施工中要特別應重視堆石料的級配要求，注意控制取料及鋪料的均勻。