前坪水庫筑壩砂礫料現場碾壓試驗研究

劉耀宗+翟春明+李陸明

【摘要】采用選定的碾壓機具和行車參數，對選定料場代表性砂礫料分別進行了灑水和不灑水、不同鋪土厚度、不同碾壓遍數等組合工況的碾壓試驗及相應的力學特性試驗檢測。試驗前，對選定料場砂礫料進行了顆粒分析試驗，驗證試驗材料的代表性。對選定料場代表性砂礫料碾壓試驗結果，分析了顆粒級配對材料碾壓性能的影響，分析了灑水和不灑水時，一定鋪土厚度下的干密度與碾壓遍數關系曲線，一定加水量和碾壓遍數下干密度與鋪土厚度的關系曲線等規律。經綜合比較，初步選定碾壓施工參數，最后進行了復核試驗。

【關鍵詞】滲漏；變形；評價

【Abstract】By selected rolling machine and the parameters of driving， the selected representative gravel material yard was sprinkler， sprinkler and respectively different soil thickness， compaction times combined operating mode of rolling test and the corresponding mechanical properties test. Before the test， the selected yard gravel material， the grain size analysis experiment validation test materials of representative. For the selected representative gravel material yard rolling test results， analysis the influence of grain size matching material crushing performance， analyzed the water spraying and sprinkling， dry density under a certain shop soil thickness and rolling pass relationship curve of a certain water content and dry density under the rolling pass and the law of relation curve of soil thickness and so on. Through comprehensive comparison， preliminary selected compaction parameters， finally has carried on the review test.

【Key words】Leakage；Deformation；Assessment

1. 工程概況

（1）前坪水庫是以防洪為主，結合灌溉、供水，兼顧發電的大（2）型水庫，水庫總庫容5.84億m3，控制流域面積1325Km2。工程主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等。

（2）主壩是粘土心墻砂礫（卵）石壩，跨河布置，壩頂長810m，最大壩高90.3m，壩頂設1.2m高混凝土防浪墻。

（3）壩殼料為天然級配砂礫（卵）石料，料場存在的主要問題是：由于近年來人工采砂現象嚴重，導致料場上層砂礫（卵）石料細顆粒缺失，料場砂礫（卵）石料級配曲線、物理力學參數、開采條件等均有變化。

2. 試驗目的、內容和方案

2.1試驗目的和內容。本研究的工作重點是壩殼砂礫料，按有關規程規范要求，開展砂礫料現場碾壓試驗，驗證設計指標，復核與確定設計參數和施工參數，為大壩優化設計和施工參數控制提供科學依據。包括：

（1）驗證壩料設計填筑標準的合理性，對碾壓試驗確定的壩體填筑料的填筑標準，確定特定碾壓設備強震條件下砂礫料達到填筑設計標準的碾壓參數：鋪筑厚度、碾壓遍數、加水量等；

（2）檢驗所選用的填筑壓實機械的實用性及性能的可靠性；

（3）測定各堆筑料碾壓后的物性指標：含水率、干密度、相對密度、顆粒級配、滲透系數等；

（4）通過進行不同碾壓參數對比試驗，確定各堆筑料經濟合理的壓實參數；研究和完善壩料填筑的施工工藝和措施。

2.2試驗方案及檢測項目。

2.2.1試驗方案。

（1）擾動砂礫料現場碾壓試驗采用26t自行式振動平碾，機身重量為26.1t，額定功率為174kW，碾壓寬度為2.2m。

（2）砂礫料場位于河道內，水面之上的砂礫料也含有一定的水分，水下處于飽和狀態，開采后的砂礫料均含有一定水分。開采后直接上壩，無備料晾曬過程，因此上壩砂礫料處于有一定含水的濕料狀態。以往的研究表明，對于砂礫料，在完全干燥或飽和兩種情況下較容易碾壓密實，而含有一定水分時，不易碾壓密實。因此，現場碾壓試驗主要設置為灑水（飽和）和不灑水（無備料晾曬過程，有一定含水）兩個工況，研究含水情況對不同鋪厚、不同碾壓遍數下砂礫料碾壓效果的影響。

（3）砂礫料現場碾壓試驗對灑水和不灑水工況下的砂礫料共進行3個不同鋪厚（60cm、80cm和100cm）、四個不同碾壓遍數（6、8、10、12遍）共計24個小試驗區工況組合的試驗。除此之外，還根據以上試驗確定的碾壓參數，進行碾壓參數復核試驗，進行了鋪厚80cm、灑水和不灑水、碾壓遍數分別為6遍和8遍的碾壓復核試驗。

（4）灑水和不灑水工況試驗場地長50m，寬30m，包括順碾壓方向的兩側留出的10m和4m長的非試驗區，以滿足停車和錯車需要。不同鋪厚之間，留出3m的過渡區，對于每一個鋪厚，又按照碾壓遍數不同分成4個試驗小區，每個小區長10m，寬6m。

（5）碾壓復核試驗場地長47m，寬26m，包括順碾壓方向的兩側留出的10m和4m長的非試驗區。灑水區和不灑水區之間，留出3m的過渡區。對于灑水和不灑水區，又分為碾壓遍數6遍和8遍兩個試驗小區，每個小區長15m，寬10m。

2.2.2檢測項目。根據試驗場地情況，根據國家有關規范，對不同碾壓參數（工況）下的碾壓層進行含水率、干密度、顆粒級配等測試，提出含水率、干密度、碾壓前后顆粒級配組成等測試結果，及表示指標隨碾壓施工參數變化的規律圖表。對復核碾壓試驗，還應進行滲透系數檢測。

3. 試驗方法和試驗過程

3.1場地準備。試驗場地選在大壩上游側，沿平行壩軸線方向布置，該處場地下部為砂礫石層，上部1.0～1.5m為黏性土層，平整度較好。采用推土機和挖掘機將試驗區域按場地要求尺寸整平。壤土層表面進行了清基處理。整平清基后采用26t振動碾按3Km/h的速度碾壓20遍，然后在碾壓過的基礎上填45cm厚的砂礫料，用推土機和挖掘機整平后用振動碾按3Km/h的速度碾壓，直到碾壓2遍后全場平均沉降量不大于2mm。

3.2試驗料場及試驗料現場篩分試驗。選定代表性砂礫擾動料進行現場碾壓試驗。試驗前對現場碾壓試驗用砂礫料，從選定料場取料進行5組顆分試驗。從試驗結果看，5組試驗中，1組試驗料的級配在代表性級配包線內，其余4組試驗料的級配包線超出了原定代表性級配。考慮到各料場砂礫料的變化情況大，實際上壩壩料中必然包含200mm以上較大粒徑的砂礫料。因此，為配合本次碾壓效果檢測，在原定相對密度試驗基礎上，補充進行了一組包含200mm以上較大粒徑的相對密度試驗。

3.3試驗料攤鋪與碾壓。

（1）在試驗面碾壓完成后，依次對試驗場地進行劃線、上料和攤鋪。試驗料上料采用進占法。攤鋪過程中，通過水準儀測量和試驗場地邊的標桿控制試驗土料的攤鋪厚度。鋪厚滿足要求后用振動碾對試驗區域靜碾兩遍，然后用白石灰標記不同試驗區區間界限及各種分界線。

（2）振動碾壓按進退錯距法進行，在同一碾壓條帶進退一個來回計為碾壓2遍，在進行下一條帶碾壓時，與前一條帶需要搭接，碾壓搭接寬度約20cm，振動碾壓行車速<3Km/h。振動碾在距試驗場地邊線2m處起振，在場地邊界處，整個碾子須全部走出試驗區。

3.4碾壓試驗料的沉降測量。使用水準儀對布置在試驗場地內的測點進行不同碾壓遍數下的沉降量測。灑水和不灑水試驗區均對10遍和12遍區進行了的沉降測量，每個試驗單元布20個測點。為方便沉降測點在碾壓后辨識，在每個測點處用塑料布包一個石子作為標記。沉降量每2遍測一次。

3.5試驗料灑水。本次碾壓試驗分為灑水和不灑水兩種工況。試驗料加水用灑水車在試驗面完成，按10%加水量對試驗區域進行灑水，灑水量根據灑水車水箱中儲水量來確定，灑水過程中砂礫料有明顯的積水現象。

3.6碾壓層挖坑檢測。碾壓試驗的挖坑檢測主要包括碾壓后土料的干密度檢測和試坑料顆粒級配分析兩方面。

3.6.1密度檢測。

（1）密度檢測通過挖試坑得到碾壓層的干密度，再由干密度算出其相對密度。

（2）本碾壓試驗的干密度檢測采用灌水法進行，對每個小的試驗單元各布置4個試坑；復核試驗對每個小試驗單位各布置6個試坑。

（3）干密度檢測采用的鋼環直徑150m、高20cm。試坑深度為試驗層鋪厚。

3.6.2顆粒分析。用篩分法對試坑料進行顆分。5mm及以上的顆粒篩分在室外進行，篩分粒徑分別為200mm、100mm、60mm、40mm、20mm、10mm和5mm，對大于200mm的粒石采用直接量測篩分，對5mm以下土樣進行取樣在室內做顆分試驗。

3.7復核試驗。綜合分析各灑水飽和與不灑水的現場試驗檢測結果，結合不同碾壓遍數時的沉降變化規律，并考慮壩體填筑實際情況，確定各試驗料的復核試驗參數。

4. 碾壓試驗檢測結果

4.1不灑水工況砂礫料碾壓試驗結果。對壩殼砂礫料不灑水工況進行了三種不同鋪厚（60cm、80cm和100cm）、4種不同碾壓遍數（6、8、10、12遍）的試驗。

4.1.1試驗數值結果。

（1）從試驗結果可以看出，不灑水條件下，鋪厚一定時，干密度和相對密度與碾壓遍數有一定的關系，但總體規律性不好，說明對于選定料場砂礫料，不灑水碾壓的壓實性差，難以達到設計要求。

（2）從不同鋪厚、不同碾壓遍數的對比看，不灑水碾壓條件下干密度和相對密度與鋪厚、碾壓遍數之間關系的規律性很差。說明實際上壩施工碾壓時，若不對砂礫料充分灑水，實際碾壓質量將很難控制，不能滿足砂礫料在不灑水時相對密度80%的質量要求。

4.1.2碾壓遍數與干密度和相對密度的關系。根據試驗結果整理出砂礫石料在不灑水工況下不同鋪厚（60cm、80cm和100cm）時碾壓遍數與干密度和相對密度的關系曲線，由關系曲線可見，一定鋪厚時，隨碾壓遍數的增大，干密度和相對密度的變化規律較差，沒有特定的趨勢性關系，說明砂礫料不灑水碾壓時，鋪厚達到60cm以上時，碾壓遍數對碾壓效果的影響不是控制性的。

4.1.3鋪厚與干密度和相對密度的關系。繪制碾壓6、8、10、12遍時鋪厚與干密度和相對密度的關系曲線，由關系曲線可見，一定碾壓遍數下，隨鋪厚的增大，干密度和相對密度的變化規律較差，沒有特定的趨勢性關系，說明一定碾壓遍數下，砂礫料不灑水碾壓時，鋪厚對碾壓效果的影響不是控制性的。

4.1.4顆粒分析結果。

（1）由砂礫石料的顆分圖可見，鋪厚60cm時，碾壓6、8、10、12遍區細料含量（<5mm）分別為11～17%、10～20%、10～19%、13～24%；鋪厚80cm時分別為13～23%、9～21%、14～19%、8～21%；鋪厚100cm時分別為14～20%、15～24%、15～26%、14～22%。砂礫料挖坑檢測的16條級配曲線中，有5條級配曲線不包含200mm以上大粒徑砂礫料，在原代表性級配包線范圍之內，約占45%，其余11條級配曲線均包含超過200mm以上的大粒徑砂礫料，其中8條級配曲線的最大粒徑為300mm，超過200mm粒徑砂礫料占總重的1.3～7.1%，大多在4～5%。3條級配曲線的最大粒徑達到400mm，超過200mm粒徑砂礫料占總重分別為5.8%、12.9%、13.3%。

（2）由不同試驗區細料含量和大于200mm粗料含量圖表可見，在不灑水時，鋪厚和碾壓遍數對碾壓效果的影響規律性較差，但總的來看，細料含量和粗料含量對壓實后的干密度和相對密度有一定的影響。

4.1.5沉降量測結果。從沉降測量結果看，與碾壓遍數和鋪厚對干密度和相對密度的影響規律一樣，沉降量和碾壓遍數的變化曲線規律性不是很好。

4.2灑水工況砂礫料碾壓試驗結果。對壩殼砂礫料灑水工況進行了三種不同鋪厚（60cm、80cm和100cm）、4種不同碾壓遍數（6、8、10、12遍）的試驗。

4.2.1試驗數值結果。

（1）從試驗結果可以看出，灑水條件下，一定鋪厚下，干密度和相對密度與碾壓遍數之間相關性比較好，隨碾壓遍數的增加，干密度和相對密度增大。

（2）從不同鋪厚、不同碾壓遍數的對比看，灑水碾壓條件下干密度和相對密度與鋪厚、碾壓遍數之間關系的規律性較好，灑水飽和條件下，砂礫料的壓實性能較好，在鋪厚80cm時，碾壓8遍即可滿足填筑要求。因此，在實際上壩施工時，對砂礫料充分灑水，有利于提高其壓實性能。

4.2.2碾壓遍數與干密度和相對密度的關系根據試驗結果整理出砂礫石料在灑水工況下不同鋪厚（60cm、80cm和100cm）時碾壓遍數與干密度和相對密度的關系曲線，曲線圖可見，一定鋪厚下，隨碾壓遍數的增加，相對密度增大，說明砂礫料灑水碾壓時，碾壓遍數對碾壓效果的影響明顯。鋪厚80cm時，碾壓8遍能滿足填筑要求，鋪厚100cm時，碾壓8遍難以滿足填筑要求。

4.2.3鋪厚與干密度和相對密度的關系。由碾壓6、8、10、12遍時鋪厚與干密度和相對密度的關系曲線可見，一定碾壓遍數下，隨鋪厚的增大，相對密度減小，說明一定碾壓遍數下，砂礫料灑水碾壓時，鋪厚對砂礫料壓實效果有明顯影響。

4.2.4顆粒分析結果。

（1）由砂礫石料的顆分圖可見，鋪厚60cm時，碾壓6、8、10、12遍區細料含量（<5mm）分別為11.9～20.7%、10.9～24.3%、9～16.1%、13.4～19.9%；鋪厚80cm時分別為13.4～14.8%、6.9～19.6%、7.2～12.2%、15.8～20.9%；鋪厚100cm時分別為11.7～19.5%、13.3～25.9%、13.4～17.2%、17.2～19.4%。砂礫料挖坑檢測的48條級配曲線中，有10條級配曲線不包含200mm以上大粒徑砂礫料，在原代表性級配包線范圍之內，約占20%，其余38條級配曲線均包含超過200mm以上的大粒徑砂礫料，約占80%。

（2）由不同試驗區細料含量和大于200mm粗料含量圖表可見，在灑水時，鋪厚和碾壓遍數對碾壓效果的影響明顯。鋪厚80cm、碾壓8遍能完全滿足填筑相對密度達到80%的要求。

4.2.5沉降量測結果。從沉降測量結果看，與碾壓遍數和鋪厚對干密度和相對密度的影響規律一樣，沉降量和碾壓遍數的變化曲線規律性較好。

4.3復核試驗。

（1）通過對代表性擾動砂礫料在灑水和不灑水工況下進行的各種鋪厚、不同碾壓遍數和不同灑水率的各種試驗組合的試驗結果比較和分析，重點針對灑水工況進行碾壓參數復核試驗，考慮到不灑水料在碾壓之前由于中間有幾天蒸發失水的過程，從試坑檢測干密度和相對密度的效果上看，碾壓效果不理想，規律性差，因此對不灑水料也補充進行復核試驗。

（2）砂礫料灑水飽和情況下和不灑水情況下均采用用自行式振動平碾進行碾壓，行車速度<3Km/h，鋪厚80cm，碾壓6遍和8遍。

（3）從復核試驗的結果看，鋪厚80cm，灑水條件下，碾壓6遍不能滿足全部試坑檢測相對密度達到80%的填筑標準控制要求，碾壓8遍則能滿足。不灑水條件下，碾壓6遍和8遍均不能滿足。

（4）每種土料復核試驗均取6個試驗點進行干密度檢測，方法同上，同時在每種土料的試驗場地取8個點進行滲透試驗。

4.4小結采用選定的碾壓機具和行車參數（行車速度、振動頻率和振動位移等），對選定料場代表性砂礫料分別進行了灑水和不灑水、不同鋪厚、不同碾壓遍數等組合工況的碾壓試驗及相應的力學特性試驗檢測（主要包括干密度、含水率、干密度和顆分等）。試驗前，對選定料場砂礫料進行了顆分試驗，驗證試驗材料的代表性。對選定料場代表性砂礫料碾壓試驗結果，分析了顆粒級配對材料碾壓性能（以干密度或相對密度評價）的影響，分析了灑水和不灑水時，一定鋪厚下的干密度（相對密度或孔隙率）與碾壓遍數關系曲線，一定加水量和碾壓遍數下干密度（相對密度或孔隙率）與鋪厚的關系曲線等規律。經綜合比較，初步選定碾壓施工參數（主要包括行車速度、鋪厚、碾壓遍數和加水量等），最后進行了復核試驗。

5. 成果與結論

通過現場碾壓試驗，得到以下成果和結論。

（1）灑水工況和不灑水工況試驗結果表明，對于選定料場的砂礫料，加水對砂礫料的碾壓性能有顯著影響，加水可顯著提高砂礫料的碾壓性能。

（2）灑水工況，碾壓砂礫料相對密度隨鋪厚和碾壓遍數增加而增加的變化規律較好。由于砂礫料細粒含量的影響，砂礫料干密度隨鋪厚和碾壓遍數增加而變化的規律有時有一定波動。

（3）不灑水工況，隨鋪厚和碾壓遍數增加，碾壓砂礫料相對密度的變化規律較差，起伏較大。而且，在所試驗的鋪厚和碾壓遍數工況下，均不能保證達到全部試坑相對密度達到80%以上碾壓標準的設計要求。分析推測可能是由于砂礫料含有一定水分，且含水率不均勻引起的。砂礫料場位于河道內，砂礫料一般處于飽和狀態。經過開采、運輸等上料過程，砂礫料處于有一定含水的非飽和狀態。不同位置、不同時間的上壩砂礫料，其含水狀態也不一樣。以往的研究資料表明，砂礫料的碾壓密實性能隨含水率的不同而不同，在完全干燥或飽和兩種情況下均較容易碾壓密實，而非飽和的含有一定水分時則不易碾壓密實。砂礫料碾壓性能由干燥狀態開始隨含水率的提高而減小，在某個含水率時最差（如1%～2%時），然后再隨含水率的提高而提高。

（4）滲透性：對選定料場代表性砂礫料，在建議的碾壓施工參數下，對復核碾壓試驗層分別進行了垂直滲透試驗。根據本試驗結果，其滲透系數在10-4～10-2cm/s范圍。

[文章編號]1619-2737（2017）06-20-506

[作者簡介] 劉耀宗（1972-），男，漢族，籍貫：河南省光山縣人，職稱：高級工程師，工作單位：河南省前坪水庫溢洪道工程項目經理，研究方向：長期從事水利水電工程施工與技術工作。