面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗研究

任海軍

(長江科學院監理公司 湖北武漢 430010)

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面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗研究

任海軍

(長江科學院監理公司 湖北武漢 430010)

利用天然砂礫石進行大壩填筑，其碾壓參數直接影響到大壩施工進度和沉降變形，也直接影響到大壩施工成本和安全穩定，碾壓參數的優化一直是大壩填筑施工技術研究重點。為有效地指導現場施工，以某一工程為案例，通過面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗研究，分析數據成果，提出大壩填筑碾壓參數。

面板堆石壩; 砂礫石料; 碾壓試驗

1 工程概述

某水利樞紐工程規劃水庫正常蓄水位1820m，最大壩高164.8m，水庫總庫容22.49億m3，電站總裝機容量755MW，設計年發電量22.6億kW·h，為一等大(1)型工程。樞紐由擋水壩、1#、2 #表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2 #深孔放空排沙洞及發電引水洞、發電廠房、生態基流引水洞及其廠房、過魚設施等建筑物組成。

擋水壩為混凝土面板砂礫石-堆石壩，壩基位于現代河床深厚覆蓋層上，主要由單一成分的沖積砂卵礫石層組成，局部夾砂層透鏡體。覆蓋層厚度50m～94m，大壩抗震設計烈度為9度，100年超越概率2%的設計地震動峰值加速度為320.6gal。壩軸線全長795m，壩頂高程1825.80m，壩頂寬度為12m。壩體從上游至下游按蓋重區、上游鋪蓋區、墊層料區、過渡料區、砂礫石料區、堆石料區分區填筑。上游主堆石區采用砂礫石料，壩坡坡度為1∶1.7,下游壩坡坡度為1∶1.6。深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，對壩體沉降變形將產生較大影響，施工過程中對填筑質量的控制尤為重要。為此，開展現場碾壓試驗，有利于驗證和確定大壩填筑標準和技術要求，復核和確定施工碾壓參數，為大壩施工質量控制提供科學依據。

2 碾壓試驗

2.1 碾壓試驗的目的

通過對主堆石砂礫石料進行現場碾壓試驗及相應的物理力學特性試驗，檢驗所選用的填筑壓實機械的實用性及其性能的可靠性。通過進行不同碾壓參數組合對比試驗，確定各堆筑料經濟合理的碾壓施工參數，如碾壓設備機具、振動頻率及振動位移、行進速度、鋪筑厚度、加水量和碾壓遍數等[1]。通過試驗成果分析，提出完善壩料填筑的施工工藝、措施和建議，指導現場施工。

2.2 試驗內容

碾壓試驗前對主堆石砂礫石料在料場取料，取樣4組，進行顆粒分析試驗，分析料源是否滿足設計要求。現場碾壓試驗采用中大牌YZ32Y2型的自行式振動碾，分灑水和不灑水兩種試驗工況，鋪筑厚度分別為60cm、80cm、100cm，碾壓遍數分別為6、8、10、12遍，灑水分別為5%、10%、15%。試驗場地分區域進行，每個區域長10m、寬6m。

2.3 試驗基本步驟

(1)碾壓試驗場地選定在大壩下游右岸邊線位置，該處場地為較平整的砂礫石基礎。采用推土機和挖掘機將試驗場地平整后，采用振動碾按3km/h的速度進行碾壓2遍，用水準儀對試驗場地的平整度進行，全場平均沉降不大于2mm。

(2)碾壓試驗的砂礫石料取自C3料場，取料前先進行坑探，對料源進行顆分試驗。現場取料按照料場正常開采方式均勻取料，具有代表性。

(3)砂礫石料采用挖掘機裝車，自卸車運送至試驗場地，采用進占法卸料，人工篩選出超徑大石，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。攤鋪厚度滿足要求后用振動碾對試驗區先靜碾兩遍，然后用白石灰標記不同試驗區域區間界限及各種分界線，明確各個試驗單元。

(4)碾壓試驗分為灑水和不灑水兩種工況，灑水試驗共進行3個灑水率。試驗料加水通過灑水車在攤鋪完成的試驗區域進行灑水，灑水量根據灑水車水箱貯水量來確定。

(5)碾壓采用進退錯距法進行，按照劃分的試驗單元和設定的遍數進行碾壓。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，振動碾行車速度﹤3km/h。振動碾在距試驗場地邊線2m處起振，在場地邊界處，整個碾子需全部走出試驗區。

(6)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測量。每個試驗單元布設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，并噴上紅油漆。沉降測量每2遍測量一次。

(7)按照設定的碾壓遍數進行碾壓后，對每個試驗單元進行挖坑檢測，采用灌水法來測定所取樣品的干密度，并通過烘干法測定樣品的含水率，每個單元布置4個試坑。采用篩分法對試坑料進行顆粒分析，從每個試驗單元開挖的4個試坑中選取3個進行篩分，5mm及以上的樣品顆粒篩分在室外進行，5mm以下樣品進行取樣送至室內做顆粒分析試驗。

3 試驗成果分析

3.1 砂礫石料的設計技術指標

砂礫石料設計相對密度采用0.90。根據試驗成果：砂礫料最緊平均干密度γdmax=2.29g/cm3；最松平均干密度γdmin=2.03g/cm3。砂礫壩殼料設計干容重：γds=2.26g/cm3，砂礫料特征粒徑如表1所示，壩體砂礫石料填筑設計技術要求,如表2所示。

表1 砂礫料特征粒徑表(上、下包線及均線)

表2 壩體砂礫石料填筑設計技術參數

3.2 試驗成果與分析

3.2.1 不灑水工況砂礫石料碾壓試驗檢測成果分析

根據試驗結果整理出砂礫石料在不灑水工況下，不同鋪筑厚度、不同碾壓遍數與干密度和相對密度的關系曲線分析，砂礫石料在鋪筑厚度一定情況下干密度和相對密度隨著碾壓遍數增加而增加，如圖1～圖2所示。在碾壓遍數相同的情況下干密度和相對密度隨著鋪筑厚度的增加而減少，這一特點與一般規律相符，如圖3～圖4所示。

圖1 不灑水工況碾壓參數與平均干密度關系曲線

圖2 不灑水工況碾壓參數與平均相對密度關系曲線

圖3 碾壓8遍時鋪筑厚度與平均干密度、平均相對密度關系曲線

圖4 碾壓10遍時鋪筑厚度與平均干密度、平均相對密度關系曲線

對鋪筑厚度60cm碾壓10遍時檢測干密度ρd=2.32g/cm3～2.38g/cm3之間，相對密度Dγ=86.75%～91.64%之間，平均Dγ=89%，接近設計控制指標。碾壓12遍時干密度ρd=2.33cm3～2.39/cm3之間，相對密度Dγ=89.5%～93.16%之間，平均Dγ=91.36%，基本滿足設計控制指標。對于鋪筑厚度80cm和100cm碾壓12遍時，其平均密度為2.34g/cm3和2.32g/cm3，其對應的平均相對密度只有85.91%和84.6%，均未達到設計控制標準。綜合考慮鋪筑厚度、碾壓遍數對干密度、相對密度的影響速率，根據不灑水試驗確定的鋪筑厚度80cm進行灑水工況的碾壓試驗。

3.2.2 灑水工況砂礫石料碾壓試驗檢測成果分析

根據試驗結果整理出砂礫石料在灑水工況下，不同灑水率、不同碾壓遍數與干密度和相對密度的關系曲線分析，灑水能顯著提高砂礫石料的碾壓性能，對砂礫石料的平均相對密度提升幅度較大，可到達10%左右，隨后不同灑水率之間的平均相對密度差別不大，如圖5所示。灑水率和鋪筑厚度一定時，在碾壓遍數較小時干密度隨著碾壓遍數增加呈現快速增加趨勢，達到一定碾壓遍數后，干密度隨著碾壓遍數增加開始減小，如圖6所示。灑水率和鋪筑厚度一定時，在碾壓遍數較小時相對密度隨著碾壓遍數增加呈現快速增加趨勢，達到一定碾壓遍數后，相對密度隨著碾壓遍數增加趨緩，如圖7所示。

圖5 鋪筑厚度80cm灑水工況與平均相對密度關系曲線

圖6 鋪筑厚度80cm灑水10%與平均干密度關系曲線

從圖5中可以分析出，對鋪筑厚度80cm砂礫石料，碾壓8遍時，3種灑水率5%、10%和15%對應的相對密度為87.19%、88.51%和88.75%，相對密度均不能達到設計標準。碾壓10遍時，3種灑水率5%、10%和15%對應的相對密度為92.66%、93.44%和93.81%，相對密度均能達到設計標準。從圖8中可以分析出，鋪筑厚度80cm砂礫石料，灑水率10%工況下，加水碾壓10遍的碾壓性能最佳，平均干密度最大，相對密度可以達到90%的設計填筑標準。

圖7 鋪筑厚度80cm灑水10%與平均相對度關系曲線

圖8 鋪筑厚度80cm灑水10%碾壓參數與碾壓性能關系曲線

3.3 施工工藝及參數控制

根據現場碾壓試驗成果分析，砂礫石料鋪筑碾壓主要參數控制為：鋪筑厚度為80cm，灑水10%，采用32t自行式振動碾激振碾壓10遍，行車速度控制在3km/h以內，可以滿足設計相對密度>90%指標要求，具體參數控制如表3所示。鋪料時應注意對砂礫石料顆粒級配的控制，避免骨料集中現象。

表3 壩體砂礫石料填筑施工技術參數

3.4 施工過程控制注意事項

(1)根據試驗成果顯示，砂礫石料的級配對碾壓效果有著明顯的影響。由于天然河床自然沉積存在級配分布差異性較大，部分砂礫石料處于水下。在砂礫石料場開采過程中，應建立有效的開采規劃，保證開采質量，嚴格控制不符合要求的砂礫石料上壩。

(2)灑水與不灑水相比，灑水的效果相當明顯，保證灑水量直接影響到相對密度能否滿足設計指標要求。首先，應做好對料場含水率的及時測定；其次，上壩前對壩料的加水系統盡可能智能化，按照所測定含水率自動稱重加水；最后，在壩面鋪筑碾壓前做好補充加水控制。

(3)在不灑水工況試驗過程中，碾壓后砂礫石料表層出現一層浮砂，不同碾壓參數下各試坑顆粒級配分析也顯示出，對于中間粒組(1mm～10mm)的級配曲線易超出設計上包線，同時試坑試驗干密度也相對偏小。隨著碾壓遍數增加、鋪筑厚度增加，浮砂顯現更顯著。通過灑水工況試驗過程對比，浮砂現象明顯改觀，不同碾壓參數下的試坑顆粒級配分析也符合設計要求。

(4)混凝土建筑物、岸坡與砂礫石料之間的接觸帶應回填過渡料，寬度宜為1m～2m。

(5)砂礫石料卸車后應及時進行鋪筑平整，不能出現堆筑過高后再進行鋪筑，減少鋪筑過程中骨料分離。鋪筑厚度控制應貫穿整個施工過程，應嚴格控制不能出現超厚超薄的情況。

4 結論

通過試驗證明設計相關指標是合理的，試驗成果可作為大壩填筑控制指標合理評價參數，對于高震區、深厚覆蓋層上建設高混凝土面板砂礫石堆石壩的施工質量控制、確保大壩工程建設與運行安全具有重要意義。

(1)合理選擇碾壓設備，既可提高施工進度，也可保證施工質量。采用32t自行式振動碾，行車速度控制在3km/h以內更有利于施工質量控制。

(2)灑水可以有效地提高砂礫石碾壓密實度，一般可以提高10%～15%左右，最優含水量控制是砂礫石填筑過程中關鍵，一般選用10%灑水率。

(3)砂礫石填筑碾壓厚度直接影響到工程施工進度，綜合考慮鋪筑厚度、碾壓遍數對干密度、相對密度的影響速率，一般選用80cm為宜。

[1] NB/T 35016-2013 土石筑壩材料碾壓試驗規程[S].北京：中國電力出版社，2013.

Experimental Study on Filling and Compaction of Rockfill Materials for Concrete Faced Rockfill Dam

RENHaijun

(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010)

By using natural sand gravel dam, the rolling parameters directly affect the dam construction schedule and settlement, but also directly affect the dam construction cost and safety and stability. Optimize the rolling parameters has been the research focus of dam construction technology. Through the experimental study of filling and rolling of rockfill dam of face rockfill dam, the paper analyzes the data and puts forward the parameters of dam filling and rolling, which can effectively guide the site construction.

Concrete face rockfill dam; Gravel stone; Compaction tests

任海軍(1980- )，男，高級工程師。

E-mail:renavy@163.com

2017-03-18

TV64

A

1004-6135(2017)08-0057-04