長河壩水電站礫石土料碾壓試驗及參數選擇

樊 鵬，王 寧

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川成都610066)

心墻是土石壩最為重要的部位之一，是壩體防滲的關鍵所在。傳統心墻材料主要有黏土、混凝土、瀝青混凝土、礫石土等。其中，礫石土有填筑密度大、抗剪強度高、沉陷變形小且廣泛存在于自然界中的特點[1]。通常將礫石質量含量在20%以上的含礫土、黏土質礫、風化料及碾壓后可破碎成礫石土的風化巖石統稱為礫石土[2]。美國于20世紀40年代建造泥山壩時首次用礫石土作心墻料；之后瑞士、法國、瑞典、奧地利等國也相繼采用礫石土作為高土石壩心墻料[3]；20世紀80年代后礫石土在國內高土石壩中的應用越來越普遍[4]。土石壩心墻防滲標準要求高；因此，礫石土應用于土石壩心墻料中，需嚴格控制其級配、滲透系數、塑性指數等指標。

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定市境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級水電站。工程區地處大渡河上游金湯河口以下約4～7 km河段上，壩址上距丹巴縣城82 km，下距瀘定縣城49 km。工程為一等大(1)型工程，電站采用水庫大壩、首部式地下引水發電系統開發，總裝機容量2 600 MW。攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程1 697 m，壩頂寬16 m，最大壩高240 m。礫石土心墻料填筑總量為428.319 5萬m3，分別由湯壩、新蓮兩個土料場作為礫石土料源，兩個土料場距壩址分別為22 km和23 km。經勘探，兩個料場土料的質量和總儲量均滿足壩體心墻填筑要求。

根據長河壩工程心墻料的碾壓試驗技術要求，礫石土料的最大粒徑不大于150 mm，粒徑大于 5 mm 的顆粒含量在30%～50%間，小于0.075 mm的顆粒含量應大于15%，小于0.005 mm的顆粒含量應大于5%；礫石土料的滲透系數應小于1×10-5cm/s，抗滲透變形的允許坡降應大于5，其滲透破壞形式應為流土；塑性指數宜大于8，小于15；心墻礫石土防滲土料全料壓實度應達99%(采用修正普氏擊實)或以上，可通過現場碾壓試驗驗證壓實度的合理性。本文以長河壩水電站為依托，介紹保證礫石土心墻料碾壓質量的碾壓試驗過程及方法，確定了相應的碾壓參數。

1 碾壓試驗

1.1 試驗目的及要求

現場碾壓試驗的目的是檢驗、修正填筑壩料的設計填筑標準，確定經濟合理的鋪料方式、碾壓程序、碾壓施工參數(包括填筑料級配、填筑層厚、碾壓遍數、行車速度等)，選擇適宜的碾壓機械設備，優化施工參數，制定填筑施工實施細則與技術要求，提出質量控制的技術標準與檢驗方法。碾壓試驗是生產性試驗，是實際施工的演練；因此試驗過程所采用的施工方法、施工機械都必須與實際施工相一致。根據設計對壩體填筑的要求，通過現場碾壓試驗確定防滲土料在不同工況條件下的壓實效果，驗證設計提出的筑壩材料控制指標的合理性并提出優化方案。

1.2 試驗組合及布置

為了保證碾壓試驗所用料的合理性，通過分析和比選，最終試驗用料選擇中等偏粗土料(P5含量約為57%)、偏細料(P5含量約為27%)和均線料(P5含量約為48%)三種土料進行試驗。心墻土料碾壓機具參考國內同類工程經驗選用國產三一重工YZ26C 26T自行凸塊振動碾。試驗組合如下：

(1)偏粗料(P5含量約為57%)試驗組合。通過分析研究確定，偏粗料碾壓試驗共設8個試驗組合，鋪土厚度分別為30、40 cm，碾壓遍數分別為靜碾2遍+振碾8遍、10遍、12遍、14遍。

(2)偏細料(P5含量約為27%)試驗組合。偏細料碾壓試驗共設8個試驗組合，鋪土厚度分別為30、40 cm，碾壓遍數分別為靜碾2遍+振碾8遍、10遍、12遍、14遍。

(3)均線料(P5含量約為48%)試驗組合。均線料碾壓試驗共設8個試驗組合，鋪土厚度分別為30、40 cm，碾壓遍數分別為靜碾2遍+振碾8遍、10遍、12遍、14遍。

1.3 試驗步驟

(1)鋪料。采用20 t自卸汽車運輸合格的土料，采用進占法卸料，鋪料模擬大壩施工進行，進占法鋪料。為了更好地控制鋪料厚度，在鋪料之前，對于不同的鋪料厚度，在每個試驗區做好標記，邊線處固定繩索。采用SD32推土機平料，人工清除試驗區的超徑石。鋪料完成后，采用鋼板尺進行厚度復核，厚度誤差應控制在±5%以內。

(2)碾壓。為了保持同一條碾壓試驗區碾壓質量的均勻性，將選定的振動碾在試驗區外起動，達到正常工況后，由試驗人員指揮進場，行駛速度選擇為(2.5±0.2)km/h，先靜碾2遍；然后，再按設計的碾壓遍數分別進行碾壓，碾壓方式采用進退錯距法，相鄰碾跡搭接寬度10～20 cm。碾壓過程中，振動碾沿試驗區長度方向勻速、平直行駛，直至完成規定碾壓的遍數。

(3)碾壓效果檢測。主要檢測各場次設定的碾壓遍數之后土料的壓實度；同時，為了確定合理的土料顆粒級配，在碾壓試驗前及試驗完成后進行顆粒篩分試驗。現場試驗還進行了沉降檢測。

1.4 試驗檢測方法

(1)顆粒級配的確定。為了解碾壓前后顆粒破碎情況，以免造成超壓：碾壓前，在每場試驗鋪料后進行取樣，進行顆粒分析試驗，顆粒分析試驗采用篩析法與密度計法聯合測定，大于0.075 mm顆粒部分用篩析法，小于0.075 mm顆粒部分采用密度計法；碾壓后，對每個試驗組合采用挖坑灌水法檢測壓實度，并對試坑內全料進行顆粒分析，顆粒分析亦采用篩析法與密度計法聯合測定。

(2)壓實度檢測。壓實度檢測采用挖坑灌水法。碾壓后原位壓實度檢測根據SL237—1999《土工試驗規程》采用挖坑灌水法。每一試驗組合檢測10個點，分別取全料、細料進行含水率檢測。全料壓實度采用挖坑灌水法測得的全料干密度與對應P5含量大型擊實(2 688 kJ)最大干密度比值得出。細料的濕密度則通過計算得到，利用全料濕密度與大于5 mm顆粒含量、干密度及大于5 mm顆粒吸水率計算得到細料體積，細料濕密度則為全料濕密度減去大于5 mm顆粒濕密度。細料壓實度為細料干密度與細料在592 kJ/m3擊實功室內擊實最大干密度比值。

(3)沉降檢測。沉降檢測根據DL/T5173—2003《水電水利工程施工測量規范》，用TCR802全站儀。在振動碾振動影響范圍之外設置2～3個測量基準點，在碾壓試驗區內以1.5～2 m的方格網布置沉降測點，每個試驗組合布置13個測點。分別在鋪土前進行基礎高程測量，鋪土后高程測量，靜壓2遍后測量及每完成2遍振動碾壓后測量，最后得出各試驗組合碾壓后碾壓遍數、鋪土厚度與沉降量的關系。

1.5 試驗成果

1.5.1 碾壓前后顆分試驗成果

各料碾壓前后顆分試驗成果見圖1～6。圖中的圖例序號分別為試坑編號，三種料根據具體情況設置不同的試坑數量。

圖1 偏粗料碾壓前顆粒分析曲線

圖2 偏粗料碾壓后顆粒分析曲線

圖3 偏細料碾壓前顆粒分析曲線

圖4 偏細料碾壓后顆粒級配曲線

圖5 均線料碾壓前顆粒分析曲線

圖6 均線料碾壓后顆粒分析曲線

從以上顆粒分析試驗結果曲線可以看出，三種不同級配的土料在碾壓前后，基本沒有太大變化；同一種土料，不同的試坑所對應的級配曲線較為接近，變化趨勢相同。這一定程度上反映出，碾壓較均勻；所選顆粒級配在碾壓前后均滿足心墻土料的設計要求。

1.5.2 壓實度檢測結果

通過現場挖坑灌水法檢測壓實度發現：

(1)當偏粗料和均線料的鋪土厚度為30 cm時，碾壓8遍后，壓實度可以達到95%；碾壓10遍后，可以達到97%；碾壓12遍后，無法達到98%；碾壓14遍后，部分檢測點達到98%，但都無法達到99%。當偏粗料和均線料的鋪土厚度為40 cm時，碾壓8遍后壓實度在93%～95%之間；碾壓10遍后，壓實度在95%～96%；碾壓12遍后壓實度在96%～ 97%，碾壓14遍后可以達到96%，但無法達到97%。

(2)當偏細料的鋪土厚度為30 cm時，碾壓后8遍壓實度可以達到96%，在碾壓10遍后可以達到97%；碾壓12遍后可以達到98%，碾壓14遍后可以達到99%。當偏細料的鋪土厚度為40 cm時，碾壓8遍后壓實度可以達到95%；碾壓10遍后，可以達到97%；碾壓12遍后，可以達到98%；碾壓14遍后，達到了100%。

上述分析表明，偏粗料和均線料在鋪土厚度為30 cm且碾壓14遍后，壓實度均無法達到99%，但都達到了97%；偏粗料和均線料在鋪土厚度為 40 cm 且碾壓14遍后，壓實度仍無法達到99%。如果再增加碾壓遍數，壓實度可能還無法達到設計要求；而只會增加碾壓工作量，增加施工成本。偏細料在鋪土厚度30 cm和40 cm且碾壓14遍后，壓實度均達到了99%以上。

1.5.3 沉降檢測結果

現場檢測顯示，三種不同的土料不同的鋪土厚度、不同碾壓遍數情況下，沉降量的變化符合一般的規律；相同的鋪土厚度情況下，當碾壓遍數達到超過一定遍數后，沉降量基本沒有太大變化。

2 碾壓試驗成果

(1)土料壓實標準建議。設計原要求全料壓實度需大于99%；但碾壓資料分析表明，不能滿足設計指標要求。因此，推薦采用雙控指標。即，全料大于97 %，細料大于100%。

(2)現場施工參數建議。現場施工參數確定為：鋪料30 cm，26 t自行式振動凸塊碾靜碾2遍+振碾12遍，行駛速度宜控制在(2.5±0.2)km/h。

通過試驗驗證，長河壩心墻料剔除大于150 mm顆粒，在鋪土30 cm，靜碾2遍+振碾12遍的施工參數下，全料壓實度滿足大于97%的要求，保證率為100%；當壓實度大于98%時，保證率為67%。細料壓實度滿足大于100%，保證率為98%的要求；當壓實度大于101%時，保證率為81%。因此，試驗證明：礫石土心墻料的全料壓實度選擇97%、細料壓實度選擇100%時，施工可以滿足要求。

3 結 論

(1)采用篩析法和密度計聯合測定法，精確地確定了三種土料的顆粒級配。通過碾壓前后的顆粒分析試驗所確定的三種土料的級配，均滿足要求；由壓實度檢測發現，偏細料的壓實度效果更優。

(2)設計最終確定的長河壩水電站礫石土心墻料壓實標準應為：碾壓后全料壓實度不小于97%，細料壓實度不小于100%。

(3)通過現場碾壓試驗確定的長河壩水電站礫石料最終碾壓參數如下：土料P5含量為30%～50%，碾壓遍數為靜碾2+振碾12遍，鋪土厚度30 cm，采用26 t的自行凸塊振動碾，行走速度控制在(2.5±0.2)km/h。

(4)長河壩水電站大壩心墻填筑土料在碾壓過程中的沉降變化符合一般規律，一定程度上說明所采用的碾壓參數是合理的。

[1] 郭慶國. 粗粒土的工程特性及應用[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 1999．

[2] 任金明. 土石壩心墻寬級配礫質土質量控制方法研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2001．

[3] 屈智炯. 寬級配礫質土在土石壩防滲體中的應用及其滲流控制的進展[J]. 水電站設計, 1992, 8(3)： 46- 53．

[4] 鄒玉華, 陳群. 礫石土心墻料——反濾料聯合抗滲研究進展[J]. 水利水電科技進展, 2009, 29(5): 89- 94．