20t振動凸塊碾填筑粘性土壩體應用

劉 蓓 宋五朋 王先忠

（河南省水利勘測有限公司）

1 工程概況

河南省出山店水庫是一座以防洪為主，結合供水、灌溉，兼顧發電等綜合利用的大型水利樞紐工程，大壩型式為混合壩型，主壩軸線長3 694.57 m，其中土壩段長3 265 m，混凝土壩段長429.57 m（含連接壩段），壩頂高程100.40 m，最大壩高40.60 m。該水庫土壩壩型為粘土心墻砂殼壩，粘土心墻頂寬4 m，邊坡比為1∶0.50，心墻與上游壩殼料之間鋪設水平寬度為3 m 的反濾料，心墻下游鋪設水平寬度為3 m的反濾層、水平寬度為2 m的排水帶、水平寬度為1 m 的反濾層，上游壩坡采用混凝土連鎖塊護砌、下游壩坡采用混凝土預制塊護砌。粘土心墻碾壓壓實度按≥99%控制。

2 問題的提出

根據振動凸塊碾碾壓原理，振動凸塊碾在壓實土料時，不僅借助碾重與振動的作用，同時借助凸塊插入土體時使土受到擠壓和揉搓的聯合作用，振動凸塊碾對土壤施加外力，迫使土壤顆粒重新排列與相互靠近，擠出土壤中水分與空氣以減少其孔隙率，使土顆粒重新排列，提高碾壓效能及土體密實度，進而使土體得到均勻的壓實效果，振動凸塊碾是粘性土碾壓的適用器具。

近些年來，隨著科技的進步，20 t 噸位以上大噸位振動凸塊碾在市場上已普遍存在，考慮到粘性土壩體填筑過程的效率、效果、經濟等因素，擬選擇20 t振動凸塊碾應用于本工程使用，但20 t 振動凸塊碾的重量遠大于《碾壓式土石壩施工技術規范》（SDJ213-83）碾壓器具的重量要求，其適用性需進一步分析、論證。

3 理論分析

根據相關規范，壩體填筑施工前，需進行必要的室內和現場試驗，必須進行施工試驗。

勘測期間在壩前0.50～1 km壩前土料區取土樣進行室內輕型擊實試驗，最大干密度范圍值為1.65～1.74 g/cm3，平均值為1.68 g/cm3；最優含水率范圍值為15.70%～20.80%，平均值為18.00%。

施工試驗前進行了土料擊實試驗復核，最大干密度1.71 g/cm3，最優含水率18.20%，壓實度按≥99%控制。

《土工試驗規程》（SL237-1999）規定的擊實功為592.20 kJ/m3，適用于粒徑小于5 mm的粘性土，粘性土現場碾壓試驗是在室內輕型擊實指導下，通過選擇適宜的壓實機具以及合理的鋪土厚度和碾壓遍數等施工壓實參數，來對粘性土合理功的一個合理分化。以壓實器具技術參數和施工壓實參數的形式合理分化后的粘性土合理功進行施工碾壓，獲得最好的壓實密度。從理論上講，20 t振動凸塊碾能作為粘性土壩體填筑的碾壓器具。

根據振動凸塊碾單位壓實功計算公式（式1），在室內輕型擊實試驗指導下，單位壓實功能選取592.2 kJ/m3；在選擇20 t振動凸塊碾作為碾壓器具時，選擇合適的鋪土厚度和碾壓遍數，來對粘性土合理功的一個合理分化。

式中：Es—單位壓實功能，tm/m3；δs—靜態線壓力（t/m）；δk—動態線壓力（t/m）；f—振動頻率（HZ）；A—振幅（m）；N—振動碾累計碾壓遍數（4、6、8、10……）；v—行駛速度（m/s）；h—壓實層厚度（m）。

20 t振動凸塊碾器具的技術參數見表1，經計算后，鋪土厚度30 cm、35 cm、40 cm對應的碾壓遍數為6（計算值為5.80）遍。

4 現場試驗

現場碾壓試驗不僅核查土料壓實后能否達到設計壓實干密度，選定碾壓施工中合適的含水率、鋪土厚度、碾壓變數等施工參數，還可以在室內輕型擊實試驗指導下，檢查壓實機具的性能是否滿足施工要求。

根據室內輕型擊實試驗成果，料區粘性土最大干密度1.71 g/cm3，最優含水率18.20%；根據壩殼料現場試驗，砂礫料鋪土厚度為70 cm，故，選取20t振動凸塊碾作為碾壓器具時，粘性土的現場試驗以最優含水率18.20%、鋪土厚度35 cm、碾壓遍數6遍為基數進行現場試驗。現場試驗選擇3個試驗場區，分別對應不同的含水率（16.20%、18.20%、21.20%）、不同的鋪土厚度（30 cm、35 cm、40 cm）和碾壓遍數（4、6、8）進行試驗（見表2）；試驗組合為碾壓遍數、鋪土厚度和不同含水率為組合方式，共27個試驗組合。

表2 碾壓試驗參數取值表

現場試驗過程中，對粘性土碾壓表象進行觀測，未發生20 t 振動凸塊碾器具沉陷、土體破壞等影響填筑質量的現象。

現場試驗碾壓試驗區平均干密度統計表見表3，根據該統計表可知，以20 t 振動凸塊碾進行碾壓，鋪土厚度選取35 cm，碾壓遍數選取6遍。

表3 現場試驗碾壓試驗區表

綜上所述，從理論分析及現場試驗結果對比可知，20 t 振動凸塊碾作為粘性土壩體填筑碾壓器具是適用的。

5 碾壓效果

經綜合分析后，該水庫采取20 t振動凸塊碾作為粘性土壩體填筑碾壓器具，鋪土厚度35 cm，碾壓遍數6遍。

施工期間共檢測壓實度4 592 組，合格率為100%，施工過程中未發生器具沉陷、土體破壞等影響填筑質量的現象。施工期間，南京水利科學研究院對土壩段的安全監測中包含了垂直位移沉降觀測系統，2017 年6 月開始對壩基及壩體進行監測，2017年12月壩體封頂，根據2017年6月至2018年10月監測資料，壩體總沉降量11.22 cm（粘土心墻），壩體沉降目前已趨于穩定。

6 結論與建議

通過文章論述可知：①20 t振動凸塊碾對于粘性土壩體填筑碾壓是適用的；②20 t 振動凸塊碾重量大于以往傳統振動碾，可以有效提高生產效率，降低生產成本；③20 t振動凸塊碾在粘性土碾壓施工中可以廣泛推廣應用。