南公1水電站面板堆石壩主堆石區碾壓參數試驗研究

柯昌佳，劉義佳，吳世然，劉志鵬，舒 爽，陳 明

(1. 中國水利電力對外有限公司，北京 100120；2. 武漢大學水利水電學院，湖北 武漢 430072；3. 中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024)

南公1水電站位于老撾南部阿速坡省南公河下游，分布于北緯14°30’～14°40’、東經106°35’～107°13’之間。南公1水電站是南公河四級開發方案中的第三級，工程由首部樞紐及引水發電系統組成，其中首部樞紐包括面板堆石壩、左岸溢洪道、左岸導流隧洞和右岸電站進水口。電站主擋水建筑物為布置于主河床的混凝土面板堆石壩，壩頂長400 m，壩頂寬8.8 m，壩頂高程325.0 m，最大壩高為90 m。面板堆石壩壩體填筑總量184.7×104m3，壩體填筑分區見圖1，其中堆石料1 573 549 m3，料源主要來自導流洞、引水洞、溢洪道開挖和右岸下游石料場。在碾壓施工前，需要對壩料進行必要的碾壓試驗[1]，確定各種填筑料的施工壓實機具以及經濟合理的壓實參數(鋪料方法、鋪層厚度、碾壓遍數、加水量等)。目前國內外學者均認為現場碾壓試驗對于面板堆石壩的壩體填筑是必不可少的。

1 主要技術指標

壩體填筑料主要為流紋巖，根據室內物理力學性試驗，干密度為2.25～2.40 g/cm3，比重為2.58～2.62，孔隙率為8.40%～12.79%，自然吸水率為2.93%～4.87%，飽和吸水率為2.95%～5.01%，濕抗壓強度為52.5～126.2 MPa，平均為106.2 MPa，軟化系數為0.62～0.94，平均為0.82，屬硬質巖。

堆石料填筑設計要求如下：最大粒徑不超過800 mm，小于5 mm的顆粒含量不宜超過20%，小于0.075 mm的顆粒含量≤5%，含泥量≤5%，孔隙率≤22%，壓實干密度≥2.12 g/cm3。不均勻系數≥15，曲率系數為1～3。

圖1 壩體填筑分區示意圖

2 現場碾壓試驗

2.1 試驗方法及步驟

碾壓試驗方法采用以“全質量法”為主、“干密度”校核為輔的方法[2]，即在全過程沉降測量的基礎上，初步判斷壓實情況后進行干密度壓實質量檢測。

試驗場地需控制基面平整堅實，本次壩料碾壓試驗場地設在1號渣場，場地先用推土機推平，碾壓至基礎堅實不再下沉，然后采用弱風化流紋巖進行基礎硬化，振動碾碾壓，壓實到設計標準，消除基礎面對碾壓試驗的影響，再布置試驗區，用試驗料先在地基上鋪一層，表面不平整度不超過±5碼cm，試驗場地尺寸約為30 m×60 m，每條試驗帶有效面積為6 m×15 m。碾壓試驗步驟如圖2。

圖2 碾壓試驗步驟圖

2.2 試驗方案及試驗設備

填筑料在挖裝過程中剔除超粒徑料，并在碾壓前進行顆粒級配篩分，小于5 mm含量及小于0.075 mm含量均滿足設計要求。采用進占法卸料，人工配合機械進行攤鋪整平后，振動碾進行靜碾兩遍，全站儀測出松鋪厚度[2-5]。振動碾采用進退錯距法碾壓，針對不同填筑料進行不同鋪料厚度和碾壓遍數的碾壓試驗，見表1。

綜合考慮施工要求、填筑工期、氣候條件等因素，堆石料采用YZ32Y型32 t振動碾。配備其他主要機械設備有SD22型推土機1臺、CAT330液壓反鏟2臺、20 t自卸汽車8輛，10 t灑水車1輛。

表1 碾壓振動試驗方案表

3 試驗結果分析

堆石料在鋪料厚度分別為90、100和110 cm進行不同碾壓遍數的試驗。考慮到鋪料厚度越小，達到合格碾壓效果所需碾壓遍數越小，為提高試驗效率，鋪料厚度110 cm碾壓8、10和12遍，100 cm碾壓8和10遍，90 cm碾壓6和8遍。

3.1 累計沉降量

通過測量各碾壓試驗的累計沉降量，可得到不同鋪料厚度下不同碾壓遍數下累計沉降量[6]，見表2。由表2和圖2可知，不同鋪料厚度下，累計沉降量、壓縮率均隨碾壓遍數的增加而增加。但隨相同碾壓遍數下，隨著鋪料厚度的增加，壓縮率將減小。

表2 累計沉降量、壓縮率與碾壓遍數的關系表

圖2 各碾壓方案的累計沉降量與壓縮率圖

3.2 干密度

在碾壓完成后，再人工挖坑取樣，坑徑控制在最大粒徑的2～3倍，在實驗室獲取濕密度、含水率、干密度、表觀密度、孔隙率等參數[7]。

根據設計要求，需要干密度≥2.12 g/cm3，孔隙率≤22%，由表3和圖3可知，當鋪料厚度90 cm，碾壓6、8遍；鋪料厚度100 cm，碾壓8、10遍；鋪料厚度110 cm，碾壓10、12遍，均能滿足設計要求。而鋪料厚度110 cm，碾壓8遍時，孔隙率滿足設計要求，干密度不能滿足設計要求，表明此碾壓方案不合適。其中，當鋪料厚度一定時，隨著碾壓遍數的增加，干密度增加；當碾壓遍數一定時，隨著鋪料厚度的增加，干密度減小，孔隙率增加。

表3 碾壓后干密度與碾壓遍數的關系表

圖3 碾壓后干密度與碾壓遍數的關系圖

3.3 級配曲線

為論證對比碾壓前后的料源顆粒級配變化情況，首先在碾壓試驗開始鋪料的同時，對堆石料進行碾壓試驗前的篩分試驗[8-9]。在碾壓結束后，挖坑取樣，利用灌水法進行干密度和含水量檢測，并對試樣進行篩分試驗，篩分結果見表4。以鋪料厚度100 cm，碾壓遍數為8的試驗為例給出碾壓前后級配料的對比，見圖4。由圖4可知，硬質巖流紋巖在碾壓前后級配曲線均滿足設計要求，均在設計包絡線內；但碾壓后，小于30 mm顆粒粒徑占比有所增加，大于100 mm顆粒粒徑占比有所減小，這是由于在碾壓過程中，大粒徑顆粒被碾壓破碎，使小粒徑顆粒占比增加。

不均勻系數Cu和曲率系數Cc是反映級配料不同粒組的分布情況，以判斷粒度級配是否良好的指標，其計算方法見公式1[10-12]，對于這里堆石料應有Cu≥15，Cu為1～3。碾壓后堆石料的不均勻系數Cu和曲率系數Cc見表5，可看到均滿足設計要求，且隨碾壓遍數的增加，不均勻系數Cu將增加，但曲率系數Cc變化規律不明顯。這是由于碾壓過程中，使大顆粒破碎占比減小，d60變大，大顆粒增加，d10變小，Cu值顯然隨碾壓遍數的增加而變大。

表4 堆石料碾壓試驗顆粒分析匯總表

圖4 堆石料碾壓前后的級配曲線圖(鋪料100 cm+碾8遍)

表5 碾壓后的不均勻系數和曲率系數表

Cu=d60/d10

Cc= (d30×d30)/(d60×d10)

(1)

式中：d60為過篩重量占60%的粒徑；d30為過篩重量占30%的粒徑；d10為過篩重量占10%的粒徑。

4 結 語

根據上述堆石料現場碾壓試驗成果，經對試驗資料進行整理和分析，結合各碾壓鋪設厚度、各碾壓遍數下的沉降量變化，以及碾壓后級配、干密度的實際變化情況綜合考慮，在充分借鑒其他工程碾壓試驗的基礎上得出：

1)堆石料的施工鋪料厚度為100 cm為宜，壓實厚度為90 cm。碾壓施工加水量(體積比)為10%，碾壓以靜碾2遍+動碾8遍為宜。

2)建議根據不同的筑壩石料設計要求，進行科學有序的石料開采，并通過所需料源的爆破試驗參數對石料的爆破開采進行有效控制。同時加強石料的分類加工堆存，以便保證筑壩石料的顆粒級配等各項指標滿足設計要求。

3)應結合工程實際，取與碾壓試驗相同的代表性墊層料、過渡料作為試驗用料，宜在碾壓試驗場定點檢測碾壓前后顆粒級配及破碎率等實驗。檢測碾壓前后級配變化值，并對鋪筑層厚度全料進行顆粒級配分析論證，調整更為經濟合理的級配曲線。