碾壓機械對土石壩壓實質量的影響

湯洪潔，王傳菲，柳 瑩，楊玉生，王中良，楊孝攀

(1.水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120；2.江河水利水電咨詢中心有限公司，北京 100120；3.新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；4.中國水利水電科學研究院，北京 100048；5.巴中市紅魚洞水庫運行保護中心，四川 巴中 636600)

1 碾壓機械對筑壩方式演變的影響

土石壩具有就地取材、對地形條件和環境因素適應性強且較為經濟的優點，是世界范圍內普遍應用的壩型。全世界已建15m以上大壩中，土石壩占比約78%[1]。中國已建大壩中，土石壩比例達93%[2]；已建大型工程中，土石壩比例達到50%[3]。在壩工發展史上，20世紀初期已出現100m以上的混凝土拱壩(1910年建成)和重力壩(1915年建成)，而直到20世紀30年代，100m以上的土石壩才出現[4]。在100m以上高壩中，直至20世紀50年代末，土石壩占比僅31%；60年代開始，土石壩占比逐步增大，到1974年時，土石壩占比達到50%，此后土石壩比重逐步超越混凝土壩；到1980年，土石壩占比已達到62%，且壩高越大，土石壩的比重越大[4]。中國各壩型中土石壩占有絕對優勢，近年來在建和擬建的300m級特高壩，大部分也是土石壩。

20世紀20年代末之前建造的土石壩壩高一般不超過50m，大多為拋投或碼砌方式建設、采用木面板或混凝土面板防滲的堆石壩[4]。20世紀30年代時，在山區采用拋投方式建造有壩高達100m的混凝土面板堆石壩，但因堆石體變形可達壩高的1%～2%，導致面板都有裂縫發生[4]。在平原或丘陵區主要采用水力沖填或半水力沖填方式筑壩，壩體填筑密實度較小，施工期容易發生滑坡事故。40年代及50年代，轉而修建粘土心墻或斜心墻堆石壩，堆石仍然是拋投法施工，壩體變形較大易產生裂縫[4]。50年代以后，隨著大型運輸車輛和重型碾壓設備的出現，土石壩填筑方式逐步由拋填方式過渡到靜碾，再到振動碾壓。60年代以后，由于重型振動碾壓設備的使用，高土石壩發展迅速，尤其是面板堆石壩重新獲得生命力，60年代各國建成100m以上的土石壩50余座，70年代土石壩高度達到240m，80年代達到325m，這些壩都是粘土心墻或斜心墻砂礫石壩/堆石壩，孔隙率減小到25%甚至20%，變形較小少有裂縫發生[4]。碾壓機械的噸位由開始時的5t逐步到10t和13.5t，再到后來的16、20、26、32t，土石壩的壩高也逐步由最初的中低壩發展到100m以上的高壩，直至200m以上或300m級的特高壩[5]。

在振動碾壓機械發明之前的20世紀30—40年代，高土石壩主要采用混凝土面板拋投式堆石壩，由于拋投式堆石壩沒有經過壓實，其孔隙率只能達到31%～36%，會發生堆石體變形太大導致面板裂縫[4]；到五六十年代，拋投式面板堆石壩就已不再采用，土石壩在所有壩型中比重較大的原因主要在于其經濟性和對地質地形條件的良好適應性，尤其是巖土力學、計算技術的進步以及生產力水平的提高，使得大型施工機械和施工技術在土石壩建設中得到普遍應用，使得有條件提高大壩設計填筑標準，壩體的碾壓越來越密實，壩體變形控制效果越來越顯著[4- 5]。本文主要結合室內和現場試驗以及相關研究成果，結合已建工程大壩沉降監測資料，分析碾壓機械特性對壓實質量的影響及其相互關系，為土石壩設計和施工提供參考。

2 碾壓機械特性對壓實質量的影響

2.1 振動時間的影響

朱俊高等[6]采用表面振動壓實儀(電源電壓為380V，功率1kW，振動頻率50Hz，激振力5kN)，在表面壓重為8.609kPa的條件下，研究了激振時間和表面壓重對砂礫料干密度的影響規律。所采用的試驗材料為長河壩心墻土石壩砂卵礫石料(巖性較硬，最大粒徑60mm)和江蘇六合某地的砂卵石料(最大粒徑為60mm和20mm，巖性較軟，易破碎)。根據文中試驗數據，繪圖整理得到振動時間對干密度的影響，如圖1所示。

圖1 振動時間對干密度的影響

由圖1可知，對于巖性相同的砂礫料，最大粒徑對干密度有明顯的影響，在相同的激振時間和激振力條件下，最大粒徑dmax=60mm的干密度明顯大于dmax=20mm的干密度，且干密度隨振動時間的變化曲線幾乎平行。隨激振時間的增長，六合料干密度的增大速度明顯大于長河壩砂礫料。原因在于兩者巖性不同，六合砂礫料巖性較軟，容易破碎，破碎后細粒含量增多，細粒能夠填充粗粒形成的骨架孔隙，從而能夠達到更高的干密度。長河壩砂礫料巖性較硬，振動引起的破碎率較小，干密度隨振動時間的增大速率明顯較緩慢。

王星照等[7]在湖南龍背灣工程現場采用密度桶法研究了定點振動碾壓試驗對砂礫料干密度的影響。試驗時首先進行行駛振動碾壓，隨著碾壓遍數增加，干密度值增大，碾壓到12遍時干密度趨于平穩，因此選擇單純碾壓至12遍后，再進行不同時間的定點碾壓試驗，試驗結果如圖2所示。由圖2可知，定點振動15min與定點碾壓20min，砂卵石料的最大干密度值增長0.01 ～0.02g/cm3，變化很小。

圖2 定點振動試驗對干密度的影響[7]

2.2 壓重的影響

壓重是影響表面振動壓實法試驗結果的另一個重要因素。DL/T 5356—2019《水電水利工程粗粒土試驗規程》和JTJ 051—1993《公路土工試驗規程》規定的壓重分別為13.8、14kPa，并說明，壓重從7kPa增至13.8kPa時，干密度顯著增加，此后再增加壓重至21kPa時，干密度則無顯著增加，趨于穩定。

馮冠慶等[8]采用振動臺法試驗研究表明，附加荷重越大，試驗干密度越大，當荷重從7kPa增加到14kPa時，干密度顯著增大，繼續增大壓重到21kPa時，干密度則無顯著增大。采用表面振動法時，壓重從7kPa增加到14kPa時，干密度隨之增大，繼續增大壓重到21kPa時，干密度反而減小。可見，僅靠增加壓重，所獲得的壓實效果并不顯著。朱俊高[9]對砂礫料進行了3種壓重(6.387、8.609、10.831kPa)的表面振動試驗，振動時間6min，試驗結果如圖3所示。由圖3可知，當壓重由6.387kPa增大至8.609kPa時，砂礫料壓實干密度(相對密度)顯著增大，而壓重再增大至10.831kPa時，壓實干密度增大很小，已趨于穩定。張勝利[10]采用振動臺法測試了砂礫料在壓重2～18kPa范圍內壓實干密度隨壓重的變化情況，結果表明，在壓重小于14kPa時，隨壓重的增加，壓實干密度增大較快。當壓重達到14kPa后，再增大壓重對干密度的壓實作用已較小。這些試驗表明，DL/T 5356—2019和JTJ 05—1993規定的壓重值是基本合適的。

圖3 壓重對干密度(相對密度)的影響

由此帶來的啟示是，當土石壩實際施工采用的振動碾噸位增大到一定程度后，繼續增大振動碾噸位對壓實效果的意義可能是比較小的。

2.3 壓實功能的影響

郭慶國[11]根據昌馬(73組)、碧口(2組)和毛家村(15組)3座工程砂礫石試驗資料，分析了壓實功能與干密度的關系，如圖4所示。從圖4看出，干密度隨壓實功能增大而增大，當壓實功能較小(小于400kJ/m3)時，干密度隨壓實功能增大迅速增大，但當壓實功能增至某值(400 ～600kJ/cm3)以后，干密度的增長率減小，增大壓實功能帶來的壓實效果降低。根據壓實功能對砂礫料干密度的影響規律，可選出經濟合理的最優壓實功能為500kJ/m3左右。

圖4 壓實功能對砂礫料壓實干密度的影響[11]

2.4 振幅、頻率和振動加速度的影響

振動碾的振動參數如振幅、頻率、加速度等直接影響壓實效果，根據壓實材料的特性，合理選擇碾壓振動參數十分重要。圖5—7分別給出了振動頻率、振幅和振動加速度對壓實干密度的影響[12- 15]。由圖5可知，壓實干密度隨振動頻率的增大而顯著增加。頻率在25～50Hz間有一個最優值，當振動頻率低于振動碾和土系統的自振頻率時，壓實效果降低較多。但振動碾和土系統的自振頻率較難測定，表1給出了常見地基土大致的自振頻率范圍，可供應用參考[12- 13]。

表1 地基土自振頻率經驗范圍

圖5 振動頻率對壓實干密度的影響

以往工程實踐表明，堆石常采用的頻率為30～42Hz，壓實粘性土采用23～29Hz[13]。由圖6—7可知，頻率相同時，壓實干密度隨振幅、振動加速度的增大而顯著增加，當振幅增至最優振幅時，干密度達到最大，繼續再增加振幅，干密度反而減小。即在同一振動頻率下，存在一個最優振幅及相應的振動加速度值。

圖6 振幅對壓實干密度的影響

圖7 振動加速度對壓實干密度的影響

谷本喜一曾研究振動頻率對砂土壓實的影響，認為存在一個最優壓實頻率，該頻率隨碾壓遍數增加而增大，與砂土的自振頻率接近。認為用振動碾壓實厚層、大體積的土方和堆石，振動碾的設計振幅應在1.5～2.0mm范圍內，響應適宜的頻率為25～30Hz。

2.5 壓實方法的影響

土體由于外力的作用，克服顆粒間摩阻力，顆粒互相填充而變得密實。壓實方法不同，施加于土體上的作用力的大小以及作用原理不同，壓實效果也不同。采用夯實法時，土體承受的是沖擊力；當采用平碾碾壓時，土體承受的是碾磙的重力；當采用振動碾時，土體不但承受碾的重力，還要承受振動力。圖8給出了不同壓實方法對干壓實效果的影響，試驗和工程實踐證明，對無粘性粗粒土，振動法壓實效果最好，而且工效高，故在土石壩施工中，重型振動碾被廣為應用。

圖8 不同壓實方法的影響[11]

3 碾壓機械對壓實質量控制的影響

3.1 碾壓機械對堆石壩設計的影響

考察土石壩發展的歷史，可以看出碾壓施工機械的應用對土石壩發展的重要作用。在重型振動碾壓機械發明之前，高壩建設對填筑標準要求較高，原有的拋填式筑壩由于缺乏對填筑層的有效壓實，壩體變形較大導致發生嚴重滲漏，修建更高的堆石壩，則發生更嚴重的滲漏問題。因此，拋投式筑壩難以適應高壩建設對變形控制的要求。20世紀40年代，為應對拋填式面板堆石壩由于變形過大導致的滲漏問題，開始采用帶有反濾層的土質心墻堆石壩，以適應拋填式堆石壩變形，延長拋填式堆石壩壽命[14]。1940—1965年期間，伴隨著修建更高堆石壩的需求，以及重型振動平碾的出現，拋填式堆石壩逐步向碾壓式堆石壩過渡。而當重型振動碾壓機械普遍應用之后，對填筑標準要求更高的高壩發展迅速，尤其是面板堆石壩重獲生命力。

柳瑩等[15]對新疆已建百米以上混凝土面板堆石壩施工碾壓參數進行了總結，發現目前的16～18t以上振動碾壓施工條件下，碾壓層厚度基本上為80cm，碾壓遍數大致為6—8遍，基本能滿足大壩達到設計壓實指標的要求。圖9給出了2000年以來新疆土石壩施工振動碾噸位的發展情況[15]。由圖9可知，近20年來，新疆百米級面板壩施工采用的振動碾噸位普遍在16～18t以上；2018年之后，伴隨著強震區、深厚覆蓋層上高面板壩的建設，更大噸位的振動碾開始使用，這為土石壩采用更高的設計填筑標準進行更嚴格的變形控制提供了基礎，對堆石壩變形控制意義重大。以砂礫石壩為例，目前強震區土質心墻砂礫石壩和混凝土面板壩，其填筑標準相對密度大多采用0.85和0.90，從建設高度上，土質心墻堆石壩已達到300m級，面板堆石壩已達250m級。

圖9 新疆土石壩施工振動碾噸位的發展[17]

3.2 碾壓機械對堆石壩變形控制水平的影響

堆石壩沉降受壩料性質、填筑標準、施工碾壓參數等諸多因素的影響。當振動碾壓機械出現之前，拋投式面板堆石壩孔隙率可達31%～36%，隨著重型振動碾壓機械的使用，壓實后壩體孔隙率大幅度減小。目前規范中對土質心墻防滲體分區壩和瀝青混凝土心墻壩，規定堆石料的孔隙率宜為20%～28%，對面板堆石壩主堆石區，壩高H<150m和150m≤壩高H≤200m，孔隙率分別不應大于20%～25%和18%～21%。結合新疆已建100m級面板壩沉降監測資料，圖10給出了不同振動碾噸位對竣工沉降量和沉降率的影響[15]。

圖10 振動碾噸位對堆石壩竣工沉降量和沉降率的影響

由圖10可知，隨振動碾噸位的增大，面板堆石壩竣工期沉降量和沉降率逐漸減小。當筑壩材料為砂礫料時，新疆100m級(90～165m)大壩竣工沉降率基本上能控制在0.3%左右，竣工后沉降率基本上能控制在0.2%以內，運行穩定后總沉降率基本能控制在0.3%～0.5%以內。當筑壩材料為爆破堆石料時，大壩竣工沉降率都在0.3%以上，大多為0.5%左右，個別達到了0.69%，竣工后沉降量大多在400mm以上，2015年建成的某混凝土面板堆石壩運行4年后沉降率達到0.89%，已接近混凝土面板堆石壩設計經驗沉降控制界限值，說明壩體采用爆破堆石料填筑時，變形控制難度較大。對于強震區150m級以上的高堆石壩建設，從變形控制的角度而言，當壩址附近有豐富的砂礫石資源時，壩體選擇采用砂礫石填筑是較優選擇。在現有的碾壓機械水平下，26～32t振動碾基本能滿足100 ～200m級堆石壩變形控制要求。對于150m級以上高壩，建議采用26t以上的振動碾施工。

3.3 碾壓機械對壓實質量的邊際作用遞減效應

楊大偉[16]對不同振動碾噸位下，砂礫石料干密度隨碾壓遍數的變化進行了研究，如圖11所示，為了更清晰地表示碾壓機械對壓實干密度的影響，以振動碾噸位為橫軸重新整理，可得圖12。由圖11—12可知：①當碾壓遍數較少時，壓實干密度對振動碾噸位十分敏感，振動碾噸位越大， 第一次碾壓時達到的壓實干密度越大，如20t振動碾碾壓一遍達到的壓實效果與14t振動碾碾壓2—3遍達到的壓實效果相當，26t振動碾碾壓1遍與14t振動碾碾壓4—5遍達到的壓實效果相當；②在碾壓遍數不超過4遍時，隨著振動碾噸位增大，相同碾壓遍數下壓實干密度越大，兩者大致呈線性關系；③當碾壓遍數達到5遍后，繼續增大碾壓遍數對壓實的效果有限，壓實干密度甚至可能會減小，隨碾壓遍數變化呈現一定的起伏。如采用14t振動碾碾壓5遍與8遍的干密度分別為2.07、2.091g/cm3，采用20t振動碾碾壓5遍與8遍的干密度分別為2.114 、2.137 g/cm3，其差值均在0.03g/cm3試驗誤差控制范圍內；④進行第5遍以上碾壓時，若振動碾噸位t≤20t，壓實干密度隨振動碾噸位增大而增大，振動碾噸位達到20t后，繼續增大增動碾噸位對壓實效果的提升有限，壓實干密度甚至可能會減小，隨振動碾噸位增加呈現一定的起伏。

圖11 振動碾噸位對壓實干密度的影響

圖12 碾壓機械對壓實干密度的影響

壓實干密度隨振動碾噸位和碾壓遍數的變化規律，對土石壩填筑施工振動碾選擇和碾壓參數的確定可以獲得以下啟發：①在一定的振動碾噸位下，碾壓遍數的增大，不一定能改善壓實效果，存在一個經濟高效的碾壓遍數，在施工參數選擇時應通過試驗確定該碾壓遍數；②碾壓機械噸位對壓實效果具有邊際作用遞減的效應，振動碾噸位由14t增大到20t對壓實效果的提升顯著，但由20t繼續增大時，對壓實效果的提升減小，原因在于大噸位振動碾在強震條件下更容易導致砂礫料粗、細顆粒分離，影響壓實效果。

碾壓機械對壓實質量的邊際作用遞減效應，在壩體沉降變形的規律中也有體現。柳瑩[15]等對新疆已建100m級以上已建面板堆石壩碾壓施工參數和沉降監測的分析表明，當振動碾噸位由16t增大到20t及由20t增大到26t時，堆石壩的沉降率顯著減小，而振動碾噸位由26t增大到32t時，依據有限的資料分析發現沉降率減少的幅度很小。振動碾由26t提高到32t對變形控制的效果尚需要結合更多的案例進行分析。

總的來看，包括碾壓機械噸位和碾壓遍數對壓實質量存在邊際作用遞減效應，在確定施工碾壓參數時，應結合壩體設計填筑標準，考慮邊際作用遞減效應，選擇合適的振動碾噸位和合適的碾壓遍數，以經濟高效地達到設計填筑壓實要求，避免因碾壓參數不合適達不到設計填筑質量要求。振動碾噸位過小時，靠增大碾壓遍數難以達到設計填筑要求。振動碾噸位過大時，若碾壓遍數選擇不當，遍數過多時容易導致壩體材料粗、細顆粒分離，對壓實質量控制不利。

4 結論

(1)碾壓機械與土石壩的發展有密切關系，隨著大型振動碾壓機械的使用，對變形控制要求嚴格的面板壩在重型碾壓機械普遍應用后發展迅速。重型碾壓機械的使用，使得有條件修建高標準的高壩，可以從設計層面提出高的設計填筑標準，保證壩體碾壓密實，取得良好的堆石體沉降控制效果。

(2)碾壓機械逐步由靜碾發展到動碾，由較小的5t，逐步發展到20、26、32t，目前20t以上振動碾在土石壩工程中已得到普遍廣泛的應用，近年來強震區高壩建設大多采用26t或32t振動碾碾壓密實，這對提高大壩壓實密實度很關鍵，26～32t振動碾基本能滿足目前的高壩建設需要。對于150m級以上的高混凝土面板堆石壩，推薦采用26t以上的振動碾進行碾壓施工。

(3)振動碾噸位由16t提高到20t及由20t提高到26t時，面板砂礫石壩和面板堆石壩的沉降率顯著減小，目前的振動碾壓條件下，對于砂礫石壩和堆石壩，其竣工沉降控制分別可控制在0.3%和0.5%以內，大壩碾壓后密實度很高。

(4)提高碾壓機械噸位，增加其壓實功能，可有效提高壩料的壓實效果，但碾壓機械對壓實質量存在邊際效應遞減現象，在確定施工碾壓參數時，應結合壩體設計填筑標準，考慮邊際效應遞減現象，選擇合適的振動碾噸位和合適的碾壓遍數。