高壩填筑不同行速碾壓對比分析研究

王建幫 羅 帥 包永俠

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概況

阿爾塔什大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩,壩頂寬度12.0m,壩軸線長度795m,壩頂高程1825.8m,大壩基礎高程1661.0m,最大壩高164.8m,砂礫石基礎覆蓋層厚93m,受變形影響的復合壩高達250m級。上游壩坡坡度為1∶1.7,下游壩坡坡比為1∶1.6,在下游坡設寬度為15m、縱坡為8%的“之”字形上壩公路。大壩上游迎水坡面為C30W12F300混凝土面板結構,面板最小厚度為40cm,最大厚度為96cm,上部與大壩防浪墻連接,下部與趾板、水平連接板連接。壩體總填筑方量為2493.3萬m3，其中砂礫料約為1227.8萬m3，占總填筑方量的49.23%。砂礫料3B區(qū)選用砂礫石料筑料，位于3A區(qū)下游。砂礫料由C1、C2、C3砂礫料場開采上壩填筑，各項指標均滿足技術要求，設計填筑標準要求相對密度不小于0.9(見圖1)。

圖1 混凝土面板堆石壩壩體標準橫剖面

根據建設單位確定的節(jié)點目標和原則，為實現安全度汛和延長面板施工前壩體沉降期，要求2017年汛期壩體臨時斷面填筑高程不低于1715m，2017年8月底壩體臨時斷面填筑高程不低于1730.0m，2018年8月底壩體臨時斷面填筑高程不低于1791m，按此節(jié)點要求進行了重新分期規(guī)劃，填筑有效時間縮短至31個月，2019年4月大壩全斷面即可達到防浪墻底部高程，整體填筑工期較原方案提前8個月，月平均填筑強度約提升至80.77萬m3/月，填筑高峰時段發(fā)生在2017年2月—2018年8月，除冬季兩個月，高峰強度達68萬m3～113.3萬m3/月，持續(xù)時間18個月，期間大壩高程已從1661m上升至1791m，在2017年2月—2018年8月連續(xù)近100萬m3月填筑強度，對料場開采、壩料填筑、碾壓等都提出了更高的要求，施工難度明顯增加。

2 現代面板堆石壩發(fā)展

據不完全統(tǒng)計，截至2009年底，我國壩高30m以上的混凝土面板堆石壩已建成約170座，在建、擬建各約40座，總數約260座，目前已建最高的面板堆石壩是水布埡壩，壩高233m，亦是目前世界最高的面板堆石壩；壩體填筑規(guī)模最大的是天生橋一級面板堆石壩，壩高178m，填筑量約1800萬m3。現代面板壩的壩料填筑發(fā)展呈現了以下幾個方面的特點：?堆石體采用振動碾薄層碾壓填筑，從而提高了壩體的密實度，減小了變形；?現場開挖料和料場開采石料、爆破料、砂礫石料均可上壩；?面板墊層及其材料的粒徑、級配優(yōu)選，碾壓技術得到很好的研究，為面板質量控制提供了良好的支撐。

3 振動碾常規(guī)工作現狀

由于高壩要求較高的壓實密度，以減少壩體變形，因此采用重型振動碾碾壓。常規(guī)已有自重18t、25t的牽引式振動碾，以及總重26t、32t的自行式振動碾等可供選用。自行式振動碾的碾壓效果主要取決于工作重量和激振力。江蘇漂陽抽水蓄能電站上壩采用了振動碾整筒碾壓。水布埡壩體3B料采用25t自行碾，月平均39.2萬m3，月高峰75萬m3。洪家渡主堆石料采用18t振動碾，月高峰填筑量72萬m3。天生橋一級主堆石料采用18t牽引式振動平碾，月平均填筑量48萬m3。

4 砂礫料現場試驗對比

4.1 確定最大干密度及最小干密度

根據砂礫料原級配現場相對密度試驗確定最大干密度、最小干密度，采用設計上包線級配、上平均線級配、平均線級配、下平均線級配、下包線級配5個不同礫石含量配料。根據設計級配選擇礫石含量75.0%、78.0%、81.0%、84.0%、87.0%作為相對密度試驗級配；另外增加礫石含量為69.0%、72.0%的兩組級配和砂礫料C3料場顆粒級配變化較大的實際顆分線礫石含量為80.8%(最大粒徑為156mm)的級配進行了一組試驗，配料級配見圖2。

圖2 砂礫石料現場相對密度試驗原型級配曲線

原型級配相對密度試驗中不同礫石含量所對應的最大干密度、最小干密度試驗成果見表1。

表1 不同礫石含量所對應的最小干密度、最大干密度值

從表1中的試驗結果可以看出，最大干密度在2.33～2.43g/cm3，礫石含量在78.0%時其干密度達到最大值2.43g/cm3，但在同樣的礫石含量不同的最大粒徑情況下，最大干密度與最小干密度變化較大，根據設計包絡線配料的礫石含量81.0%的最大干密度為2.40g/cm3、最小干密度為2.06g/cm3，而根據料場實際顆粒級配分析線配料的礫石含量為80.8%的最大干密度為2.33g/cm3、最小干密度為1.94g/cm3，最大干密度相比減小了0.07g/cm3、最小干密度相比減小了0.12g/cm3，可見，砂礫石料的干密度隨著礫石含量、最大粒徑的變化而變化。根據試驗結果繪制砂礫石料不同礫石含量對應的最大干密度、最小干密度關系曲線，見圖3。

圖3 不同礫石含量對應的最大干密度、最小干密度關系曲線

4.2 不同行走速度下確定碾壓遍數

碾壓參數設定為:同碾壓機具，壓實機具為32t振動碾(YZ32Y2型，振動頻率為0～28Hz，振幅為1.83mm，激振力為590kN無級可調)，同加水量，為10%(體積比)，在不同行走速度下確定碾壓遍數。

a.碾壓速度控制在2.0km/h時，根據現場取樣試驗結果，整理計算其鋪料厚度、碾壓遍數及相對密度，結果見表2。

表2 現場碾壓試驗相對密度成果1

b.碾壓速度控制在3.0km/h時，根據現場取樣試驗結果，整理計算其鋪料厚度、碾壓遍數及相對密度，結果見表3。

表3 現場碾壓試驗相對密度成果2

c.碾壓速度控制在3.5km/h時，根據現場取樣試驗結果，整理計算其鋪料厚度、碾壓遍數及相對密度，結果見表4。

表4 現場碾壓試驗相對密度成果3

d.碾壓速度控制在4.0km/h時，根據現場取樣試驗結果，整理計算其鋪料厚度、碾壓遍數及相對密度，結果見表5。

表5 現場碾壓試驗相對密度成果4

從150m以上級高壩壩體穩(wěn)定方面考慮，并結合施工因素綜合分析相對密度與碾壓遍數的關系(見圖4)，確定輔料厚度為80cm、加水量為10%時的大壩填筑砂礫料碾壓施工參數如下：行車速度2.0km/h時，32t自行式振動碾激振碾壓8遍；行車速度3.0km/h時，32t自行式振動碾激振碾壓10遍；行車速度3.5km/h時，32t自行式振動碾激振碾壓12遍；行車速度4.0km/h時，32t自行式振動碾激振碾壓14遍。采用以上碾壓參數進行施工，相對密度不小于0.9，其平均值均滿足設計要求。

圖4 相對密度與碾壓遍數關系曲線

5 不同行走速度施工綜合效益分析

5.1 工效分析

鋪料厚度為80cm，32t振動碾行走速度為2.0km/h、3.0km/h、3.5km/h、4.0km/h時的碾壓遍數分別為8、10、12、14；有效作業(yè)時間：每班取8h，每天分兩班，每個月取25天，故每個月的有效作業(yè)時間為400h，在此特定條件下分析碾壓機械壓實面積生產率。

振動碾月產能計算公式如下：

P=8Bhvkt/n

式中P——碾壓機械生產率，壓實方，m3/臺班；

B—有效壓實寬度，等于碾寬減去搭接寬度，m；

v—壓實作業(yè)速度，km/h；

h—鋪料厚度，m；

n—壓實遍數；

Kt—時間利用系數,條件良好取0.6～0.8；場地小、工作困難取0.4～0.6。

PA=8×1000Bvkt/n

式中PA——碾壓機械壓實面積生產率，m2/臺班。

32t自行式振動碾在不同行走速度下每月產能計算見表6。

表6 32t自行式振動碾在不同行走速度下每月產能計算

計算分析得出相同時間內單臺32t自行式振動碾每月產能在行走速度為3.0km/h、碾壓遍數為10遍時最高。

5.2 經濟分析

在相同碾壓方量的情況下，32t振動碾行走速度在2.0km/h、3.0km/h、3.5km/h、4.0km/h時的碾壓遍數分別為8、10、12、14；不同行走速度施工經濟效益分析見表7。

表7 不同行走速度施工綜合效益分析

對不同行走速度下的工效及經濟效益進行分析得出：相同時間內，單臺32t自行式振動碾的行走速度在3.0km/h、碾壓遍數為10遍時，月產能最高、經濟效益最優(yōu)。

6 結 語

本文以阿爾塔什大壩主堆石區(qū)填筑為主要研究對象，結合已建成的高壩填筑碾壓參數及月填筑強度進行總結，主堆石區(qū)碾壓要求在滿足相對密度不小于0.9的前提下，分析不同礫石含量所對應的最大干密度和最小干密度，分析總結進度效益與經濟效益，最終確定選擇最優(yōu)的碾壓參數，達到加快施工進度及降低施工成本的目的。該研究為創(chuàng)新大壩施工模式提供了新的研究思路，積累的經驗可供今后類似工程借鑒。