瀑布溝水電站大壩堆石料填筑碾壓試驗研究

寧全紀

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

瀑布溝水電站位于大渡河中游四川省漢源和甘洛兩縣交界處，電站由直心墻礫石土心墻堆石壩、溢洪道、引水發電建筑物、泄洪洞、放空洞、尼日河引水工程等部分組成。礫石土心墻壩最大壩高186 m，主要填料有礫石土、高塑性粘土、反濾料、過渡料、堆石料等。

在堆石料填筑施工前，設計要求需結合現場施工碾壓機具及施工環境條件，進行填筑碾壓試驗研究，對堆石料的力學、壓實特性進行試驗，以及不同加水量對碾壓質量的影響程度，比較不同檢測方法的適用及可靠性，為大壩高強度施工提供可靠的質量保證措施。

1 堆石料設計技術要求

堆石料要求級配連續良好，最大粒徑不大于800 mm，小于5 mm的顆粒含量宜小于10%；小于0.075 mm顆粒含量不大于3%，不均勻系數應大于10，滲透系數應大于5×10-2cm/s。堆石料的飽和抗壓強度應大于60 MPa，軟化系數大于0.8，壓實后的孔隙率應不大于22%。

2 現場填筑碾壓試驗

1)試驗場地。堆石料填筑碾壓試驗場地布置在大壩下游已填筑水平反濾料區，場地尺寸為25 m×30 m，表面不平整度不超過±10 cm，周圍布設固定的高程測量控制點，以便嚴格控制填料鋪土厚度。試驗場地分為6 m×10 m三個條帶，每個條帶4組壓實度測試點呈均勻分布，并按1.5 m×1.5 m方格網布沉降監測點，碾壓試驗場地布置見圖1。試驗場地先用與試驗相同的材料鋪筑80 cm厚[1]，經碾壓密實并檢測合格后，再進行碾壓試驗鋪料施工。

圖1 碾壓試驗場地布置圖(單位：m)

2)試驗材料。試驗材料來源于下游卡爾溝石料場，試驗前對其顆粒組成進行了檢測，共檢測3組，小于5 mm顆粒含量10.1%～5.3%，平均值7.6%，小于0.075 mm顆粒含量0.4%～0.2%，平均值0.3%，試驗填料的顆粒大小累計分配曲線見圖2。

圖2 堆石料顆粒大小累計分配曲線

3)碾壓機具。采用自重25 T振動平碾，激振力45 T，振幅2.2 mm。

4)碾壓試驗參數組合。鋪土厚度80、100、120 cm，碾壓遍數8、10、12遍，加水量5%、10%、15%復核試驗，填料采用自卸汽車運輸，進占法鋪筑，進退錯距法碾壓，行進速度2～3 km/h，碾壓帶重疊寬度為碾寬的1/10。

5)密度試驗檢測方法。在碾壓試驗復核試驗時，同時采用灌水法和質量附加法進行密度檢測。

3 質量附加法測試密度試驗成果

質量附加法檢測地基土密度，理論依據是“質彈模型”及“彈性半空間模型”，并通過在測點附加適當剛性質量體，求得地基介質的剛度(K)、參振質量(m0)，從而即可求出地基介質的原位密度(ρ)[2]。此次堆石料碾壓試驗不同檢測方法對比試驗，采用復核試驗鋪土厚度100 cm、碾壓8遍，以及加水量0%、5%、10%和15%進行，具體成果見表1。通過試驗研究發現，質量附加法檢測堆石料壓實密度相對誤差值為0.5%～3.3%，平均誤差為1.6%，具有較高的可靠度。

表1 堆石料質量附加法密度測試成果

注*相對誤差以挖坑法實測密度ρ為基準。

4 堆石料力學及滲透試驗

按照設計要求，根據現場試驗顆粒級配進行統計，取上包線、下包線、平均線進行室內力學和滲透性能試驗[3]，試樣制備干密度以孔隙率22%控制[4]，試驗成果見表2。從試驗成果可看出，碾壓密實的堆石料壓縮系數a1-2<0.1 MPa-1，屬于“低壓縮性土”，滲透系數滿足設計要求。

表2 堆石料室內試驗成果

5 碾壓試驗成果分析

1)巖石材料特性。巖石飽和抗壓強度為128.65 MPa，軟化系數0.83，滿足設計技術要求。

2)鋪土厚度與壓實密度的關系。同一碾壓遍數下，鋪土厚度越小，土料壓實效果越好，壓實密度隨鋪土厚度的增加而減小，關系曲線見圖3。

圖3 鋪土厚度與壓實密度關系圖

3)碾壓遍數與壓實密度的關系。同一鋪土厚度下，壓實密度隨碾壓遍次的增加有增大趨勢[5]，關系曲線見圖4。

圖4 碾壓遍數與壓實密度關系圖

4)加水量與壓實密度的關系。為了研究堆石料加水量對壓實程度的影響，進行了同一鋪土厚度100 cm、同一碾壓遍數8遍下，不同加水量5%、10%、15%的碾壓試驗研究，結果可以看出，壓實密度隨加水量的增加而增大，在加水量達到15%后，壓實度增加趨于穩定，關系曲線見圖5。

圖5 加水量與壓實密度關系圖

5)沉降量與壓實遍數的關系。堆石料壓實沉降率隨碾壓遍數的增加而增大，當壓實功能達到一定量后，沉降量趨于穩定，不再繼續增大，關系曲線見圖6。

圖6 沉降量與壓實遍數關系圖

6)質量附加法測試密度試驗與試坑法成果比較，平均相對誤差1.6%，而儀器本身“測量誤差不大于5%的保證率為80%” ，因此就本次試驗而言，質量附加法檢測堆石料回填質量可靠度較高。

6 結 語

通過對堆石料填筑碾壓試驗研究得出，堆石料采用進占法鋪筑厚度100 cm，推土機整平， 自重25 T振動平碾進退錯距法碾壓8遍后的孔隙率可滿足設計要求。加水后碾壓孔隙率有變小趨勢，對改善提高填料壓實質量有一定效果。壓實質量檢測采用了灌水法和質量附加法進行對比，兩種檢測方法相對誤差較小，可在后續大壩施工填筑中繼續進一步研究并進行應用。