面板堆石壩擠壓邊墻墊層料同步施工機(jī)械研究

曾 昭 高， 王 開 貴， 孫 嘯， 路 學(xué) 瑩

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.河海大學(xué)，江蘇 南京 211100)

1 概 述

眾所周知，面板堆石壩壩體填筑壓實(shí)質(zhì)量是保障大壩長效安全運(yùn)行的關(guān)鍵，是面板堆石壩施工質(zhì)量控制和管理的重要內(nèi)容。近年來，面板堆石壩工程廣泛應(yīng)用1999年由巴西埃塔壩(ITA)工程中提出的擠壓式混凝土邊墻技術(shù)[1]用以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的“斜坡碾+砂漿固坡”方式，有效避免了墊層料超填、削坡、斜坡碾壓、砂漿固坡等繁瑣工序[2]，優(yōu)化了施工技術(shù)，降低了施工成本。

雖然擠壓式混凝土邊墻技術(shù)在一定程度上優(yōu)化了施工工藝[3]，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在兩方面問題：(1)施工時(shí)通常先進(jìn)行擠壓邊墻的整體成型，隨后進(jìn)行墊層料的攤鋪和碾壓操作。而墊層料碾壓為防止大型碾壓機(jī)具對擠壓邊墻造成側(cè)向變形又分成兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行碾壓，即在離擠壓邊墻20 cm安全區(qū)域外采用自行式振動平碾進(jìn)行大規(guī)模碾壓，在20 cm安全區(qū)域內(nèi)采取平板振動夯進(jìn)行壓實(shí)。由此可見：分三道工序進(jìn)行擠壓邊墻澆筑和墊層料攤鋪碾壓費(fèi)工費(fèi)時(shí)，同時(shí)給倉面的施工組織和機(jī)具調(diào)度制造了困難；(2)由于擠壓邊墻是在墊層料施工前完成，因此，在墊層料鋪筑時(shí)既要注意不能對已成型的擠壓邊墻造成破壞，又要保證墊層料的碾壓質(zhì)量以及墊層料和擠壓邊墻交界處的緊密結(jié)合，確保擠壓邊墻與壩體同步沉降、協(xié)調(diào)變形，防止局部脫空帶來的質(zhì)量隱患，對施工質(zhì)量提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，在實(shí)際施工過程中存在一定困難。

擠壓邊墻施工法是在壩體每層墊層料填筑前用擠壓邊墻機(jī)沿壩體上游填筑邊線制作出梯形斷面的半透水混凝土墻(在與兩岸岸坡相接部位采用人工立?，F(xiàn)澆),一般與墊層料壓實(shí)層同高,待混凝土邊墻達(dá)到一定強(qiáng)度后,在邊墻內(nèi)側(cè)鋪填墊層料、用振動碾沿壩軸線方向進(jìn)行平面碾壓,碾壓合格后再重復(fù)以上工序[4]。闡述了通過自主研發(fā)設(shè)計(jì)的混凝土面板壩邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械裝置進(jìn)行擠壓邊墻澆筑和墊層料攤鋪碾壓同步施工的過程。該施工機(jī)械在工程現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)段施工，對墊層料碾壓質(zhì)量和邊墻墊層料交界處的結(jié)合效果進(jìn)行了測試與評價(jià)。

2 邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械的研制

2.1 混凝土擠壓邊墻施工

混凝土擠壓邊墻是由擠壓邊墻機(jī)沿設(shè)計(jì)斷面擠壓形成連續(xù)、半透水性的混凝土邊墻，其斷面為不對稱梯形, 通常尺寸為：高40 cm，頂寬10 cm，底寬71 cm，上游坡比為1∶1.4，下游坡比為8∶1。鍋浪蹺水電站面板堆石壩亦采用此種型式。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：這種斷面形式有利于擠壓成型，亦可滿足墊層料鋪填碾壓的約束要求[5]。

施工時(shí)通常先進(jìn)行擠壓邊墻的整體成型，將擠壓邊墻機(jī)的行進(jìn)速度控制在40～60 m/h之間。面板堆石壩的邊墻長度隨壩高升高逐漸變長，將其平均后單層長度約為200 m左右。因此，完成擠壓邊墻操作一般需耗時(shí)3～5 h。此后進(jìn)行墊層料的攤鋪和碾壓操作，其中攤鋪時(shí)間視墊層料區(qū)域和攤鋪機(jī)具而定，一般需耗時(shí)3～5 h，而墊層料的碾壓為保障碾壓質(zhì)量需控制機(jī)具的行進(jìn)速度，完成墊層料碾壓至少耗時(shí)2 h。由此可見：分三道工序進(jìn)行擠壓邊墻澆筑和墊層料碾壓費(fèi)工費(fèi)時(shí)且其倉面施工組織和機(jī)具調(diào)度困難。若能同時(shí)進(jìn)行安全區(qū)域內(nèi)的墊層料碾壓和擠壓邊墻澆筑，將顯著提高施工效率，創(chuàng)造出更好的經(jīng)濟(jì)效益。鑒于此，項(xiàng)目部成立了課題組對墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設(shè)備進(jìn)行研發(fā)。

2.2 同步施工機(jī)械的設(shè)計(jì)與制作

研究發(fā)現(xiàn)：墊層料最佳碾壓速度和擠壓邊墻機(jī)的行走速度較為一致，因此而考慮在擠壓邊墻機(jī)后加裝拖曳式墊層碾壓車并安裝平板振動夯作為同步施工設(shè)備。同步施工設(shè)備由車架和平板振動夯兩部分組成，車架隨邊墻機(jī)緩慢行進(jìn)，但較擠壓邊墻機(jī)略寬。車架下部中空，右側(cè)采用擠壓邊墻的梯形造型通過斜坡護(hù)板對剛成型的邊墻進(jìn)行約束和保護(hù)，其上部開敞并設(shè)進(jìn)料口和平板振動夯，固定平板振動夯的高度使其與邊墻頂部齊平。墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設(shè)備的組成構(gòu)造見圖1。所填入的墊層料受平板振動夯碾壓后堆實(shí)在車架下部左側(cè)，形成(長)50 cm×(寬)50 cm×(深)40 cm的條帶。

圖1 墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設(shè)備組成構(gòu)造圖

在圖1基礎(chǔ)上，技術(shù)人員對其細(xì)部進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)。墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設(shè)備精細(xì)設(shè)計(jì)情況見圖2。同時(shí)，考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能遇到的問題并進(jìn)行了相應(yīng)的改造：①由于擠壓邊墻機(jī)擠出邊墻的尺寸可能存在偏差，故將擠壓邊墻兩側(cè)的護(hù)坡?lián)醢甯倪M(jìn)為斜度可調(diào)的擋板，該擋板可以根據(jù)實(shí)際尺寸靈活調(diào)節(jié)，從而防止其破壞剛成型的邊墻；②在夯機(jī)前部增加碾軸，對填入的墊層料先進(jìn)行預(yù)碾，同時(shí)控制墊層料的填入高度，使墊層料能夠被夯機(jī)壓實(shí)到與邊墻相同的高度；③夯機(jī)與機(jī)架之間采用軟連接以方便調(diào)整碾軸、提起夯機(jī)進(jìn)行預(yù)填料，同時(shí)減小機(jī)架的振動、提高夯機(jī)的夯實(shí)效率；④尾部加裝擋板，防止新碾的墊層料倒塌；⑤將側(cè)輪改進(jìn)為高度可調(diào)式以適應(yīng)其在擠壓邊墻的斜面上行走。

圖2 墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設(shè)備精細(xì)設(shè)計(jì)圖

所研發(fā)的面板壩邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械設(shè)備的組成為：拖曳式車架、平板振動夯、液壓控制器、料斗、護(hù)坡和車輪。

2.3 室內(nèi)測試試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下擠壓邊墻是否發(fā)生位移和變形以及平板夯對于動力系統(tǒng)的助力情況，對該機(jī)械進(jìn)行了室內(nèi)測試試驗(yàn)。

(1)擠壓邊墻的制作。擠壓邊墻混凝土配合比與工程現(xiàn)場所用配合比相同，斷面尺寸與工程現(xiàn)場的實(shí)際情況一致，模擬試驗(yàn)段長2 m，由兩段1 m長的擠壓邊墻拼接而成。將C5混凝土攪拌后裝入擠壓邊墻試驗(yàn)段模具中，采用錘擊夯實(shí)法夯實(shí)，對每個(gè)夯實(shí)點(diǎn)由20 kg的鐵塊從高10 cm處落下夯實(shí)。當(dāng)混凝土填至模具體積1/2時(shí)采用平板夯振動碾壓，每次時(shí)長約為20 s，直至混凝土面夯實(shí)完畢。

擠壓邊墻混凝土填裝完畢3 h脫模，其表面大部分光滑平整、無松散垮塌現(xiàn)象。

邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械設(shè)備與擠壓邊墻試驗(yàn)段擺放方向相同，通過液壓升降裝備調(diào)整同步碾壓設(shè)備的高度，使護(hù)坡導(dǎo)板與擠壓邊墻試驗(yàn)段的上游坡面緊緊相貼。

(2)墊層料夯壓試驗(yàn)。墊層料采用比例約為1∶1的機(jī)制砂和石子，填裝砂石料時(shí)先后填入機(jī)制砂和石子，人工攪拌均勻，填裝部分寬50 cm，高45 cm，長200 cm，體積為0.45 m3。

墊層砂石料填裝完畢將平板振動夯置于其上方，通過扣環(huán)和鋼鉸鏈固定在邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械設(shè)備上，以達(dá)到平板振動夯與碾壓同步施工設(shè)備同時(shí)前進(jìn)的目的。

平板振動夯固定后，在無前進(jìn)動力的情況下啟動平板振動夯，觀察邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械設(shè)備的前進(jìn)狀況與擠壓邊墻的側(cè)移和變形情況。結(jié)果表明：夯壓過程中邊墻完整性良好，夯實(shí)情況滿足要求，機(jī)械前進(jìn)無障礙，所需動力小。

3 同步施工機(jī)械現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

該機(jī)械在四川省某面板堆石壩現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)段施工測試，其內(nèi)容包括：邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工、墊層料碾壓質(zhì)量評價(jià)、邊墻墊層料交界處密實(shí)度檢測，具體步驟為：

首先使用液壓調(diào)節(jié)器將邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械裝置兩側(cè)車輪高度根據(jù)場地狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使拖曳式車架兩側(cè)水平，保證車架底部不刮蹭施工倉面；調(diào)整車架前部連接裝置的高度，使車架前后保持水平，車架護(hù)坡面與擠壓邊墻機(jī)邊墻坡面對齊；此后，將車架連接裝置焊接于擠壓邊墻機(jī)尾部。邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械裝置與擠壓邊墻機(jī)的連接情況見圖3。

圖3 邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械裝置與擠壓邊墻機(jī)連接示意圖

將擠壓邊墻機(jī)入料口填滿擠壓邊墻料，同步施工機(jī)械料斗中填滿墊層料，并在平板振動夯下部填入45 cm高的墊層料，使平板振動夯具有有效支撐。將平板振動夯安置于鋪好的墊層料上部，并將其通過四個(gè)活動扣環(huán)連接到同步施工機(jī)械的拖曳式車架上。

進(jìn)行邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工時(shí)需先同步開啟擠壓邊墻機(jī)和平板振動夯，平板振動夯的工作功率為2.5 kW；將邊墻機(jī)的行駛速度保持在40 m/h，控制擠壓邊墻機(jī)的喂料速度，同時(shí)向同步施工機(jī)械的料斗內(nèi)喂料以保障墊層料同步攤鋪碾壓施工。

施工完成后，卸下平板振動夯，觀察邊墻的完整性；對墊層料密實(shí)度采用灌水法校核；采用超聲波檢測儀器檢測邊墻與墊層料交界處是否存在脫空。

3.2 試驗(yàn)段施工效果評價(jià)

(1)邊墻完整性。通過現(xiàn)場試驗(yàn)觀察，邊墻未發(fā)生位移、彎曲、垮塌現(xiàn)象，同步碾壓的墊層料上表面與邊墻上表面齊平，表面肉眼觀察密實(shí)度良好，坡角處無松散垮塌現(xiàn)象。由此可見，同步施工裝置所設(shè)計(jì)的護(hù)坡系統(tǒng)能夠保護(hù)邊墻不致于發(fā)生破環(huán)。

(2)墊層料壓實(shí)度。在4 m試驗(yàn)段中設(shè)置振動夯重力壓實(shí)段2 m與振動夯振動壓實(shí)段2 m并進(jìn)行對比，對表層20 cm厚度的墊層料每隔40 cm選取一個(gè)測點(diǎn)，對下層20 cm厚度的墊層料每隔60 cm選取一個(gè)測點(diǎn)。采用灌水法結(jié)合含濕率儀測試壓實(shí)后表層墊層料和深層墊層料的干密度，墊層料碾壓表層干密度情況見表1，墊層料碾壓下部干密度情況見表2。由表1、2可知：僅靠自重對墊層料碾壓時(shí)其干密度明顯較低，無法達(dá)到控制指標(biāo)2.35 g/cm3的要求；當(dāng)使用振動夯碾壓時(shí)其表層墊層料只有局部干密度略低于控制指標(biāo)，深層墊層料碾壓效果較差，其無法達(dá)到控制指標(biāo)要求。

表1 墊層料碾壓表層干密度表

表2 墊層料碾壓下部干密度表

(3)墊層料與邊墻結(jié)合面檢測。采用超聲波成像儀器檢測墊層料與邊墻混凝土之間的結(jié)合程度，其工作原理是利用超聲波陣列發(fā)射和接收波計(jì)算并分析介質(zhì)的密實(shí)情況并成像。將4 m擠壓邊墻試驗(yàn)段劃分為兩排，每排24個(gè)網(wǎng)格中每6個(gè)為一組，其中1～12為振動壓實(shí)區(qū)，13～24為重力壓實(shí)區(qū)，測得超聲波成像圖。對成像圖進(jìn)行分析表明：振動壓實(shí)區(qū)擠壓邊墻的密實(shí)度和墊層料的壓實(shí)效果更好，墊層料與邊墻結(jié)合更緊密。通過1～6段與7～12段效果對比得知振動夯剛開機(jī)時(shí)壓實(shí)效果不太理想，因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)在開機(jī)穩(wěn)定一段時(shí)間后再開始作業(yè)。第二排即深層墊層料區(qū)域檢測圖像中密實(shí)度較差的范圍較大，表明深層墊層料碾壓質(zhì)量較差。

4 第二代邊墻擠壓-墊層料同步分層碾壓施工機(jī)械的研制及現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 墊層料同步分層碾壓施工機(jī)械的研制

通過現(xiàn)場試驗(yàn)測試邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機(jī)械發(fā)現(xiàn)其存在兩方面問題：(1)平板振動夯對深層墊層料的夯實(shí)程度不夠，導(dǎo)致深層墊層料的密實(shí)度較差，與邊墻結(jié)合存在缺陷；(2)同步施工機(jī)械緊密連接于邊墻擠壓機(jī)后使得兩者料斗位置相近，當(dāng)使用機(jī)械上料方式時(shí)兩臺機(jī)械間存在空間干擾?；诖?，技術(shù)人員研制了墊層料同步分層碾壓施工機(jī)械。采用兩臺小型單輪碾壓機(jī)分兩層碾壓墊層料以解決壓實(shí)度問題，單臺幅寬60 cm，激振力為15 kN，前部振動碾置于料斗內(nèi)距地面20 cm處，用于碾壓深層墊層料，后部振動碾置于機(jī)架后部距地面40 cm處，用于碾壓表層墊層料；通過兩臺自帶驅(qū)動的單輪碾壓機(jī)實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械調(diào)速自行走，改進(jìn)為機(jī)械驅(qū)動自動行走方式使得該機(jī)械可以與邊墻擠壓機(jī)拉開作業(yè)距離、便于使用機(jī)械上料以提高施工效率。第二代同步施工機(jī)械設(shè)計(jì)情況見圖4。

圖4 第二代同步施工機(jī)械設(shè)計(jì)圖

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

改進(jìn)后的機(jī)械在四川省某面板堆石壩現(xiàn)場進(jìn)行了試驗(yàn)段施工測試，其內(nèi)容包括墊層料分層碾壓施工、墊層料碾壓質(zhì)量評價(jià)、邊墻墊層料交界處密實(shí)度檢測，具體步驟為：

利用擠壓邊墻機(jī)擠壓出成型邊墻，將分層碾壓機(jī)調(diào)運(yùn)至邊墻試驗(yàn)段一端，使用液壓調(diào)節(jié)器將裝置兩側(cè)的車輪高度根據(jù)場地狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整擋板使其貼合邊墻內(nèi)側(cè)以避免墊層料和邊墻結(jié)合面處出現(xiàn)脫空，利用挖掘機(jī)鏟斗將墊層料填入分層碾壓機(jī)投料口中，依靠振動碾壓的反作用力以及人工拖拽的方式驅(qū)動機(jī)械向前行走。

將試驗(yàn)區(qū)域劃分為Ⅰ、Ⅱ兩段、面積為0.5 m×4 m的區(qū)域，控制分層碾壓機(jī)填筑碾壓的行走速度分別為0.6、0.3(m/min)，比較不同碾壓速度對墊層料壓實(shí)質(zhì)量的影響。施工完成后，對墊層料密實(shí)度采用灌水法進(jìn)行校核；采用超聲波檢測儀器檢測邊墻與墊層料交界處是否存在脫空。

4.3 試驗(yàn)段施工效果評價(jià)

(1)墊層料壓實(shí)度。在Ⅰ、Ⅱ試驗(yàn)段分別選取3個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)間隔1 m，分別進(jìn)行淺層、深層墊層料的灌水法測試，淺層墊層料灌水測試結(jié)果見表3，深層墊層料灌水測試結(jié)果見表4。對比兩表可知：分層碾壓機(jī)對下層振動壓實(shí)時(shí)其上層振動的同時(shí)會向下傳遞壓實(shí)能量，使深層墊層料較同位測點(diǎn)淺層墊層料更密實(shí)，且其干密度能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值2.4 g/cm3。對比Ⅰ、Ⅱ段試驗(yàn)結(jié)果可知：Ⅱ段碾壓速度較慢，使單位面積墊層料的振動壓實(shí)時(shí)間長，壓實(shí)效果更好。由此可知：分層碾壓機(jī)能夠有效解決深層墊層料難以壓實(shí)的問題。

表3 淺層墊層料灌水測試結(jié)果表

表4 深層墊層料灌水測試結(jié)果表

(2)墊層料與邊墻結(jié)合面檢測。將擠壓邊墻8 m試驗(yàn)段進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為20 cm×10 cm，連續(xù)5個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)測試組，總共2行6列，12個(gè)測試組。

對測試組以“行號-列號”形式編號通過超聲波成像儀器得到檢測圖像，所有超聲波測試圖像均顯示為壓實(shí)度良好，表明經(jīng)分層碾壓后墊層料和邊墻結(jié)合程度較好，從而證明分層碾壓的方式能夠有效提高深層墊層料的壓實(shí)質(zhì)量。

5 結(jié) 語

利用墊層料同步分層碾壓機(jī)械實(shí)現(xiàn)了邊墻-墊層料一體化同步施工。通過現(xiàn)場試驗(yàn)檢測了擠壓邊墻和墊層料同步攤鋪壓實(shí)質(zhì)量。研究結(jié)果表明：邊墻澆筑和墊層料壓實(shí)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，擠壓邊墻和墊層料結(jié)合良好，促進(jìn)了高質(zhì)量、高效率施工，所取得的經(jīng)驗(yàn)可為今后類似工程提供參考。