某心墻筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗研究及工程應用

劉金龍,劉國軍,李 湛

(1.北京金河水務建設集團有限公司,北京 102200;2.北京潤豐園林綠化工程有限公司,北京 102200;3.北京市清河管理處,北京 100192)

0 引 言

隨著國民經濟的快速發(fā)展以及西電東送等工程的實施,水電資源開發(fā)迎來發(fā)展機遇。新型土石方機械技術在大壩修筑工程中的應用,使筑壩質量不斷得到改善。筑壩材料的施工效果,直接影響整體大壩工程的建設[1-2]。為此,許多學者進行了相關研究。ZHOU等[3]提出了濕潤形變和應力變化來計算心墻堆石壩蓄水期間出現(xiàn)的裂縫,結果表明,該潤濕變形計算方法合理,堆石壩頂部的裂縫主要是由上游堆石潤濕變形引起的。高鵬飛等[4]以砂礫料為主,配合淤泥質黏土、砂質黏土,構筑某引水工程心墻,通過碾壓試驗,總結最佳施工參數(shù)和機械配合等,對相關引水工程的施工建設提供了指導意義。高俊等[5]對瀝青混凝土心墻的受力進行了研究,推算了綜合滿足心墻屈服剪切控制標準的心墻材料強度參數(shù),結果表明,心墻應力水平隨壩高和河谷岸坡坡比的增加而顯著增大。楊青杰等[6]從砂礫料質量控制和壓實質量控制的角度,對砂礫料筑壩質量進行了討論,通過碾壓試驗,確定適宜的施工工藝,為砂礫料筑壩質量控制提供了參考。

上述文獻有關心墻施工材料的相關研究內容豐富,各類施工材料均有涉及,但其施工過程中的參數(shù)控制并未達到最優(yōu),而砂礫料的級配質量直接影響心墻的防滲透效果。因此,本文基于大壩心墻建設的砂礫料設計碾壓試驗,以26t自行式振動碾設備,對筑壩砂礫料在不同鋪設厚度、不同碾壓遍數(shù)和不同灑水情況組合下進行現(xiàn)場碾壓試驗。通過試驗,確定心墻在施工時的最佳控制參數(shù),確保心墻筑壩砂礫料的最佳填筑標準。

1 某心墻筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗設計

1.1 某心墻筑壩砂礫料質量設計

筑壩使用的砂礫料是砂和礫石的混合物,具有透水性好、穩(wěn)定性好等特點,在建筑施工以及園林藝術設計中有廣泛應用。在水利施工時,砂礫料是大壩填筑的主要物料之一,其質量以及填筑方式直接影響大壩修建的整體效果。其中,心墻壩是位于大壩中間發(fā)揮抗?jié)B防水作用的結構。為了確定施工壩料砂礫料的參數(shù),需要對砂礫料的基本指標進行確定。在設計心墻筑壩砂礫料的碾壓試驗之前,對砂礫料的本構模型進行計算。研究采用Duncan E-B非線性模型,模型的加卸荷準則如下:

(1)

式中:Ss的最大值為Ssmax;σ3為圍壓;Pa為大氣壓;Sl為應力水平。

根據(jù)現(xiàn)有的σ3值,計算出壩體砂礫料的最大應力水平,公式如下:

(2)

將式(2)與砂礫料的應力水平S值進行比較,根據(jù)得到的結果,判斷砂礫料的卸載狀態(tài)。針對砂礫料的流變計算,研究采用Merchant模型模擬一般應力下模型衰減曲線變化[7]。蠕變曲線公式如下:

ε(t)=εi+εf(1-e-at)

(3)

式中:εi為由彈性塑性模型計算的瞬時形變,通過流變試驗獲取;εf為隨著時間推移形成的最終形變量。

在計算筑壩材料的體積變形和剪切變形時,采用相對時間進行計算,避免實際壩體填筑的相對復雜性。砂礫料模型經過碾壓后,變形測量結果的準確性受儀器精密測量等級、測量方法等影響[8-9]。級配是大壩施工時配料控制的重要指標,壩料級配的質量直接影響大壩施工的質量。級配較好的壩料在進行碾壓時的施工效果更好,甚至可以減少碾壓次數(shù)。對于砂礫料,級配要求高于碎石料等。一般而言,Cu<5的砂礫料被認為是配質量較低的砂礫料[10]。目前的研究表明,砂礫料級配的不均勻系數(shù)在15～30時,砂礫料的級配質量較好。當均勻系數(shù)過大時,會導致某一粒徑范圍內的壩料出現(xiàn)缺失,壩料的空隙無法得到填充,體現(xiàn)在心墻施工過程中則是壩料沒有得到充分碾壓。砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗的用料來源于大壩附近的料場,在碾壓試驗開始之前,對現(xiàn)場試驗采用的砂礫料質量進行檢驗,結果見表1。

表1 砂礫料填筑質量技術標準

砂礫料的級配也會對砂礫料壓實過程中的緊密程度產生影響。試驗以常用的礫石含量作為砂礫料的定量描述指標,即粒徑大于5mm的顆粒含量所占據(jù)的比例。為了獲取砂礫料碾壓后的性質,需要對砂礫料的干密度最值進行計算。砂礫料的干密度是指砂礫料固體顆粒的體積與砂石體積的比值,反映了砂礫料的孔隙比。在檢測最大干密度時,研究采用的是人工松填法,盡量保證砂礫料被完全壓實至最緊密的狀態(tài)[11]。 具體來看,將攪拌均勻的砂礫料稱重后均勻放置于密度桶中;裝填砂礫料試驗材料時,動作幅度要小,盡量避免對試驗材料產生沖擊和振動等影響,以減少人工裝填對試驗的干擾;在砂礫料填至桶頂后,需找平桶的頂面,同時記錄桶中填入試驗用料的總重量;根據(jù)填入桶中試驗用料的總重量和相對密度桶的體積計算出最小干密度。在計算最小干密度時,應該盡量確保砂礫料在天然松散的堆積狀態(tài)下進行測量[12-13]。通過上述方法,可以對砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗后的性能標準進行檢測,碾壓試驗沉降率測量采用Tocpon。

1.2 心墻筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗方案設計

以某水庫的混凝土心墻為例,進行試驗研究。該水庫的一般蓄水水位477m,最大庫容量0.98×108m3,水庫大壩的最大高度89m。大壩壩頂高477m、長455m、寬8m。其中,大壩心墻的防滲體采用瀝青混凝土結構。心墻的軸線位于大壩軸線的上游平移2m,底部寬1m,頂部寬0.6m。心墻結構整體呈梯形,底座采用C25混凝土與其他結構底部相連,基座厚1.5m。該水庫主要由主壩、副壩、泄洪道、溢洪道、電站等建筑構成[14-15]。主壩采用黏土心墻砂礫料石壩。經初步計算,筑壩所需的砂礫料總量為1 500×104m3。

目前,砂礫料碾壓設備和施工技術發(fā)展較快。根據(jù)砂礫料的物料性質,研究采用鋪設厚度、分區(qū)配置等因素,開展筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗,為大壩心墻的優(yōu)化設計和施工技術提供科學依據(jù),對保證現(xiàn)場施工質量以及提高施工效率十分必要。該碾壓試驗以擾動砂礫料場的砂礫料實施碾壓試驗,以此來驗證砂礫料設計填筑的合理性,確定心墻填筑時的碾壓參數(shù),包括鋪筑厚度、碾壓次數(shù)以及加水量等。同時,測定砂礫料碾壓后的物性指標,包括含水量、干密度、滲透系數(shù)等,以此來完善砂礫料的施工工藝。

根據(jù)大壩工程的實際施工特點,現(xiàn)場試驗采用砂礫料的特性以及碾壓設備的擊震力等因素,試驗采用的碾壓設備為26t自行式震動平碾,設備重量26t,額定功率174kW,碾壓寬度2.2m[16]。砂礫料顆粒主要包括低于5mm的細微顆粒以及200～400mm的相對粗大顆粒。根據(jù)壩體各部位的受力狀態(tài)、砂礫料強度、滲透性等特性,將大壩的砂礫料試驗區(qū)域分為砂礫料1區(qū)、砂礫料2區(qū)等8個不同區(qū)域進行現(xiàn)場碾壓試驗。

整個區(qū)域的尺寸為60m×15m,根據(jù)碾壓時灑水與不灑水,將其分成A區(qū)域和B區(qū)域。在不灑水時,A區(qū)域分成4個小型區(qū)域,分別對應不同的碾壓次數(shù)。每個區(qū)域兩側各預留一定空間作為非試驗區(qū)域,用于滿足停車需求,試驗場次之間設置過渡帶。碾壓場地地勢平坦,表面凹凸度低于5cm,整體地基堅實,適合碾壓操作。試驗開始之前,先對場地進行填平,碾壓10次后作為基層,采用自卸汽車后退法進行鋪料。鋪料厚度控制在80cm以下,汽車的鋪設速度設置為2～3km/h。對于灑水區(qū)域,其他條件均與A區(qū)域一致,僅以灑水量作為變量進行試驗。砂礫料的碾壓現(xiàn)場試驗施工過程見圖1。

圖1 砂礫料碾壓試驗施工過程

實施碾壓時,在非試驗區(qū)域啟動震動碾,使其運行至正常工作狀態(tài)時進入試驗區(qū)域,然后進行正式砂礫料碾壓,按照規(guī)定的速度進行碾壓。在碾壓過程中,順碾壓和后退碾壓均記作正常的碾壓次數(shù),直至完成試驗需要的碾壓次數(shù)。

2 某心墻筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗分析

2.1 筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗分析

為了對碾壓后各種筑壩砂礫料的物理性質進行評價,確定相應的碾壓施工控制參數(shù)、工藝和整體質量標準后,對砂礫料進行碾壓試驗。當砂礫料的鋪設厚度均為25cm時,研究首先在1區(qū)和2區(qū)對是否灑水進行試驗。1區(qū)為灑水區(qū)域,2區(qū)為不灑水區(qū)域,以10%的灑水量進行碾壓。碾壓后,是否灑水對砂礫料的物理性能影響結果見表2。由表2可知,碾壓后,灑水區(qū)域砂礫料的物理性能均優(yōu)于未灑水區(qū)域。其中,灑水區(qū)域的最小干密度和最大干密度比未灑水區(qū)域分別高出0.100 2和0.178g/cm3,平均相對密度高出2.5g/cm3,平均干密度高出0.342g/cm3。因此,在進行砂礫料現(xiàn)場碾壓時,灑水比不灑水的現(xiàn)場碾壓效果更優(yōu)。

表2 是否灑水對砂礫料物理性能的影響結果

在進行現(xiàn)場碾壓試驗時,不同的灑水量也會對砂礫料碾壓后的干密度產生影響。研究在3區(qū)域、4區(qū)域和5區(qū)域分別加入5%、10%、15%和20%的水量進行碾壓試驗,砂礫料鋪設厚度25cm,結果見圖2。由圖2可知,灑水量為5%時,最佳碾壓次數(shù)為7次,此時砂礫料的干密度峰值為1.87g/cm3;灑水量為10%且碾壓次數(shù)為8時,砂礫料的干密度達到峰值;灑水量為15%時,砂礫料密度基本保持低幅度增長趨勢,變化較小;灑水量為20%時,碾壓8次達到峰值后,砂礫料的密度開始降低。綜合來看,進行現(xiàn)場碾壓試驗時,10%的灑水量相對更加合理。

圖2 不同灑水量與砂礫料密度比較

在測驗不同鋪設厚度對砂礫料干密度的影響時,以10%的灑水量進行碾壓試驗,不同鋪土厚度與砂礫料干密度的關系見圖3。由圖3可知,35cm鋪設厚度時,碾壓9次后砂礫料干密度達到最大值1.98g/cm3;當鋪設厚度為30cm時,碾壓8次后達到干密度最大值2.00g/cm3,隨后干密度緩慢降低;當鋪設厚度為25cm時,碾壓7次后得到砂礫料的最大干密度1.94g/cm3。3種鋪設厚度的平均干密度值中,30cm厚度碾壓試驗下砂礫料的物理性能更優(yōu)。因此,3種鋪設厚度下30cm厚度相對最佳,最佳碾壓次數(shù)為8次,此時的砂礫料干密度為1.98g/cm3。

圖3 碾壓次數(shù)與干密度的關系

不同碾壓次數(shù)下砂礫料的沉降量變化見表3。由表3可知,砂礫料的沉降量與沉降率呈正相關關系,隨著現(xiàn)場碾壓次數(shù)的不斷增加,砂礫料的沉降量和沉降率逐漸增大。但隨著碾壓次數(shù)的增加,砂礫料的沉降量(率)增加幅度逐漸減緩,沉降量(率)變化趨勢正常。

表3 現(xiàn)場碾壓次數(shù)與砂礫料沉降量的關系

2.2 筑壩砂礫料的心墻應用分析

將上述砂礫料碾壓試驗后的最佳參數(shù)用于大壩心墻的建設,得到心墻砂礫料的水平和豎向沉降變化趨勢,見圖4。由圖4(a)和圖4(b)可知,該心墻沉降高度大致呈拋物線形。蓄水后心墻上方的沉降逐漸增大,最大的沉降位置發(fā)生在40m高度附近,符合正常的心墻應力變化情況。

圖4 心墻沉降變化趨勢

對上述砂礫料碾壓條件下心墻的位移和應力變化進行計算,結果見圖5。圖5(a)和圖5(b)為心墻的應力變化趨勢。蓄水后,受到外力作用,心墻的應力增大。兩種不同石料受到的最大應力變化趨勢與心墻竣工后未蓄水時受到的應力變化趨勢基本一致。與其他花崗巖堆石料相比,砂礫料受到的應力相對更大。圖5(c)和圖5(d)為心墻竣工和蓄水滿時的位移變化趨勢。心墻的水平位移整體變化較小,垂直方向上的位移與大壩高度大致呈拋物線趨勢,這一變化結果與已有研究中對砂礫料心墻壩的分析結果相吻合。

圖5 心墻的位移和應力變化趨勢

3 結 論

針對砂礫料級配變化大、離散程度高對砂礫料施工參數(shù)的影響,本文設計相應的碾壓試驗,獲取心墻筑壩施工時砂礫料的最佳控制參數(shù)。結果顯示,灑水區(qū)域的最小干密度和最大干密度比未灑水區(qū)域分別高出0.100 2和0.178g/cm3。多種灑水條件下的結果證明,10%的灑水量相對更加合理。3種鋪設厚度下,30cm厚度相對最佳,最佳碾壓次數(shù)為8次。表明研究設計的砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗數(shù)據(jù),可作為指導施工現(xiàn)場作業(yè)的依據(jù)。