任海軍

(長江科學(xué)院監(jiān)理公司 湖北武漢 430010)

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面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗研究

任海軍

(長江科學(xué)院監(jiān)理公司 湖北武漢 430010)

利用天然砂礫石進行大壩填筑，其碾壓參數(shù)直接影響到大壩施工進度和沉降變形，也直接影響到大壩施工成本和安全穩(wěn)定，碾壓參數(shù)的優(yōu)化一直是大壩填筑施工技術(shù)研究重點。為有效地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，以某一工程為案例，通過面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗研究，分析數(shù)據(jù)成果，提出大壩填筑碾壓參數(shù)。

面板堆石壩; 砂礫石料; 碾壓試驗

1 工程概述

某水利樞紐工程規(guī)劃水庫正常蓄水位1820m，最大壩高164.8m，水庫總庫容22.49億m3，電站總裝機容量755MW，設(shè)計年發(fā)電量22.6億kW·h，為一等大(1)型工程。樞紐由擋水壩、1#、2 #表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2 #深孔放空排沙洞及發(fā)電引水洞、發(fā)電廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房、過魚設(shè)施等建筑物組成。

擋水壩為混凝土面板砂礫石-堆石壩，壩基位于現(xiàn)代河床深厚覆蓋層上，主要由單一成分的沖積砂卵礫石層組成，局部夾砂層透鏡體。覆蓋層厚度50m～94m，大壩抗震設(shè)計烈度為9度，100年超越概率2%的設(shè)計地震動峰值加速度為320.6gal。壩軸線全長795m，壩頂高程1825.80m，壩頂寬度為12m。壩體從上游至下游按蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、砂礫石料區(qū)、堆石料區(qū)分區(qū)填筑。上游主堆石區(qū)采用砂礫石料，壩坡坡度為1∶1.7,下游壩坡坡度為1∶1.6。深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，對壩體沉降變形將產(chǎn)生較大影響，施工過程中對填筑質(zhì)量的控制尤為重要。為此，開展現(xiàn)場碾壓試驗，有利于驗證和確定大壩填筑標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，復(fù)核和確定施工碾壓參數(shù)，為大壩施工質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。

2 碾壓試驗

2.1 碾壓試驗的目的

通過對主堆石砂礫石料進行現(xiàn)場碾壓試驗及相應(yīng)的物理力學(xué)特性試驗，檢驗所選用的填筑壓實機械的實用性及其性能的可靠性。通過進行不同碾壓參數(shù)組合對比試驗，確定各堆筑料經(jīng)濟合理的碾壓施工參數(shù)，如碾壓設(shè)備機具、振動頻率及振動位移、行進速度、鋪筑厚度、加水量和碾壓遍數(shù)等[1]。通過試驗成果分析，提出完善壩料填筑的施工工藝、措施和建議，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

2.2 試驗內(nèi)容

碾壓試驗前對主堆石砂礫石料在料場取料，取樣4組，進行顆粒分析試驗，分析料源是否滿足設(shè)計要求。現(xiàn)場碾壓試驗采用中大牌YZ32Y2型的自行式振動碾，分灑水和不灑水兩種試驗工況，鋪筑厚度分別為60cm、80cm、100cm，碾壓遍數(shù)分別為6、8、10、12遍，灑水分別為5%、10%、15%。試驗場地分區(qū)域進行，每個區(qū)域長10m、寬6m。

2.3 試驗基本步驟

(1)碾壓試驗場地選定在大壩下游右岸邊線位置，該處場地為較平整的砂礫石基礎(chǔ)。采用推土機和挖掘機將試驗場地平整后，采用振動碾按3km/h的速度進行碾壓2遍，用水準(zhǔn)儀對試驗場地的平整度進行，全場平均沉降不大于2mm。

(2)碾壓試驗的砂礫石料取自C3料場，取料前先進行坑探，對料源進行顆分試驗。現(xiàn)場取料按照料場正常開采方式均勻取料，具有代表性。

(3)砂礫石料采用挖掘機裝車，自卸車運送至試驗場地，采用進占法卸料，人工篩選出超徑大石，通過水準(zhǔn)儀測量和試驗場地邊的標(biāo)桿控制試驗土料的攤鋪厚度。攤鋪厚度滿足要求后用振動碾對試驗區(qū)先靜碾兩遍，然后用白石灰標(biāo)記不同試驗區(qū)域區(qū)間界限及各種分界線，明確各個試驗單元。

(4)碾壓試驗分為灑水和不灑水兩種工況，灑水試驗共進行3個灑水率。試驗料加水通過灑水車在攤鋪完成的試驗區(qū)域進行灑水，灑水量根據(jù)灑水車水箱貯水量來確定。

(5)碾壓采用進退錯距法進行，按照劃分的試驗單元和設(shè)定的遍數(shù)進行碾壓。在同一碾壓條帶進退一個來回計為碾壓2遍，在進行下一條帶碾壓時，與前一條帶需要搭接，碾壓搭接寬度約20cm，振動碾行車速度﹤3km/h。振動碾在距試驗場地邊線2m處起振，在場地邊界處，整個碾子需全部走出試驗區(qū)。

(6)使用水準(zhǔn)儀對布置在試驗場地內(nèi)的測點進行不同碾壓遍數(shù)下的沉降測量。每個試驗單元布設(shè)20個測點。為方便沉降測點在碾壓后辨識，在每個測點處用塑料布包一個石子，并噴上紅油漆。沉降測量每2遍測量一次。

(7)按照設(shè)定的碾壓遍數(shù)進行碾壓后，對每個試驗單元進行挖坑檢測，采用灌水法來測定所取樣品的干密度，并通過烘干法測定樣品的含水率，每個單元布置4個試坑。采用篩分法對試坑料進行顆粒分析，從每個試驗單元開挖的4個試坑中選取3個進行篩分，5mm及以上的樣品顆粒篩分在室外進行，5mm以下樣品進行取樣送至室內(nèi)做顆粒分析試驗。

3 試驗成果分析

3.1 砂礫石料的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

砂礫石料設(shè)計相對密度采用0.90。根據(jù)試驗成果：砂礫料最緊平均干密度γdmax=2.29g/cm3；最松平均干密度γdmin=2.03g/cm3。砂礫壩殼料設(shè)計干容重：γds=2.26g/cm3，砂礫料特征粒徑如表1所示，壩體砂礫石料填筑設(shè)計技術(shù)要求,如表2所示。

表1 砂礫料特征粒徑表(上、下包線及均線)

表2 壩體砂礫石料填筑設(shè)計技術(shù)參數(shù)

3.2 試驗成果與分析

3.2.1 不灑水工況砂礫石料碾壓試驗檢測成果分析

根據(jù)試驗結(jié)果整理出砂礫石料在不灑水工況下，不同鋪筑厚度、不同碾壓遍數(shù)與干密度和相對密度的關(guān)系曲線分析，砂礫石料在鋪筑厚度一定情況下干密度和相對密度隨著碾壓遍數(shù)增加而增加，如圖1～圖2所示。在碾壓遍數(shù)相同的情況下干密度和相對密度隨著鋪筑厚度的增加而減少，這一特點與一般規(guī)律相符，如圖3～圖4所示。

圖1 不灑水工況碾壓參數(shù)與平均干密度關(guān)系曲線

圖2 不灑水工況碾壓參數(shù)與平均相對密度關(guān)系曲線

圖3 碾壓8遍時鋪筑厚度與平均干密度、平均相對密度關(guān)系曲線

圖4 碾壓10遍時鋪筑厚度與平均干密度、平均相對密度關(guān)系曲線

對鋪筑厚度60cm碾壓10遍時檢測干密度ρd=2.32g/cm3～2.38g/cm3之間，相對密度Dγ=86.75%～91.64%之間，平均Dγ=89%，接近設(shè)計控制指標(biāo)。碾壓12遍時干密度ρd=2.33cm3～2.39/cm3之間，相對密度Dγ=89.5%～93.16%之間，平均Dγ=91.36%，基本滿足設(shè)計控制指標(biāo)。對于鋪筑厚度80cm和100cm碾壓12遍時，其平均密度為2.34g/cm3和2.32g/cm3，其對應(yīng)的平均相對密度只有85.91%和84.6%，均未達到設(shè)計控制標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)對干密度、相對密度的影響速率，根據(jù)不灑水試驗確定的鋪筑厚度80cm進行灑水工況的碾壓試驗。

3.2.2 灑水工況砂礫石料碾壓試驗檢測成果分析

根據(jù)試驗結(jié)果整理出砂礫石料在灑水工況下，不同灑水率、不同碾壓遍數(shù)與干密度和相對密度的關(guān)系曲線分析，灑水能顯著提高砂礫石料的碾壓性能，對砂礫石料的平均相對密度提升幅度較大，可到達10%左右，隨后不同灑水率之間的平均相對密度差別不大，如圖5所示。灑水率和鋪筑厚度一定時，在碾壓遍數(shù)較小時干密度隨著碾壓遍數(shù)增加呈現(xiàn)快速增加趨勢，達到一定碾壓遍數(shù)后，干密度隨著碾壓遍數(shù)增加開始減小，如圖6所示。灑水率和鋪筑厚度一定時，在碾壓遍數(shù)較小時相對密度隨著碾壓遍數(shù)增加呈現(xiàn)快速增加趨勢，達到一定碾壓遍數(shù)后，相對密度隨著碾壓遍數(shù)增加趨緩，如圖7所示。

圖5 鋪筑厚度80cm灑水工況與平均相對密度關(guān)系曲線

圖6 鋪筑厚度80cm灑水10%與平均干密度關(guān)系曲線

從圖5中可以分析出，對鋪筑厚度80cm砂礫石料，碾壓8遍時，3種灑水率5%、10%和15%對應(yīng)的相對密度為87.19%、88.51%和88.75%，相對密度均不能達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。碾壓10遍時，3種灑水率5%、10%和15%對應(yīng)的相對密度為92.66%、93.44%和93.81%，相對密度均能達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。從圖8中可以分析出，鋪筑厚度80cm砂礫石料，灑水率10%工況下，加水碾壓10遍的碾壓性能最佳，平均干密度最大，相對密度可以達到90%的設(shè)計填筑標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 鋪筑厚度80cm灑水10%與平均相對度關(guān)系曲線

圖8 鋪筑厚度80cm灑水10%碾壓參數(shù)與碾壓性能關(guān)系曲線

3.3 施工工藝及參數(shù)控制

根據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗成果分析，砂礫石料鋪筑碾壓主要參數(shù)控制為：鋪筑厚度為80cm，灑水10%，采用32t自行式振動碾激振碾壓10遍，行車速度控制在3km/h以內(nèi)，可以滿足設(shè)計相對密度>90%指標(biāo)要求，具體參數(shù)控制如表3所示。鋪料時應(yīng)注意對砂礫石料顆粒級配的控制，避免骨料集中現(xiàn)象。

表3 壩體砂礫石料填筑施工技術(shù)參數(shù)

3.4 施工過程控制注意事項

(1)根據(jù)試驗成果顯示，砂礫石料的級配對碾壓效果有著明顯的影響。由于天然河床自然沉積存在級配分布差異性較大，部分砂礫石料處于水下。在砂礫石料場開采過程中，應(yīng)建立有效的開采規(guī)劃，保證開采質(zhì)量，嚴(yán)格控制不符合要求的砂礫石料上壩。

(2)灑水與不灑水相比，灑水的效果相當(dāng)明顯，保證灑水量直接影響到相對密度能否滿足設(shè)計指標(biāo)要求。首先，應(yīng)做好對料場含水率的及時測定；其次，上壩前對壩料的加水系統(tǒng)盡可能智能化，按照所測定含水率自動稱重加水；最后，在壩面鋪筑碾壓前做好補充加水控制。

(3)在不灑水工況試驗過程中，碾壓后砂礫石料表層出現(xiàn)一層浮砂，不同碾壓參數(shù)下各試坑顆粒級配分析也顯示出，對于中間粒組(1mm～10mm)的級配曲線易超出設(shè)計上包線，同時試坑試驗干密度也相對偏小。隨著碾壓遍數(shù)增加、鋪筑厚度增加，浮砂顯現(xiàn)更顯著。通過灑水工況試驗過程對比，浮砂現(xiàn)象明顯改觀，不同碾壓參數(shù)下的試坑顆粒級配分析也符合設(shè)計要求。

(4)混凝土建筑物、岸坡與砂礫石料之間的接觸帶應(yīng)回填過渡料，寬度宜為1m～2m。

(5)砂礫石料卸車后應(yīng)及時進行鋪筑平整，不能出現(xiàn)堆筑過高后再進行鋪筑，減少鋪筑過程中骨料分離。鋪筑厚度控制應(yīng)貫穿整個施工過程，應(yīng)嚴(yán)格控制不能出現(xiàn)超厚超薄的情況。

4 結(jié)論

通過試驗證明設(shè)計相關(guān)指標(biāo)是合理的，試驗成果可作為大壩填筑控制指標(biāo)合理評價參數(shù)，對于高震區(qū)、深厚覆蓋層上建設(shè)高混凝土面板砂礫石堆石壩的施工質(zhì)量控制、確保大壩工程建設(shè)與運行安全具有重要意義。

(1)合理選擇碾壓設(shè)備，既可提高施工進度，也可保證施工質(zhì)量。采用32t自行式振動碾，行車速度控制在3km/h以內(nèi)更有利于施工質(zhì)量控制。

(2)灑水可以有效地提高砂礫石碾壓密實度，一般可以提高10%～15%左右，最優(yōu)含水量控制是砂礫石填筑過程中關(guān)鍵，一般選用10%灑水率。

(3)砂礫石填筑碾壓厚度直接影響到工程施工進度，綜合考慮鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)對干密度、相對密度的影響速率，一般選用80cm為宜。

[1] NB/T 35016-2013 土石筑壩材料碾壓試驗規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，2013.

Experimental Study on Filling and Compaction of Rockfill Materials for Concrete Faced Rockfill Dam

RENHaijun

(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010)

By using natural sand gravel dam, the rolling parameters directly affect the dam construction schedule and settlement, but also directly affect the dam construction cost and safety and stability. Optimize the rolling parameters has been the research focus of dam construction technology. Through the experimental study of filling and rolling of rockfill dam of face rockfill dam, the paper analyzes the data and puts forward the parameters of dam filling and rolling, which can effectively guide the site construction.

Concrete face rockfill dam; Gravel stone; Compaction tests

任海軍(1980- )，男，高級工程師。

E-mail:renavy@163.com

2017-03-18

TV64

A

1004-6135(2017)08-0057-04