李康達，楊玉生，柳 瑩，趙劍明，王 龍，齊吉琳

（1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.中國水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048；3.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

某水庫是國家重點建設(shè)的172項水利工程之一，總庫容為5.84億m3，屬大（2）型水庫。該水庫主壩為黏土心墻砂礫（卵）石壩，最大壩高90.3 m。壩殼料設(shè)計采用天然級配砂礫（卵）石料，大壩填筑方量為1300萬m3。2012年在可研勘察時，查明砂礫料儲量共計1404.0萬m3，滿足工程需要。根據(jù)前期的碾壓試驗，推薦采用18噸振動碾，鋪料厚度為40 cm，碾壓8遍等碾壓施工參數(shù)，可使得該水庫壩殼料相對密度達到75%。

由于河道常年采砂，尤其是2015年6月份以后，河槽采砂尤為嚴重。河槽內(nèi)采砂場多數(shù)采用篩選和破碎兩種方式開采，篩選開采主要對料場內(nèi)砂礫料中細粒組進行，破碎開采則對整個料區(qū)進行了開挖。由于當?shù)厝斯げ缮埃êY選）較普遍，導(dǎo)致原規(guī)劃料料場上層砂礫（卵）石料細顆粒缺失，改變了料場砂礫（卵）石料天然級配曲線、物理力學(xué)參數(shù)、賦存條件等，產(chǎn)生了約700萬m3的采砂擾動砂礫料。人工開采擾動后部分料粒徑級配曲線坡度較陡，甚至出現(xiàn)水平段，呈現(xiàn)某種粒組缺失，甚至細顆粒組完全缺失的現(xiàn)象，近半數(shù)級配不良，且離散性較大。尤其是上游部分砂礫石料場與下游砂礫石料場大部分區(qū)域的人工擾動料顆粒較粗，粒徑普遍在4 cm以上，細顆粒組缺失，導(dǎo)致了粗料骨架間的孔隙難以得到很好的填充，從而對壓實效果的提升增加了難度，同時級配的離散性大，而砂礫料的壓實性能具有級配相關(guān)性，壓實效果受級配的影響顯著。對于采砂擾動料，原料場設(shè)計包線、開采條件和壩的填筑控制標準等均發(fā)生了變化，為保證大壩的填筑質(zhì)量，控制大壩沉降量，大壩設(shè)計填筑標準相對密度由75%提高到了80%。已有研究資料表明[1-2]，壩體變形與母巖材料、顆粒級配以及壓實密度等密切相關(guān)。因此，提高筑壩料的壓實密度能有效降低壩體的變形，提高壩體的整體安全性。這就需要對筑壩的壓實特性進行研究，并確定合適的碾壓施工參數(shù)。結(jié)合工程實際，不少研究者[3-7]開展了相應(yīng)的碾壓試驗研究，探討了碾壓遍數(shù)、鋪料厚度、碾壓機械、含水率等參數(shù)對壓實效果的影響，確定出了合理的碾壓施工參數(shù)，為填筑質(zhì)量控制和碾壓施工提供了依據(jù)。但對因采砂擾動導(dǎo)致的級配不良砂礫料的壓實特性研究較少。因此，在進行大壩填筑時如何針對料場條件變化下的采砂擾動料，確定合適的碾壓施工參數(shù)及施工工藝，有效控制壓實質(zhì)量，是值得探討的問題。

為驗證新填筑標準的合理性，并確定經(jīng)濟高效的碾壓施工參數(shù)和碾壓施工工藝，為筑壩質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)，本文針對新的料場條件，進行不同含水狀態(tài)、不同鋪料厚度和不同碾壓遍數(shù)的現(xiàn)場碾壓試驗，研究含水率、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)和含礫量等因素對擾動砂礫料壓實性能的影響，并分析含礫量與壓實干密度的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合新的填筑標準，對碾壓施工工藝進行了探討，并推薦了經(jīng)濟高效的碾壓施工參數(shù)。

2 砂礫料碾壓試驗方案

碾壓施工參數(shù)通常包括振動碾噸位、行駛速度、鋪料厚度、碾壓遍數(shù)等。目前大型振動機械應(yīng)用較為普遍，常用的振動碾規(guī)格為18～33 t。該水庫的施工振動碾為26 t，即在進行碾壓試驗時，采用26 t振動碾，行駛速度設(shè)定為2.5 km/h。這種情況下，可以通過不同厚度和不同碾壓遍數(shù)的碾壓試驗考察鋪料厚度和碾壓遍數(shù)對壓實特性的影響，碾壓施工參數(shù)主要集中論證合適的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)。此外，由于水庫砂礫料場位于河道之內(nèi)，開采后的砂礫料都含有一定的水分。砂礫料開采后通常直接上壩進行碾壓，處于有一定含水的濕料狀態(tài)。前人研究表明，對于砂礫料，在完全干燥或飽和兩種情況下較容易碾壓密實，而含有一定水分時，不易碾壓密實[8]。因此現(xiàn)場碾壓試驗設(shè)置為天然含水和充分灑水兩個工況，研究不同含水情況對不同鋪料厚度、不同碾壓遍數(shù)下砂礫料碾壓效果的影響。

碾壓試驗場地選定在大壩上游側(cè)，沿平行壩軸線方向布置，該處場地下部為砂礫石層，上部1.0～1.5 m為黏性土層，平整度較好。首先進行清基處理，采用推土機和挖掘機將試驗區(qū)域按場地要求尺寸整平，再采用26 t振動碾按3 km/h的速度碾壓20遍，然后填45 cm厚的砂礫料振動碾壓，直到碾壓2遍后全場平均沉降量不大于2 mm。試驗場地長50 m，寬30 m，包括順碾壓方向的兩側(cè)留出的10 m和4 m長的非試驗區(qū)，以滿足停車和錯車的需要。不同鋪料厚度之間，留出3 m的過渡區(qū)，對于每一個鋪料厚度，又按照碾壓遍數(shù)不同分成4個試驗單元，每個單元長10 m，寬6 m。試驗場地布置見圖1?，F(xiàn)場碾壓試驗在天然含水和充分灑水條件下，進行3個不同鋪料厚度（60、80和100 cm）、四個不同碾壓遍數(shù)（6、8、10、12遍）共計24個小試驗區(qū)組合的試驗，見表1所示。

表1 現(xiàn)場碾壓試驗方案

3 砂礫料壓實特性分析

不同試驗單元經(jīng)振動碾壓后，采用試坑開挖灌水法檢測碾壓后濕密度，并測定試坑砂礫料含水率，計算相應(yīng)試坑的干密度。對各試驗單元選取4個具有代表性的試驗點進行檢測，取其平均值作為各碾壓參數(shù)組合下的干密度值。通過現(xiàn)場篩分確定顆粒級配曲線，依據(jù)相對密度試驗結(jié)果，確定相應(yīng)級配的最大、最小干密度，進而計算各個試坑點碾壓后達到的相對密度。各碾壓參數(shù)組合下干密度、相對密度結(jié)果分別見表2和表3。

圖1 碾壓試驗場地布置示意圖

3.1 碾壓遍數(shù)對壓實特性的影響不同工況下碾壓遍數(shù)與干密度和相對密度的關(guān)系見圖2。天然含水工況下，干密度和相對密度隨碾壓遍數(shù)的變化離散性大，無明顯規(guī)律可言。鋪料厚度為60 cm時，不同碾壓遍數(shù)下相對密度均未達到80%；鋪料厚度為80 cm時，相對密度僅在碾壓8遍時達到80%；鋪料厚度為100 cm，碾壓10遍和12遍時，達到了相對密度大于80%的填筑標準。充分灑水工況下，干密度隨碾壓遍數(shù)的變化仍然呈現(xiàn)出較大的離散性，而相對密度則隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，呈現(xiàn)良好的規(guī)律性，但隨著碾壓遍數(shù)的增加，相對密度增長幅度變緩，說明當達到一定碾壓遍數(shù)時，繼續(xù)增大碾壓遍數(shù)對提高壓實效果的作用不明顯。在碾壓8遍及以上時，各測點都能達到相對密度大于80%的填筑標準。

表2 各碾壓參數(shù)組合下干密度平均值（單位：g/cm3）

表3 各碾壓參數(shù)組合下相對密度平均值（單位：%）

圖2 不同工況下碾壓遍數(shù)與干密度和相對密度的關(guān)系

圖3 不同工況下鋪料厚度與干密度和相對密度的關(guān)系

3.2 鋪料厚度對壓實特性的影響鋪料厚度也是影響填筑質(zhì)量的重要因素，圖3給出了不同工況下鋪料厚度與干密度和相對密度的關(guān)系。天然含水工況下，干密度和相對密度隨鋪料厚度的變化較為離散，規(guī)律不明顯。充分灑水工況下，干密度隨鋪料厚度增加的變化規(guī)律同樣較為離散，相對密度隨鋪料厚度的增加而降低，且降低速率逐漸增大。如碾壓8遍時，當鋪料厚度從60 cm增加到80 cm，相對密度降低約1.6%；當鋪料厚度繼續(xù)增加到100 cm時，相對密度降低達7.0%。

在充分灑水條件下，隨碾壓遍數(shù)和鋪料厚度的變化，干密度的變化規(guī)律散亂，而相對密度的變化規(guī)律較好。這是由于砂礫料的壓實性能具有級配相關(guān)性，壓實后干密度受級配的影響顯著[8-10]。而采用相對密度描述壓實后砂礫料的密實程度，基本可以排除級配的影響[9-12]。

3.3 含礫量對壓實特性的影響將開挖出的各試驗單元料進行顆粒篩分，繪制出含礫量（粒徑大于5 mm顆粒占比）與干密度和相對密度的關(guān)系散點圖，見圖4。天然含水工況下，含礫量與干密度和相對密度之間的關(guān)系規(guī)律不明顯，離散性較大。充分灑水工況下，干密度隨含礫量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，可用拋物線函數(shù)近似擬合；相對密度與含礫量關(guān)系較為穩(wěn)定，大部分測點都滿足相對密度大于80%的填筑標準。

圖4 不同工況下含礫量與干密度和相對密度的關(guān)系

圖5 不同含水情況下各含礫量區(qū)間相對密度大于80%的頻數(shù)分布直方圖

為了進一步分析含礫量對壓實效果的影響，以相對密度大于80%為標準，統(tǒng)計了不同含水情況下各含礫量區(qū)間相對密度大于80%的頻數(shù)分布，如圖5所示。天然含水和充分灑水條件下的總測試點都為48個，各頻數(shù)的分布與含礫量的總體變化規(guī)律是先增加后降低，峰值集中于含礫量80%～88%之間。在充分灑水條件下，滿足相對密度大于80%的39個測點中，處于含礫量80%～88%的有31個，占比79.5%；不滿足相對密度大于80%的9個測點中，處于含礫量80%～88%之外的有6個，占比66.7%。充分灑水條件下，滿足相對密度大于80%的點的含礫量集中在80%～88%分區(qū)，表明當含礫量在80%～88%時，砂礫料壓實性能較好，更容易達到設(shè)計填筑標準。

3.4 含水情況對壓實特性的影響本次試驗的砂礫料料場位于河道之內(nèi)，開采后的砂礫料會含有一定的水分，且不同位置、不同時間上壩的砂礫料，其含水狀態(tài)也不一樣。以往的研究表明[8，13-15]，砂礫料的碾壓密實性能隨含水率的不同而不同，在完全干燥或飽和兩種情況下均較容易碾壓密實。

由圖2—4的試驗結(jié)果對比可以看出：天然含水條件下，壓實相對密度隨鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律很差，而在充分灑水條件下，其變化規(guī)律較好。壓實相對密度隨鋪料厚度的減小和碾壓遍數(shù)的增大而增大，說明含水狀態(tài)對砂礫料壓實性能有明顯的影響。如天然含水條件下，鋪料厚度60 cm，碾壓8遍和10遍均不能達到相對密度大于80%的填筑標準，而在充分灑水條件下相對密度均達到了80%。由圖6可知，天然含水條件下，不同含礫量區(qū)間下滿足相對密度大于80%的測點比例普遍較低，平均比例僅約31%；充分灑水條件下，不同含礫量區(qū)間下滿足相對密度大于80%的測點比例較高，平均比例約72%。充分灑水后大幅度提升了滿足條件的測點比例，表明對砂礫料進行充分灑水能顯著提高其壓實效果。

圖6 不同含水情況下各含礫量區(qū)間相對密度大于80%的百分比

4 砂礫料筑壩碾壓施工參數(shù)

根據(jù)對擾動砂礫料壓實性能的研究表明，含水狀態(tài)對砂礫料壓實性能影響顯著。通過對比天然含水和充分灑水條件下的碾壓效果，表明充分灑水對提高碾壓效果作用非常明顯。因此，在砂礫料筑壩碾壓施工中，建議控制好灑水量和灑水的均勻性，對于河道開采直接上壩砂礫料，可按體積控制灑水10%，能達到充分飽和。

通過對充分灑水條件下，3個不同鋪料厚度、4個不同碾壓遍數(shù)試驗組合下砂礫料的現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果分析表明：一定鋪料厚度下，相對密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，但增大速率逐漸變緩，說明當達到一定碾壓遍數(shù)時，砂礫料壓實相對密度將趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大碾壓遍數(shù)時相對密度的提高將不明顯，控制碾壓遍數(shù)為8遍時，即可滿足相對密度大于80%的填筑標準。比如對于鋪料厚度60 cm，碾壓6、8、10和12遍達到的平均相對密度分別為83.3%、88.0%、90.8%和92.0%；對于鋪料厚度為80 cm，碾壓6、8、10和12遍達到的平均相對密度分別為80.6%、86.6%、90.0%和91.9%。對于鋪料厚度60 cm和80 cm，碾壓遍數(shù)分別為6遍和8遍以上時，均能滿足相對密度大于80%的設(shè)計填筑要求；一定碾壓遍數(shù)下，相對密度隨鋪料厚度的增大而減小，鋪料厚度從60 cm增大到80 cm時，相對密度隨鋪料厚度的增加降低較小；鋪料厚度從80 cm增大到100 cm時，相對密度降低較快。因此，在選定的施工振動機械、振動強度和行駛速度條件下，綜合考慮碾壓效果和施工工效，選定砂礫料筑壩碾壓鋪料厚度為80 cm，并對上壩砂礫料灑水10%飽和，碾壓遍數(shù)為8遍。經(jīng)現(xiàn)場碾壓試驗研究確定的碾壓施工參數(shù)，為大壩填筑施工提供了依據(jù)。施工期大壩沉降監(jiān)測表明，砂礫料壩殼施工期最大沉降46 cm，占壩高約0.5%，在同類規(guī)模砂礫石壩中變形控制較好。

5 結(jié)論

在選定的碾壓機具和行車參數(shù)下，通過開展不同含水狀態(tài)、不同鋪料厚度、不同碾壓遍數(shù)等試驗工況組合下的現(xiàn)場碾壓試驗，系統(tǒng)研究了不同因素對不良級配采砂擾動砂礫料壓實性能的影響，驗證了采砂擾動劣化的不良級配料在充分灑水、合適的振動機具、行駛速度和碾壓遍數(shù)等條件下能夠振動壓實并達到設(shè)計壓實相對密度80%的填筑標準，解決了采砂擾動劣化的不良級配砂礫料的筑壩壓實問題，并給出了采砂擾動劣化的不良級配砂礫料的碾壓施工參數(shù)，為大壩填筑施工提供了依據(jù)。

含水狀態(tài)對砂礫料的壓實性能影響顯著，對于河床或階地上含有一定水分的砂礫料，上壩施工時充分灑水對保證壓實質(zhì)量十分關(guān)鍵。充分灑水條件下，鋪料厚度和碾壓遍數(shù)對壓實效果有明顯影響，壓實相對密度隨鋪料厚度的增加而降低，降低速率逐漸增大；壓實相對密度隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，增大速率逐漸減??；壓實干密度隨含礫量的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，可大致用拋物線關(guān)系進行描述，與級配包線范圍內(nèi)不同含礫量相對密度試驗獲得的干密度隨含礫量變化趨勢基本一致；在含礫量80%～88%之間，較容易達到設(shè)計相對密度80%的填筑標準。

為了經(jīng)濟高效的達到設(shè)計填筑標準，保證大壩施工質(zhì)量，建議采用的筑壩碾壓施工參數(shù)如下：26 t自行式振動碾，開強震檔，控制行車速度在3 km/h以下；鋪料厚度為80 cm，按照體積控制灑水10%飽和，碾壓8遍。在推薦的碾壓施工參數(shù)下，在料場級配包線范圍內(nèi)的擾動砂礫料，碾壓后能達到設(shè)計相對密度80%的要求，將設(shè)計填筑標準由75%提高到80%具有技術(shù)和經(jīng)濟可行性。