江浙飏

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

黃南水庫工程位于浙江省松陽縣境內(nèi)小港中段黃南村上游約400 m處峽谷河段，壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程337.00 m，防浪墻頂高程337.50 m，壩頂寬度10.00 m，壩頂長度267.00 m，壩基趾板最低高程240.00 m，相應(yīng)最大壩高97.00 m，上、下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡為混凝土格網(wǎng)生態(tài)護坡。

壩體堆石根據(jù)對壩料滲透性、壓縮性的不同要求分區(qū)填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為四個主要填筑區(qū)：墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)，另在面板周邊縫附近設(shè)特殊填筑區(qū)(2B區(qū))及在施工滑模壩頂高程332.00 m以上設(shè)壩頂靜碾?yún)^(qū)，下游壩坡設(shè)護坡。壩頂設(shè)厚20 cm的C25F50混凝土路面，其底部設(shè)厚15 cm的碎石墊層，墊層下部為壩頂靜碾堆石區(qū)。本次堆石壩碾壓試驗以特殊墊層區(qū)的設(shè)計要求進行，試驗段料源為溢洪道開挖可用料及料場石料。

2 試驗目的和要求

2.1 試驗目的

現(xiàn)場碾壓試驗是通過一定的方法檢驗、修正設(shè)計提出的壩料填筑標準，確定經(jīng)濟合理的鋪料方式、碾壓程序、碾壓施工參數(shù)，選擇適宜的碾壓機械設(shè)備，優(yōu)化施工參數(shù)，制定填筑施工實施細則與技術(shù)要求，提出施工質(zhì)量控制的技術(shù)標準與檢驗方法，長期以來采用灌水(砂)法[1-2]，近年也有學者提出表面沉降法[3]、壓實計(CMV)法[4]、小型載荷試驗(K30)法[5]及離散元法[6]等。黃南水庫面板堆石壩試驗主要采用灌水法，并考察堆石體沉降，達到以下目的：

(1)通過物理、力學性能的試驗成果，驗證堆石料設(shè)計參數(shù)的可行性；

(2)驗證特殊墊層區(qū)設(shè)計技術(shù)指標及填筑標準的合理性、可用性；

(3)確定特殊墊層區(qū)的最佳壓實方法(包括選擇碾壓設(shè)備類型、機械參數(shù)、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度、灑水量等施工參數(shù))；

(4)選擇可行的施工碾壓參數(shù)。

2.2 堆石料設(shè)計指標及相關(guān)要求

(1)開采料堆石的飽和抗壓強度應(yīng)大于等于60 MPa，軟化系數(shù)大于0.80；

(2)最大粒徑不大于40 mm，小于0.075 mm的顆粒含量不大于8%，不均勻系數(shù)CU>30，曲率系數(shù)CC=1%～3%。

2.3 填筑標準及要求

(1)孔隙率≤16%；

(2)設(shè)計技術(shù)要求詳(見表1—2、圖1)。

表1 堆石體設(shè)計技術(shù)指標

表2 堆石體設(shè)計級配

圖1 堆石體設(shè)計包絡(luò)線

3 試驗前準備工作

3.1 碾壓試驗檢測工作量

碾壓試驗檢測工作量(見表3)。

表3 碾壓試驗檢測工作量

3.2 料源準備

自備軋石廠生產(chǎn)砂石骨料后，經(jīng)檢測符合設(shè)計技術(shù)要求的石料作為碾壓試驗料源。

3.3 備料規(guī)劃及要求

試驗用料根據(jù)試驗實際情況設(shè)置備料場堆放，部分直接從軋石場直接運至碾壓場地。備料場布置在碾壓試驗場附近，便于試驗用料的運輸，堆石料備料場的面積規(guī)劃為1 000 m2，另外備料場進行了分區(qū)，不同類別的料必須分別堆存，各區(qū)之間有足夠的間距。備料場地進行碾壓處理以使地面堅實平整。

堆石料試驗用料應(yīng)數(shù)量充足，且經(jīng)過含水率、顆粒級配、巖石強度和軟化系數(shù)檢測合格。

3.4 試驗場地

試驗場地模擬大壩填筑施工情況，位于大壩壩區(qū)上游自備軋石廠附近已完成開挖的坡腳處，場地總體面積為400 m2。根據(jù)前期沉降觀測數(shù)據(jù)成果分析，經(jīng)過雨季沉降，場地沉降變形基本穩(wěn)定，滿足碾壓試驗場地的技術(shù)要求。

(1)場地堅實平整，采用20 t自行式振動平碾按2～3 km/h的速度碾壓，根據(jù)測量沉降資料結(jié)果看，碾壓2遍后全場平均沉降量小于2 mm；整場高差小于20 cm且局部起伏差小于5 cm。

(2)在場地碾壓完畢后，攤鋪一層試驗料，壓實到設(shè)計標準，將這一層作為基層，然后在其上進行碾壓試驗。

(3)一個試驗區(qū)規(guī)格為12 m×16 m(寬×長) ，面積為192 m2。

(4)試驗鋪料要求

由于碾壓時產(chǎn)生側(cè)向擠壓，因此試驗區(qū)的兩側(cè)(垂直行車方向)留出了一個碾寬。順碾壓方向的兩端留出了4～5 m作為非試驗區(qū)，以滿足停車和錯車需要。

3.5 碾壓前試驗檢測

本次碾壓試驗在碾壓前對特殊墊層區(qū)進行了3組含水率試驗、3組顆粒級配試驗；2組巖石強度及軟化系數(shù)試驗；比重試驗。其檢測結(jié)果統(tǒng)計(見表4—6、圖2)。

從表4—6和圖2中看出，碾壓試驗材料試驗結(jié)果滿足要求。

表4 碾壓前顆粒級配試驗結(jié)果統(tǒng)計表

表5 巖石抗壓強度數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表6 比重檢測結(jié)果統(tǒng)計

圖2 碾壓前顆粒分析曲線

4 碾壓試驗

壓實參數(shù)包括機械參數(shù)和施工參數(shù)兩大類。其中碾壓設(shè)備為20 t自行式振動碾，施工參數(shù)包括鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、行車速度、含水量等。

試驗組合方法采用淘汰法，即每次只變動一項參數(shù)，固定其他參數(shù)，通過試驗求得該項參數(shù)的適宜值，再變動另一項參數(shù)，求得另一項施工參數(shù)的適宜值，最終通過試驗得到的填筑材料的各項最佳施工參數(shù)。待各項參數(shù)選定后，用選定參數(shù)進行復核試驗。

碾壓設(shè)備采用20 t自行式振動平碾，碾壓參數(shù)為4種組合行車速度按2～3 km/h(超過3 km/h報警)進行控制。碾壓遍數(shù)與沉降量關(guān)系曲線未趨于收斂時，增加碾壓遍數(shù)，繼續(xù)試驗直至收斂，根據(jù)試驗結(jié)果進行不同加水量的試驗復核。

為保證沉降觀測準確，在振動碾振動影響范圍之外的碾壓場附近設(shè)置2個測量基準點，在碾壓試驗單元內(nèi)以2 m×2 m的方格網(wǎng)布置沉降測點。沉降測量碾壓數(shù)遍后對試驗單元內(nèi)全部測點進行一次高程測量，整個場次碾壓完成后的數(shù)據(jù)為一個場次。

測量測點布置采用2 m×2 m的方格網(wǎng)，根據(jù)不同的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)，以鋪料厚度20 cm、碾6遍為例，每個區(qū)布置48個測點。測點采用白灰標識，碾壓兩遍后仍按標識測量，如有損毀重新標識測量。

(1)鋪料前測量

采用徠卡(TS09)全站儀和中偉水準儀進行場地測量，記錄其測點坐標及高程，取得鋪料厚度計算初始值。

(2)碾壓前測量

鋪料完成后，在試驗段內(nèi)按照均勻分布的方格網(wǎng)進行測量，記錄其坐標和高程，測算其鋪料厚度，并為計算碾壓沉降值提供初始值。

(3)碾壓過程中

測量碾壓過程中碾壓遍數(shù)每增加2遍，由測量進行方格網(wǎng)測量，并記錄碾壓過程中的測量值。

(4)碾壓后測量

碾壓結(jié)束后，根據(jù)方格網(wǎng)點測量其高程值，求得碾壓沉降量。

5 碾壓試驗成果

使用方格網(wǎng)測量，不同鋪料厚度與碾壓遍數(shù)的沉降量(見表7)，沉降率(見表8)，沉降率與碾壓遍數(shù)、鋪料厚度關(guān)系曲線圖(見圖3)。

表7 各級碾壓遍數(shù)下的沉降量匯總表

表8 各級碾壓遍數(shù)下的沉降率匯總表

圖3 沉降率與鋪料厚度關(guān)系曲線圖

本次碾壓試驗2個碾壓組合，碾壓后每個組合取現(xiàn)場密度3組，其檢測結(jié)果(見表9、圖4)。從表9試驗結(jié)果分析可得出，特殊墊層區(qū)當鋪料厚度為20 cm時，碾壓遍數(shù)振碾4遍和6遍時孔隙率滿足設(shè)計技術(shù)要求，但碾壓4遍孔隙率滿足設(shè)計要求，富裕系數(shù)足夠；鋪料厚度為20 cm時碾壓6遍滿足設(shè)計要求、富裕系數(shù)過大；故特殊墊層2B區(qū)選擇鋪料厚度為20 cm，20 t自行式振動碾碾壓4遍組合進行不同加水量(4%、5%)的試驗復核，結(jié)果(見表10)。

圖4 碾壓后顆粒級配曲線

表9 現(xiàn)場密度試驗檢測成果統(tǒng)計表

表10 現(xiàn)場密度復核試驗檢測成果統(tǒng)計表

從表10的成果分析， 5%加水量試驗成果滿足設(shè)計孔隙率的要求。

采用20 t式振動碾在鋪料厚度為20 cm遍數(shù)振碾4和6時孔隙率滿足設(shè)計技術(shù)要求，碾壓4遍時孔隙率≤16%，滿足設(shè)計要求，富裕系數(shù)達標，碾壓6遍時滿足設(shè)計要求，富裕系數(shù)達標，孔隙率≤16%。但從施工進度方面考慮，確定碾壓4遍為特殊墊層區(qū)的施工碾壓遍數(shù)。特殊墊層區(qū)加水量試驗成果均滿足設(shè)計要求。

本次碾壓試驗采用20 t自行式振動碾(型號為XS202J)，碾壓寬度為2 350 mm，振力為353 kN。行車速度為2～3 km/h，采用低頻高振碾壓。

根據(jù)上述對比試驗結(jié)果，最終確定具體施工參數(shù)(見表11)。

表11 施工工藝參數(shù)確定表

6 結(jié)論與建議

(1)堆石體碾壓試驗是堆石壩填筑質(zhì)量檢測的重要內(nèi)容，在填筑每層每單元均要進行壓實度、容重、空隙率等指標的檢測，并根據(jù)料場的情況及時修正控制參數(shù)，在控制較理想的情況下，可適當減少施工過程中的挖坑檢測數(shù)量。

(2)灌水法較適用于堆石體碾壓試驗，在效率、準確度上均有優(yōu)勢。從黃南水庫面板堆石壩碾壓試驗結(jié)果來看，采用20 t振動碾、層厚200 mm、加水5%、碾壓4遍，可以達到要求。

(3)結(jié)合料場的爆破試驗，選取穩(wěn)定的料場和較穩(wěn)定的爆破參數(shù)，取得的碾壓試驗參數(shù)在施工過程中會取得較好的控制效果。