曾 昭 高, 王 開(kāi) 貴, 孫 嘯, 路 學(xué) 瑩
(1.中國(guó)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)
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(zhǎng)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(lái),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(wèn)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(duì)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(dòng)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(dòng)夯進(jìn)行壓實(shí)。由此可見(jiàn):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(cāng)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(duì)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(lái)的質(zhì)量隱患,對(duì)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(guò)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(xiàn)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(dòng)碾沿壩軸線(xiàn)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(guò)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(guò)程。該施工機(jī)械在工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)段施工,對(duì)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(cè)試與評(píng)價(jià)。
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(duì)稱(chēng)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(mǎn)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(zhǎng)度隨壩高升高逐漸變長(zhǎng),將其平均后單層長(zhǎng)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(jiàn):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(cāng)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(duì)墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設(shè)備進(jìn)行研發(fā)。
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(chē)并安裝平板振動(dòng)夯作為同步施工設(shè)備。同步施工設(shè)備由車(chē)架和平板振動(dòng)夯兩部分組成,車(chē)架隨邊墻機(jī)緩慢行進(jìn),但較擠壓邊墻機(jī)略寬。車(chē)架下部中空,右側(cè)采用擠壓邊墻的梯形造型通過(guò)斜坡護(hù)板對(duì)剛成型的邊墻進(jìn)行約束和保護(hù),其上部開(kāi)敞并設(shè)進(jìn)料口和平板振動(dòng)夯,固定平板振動(dòng)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(jiàn)圖1。所填入的墊層料受平板振動(dòng)夯碾壓后堆實(shí)在車(chē)架下部左側(cè),形成(長(zhǎng))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(duì)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(jiàn)圖2。同時(shí),考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能遇到的問(wèn)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(duì)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(dòng)、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(chē)架、平板振動(dòng)夯、液壓控制器、料斗、護(hù)坡和車(chē)輪。
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(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的助力情況,對(duì)該機(jī)械進(jìn)行了室內(nèi)測(cè)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(chǎng)所用配合比相同,斷面尺寸與工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況一致,模擬試驗(yàn)段長(zhǎng)2 m,由兩段1 m長(zhǎng)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(duì)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(dòng)碾壓,每次時(shí)長(zhǎng)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(wú)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(guò)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(zhǎng)200 cm,體積為0.45 m3。
墊層砂石料填裝完畢將平板振動(dòng)夯置于其上方,通過(guò)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(dòng)夯與碾壓同步施工設(shè)備同時(shí)前進(jìn)的目的。
平板振動(dòng)夯固定后,在無(wú)前進(jìn)動(dòng)力的情況下啟動(dòng)平板振動(dòng)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(guò)程中邊墻完整性良好,夯實(shí)情況滿(mǎn)足要求,機(jī)械前進(jìn)無(wú)障礙,所需動(dòng)力小。
該機(jī)械在四川省某面板堆石壩現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)段施工測(cè)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(píng)價(jià)、邊墻墊層料交界處密實(shí)度檢測(cè),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(chē)輪高度根據(jù)場(chǎng)地狀況進(jìn)行調(diào)節(jié),使拖曳式車(chē)架兩側(cè)水平,保證車(chē)架底部不刮蹭施工倉(cāng)面;調(diào)整車(chē)架前部連接裝置的高度,使車(chē)架前后保持水平,車(chē)架護(hù)坡面與擠壓邊墻機(jī)邊墻坡面對(duì)齊;此后,將車(chē)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(jiàn)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(mǎn)擠壓邊墻料,同步施工機(jī)械料斗中填滿(mǎn)墊層料,并在平板振動(dòng)夯下部填入45 cm高的墊層料,使平板振動(dòng)夯具有有效支撐。將平板振動(dòng)夯安置于鋪好的墊層料上部,并將其通過(guò)四個(gè)活動(dòng)扣環(huán)連接到同步施工機(jī)械的拖曳式車(chē)架上。
進(jìn)行邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工時(shí)需先同步開(kāi)啟擠壓邊墻機(jī)和平板振動(dòng)夯,平板振動(dòng)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(dòng)夯,觀察邊墻的完整性;對(duì)墊層料密實(shí)度采用灌水法校核;采用超聲波檢測(cè)儀器檢測(cè)邊墻與墊層料交界處是否存在脫空。
(1)邊墻完整性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(wú)松散垮塌現(xiàn)象。由此可見(jiàn),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(dòng)夯重力壓實(shí)段2 m與振動(dòng)夯振動(dòng)壓實(shí)段2 m并進(jìn)行對(duì)比,對(duì)表層20 cm厚度的墊層料每隔40 cm選取一個(gè)測(cè)點(diǎn),對(duì)下層20 cm厚度的墊層料每隔60 cm選取一個(gè)測(cè)點(diǎn)。采用灌水法結(jié)合含濕率儀測(cè)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(jiàn)表1,墊層料碾壓下部干密度情況見(jiàn)表2。由表1、2可知:僅靠自重對(duì)墊層料碾壓時(shí)其干密度明顯較低,無(wú)法達(dá)到控制指標(biāo)2.35 g/cm3的要求;當(dāng)使用振動(dòng)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(wú)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(cè)。采用超聲波成像儀器檢測(cè)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(dòng)壓實(shí)區(qū),13~24為重力壓實(shí)區(qū),測(cè)得超聲波成像圖。對(duì)成像圖進(jìn)行分析表明:振動(dòng)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(guò)1~6段與7~12段效果對(duì)比得知振動(dòng)夯剛開(kāi)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(kāi)機(jī)穩(wěn)定一段時(shí)間后再開(kāi)始作業(yè)。第二排即深層墊層料區(qū)域檢測(cè)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。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)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(wèn)題:(1)平板振動(dòng)夯對(duì)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(tái)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(tái)小型單輪碾壓機(jī)分兩層碾壓墊層料以解決壓實(shí)度問(wèn)題,單臺(tái)幅寬60 cm,激振力為15 kN,前部振動(dòng)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(dòng)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(guò)兩臺(tái)自帶驅(qū)動(dòng)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(dòng)自動(dòng)行走方式使得該機(jī)械可以與邊墻擠壓機(jī)拉開(kāi)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(jiàn)圖4。
圖4 第二代同步施工機(jī)械設(shè)計(jì)圖
改進(jìn)后的機(jī)械在四川省某面板堆石壩現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)段施工測(cè)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(píng)價(jià)、邊墻墊層料交界處密實(shí)度檢測(cè),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(chē)輪高度根據(jù)場(chǎng)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(dòng)碾壓的反作用力以及人工拖拽的方式驅(qū)動(dòng)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(duì)墊層料壓實(shí)質(zhì)量的影響。施工完成后,對(duì)墊層料密實(shí)度采用灌水法進(jìn)行校核;采用超聲波檢測(cè)儀器檢測(cè)邊墻與墊層料交界處是否存在脫空。
(1)墊層料壓實(shí)度。在Ⅰ、Ⅱ試驗(yàn)段分別選取3個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔1 m,分別進(jìn)行淺層、深層墊層料的灌水法測(cè)試,淺層墊層料灌水測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,深層墊層料灌水測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。對(duì)比兩表可知:分層碾壓機(jī)對(duì)下層振動(dòng)壓實(shí)時(shí)其上層振動(dòng)的同時(shí)會(huì)向下傳遞壓實(shí)能量,使深層墊層料較同位測(cè)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(duì)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(dòng)壓實(shí)時(shí)間長(zhǎng),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(wèn)題。
表3 淺層墊層料灌水測(cè)試結(jié)果表
表4 深層墊層料灌水測(cè)試結(jié)果表
(2)墊層料與邊墻結(jié)合面檢測(cè)。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(cè)試組,總共2行6列,12個(gè)測(cè)試組。
對(duì)測(cè)試組以“行號(hào)-列號(hào)”形式編號(hào)通過(guò)超聲波成像儀器得到檢測(cè)圖像,所有超聲波測(cè)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。
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(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)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(mǎn)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(lèi)似工程提供參考。