劉金龍,劉國軍,李 湛

(1.北京金河水務(wù)建設(shè)集團(tuán)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(jīng)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(shù)在大壩修筑工程中的應(yīng)用,使筑壩質(zhì)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(shè)[1-2]。為此,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。ZHOU等[3]提出了濕潤形變和應(yīng)力變化來計算心墻堆石壩蓄水期間出現(xiàn)的裂縫,結(jié)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(zhì)黏土、砂質(zhì)黏土,構(gòu)筑某引水工程心墻,通過碾壓試驗,總結(jié)最佳施工參數(shù)和機械配合等,對相關(guān)引水工程的施工建設(shè)提供了指導(dǎo)意義。高俊等[5]對瀝青混凝土心墻的受力進(jìn)行了研究,推算了綜合滿足心墻屈服剪切控制標(biāo)準(zhǔn)的心墻材料強度參數(shù),結(jié)果表明,心墻應(yīng)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(zhì)量控制和壓實質(zhì)量控制的角度,對砂礫料筑壩質(zhì)量進(jìn)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(zhì)量控制提供了參考。

上述文獻(xiàn)有關(guān)心墻施工材料的相關(guān)研究內(nèi)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(dá)到最優(yōu),而砂礫料的級配質(zhì)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(shè)的砂礫料設(shè)計碾壓試驗,以26t自行式振動碾設(shè)備,對筑壩砂礫料在不同鋪設(shè)厚度、不同碾壓遍數(shù)和不同灑水情況組合下進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。

1 某心墻筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗設(shè)計

1.1 某心墻筑壩砂礫料質(zhì)量設(shè)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(shù)設(shè)計中有廣泛應(yīng)用。在水利施工時,砂礫料是大壩填筑的主要物料之一,其質(zhì)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(jié)構(gòu)。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(biāo)進(jìn)行確定。在設(shè)計心墻筑壩砂礫料的碾壓試驗之前,對砂礫料的本構(gòu)模型進(jìn)行計算。研究采用Duncan E-B非線性模型,模型的加卸荷準(zhǔn)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(yīng)力水平。

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

(2)

將式(2)與砂礫料的應(yīng)力水平S值進(jìn)行比較,根據(jù)得到的結(jié)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(yīng)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(jìn)行計算,避免實際壩體填筑的相對復(fù)雜性。砂礫料模型經(jīng)過碾壓后,變形測量結(jié)果的準(zhǔn)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(biāo),壩料級配的質(zhì)量直接影響大壩施工的質(zhì)量。級配較好的壩料在進(jìn)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(rèn)為是配質(zhì)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(zhì)量較好。當(dāng)均勻系數(shù)過大時,會導(dǎo)致某一粒徑范圍內(nèi)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(zhì)量進(jìn)行檢驗,結(jié)果見表1。

表1 砂礫料填筑質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

砂礫料的級配也會對砂礫料壓實過程中的緊密程度產(chǎn)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(biāo),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(zhì),需要對砂礫料的干密度最值進(jìn)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(chǎn)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(yīng)該盡量確保砂礫料在天然松散的堆積狀態(tài)下進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(shè)計

以某水庫的混凝土心墻為例,進(jìn)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)整體呈梯形,底座采用C25混凝土與其他結(jié)構(gòu)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(gòu)成[14-15]。主壩采用黏土心墻砂礫料石壩。經(jīng)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(shè)備和施工技術(shù)發(fā)展較快。根據(jù)砂礫料的物料性質(zhì),研究采用鋪設(shè)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(shè)計和施工技術(shù)提供科學(xué)依據(jù),對保證現(xiàn)場施工質(zhì)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(shè)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(biāo),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(shè)備的擊震力等因素,試驗采用的碾壓設(shè)備為26t自行式震動平碾,設(shè)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(xì)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(jìn)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(yīng)不同的碾壓次數(shù)。每個區(qū)域兩側(cè)各預(yù)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(shè)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(jìn)行填平,碾壓10次后作為基層,采用自卸汽車后退法進(jìn)行鋪料。鋪料厚度控制在80cm以下,汽車的鋪設(shè)速度設(shè)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(jìn)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(jìn)入試驗區(qū)域,然后進(jìn)行正式砂礫料碾壓,按照規(guī)定的速度進(jìn)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(zhì)進(jìn)行評價,確定相應(yīng)的碾壓施工控制參數(shù)、工藝和整體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后,對砂礫料進(jìn)行碾壓試驗。當(dāng)砂礫料的鋪設(shè)厚度均為25cm時,研究首先在1區(qū)和2區(qū)對是否灑水進(jìn)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(jìn)行碾壓。碾壓后,是否灑水對砂礫料的物理性能影響結(jié)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(jìn)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(jié)果

在進(jìn)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(chǎn)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(jìn)行碾壓試驗,砂礫料鋪設(shè)厚度25cm,結(jié)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(dá)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(dá)到峰值后,砂礫料的密度開始降低。綜合來看,進(jìn)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(shè)厚度對砂礫料干密度的影響時,以10%的灑水量進(jìn)行碾壓試驗,不同鋪土厚度與砂礫料干密度的關(guān)系見圖3。由圖3可知,35cm鋪設(shè)厚度時,碾壓9次后砂礫料干密度達(dá)到最大值1.98g/cm3;當(dāng)鋪設(shè)厚度為30cm時,碾壓8次后達(dá)到干密度最大值2.00g/cm3,隨后干密度緩慢降低;當(dāng)鋪設(shè)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(shè)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(shè)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(guān)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(guān)關(guān)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(guān)系

2.2 筑壩砂礫料的心墻應(yīng)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(shè),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(yīng)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(yīng)力變化進(jìn)行計算,結(jié)果見圖5。圖5(a)和圖5(b)為心墻的應(yīng)力變化趨勢。蓄水后,受到外力作用,心墻的應(yīng)力增大。兩種不同石料受到的最大應(yīng)力變化趨勢與心墻竣工后未蓄水時受到的應(yīng)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(yīng)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(jié)果與已有研究中對砂礫料心墻壩的分析結(jié)果相吻合。

圖5 心墻的位移和應(yīng)力變化趨勢

3 結(jié) 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(shè)計相應(yīng)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(jié)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(jié)果證明,10%的灑水量相對更加合理。3種鋪設(shè)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(shè)計的砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗數(shù)據(jù),可作為指導(dǎo)施工現(xiàn)場作業(yè)的依據(jù)。