混凝土面板砂礫石壩現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)和大型相對密度試驗(yàn)研究

吐爾洪·吐爾地

(新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什　844000)

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混凝土面板砂礫石壩現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)和大型相對密度試驗(yàn)研究

吐爾洪·吐爾地

(新疆卡拉貝利水利樞紐工程建設(shè)管理局，新疆 喀什844000)

【摘要】本文首先對卡拉貝利工程中混凝土面板砂礫石壩筑壩材料進(jìn)行了現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，在選定施工機(jī)械(SR22MP自行式振動(dòng)碾)和振動(dòng)參數(shù)(激振頻率28～32Hz，行進(jìn)速度2.63～8.6km/h)后,研究了鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等因素對碾壓干密度的影響規(guī)律，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了大壩碾壓施工控制參數(shù)。然后采用振動(dòng)臺(tái)法，對不同含礫量的筑壩砂礫料進(jìn)行了大型相對密度試驗(yàn)，確定了不同相對密度下的含礫量P5與干密度Pd的關(guān)系曲線，為確定設(shè)計(jì)參數(shù)和碾壓施工控制提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。這些成果不但直接為卡拉貝利工程混凝土面板砂礫石壩的設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)支撐，對其他類似工程也有重要參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】混凝土面板砂礫石壩；碾壓試驗(yàn)；相對密度

1概述

新疆卡拉貝利水利樞紐工程位于新疆克孜勒蘇柯爾克孜自治州烏恰縣境內(nèi),東距喀什約165km,北距烏恰縣城約70km,距烏魯木齊約1606km,交通便利。工程以防洪、灌溉為主,兼顧發(fā)電，主要由攔河大壩、溢洪道、兩條泄洪排沙洞、發(fā)電引水洞及電站廠房組成。水庫正常蓄水位1770.00m,總庫容2.62億m3,電站裝機(jī)容量3×23.33MW,為Ⅱ等大(2)型工程，大壩為Ⅰ級建筑物。攔河大壩為混凝土面板砂礫石壩,壩頂高程1775.50m，最大壩高92.5m，壩長760.7m，大壩寬高比8.2，為典型的寬河谷地形大壩。壩頂寬度12m，上游壩坡1∶1.7,下游壩坡1∶1.8,在下游坡設(shè)寬10m、縱坡為6%的“之”字形上壩公路。面板壩各填筑分區(qū)利用砂礫料的主要有上游砂礫石蓋重料、墊層小區(qū)料、墊層料、壩體砂礫料、排水料、利用料區(qū)、反濾料、排水棱體。

工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)域穩(wěn)定性差。工程區(qū)處于帕米爾、南天山隆起和塔里木坳陷三大新構(gòu)造單元的交匯地帶，區(qū)域內(nèi)有南天山地震帶、帕米爾地震帶和西昆侖地震帶三個(gè)地震帶,是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與變形最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。據(jù)100多年記載,這三個(gè)地震帶地震活動(dòng)一直很活躍,曾記錄有8.25級地震1次,6.0～7.5級地震幾十次。近場區(qū)重要的地震構(gòu)造有卡茲克阿爾特?cái)嗔选跚囫迬Ш湍臼脖承北本壞鏀鄬訋?。南天山地震帶、帕米爾地震帶和西昆侖地震帶共同?gòu)成了復(fù)雜的地震帶地質(zhì)背景新構(gòu)造運(yùn)動(dòng),地震頻發(fā)，壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度強(qiáng)。根據(jù)國家地震局工程研究中心《新疆卡拉貝利水利樞紐工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，工程場地50年超越概率10%、2%和100年超越概率5%、2%的基巖地震動(dòng)水平向峰值加速度分別為252.5gal、375.1gal和358.9gal、424.4gal。卡拉貝利混凝土面板砂礫石壩的抗震安全性是工程建設(shè)的突出問題，因此保證大壩的施工質(zhì)量十分重要，是基本的抗震工程措施。

為此，首先對卡拉貝利混凝土面板砂礫石壩筑壩材料進(jìn)行了現(xiàn)場施工碾壓試驗(yàn)，在選定施工機(jī)械(SR22MP自行式振動(dòng)碾)和振動(dòng)參數(shù)(激振頻率28～32Hz，行進(jìn)速度2.63～8.6km/h)后,研究了鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等因素對碾壓干密度的影響規(guī)律，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了大壩碾壓施工控制參數(shù)。然后采用振動(dòng)臺(tái)法，對不同含礫量的筑壩砂礫料進(jìn)行了大型相對密度試驗(yàn)，確定了含礫量P5與最大干密度的關(guān)系曲線，為確定設(shè)計(jì)參數(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。這些成果不但直接為卡拉貝利混凝土面板砂礫石壩的設(shè)計(jì)和施工提供了科學(xué)支撐，對其他類似工程也有重要參考價(jià)值。

2碾壓試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)設(shè)備和場地布置

本次選定的碾壓機(jī)械為型號(hào)SR22MP的自行式振動(dòng)碾,滾筒自重9.58t,寬度2000mm，驅(qū)動(dòng)輪分配質(zhì)量10500kg,鋼輪總作用力22000kN,激振頻率28～32Hz，行進(jìn)速度2.63～8.6km/h,現(xiàn)場滲透試驗(yàn)采用滲透雙環(huán)法。根據(jù)選定的碾壓機(jī)械選取60cm、80cm、100cm三種鋪料厚度進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)場地面積為42m×110m=1800m2,根據(jù)鋪料厚度劃分三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長20m、寬42m，各鋪料厚度區(qū)域之間采用10m寬過渡帶平緩過渡,每個(gè)試驗(yàn)區(qū)域選用8遍、10遍、12遍三種不同碾壓遍數(shù)和加水6%劃分為4個(gè)小區(qū),每個(gè)區(qū)域?qū)挾葹?m。

2.2試驗(yàn)用料

碾壓試驗(yàn)用料按照招標(biāo)文件規(guī)定從指定料場開采，1.8m3挖掘機(jī)裝車,20t自卸車運(yùn)輸至碾壓試驗(yàn)場地,試驗(yàn)前對開采料進(jìn)行顆粒級配檢測,對滿足設(shè)計(jì)要求的材料進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。

2.3試驗(yàn)步驟

用全站儀在上述劃分的區(qū)域內(nèi)按照2m×3m方格網(wǎng)布設(shè)測點(diǎn)，用水準(zhǔn)儀測量鋪料厚度和碾壓后的厚度。采用進(jìn)占法卸砂礫料,220馬力推土機(jī)平料,鋪料過程中用帶刻度的尺桿初步控制鋪料厚度，隨后用水準(zhǔn)測量虛鋪厚度,人工配合機(jī)械整平,厚度誤差控制在±5cm以內(nèi)。鋪料平整好以后,用全站儀按照方格網(wǎng)布設(shè)測點(diǎn)并標(biāo)記,用精密水準(zhǔn)儀測出布置測點(diǎn)的松鋪厚度。采用全磙進(jìn)退法碾壓,一來一回算兩遍,換磙時(shí)兩碾跡之間搭接20cm。振動(dòng)碾行進(jìn)速度控制在3.0km/h以內(nèi)，振動(dòng)頻率保持在30Hz左右,振幅保持在1.7mm左右。碾壓完畢后，用全站儀恢復(fù)先前測放的方格網(wǎng)點(diǎn),以白灰標(biāo)示,用精密水準(zhǔn)儀測量碾后高程,以確定壓實(shí)厚度和沉降量。取樣用人工挖坑,坑徑控制在最大粒徑的3～5倍且試坑直徑大于1m，用灌水法檢測干密度,灌水用塑料薄膜厚度為0.05mm。試驗(yàn)組合、填筑料碾壓,分別選三種不同鋪料厚度(60cm、80cm、100cm)、三種不同碾壓遍數(shù)(8、10、12),以不加水與加水量(6%)進(jìn)行對比試驗(yàn)，確定出碾壓機(jī)具對應(yīng)的最佳碾壓遍數(shù)、鋪料厚度等參數(shù)。在進(jìn)行最佳參數(shù)試驗(yàn)的同時(shí),進(jìn)行室內(nèi)相關(guān)的物理性能試驗(yàn),以確定填筑料的物理性能指標(biāo)。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過現(xiàn)場試驗(yàn)以及室內(nèi)試驗(yàn)手段獲得了卵石密度、碾壓前級配、碾壓后級配、含水量、干密度、礫石含量、最大干密度、最小干密度、相對密度、滲透系數(shù)等參數(shù)值。下面對以上參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1碾壓試驗(yàn)級配結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)測定成果,繪制顆分級配曲線圖(見圖1)，并計(jì)算出不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)(見下表)。根據(jù)碾壓前與碾壓后級配曲線變化,分析試驗(yàn)料碾壓后的破碎情況。

圖1　砂礫料碾壓前后級配變化曲線

級配參數(shù)碾壓前鋪 料 厚 度/cm60801008遍10遍12遍8遍10遍12遍8遍10遍12遍不均勻系數(shù)Cu218.75178.57205.26184.21163.16156.00204.55167.74189.47177.78曲率系數(shù)Cc6.433.919.528.927.179.8510.115.888.0111.11

通過碾壓現(xiàn)場目測,砂礫料碾壓后無粉狀破碎,從圖1中看到碾壓前后級配線基本無明顯變化。碾壓前碾壓后小于5mm含量為17.83%～32.94%；小于0.075mm含量為2.36%～4.10%。從上表看到曲率系數(shù)為3.91～11.11(規(guī)范要求曲率系數(shù)1～3)；不均勻系數(shù)為156～218.75,均大于5.0。

3.2碾壓試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2～圖4結(jié)果看,砂礫料鋪料厚度60cm、80cm、100cm,碾壓8遍、10遍、12遍,隨著碾壓遍數(shù)增加，干密度增大，鋪料厚度增加，干密度降低，符合碾壓的基本規(guī)律。隨著碾壓遍數(shù)增加,沉降量變化不大,這是由于采用進(jìn)占法上料時(shí),自卸汽車卸料、推土機(jī)平料過程中對填筑料淺表產(chǎn)生碾壓效果。試驗(yàn)中將具有代表性的砂礫料進(jìn)行了室內(nèi)巖塊密度檢測,作為評價(jià)壩料碾壓后密實(shí)性能的參考,砂礫料巖塊密度檢測結(jié)果為2.67g/cm3。

圖2　不同鋪層厚度下碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系

圖3　不同碾壓遍數(shù)下鋪料厚度與干密度的關(guān)系

圖4　不同鋪層厚度下碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系

一般來說，一定鋪層厚度下，碾壓后干密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，此次試驗(yàn)結(jié)果也表現(xiàn)出這樣的規(guī)律。碾壓試驗(yàn)的目的，就是根據(jù)不同鋪層厚度下的干密度隨碾壓遍數(shù)的變化曲線，以及出現(xiàn)的拐點(diǎn)情況并結(jié)合設(shè)計(jì)提出控制相對密度，確定在選定的施工機(jī)械和振動(dòng)參數(shù)下經(jīng)濟(jì)合理的碾壓控制參數(shù)：鋪層厚度和碾壓遍數(shù)。

由圖3可見，在鋪層厚度60cm時(shí)，起始干密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，在碾壓10遍時(shí)干密度達(dá)到最大，而后隨碾壓遍數(shù)提高而降低；在鋪層厚度80cm時(shí)，干密度隨碾壓遍數(shù)的增加而明顯增加，但在10遍后出現(xiàn)拐點(diǎn)，碾壓遍數(shù)對干密度的提高影響開始不明顯，12遍與10遍干密度相差不大；鋪層厚度為100cm時(shí)，在12遍之前，碾壓遍數(shù)對干密度提高的影響一直比較明顯，沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)。

從試坑結(jié)構(gòu)看,上述各種試驗(yàn)工況的上、下料的分布比較均勻,無明顯大料集中及架空現(xiàn)象,碾壓后砂石結(jié)合均勻、密實(shí)。結(jié)合取樣結(jié)果及試驗(yàn)區(qū)礫石含量試驗(yàn)結(jié)果分布情況,礫石含量分布未出現(xiàn)有規(guī)律的分區(qū)分布,礫石含量符合C3料場復(fù)查結(jié)果,無明顯變化,說明卸料、攤鋪工藝合理。

3.3碾壓加水試驗(yàn)

根據(jù)砂礫料碾壓試驗(yàn)方案進(jìn)行加水量6%的試驗(yàn)。首先采用水罐車現(xiàn)場加水,第一次加水2%，砂礫料表面出現(xiàn)明流,滲透1h后進(jìn)行查看,滲水深度為15cm。接著進(jìn)行第二次加水2%。通過兩次加水共計(jì)加水4%,在兩次加水完畢2h后查看，滲透深度為40cm。

在碾壓試驗(yàn)現(xiàn)場取全料進(jìn)行人工加水拌和試驗(yàn),每次加水2%后進(jìn)行拌和,在累計(jì)加水4%后,砂礫料出現(xiàn)明流,說明C3料場砂礫料在加水4%后基本達(dá)到飽和。

加水對比試驗(yàn)表明：?加水不能及時(shí)滲透,只能加至表層,不能滿足高強(qiáng)度的機(jī)械化施工需要；?現(xiàn)場加水拌和試驗(yàn)表明，砂礫料只能加水至4%,加之不加水就能滿足相對密度Dr≥0.85要求,考慮2014年至2016年冬季砂礫料填筑繼續(xù)施工等因素,建議取消砂礫料加水程序,采用C3料場開采砂礫料直接上壩。

4大型相對密度試驗(yàn)

對于砂礫石料，大壩填筑設(shè)計(jì)密度一般采用相對密度進(jìn)行控制，因此還需要進(jìn)行配套的大型相對密度試驗(yàn)。采用振動(dòng)臺(tái)法，對筑壩砂礫料進(jìn)行了大型相對密度試驗(yàn)，確定了含礫量P5與最大干密度的關(guān)系曲線，為設(shè)計(jì)參數(shù)確定提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)依據(jù)。

從試驗(yàn)結(jié)果來看，礫石含量的范圍為67.40%～84.20%；碾壓前后對顆粒級配進(jìn)行了對比,試驗(yàn)結(jié)果顯示碾壓前后級配變化不大(見60頁表)；室內(nèi)相對密度試驗(yàn)共7組，最大干密度采用振動(dòng)臺(tái)法測定,最小干密度采用人工松填測定。試驗(yàn)所用料為200mm以下全料,超徑料用等量替換法替換,從試驗(yàn)結(jié)果來看,最大值出現(xiàn)在礫石含量72%(見圖5)。圖5顯示,對于最大干密度試驗(yàn)，含礫量在72%時(shí)，最大干密度達(dá)到最大值2.45g/cm3。相對密度85%時(shí)，對應(yīng)干密度為2.36g/cm3。

圖5　砂礫料P5- ρd-Dr關(guān)系曲線

根據(jù)上述不同含礫量下的相對密度試驗(yàn)曲線，結(jié)合碾壓試驗(yàn)取樣得到的碾壓干密度和相應(yīng)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，可以得到不同鋪層厚度下相對密度隨碾壓遍數(shù)變化的規(guī)律。對于鋪料厚60cm，8遍Dr=0.85～1.15，10遍Dr=0.95～1.17,12遍Dr=0.96～1.06；對于鋪料厚80cm，8遍Dr=0.86～0.9,10遍Dr=0.9～0.98,12遍Dr=0.88～1.05；對于鋪料厚100cm，8遍Dr=0.72～0.88,10遍Dr=0.88～0.94,12遍Dr=0.93～1.10。對于設(shè)計(jì)提出的不同填筑控制相對密度0.85要求，上述碾壓工況只有鋪料厚100cm碾壓8遍條件下滿足設(shè)計(jì)要求。

由于鋪層厚度60cm太小，碾壓效率不高，除非迫不得已，一般工程不會(huì)采用。對于鋪層厚度100cm,碾壓12遍，仍然沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)，碾壓遍數(shù)太多也影響施工效率，一般工程也很少采用。對于鋪層厚度80cm，在10遍時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，相對密度也滿足設(shè)計(jì)要求，因此對于選定的施工機(jī)械(SR22MP自行式振動(dòng)碾)和振動(dòng)參數(shù)(激振頻率28～32Hz，行進(jìn)速度2.63～8.6km/h)，可以確定鋪層厚度80cm及碾壓遍數(shù)10遍為比較經(jīng)濟(jì)合理的施工碾壓參數(shù)。

5結(jié)論

a.在選定的施工機(jī)械(SR22MP自行式振動(dòng)碾)和振動(dòng)參數(shù)(激振頻率28～32Hz，行進(jìn)速度2.63～8.6km/h)條件下，對于鋪層厚度60cm，起始干密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，在碾壓10遍干密度達(dá)到最大，而后反隨碾壓遍數(shù)提高而降低；對于鋪層厚度80cm，干密度隨碾壓遍數(shù)的增加而明顯增加，但10遍以后，碾壓遍數(shù)對干密度的提高影響開始不明顯，12遍與10遍干密度相差不大；對于鋪層厚度100cm的情況，在12遍之前，碾壓遍數(shù)對干密度提高的影響一直比較明顯。

b.試驗(yàn)表明：碾壓前后的顆粒級配變化不大,是否加水對壓實(shí)效果的影響不明顯。不加水進(jìn)行振動(dòng)碾壓能夠滿足工程需求。

c.含礫量在P5=72%時(shí)，最大干密度達(dá)到最大值2.45g/cm3。對于相對密度Dr=85%相應(yīng)的干密度在含礫量72%時(shí)，干密度值為2.36g/cm3。

d.通過綜合比較，對于選定的施工機(jī)械(SR22MP自行式振動(dòng)碾)和振動(dòng)參數(shù)(激振頻率28～32Hz，行進(jìn)速度2.63～8.6km/h)，確定鋪層厚度80cm及碾壓遍數(shù)10遍為經(jīng)濟(jì)合理的施工碾壓參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

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Research on site rolling compaction test and large-scale relative density test on concrete panel sand-gravel dam

Tuerhong Tuerdi

(XinjiangKalabeiliWater-controlProjectConstructionAdministration,Kashgar844000,China)

Abstract:In the paper, site rolling test is implemented on the materials of concrete panel gravel dam firstly in Kalabeili Project. After construction machinery (SR22MP self-propelled vibration roller) and vibration parameters (excitation frequency of 28～32Hz, running speed of 2.63～8.6km/h) are selected, the influence law of spreading thickness, compaction times, water dosage and other factors on rolling compaction dry density are studied. Dam rolling compaction construction control parameters are determined according to the test results. Then, vibration table method is adopted for large-scale relative density test on dam sand-gravel material with different gravel contents. Relationship curves between gravel content P5 and dry density Pd under different relative densities are determined, thereby providing solid scientific basis for determining design parameters and rolling compaction construction control. The results not only can directly provide scientific support for designing and constructing concrete panel sand-gravel dam in Kalabeili Project, but also has important reference value for other similar projects.

Key words:concrete panel sand-gravel dam; rolling compaction experiment; relative density

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.017

中圖分類號(hào)：TV642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2016)06- 0058- 06