面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗(yàn)研究

任海軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院監(jiān)理公司 湖北武漢 430010)

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面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗(yàn)研究

任海軍

(長(zhǎng)江科學(xué)院監(jiān)理公司 湖北武漢 430010)

利用天然砂礫石進(jìn)行大壩填筑，其碾壓參數(shù)直接影響到大壩施工進(jìn)度和沉降變形，也直接影響到大壩施工成本和安全穩(wěn)定，碾壓參數(shù)的優(yōu)化一直是大壩填筑施工技術(shù)研究重點(diǎn)。為有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，以某一工程為案例，通過(guò)面板堆石壩砂礫石料填筑碾壓試驗(yàn)研究，分析數(shù)據(jù)成果，提出大壩填筑碾壓參數(shù)。

面板堆石壩; 砂礫石料; 碾壓試驗(yàn)

1 工程概述

某水利樞紐工程規(guī)劃水庫(kù)正常蓄水位1820m，最大壩高164.8m，水庫(kù)總庫(kù)容22.49億m3，電站總裝機(jī)容量755MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量22.6億kW·h，為一等大(1)型工程。樞紐由擋水壩、1#、2 #表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2 #深孔放空排沙洞及發(fā)電引水洞、發(fā)電廠房、生態(tài)基流引水洞及其廠房、過(guò)魚(yú)設(shè)施等建筑物組成。

擋水壩為混凝土面板砂礫石-堆石壩，壩基位于現(xiàn)代河床深厚覆蓋層上，主要由單一成分的沖積砂卵礫石層組成，局部夾砂層透鏡體。覆蓋層厚度50m～94m，大壩抗震設(shè)計(jì)烈度為9度，100年超越概率2%的設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為320.6gal。壩軸線全長(zhǎng)795m，壩頂高程1825.80m，壩頂寬度為12m。壩體從上游至下游按蓋重區(qū)、上游鋪蓋區(qū)、墊層料區(qū)、過(guò)渡料區(qū)、砂礫石料區(qū)、堆石料區(qū)分區(qū)填筑。上游主堆石區(qū)采用砂礫石料，壩坡坡度為1∶1.7,下游壩坡坡度為1∶1.6。深厚的砂礫石覆蓋層和龐大的壩體，對(duì)壩體沉降變形將產(chǎn)生較大影響，施工過(guò)程中對(duì)填筑質(zhì)量的控制尤為重要。為此，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，有利于驗(yàn)證和確定大壩填筑標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，復(fù)核和確定施工碾壓參數(shù)，為大壩施工質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)。

2 碾壓試驗(yàn)

2.1 碾壓試驗(yàn)的目的

通過(guò)對(duì)主堆石砂礫石料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及相應(yīng)的物理力學(xué)特性試驗(yàn)，檢驗(yàn)所選用的填筑壓實(shí)機(jī)械的實(shí)用性及其性能的可靠性。通過(guò)進(jìn)行不同碾壓參數(shù)組合對(duì)比試驗(yàn)，確定各堆筑料經(jīng)濟(jì)合理的碾壓施工參數(shù)，如碾壓設(shè)備機(jī)具、振動(dòng)頻率及振動(dòng)位移、行進(jìn)速度、鋪筑厚度、加水量和碾壓遍數(shù)等[1]。通過(guò)試驗(yàn)成果分析，提出完善壩料填筑的施工工藝、措施和建議，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

碾壓試驗(yàn)前對(duì)主堆石砂礫石料在料場(chǎng)取料，取樣4組，進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，分析料源是否滿足設(shè)計(jì)要求。現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)采用中大牌YZ32Y2型的自行式振動(dòng)碾，分灑水和不灑水兩種試驗(yàn)工況，鋪筑厚度分別為60cm、80cm、100cm，碾壓遍數(shù)分別為6、8、10、12遍，灑水分別為5%、10%、15%。試驗(yàn)場(chǎng)地分區(qū)域進(jìn)行，每個(gè)區(qū)域長(zhǎng)10m、寬6m。

2.3 試驗(yàn)基本步驟

(1)碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地選定在大壩下游右岸邊線位置，該處場(chǎng)地為較平整的砂礫石基礎(chǔ)。采用推土機(jī)和挖掘機(jī)將試驗(yàn)場(chǎng)地平整后，采用振動(dòng)碾按3km/h的速度進(jìn)行碾壓2遍，用水準(zhǔn)儀對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的平整度進(jìn)行，全場(chǎng)平均沉降不大于2mm。

(2)碾壓試驗(yàn)的砂礫石料取自C3料場(chǎng)，取料前先進(jìn)行坑探，對(duì)料源進(jìn)行顆分試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)取料按照料場(chǎng)正常開(kāi)采方式均勻取料，具有代表性。

(3)砂礫石料采用挖掘機(jī)裝車，自卸車運(yùn)送至試驗(yàn)場(chǎng)地，采用進(jìn)占法卸料，人工篩選出超徑大石，通過(guò)水準(zhǔn)儀測(cè)量和試驗(yàn)場(chǎng)地邊的標(biāo)桿控制試驗(yàn)土料的攤鋪厚度。攤鋪厚度滿足要求后用振動(dòng)碾對(duì)試驗(yàn)區(qū)先靜碾兩遍，然后用白石灰標(biāo)記不同試驗(yàn)區(qū)域區(qū)間界限及各種分界線，明確各個(gè)試驗(yàn)單元。

(4)碾壓試驗(yàn)分為灑水和不灑水兩種工況，灑水試驗(yàn)共進(jìn)行3個(gè)灑水率。試驗(yàn)料加水通過(guò)灑水車在攤鋪完成的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行灑水，灑水量根據(jù)灑水車水箱貯水量來(lái)確定。

(5)碾壓采用進(jìn)退錯(cuò)距法進(jìn)行，按照劃分的試驗(yàn)單元和設(shè)定的遍數(shù)進(jìn)行碾壓。在同一碾壓條帶進(jìn)退一個(gè)來(lái)回計(jì)為碾壓2遍，在進(jìn)行下一條帶碾壓時(shí)，與前一條帶需要搭接，碾壓搭接寬度約20cm，振動(dòng)碾行車速度﹤3km/h。振動(dòng)碾在距試驗(yàn)場(chǎng)地邊線2m處起振，在場(chǎng)地邊界處，整個(gè)碾子需全部走出試驗(yàn)區(qū)。

(6)使用水準(zhǔn)儀對(duì)布置在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行不同碾壓遍數(shù)下的沉降測(cè)量。每個(gè)試驗(yàn)單元布設(shè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)。為方便沉降測(cè)點(diǎn)在碾壓后辨識(shí)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處用塑料布包一個(gè)石子，并噴上紅油漆。沉降測(cè)量每2遍測(cè)量一次。

(7)按照設(shè)定的碾壓遍數(shù)進(jìn)行碾壓后，對(duì)每個(gè)試驗(yàn)單元進(jìn)行挖坑檢測(cè)，采用灌水法來(lái)測(cè)定所取樣品的干密度，并通過(guò)烘干法測(cè)定樣品的含水率，每個(gè)單元布置4個(gè)試坑。采用篩分法對(duì)試坑料進(jìn)行顆粒分析，從每個(gè)試驗(yàn)單元開(kāi)挖的4個(gè)試坑中選取3個(gè)進(jìn)行篩分，5mm及以上的樣品顆粒篩分在室外進(jìn)行，5mm以下樣品進(jìn)行取樣送至室內(nèi)做顆粒分析試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)成果分析

3.1 砂礫石料的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

砂礫石料設(shè)計(jì)相對(duì)密度采用0.90。根據(jù)試驗(yàn)成果：砂礫料最緊平均干密度γdmax=2.29g/cm3；最松平均干密度γdmin=2.03g/cm3。砂礫壩殼料設(shè)計(jì)干容重：γds=2.26g/cm3，砂礫料特征粒徑如表1所示，壩體砂礫石料填筑設(shè)計(jì)技術(shù)要求,如表2所示。

表1 砂礫料特征粒徑表(上、下包線及均線)

表2 壩體砂礫石料填筑設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

3.2 試驗(yàn)成果與分析

3.2.1 不灑水工況砂礫石料碾壓試驗(yàn)檢測(cè)成果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理出砂礫石料在不灑水工況下，不同鋪筑厚度、不同碾壓遍數(shù)與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系曲線分析，砂礫石料在鋪筑厚度一定情況下干密度和相對(duì)密度隨著碾壓遍數(shù)增加而增加，如圖1～圖2所示。在碾壓遍數(shù)相同的情況下干密度和相對(duì)密度隨著鋪筑厚度的增加而減少，這一特點(diǎn)與一般規(guī)律相符，如圖3～圖4所示。

圖1 不灑水工況碾壓參數(shù)與平均干密度關(guān)系曲線

圖2 不灑水工況碾壓參數(shù)與平均相對(duì)密度關(guān)系曲線

圖3 碾壓8遍時(shí)鋪筑厚度與平均干密度、平均相對(duì)密度關(guān)系曲線

圖4 碾壓10遍時(shí)鋪筑厚度與平均干密度、平均相對(duì)密度關(guān)系曲線

對(duì)鋪筑厚度60cm碾壓10遍時(shí)檢測(cè)干密度ρd=2.32g/cm3～2.38g/cm3之間，相對(duì)密度Dγ=86.75%～91.64%之間，平均Dγ=89%，接近設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。碾壓12遍時(shí)干密度ρd=2.33cm3～2.39/cm3之間，相對(duì)密度Dγ=89.5%～93.16%之間，平均Dγ=91.36%，基本滿足設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。對(duì)于鋪筑厚度80cm和100cm碾壓12遍時(shí)，其平均密度為2.34g/cm3和2.32g/cm3，其對(duì)應(yīng)的平均相對(duì)密度只有85.91%和84.6%，均未達(dá)到設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)對(duì)干密度、相對(duì)密度的影響速率，根據(jù)不灑水試驗(yàn)確定的鋪筑厚度80cm進(jìn)行灑水工況的碾壓試驗(yàn)。

3.2.2 灑水工況砂礫石料碾壓試驗(yàn)檢測(cè)成果分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果整理出砂礫石料在灑水工況下，不同灑水率、不同碾壓遍數(shù)與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系曲線分析，灑水能顯著提高砂礫石料的碾壓性能，對(duì)砂礫石料的平均相對(duì)密度提升幅度較大，可到達(dá)10%左右，隨后不同灑水率之間的平均相對(duì)密度差別不大，如圖5所示。灑水率和鋪筑厚度一定時(shí)，在碾壓遍數(shù)較小時(shí)干密度隨著碾壓遍數(shù)增加呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，達(dá)到一定碾壓遍數(shù)后，干密度隨著碾壓遍數(shù)增加開(kāi)始減小，如圖6所示。灑水率和鋪筑厚度一定時(shí)，在碾壓遍數(shù)較小時(shí)相對(duì)密度隨著碾壓遍數(shù)增加呈現(xiàn)快速增加趨勢(shì)，達(dá)到一定碾壓遍數(shù)后，相對(duì)密度隨著碾壓遍數(shù)增加趨緩，如圖7所示。

圖5 鋪筑厚度80cm灑水工況與平均相對(duì)密度關(guān)系曲線

圖6 鋪筑厚度80cm灑水10%與平均干密度關(guān)系曲線

從圖5中可以分析出，對(duì)鋪筑厚度80cm砂礫石料，碾壓8遍時(shí)，3種灑水率5%、10%和15%對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度為87.19%、88.51%和88.75%，相對(duì)密度均不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。碾壓10遍時(shí)，3種灑水率5%、10%和15%對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度為92.66%、93.44%和93.81%，相對(duì)密度均能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。從圖8中可以分析出，鋪筑厚度80cm砂礫石料，灑水率10%工況下，加水碾壓10遍的碾壓性能最佳，平均干密度最大，相對(duì)密度可以達(dá)到90%的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 鋪筑厚度80cm灑水10%與平均相對(duì)度關(guān)系曲線

圖8 鋪筑厚度80cm灑水10%碾壓參數(shù)與碾壓性能關(guān)系曲線

3.3 施工工藝及參數(shù)控制

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)成果分析，砂礫石料鋪筑碾壓主要參數(shù)控制為：鋪筑厚度為80cm，灑水10%，采用32t自行式振動(dòng)碾激振碾壓10遍，行車速度控制在3km/h以內(nèi)，可以滿足設(shè)計(jì)相對(duì)密度>90%指標(biāo)要求，具體參數(shù)控制如表3所示。鋪料時(shí)應(yīng)注意對(duì)砂礫石料顆粒級(jí)配的控制，避免骨料集中現(xiàn)象。

表3 壩體砂礫石料填筑施工技術(shù)參數(shù)

3.4 施工過(guò)程控制注意事項(xiàng)

(1)根據(jù)試驗(yàn)成果顯示，砂礫石料的級(jí)配對(duì)碾壓效果有著明顯的影響。由于天然河床自然沉積存在級(jí)配分布差異性較大，部分砂礫石料處于水下。在砂礫石料場(chǎng)開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)建立有效的開(kāi)采規(guī)劃，保證開(kāi)采質(zhì)量，嚴(yán)格控制不符合要求的砂礫石料上壩。

(2)灑水與不灑水相比，灑水的效果相當(dāng)明顯，保證灑水量直接影響到相對(duì)密度能否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。首先，應(yīng)做好對(duì)料場(chǎng)含水率的及時(shí)測(cè)定；其次，上壩前對(duì)壩料的加水系統(tǒng)盡可能智能化，按照所測(cè)定含水率自動(dòng)稱重加水；最后，在壩面鋪筑碾壓前做好補(bǔ)充加水控制。

(3)在不灑水工況試驗(yàn)過(guò)程中，碾壓后砂礫石料表層出現(xiàn)一層浮砂，不同碾壓參數(shù)下各試坑顆粒級(jí)配分析也顯示出，對(duì)于中間粒組(1mm～10mm)的級(jí)配曲線易超出設(shè)計(jì)上包線，同時(shí)試坑試驗(yàn)干密度也相對(duì)偏小。隨著碾壓遍數(shù)增加、鋪筑厚度增加，浮砂顯現(xiàn)更顯著。通過(guò)灑水工況試驗(yàn)過(guò)程對(duì)比，浮砂現(xiàn)象明顯改觀，不同碾壓參數(shù)下的試坑顆粒級(jí)配分析也符合設(shè)計(jì)要求。

(4)混凝土建筑物、岸坡與砂礫石料之間的接觸帶應(yīng)回填過(guò)渡料，寬度宜為1m～2m。

(5)砂礫石料卸車后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鋪筑平整，不能出現(xiàn)堆筑過(guò)高后再進(jìn)行鋪筑，減少鋪筑過(guò)程中骨料分離。鋪筑厚度控制應(yīng)貫穿整個(gè)施工過(guò)程，應(yīng)嚴(yán)格控制不能出現(xiàn)超厚超薄的情況。

4 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)相關(guān)指標(biāo)是合理的，試驗(yàn)成果可作為大壩填筑控制指標(biāo)合理評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)于高震區(qū)、深厚覆蓋層上建設(shè)高混凝土面板砂礫石堆石壩的施工質(zhì)量控制、確保大壩工程建設(shè)與運(yùn)行安全具有重要意義。

(1)合理選擇碾壓設(shè)備，既可提高施工進(jìn)度，也可保證施工質(zhì)量。采用32t自行式振動(dòng)碾，行車速度控制在3km/h以內(nèi)更有利于施工質(zhì)量控制。

(2)灑水可以有效地提高砂礫石碾壓密實(shí)度，一般可以提高10%～15%左右，最優(yōu)含水量控制是砂礫石填筑過(guò)程中關(guān)鍵，一般選用10%灑水率。

(3)砂礫石填筑碾壓厚度直接影響到工程施工進(jìn)度，綜合考慮鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)對(duì)干密度、相對(duì)密度的影響速率，一般選用80cm為宜。

[1] NB/T 35016-2013 土石筑壩材料碾壓試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

Experimental Study on Filling and Compaction of Rockfill Materials for Concrete Faced Rockfill Dam

RENHaijun

(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010)

By using natural sand gravel dam, the rolling parameters directly affect the dam construction schedule and settlement, but also directly affect the dam construction cost and safety and stability. Optimize the rolling parameters has been the research focus of dam construction technology. Through the experimental study of filling and rolling of rockfill dam of face rockfill dam, the paper analyzes the data and puts forward the parameters of dam filling and rolling, which can effectively guide the site construction.

Concrete face rockfill dam; Gravel stone; Compaction tests

任海軍(1980- )，男，高級(jí)工程師。

E-mail:renavy@163.com

2017-03-18

TV64

A

1004-6135(2017)08-0057-04