面板堆石壩擠壓邊墻墊層料同步施工機械研究

曾 昭 高， 王 開 貴， 孫 嘯， 路 學 瑩

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213；2.河海大學，江蘇 南京 211100)

1 概 述

眾所周知，面板堆石壩壩體填筑壓實質量是保障大壩長效安全運行的關鍵，是面板堆石壩施工質量控制和管理的重要內容。近年來，面板堆石壩工程廣泛應用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[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，降低了施工成本。

雖然擠壓式混凝土邊墻技術在一定程度上優(yōu)化了施工工藝[3]，但在實際應用中仍存在兩方面問題：(1)施工時通常先進行擠壓邊墻的整體成型，隨后進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具對擠壓邊墻造成側向變形又分成兩個區(qū)域進行碾壓，即在離擠壓邊墻20 cm安全區(qū)域外采用自行式振動平碾進行大規(guī)模碾壓，在20 cm安全區(qū)域內采取平板振動夯進行壓實。由此可見：分三道工序進行擠壓邊墻澆筑和墊層料攤鋪碾壓費工費時，同時給倉面的施工組織和機具調度制造了困難；(2)由于擠壓邊墻是在墊層料施工前完成，因此，在墊層料鋪筑時既要注意不能對已成型的擠壓邊墻造成破壞，又要保證墊層料的碾壓質量以及墊層料和擠壓邊墻交界處的緊密結合，確保擠壓邊墻與壩體同步沉降、協(xié)調變形，防止局部脫空帶來的質量隱患，對施工質量提出了更高的標準和要求，在實際施工過程中存在一定困難。

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沿壩體上游填筑邊線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澆),一般與墊層料壓實層同高,待混凝土邊墻達到一定強度后,在邊墻內側鋪填墊層料、用振動碾沿壩軸線方向進行平面碾壓,碾壓合格后再重復以上工序[4]。闡述了通過自主研發(fā)設計的混凝土面板壩邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械裝置進行擠壓邊墻澆筑和墊層料攤鋪碾壓同步施工的過程。該施工機械在工程現場進行了試驗段施工，對墊層料碾壓質量和邊墻墊層料交界處的結合效果進行了測試與評價。

2 邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械的研制

2.1 混凝土擠壓邊墻施工

混凝土擠壓邊墻是由擠壓邊墻機沿設計斷面擠壓形成連續(xù)、半透水性的混凝土邊墻，其斷面為不對稱梯形, 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。實踐經驗表明：這種斷面形式有利于擠壓成型，亦可滿足墊層料鋪填碾壓的約束要求[5]。

施工時通常先進行擠壓邊墻的整體成型，將擠壓邊墻機的行進速度控制在40～60 m/h之間。面板堆石壩的邊墻長度隨壩高升高逐漸變長，將其平均后單層長度約為200 m左右。因此，完成擠壓邊墻操作一般需耗時3～5 h。此后進行墊層料的攤鋪和碾壓操作，其中攤鋪時間視墊層料區(qū)域和攤鋪機具而定，一般需耗時3～5 h，而墊層料的碾壓為保障碾壓質量需控制機具的行進速度，完成墊層料碾壓至少耗時2 h。由此可見：分三道工序進行擠壓邊墻澆筑和墊層料碾壓費工費時且其倉面施工組織和機具調度困難。若能同時進行安全區(qū)域內的墊層料碾壓和擠壓邊墻澆筑，將顯著提高施工效率，創(chuàng)造出更好的經濟效益。鑒于此，項目部成立了課題組對墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設備進行研發(fā)。

2.2 同步施工機械的設計與制作

研究發(fā)現：墊層料最佳碾壓速度和擠壓邊墻機的行走速度較為一致，因此而考慮在擠壓邊墻機后加裝拖曳式墊層碾壓車并安裝平板振動夯作為同步施工設備。同步施工設備由車架和平板振動夯兩部分組成，車架隨邊墻機緩慢行進，但較擠壓邊墻機略寬。車架下部中空，右側采用擠壓邊墻的梯形造型通過斜坡護板對剛成型的邊墻進行約束和保護，其上部開敞并設進料口和平板振動夯，固定平板振動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備的組成構造見圖1。所填入的墊層料受平板振動夯碾壓后堆實在車架下部左側，形成(長)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備組成構造圖

在圖1基礎上，技術人員對其細部進行了精細化設計。墊層料碾壓與擠壓邊墻同步施工設備精細設計情況見圖2。同時，考慮到實際應用時可能遇到的問題并進行了相應的改造：①由于擠壓邊墻機擠出邊墻的尺寸可能存在偏差，故將擠壓邊墻兩側的護坡擋板改進為斜度可調的擋板，該擋板可以根據實際尺寸靈活調節(jié)，從而防止其破壞剛成型的邊墻；②在夯機前部增加碾軸，對填入的墊層料先進行預碾，同時控制墊層料的填入高度，使墊層料能夠被夯機壓實到與邊墻相同的高度；③夯機與機架之間采用軟連接以方便調整碾軸、提起夯機進行預填料，同時減小機架的振動、提高夯機的夯實效率；④尾部加裝擋板，防止新碾的墊層料倒塌；⑤將側輪改進為高度可調式以適應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備精細設計圖

所研發(fā)的面板壩邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械設備的組成為：拖曳式車架、平板振動夯、液壓控制器、料斗、護坡和車輪。

2.3 室內測試試驗

為了檢驗邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械設備運行狀態(tài)下擠壓邊墻是否發(fā)生位移和變形以及平板夯對于動力系統(tǒng)的助力情況，對該機械進行了室內測試試驗。

(1)擠壓邊墻的制作。擠壓邊墻混凝土配合比與工程現場所用配合比相同，斷面尺寸與工程現場的實際情況一致，模擬試驗段長2 m，由兩段1 m長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段模具中，采用錘擊夯實法夯實，對每個夯實點由20 kg的鐵塊從高10 cm處落下夯實。當混凝土填至模具體積1/2時采用平板夯振動碾壓，每次時長約為20 s，直至混凝土面夯實完畢。

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、無松散垮塌現象。

邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械設備與擠壓邊墻試驗段擺放方向相同，通過液壓升降裝備調整同步碾壓設備的高度，使護坡導板與擠壓邊墻試驗段的上游坡面緊緊相貼。

(2)墊層料夯壓試驗。墊層料采用比例約為1∶1的機制砂和石子，填裝砂石料時先后填入機制砂和石子，人工攪拌均勻，填裝部分寬50 cm，高45 cm，長200 cm，體積為0.45 m3。

墊層砂石料填裝完畢將平板振動夯置于其上方，通過扣環(huán)和鋼鉸鏈固定在邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械設備上，以達到平板振動夯與碾壓同步施工設備同時前進的目的。

平板振動夯固定后，在無前進動力的情況下啟動平板振動夯，觀察邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械設備的前進狀況與擠壓邊墻的側移和變形情況。結果表明：夯壓過程中邊墻完整性良好，夯實情況滿足要求，機械前進無障礙，所需動力小。

3 同步施工機械現場試驗

3.1 試驗內容及步驟

該機械在四川省某面板堆石壩現場進行了試驗段施工測試，其內容包括：邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工、墊層料碾壓質量評價、邊墻墊層料交界處密實度檢測，具體步驟為：

首先使用液壓調節(jié)器將邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械裝置兩側車輪高度根據場地狀況進行調節(jié)，使拖曳式車架兩側水平，保證車架底部不刮蹭施工倉面；調整車架前部連接裝置的高度，使車架前后保持水平，車架護坡面與擠壓邊墻機邊墻坡面對齊；此后，將車架連接裝置焊接于擠壓邊墻機尾部。邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械裝置與擠壓邊墻機的連接情況見圖3。

圖3 邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械裝置與擠壓邊墻機連接示意圖

將擠壓邊墻機入料口填滿擠壓邊墻料，同步施工機械料斗中填滿墊層料，并在平板振動夯下部填入45 cm高的墊層料，使平板振動夯具有有效支撐。將平板振動夯安置于鋪好的墊層料上部，并將其通過四個活動扣環(huán)連接到同步施工機械的拖曳式車架上。

進行邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工時需先同步開啟擠壓邊墻機和平板振動夯，平板振動夯的工作功率為2.5 kW；將邊墻機的行駛速度保持在40 m/h，控制擠壓邊墻機的喂料速度，同時向同步施工機械的料斗內喂料以保障墊層料同步攤鋪碾壓施工。

施工完成后，卸下平板振動夯，觀察邊墻的完整性；對墊層料密實度采用灌水法校核；采用超聲波檢測儀器檢測邊墻與墊層料交界處是否存在脫空。

3.2 試驗段施工效果評價

(1)邊墻完整性。通過現場試驗觀察，邊墻未發(fā)生位移、彎曲、垮塌現象，同步碾壓的墊層料上表面與邊墻上表面齊平，表面肉眼觀察密實度良好，坡角處無松散垮塌現象。由此可見，同步施工裝置所設計的護坡系統(tǒng)能夠保護邊墻不致于發(fā)生破環(huán)。

(2)墊層料壓實度。在4 m試驗段中設置振動夯重力壓實段2 m與振動夯振動壓實段2 m并進行對比，對表層20 cm厚度的墊層料每隔40 cm選取一個測點，對下層20 cm厚度的墊層料每隔60 cm選取一個測點。采用灌水法結合含濕率儀測試壓實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表1，墊層料碾壓下部干密度情況見表2。由表1、2可知：僅靠自重對墊層料碾壓時其干密度明顯較低，無法達到控制指標2.35 g/cm3的要求；當使用振動夯碾壓時其表層墊層料只有局部干密度略低于控制指標，深層墊層料碾壓效果較差，其無法達到控制指標要求。

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)墊層料與邊墻結合面檢測。采用超聲波成像儀器檢測墊層料與邊墻混凝土之間的結合程度，其工作原理是利用超聲波陣列發(fā)射和接收波計算并分析介質的密實情況并成像。將4 m擠壓邊墻試驗段劃分為兩排，每排24個網格中每6個為一組，其中1～12為振動壓實區(qū)，13～24為重力壓實區(qū)，測得超聲波成像圖。對成像圖進行分析表明：振動壓實區(qū)擠壓邊墻的密實度和墊層料的壓實效果更好，墊層料與邊墻結合更緊密。通過1～6段與7～12段效果對比得知振動夯剛開機時壓實效果不太理想，因此，在實際應用時應在開機穩(wěn)定一段時間后再開始作業(yè)。第二排即深層墊層料區(qū)域檢測圖像中密實度較差的范圍較大，表明深層墊層料碾壓質量較差。

4 第二代邊墻擠壓-墊層料同步分層碾壓施工機械的研制及現場試驗

4.1 墊層料同步分層碾壓施工機械的研制

通過現場試驗測試邊墻擠壓-墊層碾壓同步施工機械發(fā)現其存在兩方面問題：(1)平板振動夯對深層墊層料的夯實程度不夠，導致深層墊層料的密實度較差，與邊墻結合存在缺陷；(2)同步施工機械緊密連接于邊墻擠壓機后使得兩者料斗位置相近，當使用機械上料方式時兩臺機械間存在空間干擾。基于此，技術人員研制了墊層料同步分層碾壓施工機械。采用兩臺小型單輪碾壓機分兩層碾壓墊層料以解決壓實度問題，單臺幅寬60 cm，激振力為15 kN，前部振動碾置于料斗內距地面20 cm處，用于碾壓深層墊層料，后部振動碾置于機架后部距地面40 cm處，用于碾壓表層墊層料；通過兩臺自帶驅動的單輪碾壓機實現施工機械調速自行走，改進為機械驅動自動行走方式使得該機械可以與邊墻擠壓機拉開作業(yè)距離、便于使用機械上料以提高施工效率。第二代同步施工機械設計情況見圖4。

圖4 第二代同步施工機械設計圖

4.2 現場試驗內容及步驟

改進后的機械在四川省某面板堆石壩現場進行了試驗段施工測試，其內容包括墊層料分層碾壓施工、墊層料碾壓質量評價、邊墻墊層料交界處密實度檢測，具體步驟為：

利用擠壓邊墻機擠壓出成型邊墻，將分層碾壓機調運至邊墻試驗段一端，使用液壓調節(jié)器將裝置兩側的車輪高度根據場地狀況進行調節(jié)，調整擋板使其貼合邊墻內側以避免墊層料和邊墻結合面處出現脫空，利用挖掘機鏟斗將墊層料填入分層碾壓機投料口中，依靠振動碾壓的反作用力以及人工拖拽的方式驅動機械向前行走。

將試驗區(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墊層料壓實質量的影響。施工完成后，對墊層料密實度采用灌水法進行校核；采用超聲波檢測儀器檢測邊墻與墊層料交界處是否存在脫空。

4.3 試驗段施工效果評價

(1)墊層料壓實度。在Ⅰ、Ⅱ試驗段分別選取3個測點，每個測點間隔1 m，分別進行淺層、深層墊層料的灌水法測試，淺層墊層料灌水測試結果見表3，深層墊層料灌水測試結果見表4。對比兩表可知：分層碾壓機對下層振動壓實時其上層振動的同時會向下傳遞壓實能量，使深層墊層料較同位測點淺層墊層料更密實，且其干密度能夠達到標準值2.4 g/cm3。對比Ⅰ、Ⅱ段試驗結果可知：Ⅱ段碾壓速度較慢，使單位面積墊層料的振動壓實時間長，壓實效果更好。由此可知：分層碾壓機能夠有效解決深層墊層料難以壓實的問題。

表3 淺層墊層料灌水測試結果表

表4 深層墊層料灌水測試結果表

(2)墊層料與邊墻結合面檢測。將擠壓邊墻8 m試驗段進行網格劃分，網格尺寸為20 cm×10 cm，連續(xù)5個網格作為一個測試組，總共2行6列，12個測試組。

對測試組以“行號-列號”形式編號通過超聲波成像儀器得到檢測圖像，所有超聲波測試圖像均顯示為壓實度良好，表明經分層碾壓后墊層料和邊墻結合程度較好，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質量。

5 結 語

利用墊層料同步分層碾壓機械實現了邊墻-墊層料一體化同步施工。通過現場試驗檢測了擠壓邊墻和墊層料同步攤鋪壓實質量。研究結果表明：邊墻澆筑和墊層料壓實質量滿足設計要求，擠壓邊墻和墊層料結合良好，促進了高質量、高效率施工，所取得的經驗可為今后類似工程提供參考。