重型振動碾碾壓堆石壩沉降量研究與分析

劉俊宏，王吉朝

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530023；2.中國水利水電第三工程局有限公司勘測設(shè)計研究院，西安 710024）

1 工程概況

老撾南公1水電站位于老撾南部阿速坡省南公河上，是老撾、越南、柬埔寨三國交界區(qū)域，該工程是以發(fā)電為主，兼顧旅游、防洪及灌溉為一體的綜合性水利樞紐，正常蓄水位320.00 m，庫容6.33×108m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。工程為二等大（2）型工程。電站裝機(jī)容量為160 MW，保證出力為55.17 MW，多年平均發(fā)電量為6.33×108kW·h。壩軸線全長409.946 m，最大壩高90 m，壩頂寬度8.8 m，大壩面板厚度為0.3～0.62 m。上游壩坡1∶1.4，在270.00m高程以下設(shè)計蓋重，壓重體邊坡1∶1.75、1∶2.5；下游壩坡1∶1.35，共設(shè)二級馬道，馬道高差30.0 m，馬道寬度均為4.0 m。

2 監(jiān)測儀器布置及沉降分析

2.1 監(jiān)測儀器布置情況

根據(jù)《土石壩監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5259-2010）要求，結(jié)合南公1水電站的結(jié)構(gòu)特點，在壩體內(nèi)部共計布置3 個垂直、水平位移監(jiān)測斷面（壩0+227.659 m、壩0+143.659m 及0+323.659 m），在監(jiān)測斷面內(nèi)分層（270.85 m 高程、300.85 m 高程）布置水管式沉降儀，引張線式水平位移計，監(jiān)測內(nèi)部垂直、水平位移計壩體沉降，測點數(shù)為：270.85 m 高程布置1 套5測點式，300.85 m 高程各斷面布置1 套3 測點式，在下游壩坡修建壩后觀測房，將儀器引入觀測房內(nèi)，并在觀測房頂部位設(shè)置觀測沉降變形觀測點（如圖1所示）。

圖1 南公1水電站大壩沉降監(jiān)測B-B斷面布置圖

2.2 壩體最大沉降量監(jiān)測資料分析

填筑施工期，隨著大壩填筑的不斷升高，壩體自重增加，累計沉降變形也逐漸加大，且前期發(fā)展較為迅速，后期緩慢增長；并且填筑速率越高，沉降速率越快，在此期間的累計壓縮率也較大，說明大壩變形過程明顯，流紋巖堆石體處于變形壓縮狀態(tài)[1]。大壩于2019年11月27日填筑完成，2020年4月3日開始大壩面板混凝土施工。期間270 m高程的最大沉降為87.70 mm，300 m高程最大沉降28.30 mm，壓縮率分別為0.29%，0.09%。

大壩填筑完成后，不再增加外界負(fù)荷，自重保持恒定，壩體開始處于平穩(wěn)沉降階段，沉降速度和變形趨勢減緩且變化減小，后期壓縮率最大為0.31%，大壩已逐漸趨于穩(wěn)定。最大沉降量位于壩體中部，這是由于大壩底部堆石體承受的荷載最大，但承受的可壓層厚度較小。相反，堆石體上部承受的荷載相對下部要小，但承受的可壓層厚度較大；這種組合關(guān)系使得大壩在中部的荷載與可壓層厚度相對適中，最大沉降在壩體中部表現(xiàn)明顯。壩體內(nèi)部最大累計沉降為87.70 mm，且在大壩軸線上，沉降量為整個壩高的0.09%。典型斷面壩體沉降隨時間變化關(guān)系曲線見圖2。

圖2 沉降隨時間變化關(guān)系曲線

3 壩體碾壓振動監(jiān)測試驗

3.1 碾壓振動監(jiān)測目的

（1）研究達(dá)到設(shè)計填筑標(biāo)準(zhǔn)的壓實方法，通過試驗和比較確定合適的碾壓施工參數(shù)，包括機(jī)械參數(shù)、鋪料厚度、碾壓遍數(shù)等。

（2）優(yōu)化土、石料填筑施工工藝，研究土、石料壓實質(zhì)量控制措施及質(zhì)量檢測的有效方法。

（3）對壩體的各填筑分區(qū)石料的鋪料方式、鋪料厚度、振動碾的類型及碾壓方式、碾壓遍數(shù)、碾壓速度、鋪料過程中的最優(yōu)加水量、壓實層的孔隙率、干密度、沉降量、壓實后級配等進(jìn)行試驗。結(jié)合現(xiàn)場堆石料的碾壓施工，現(xiàn)場初步擬定了監(jiān)測方案。上游主堆石區(qū)已填筑至EL.301.7 m，下游次堆石區(qū)已填筑至EL.297.3 m，上下游高差3 m。其中在上下游接合的部位存在寬度為1.3 m 左右的碾壓區(qū)域，碾壓薄弱區(qū)域主要依靠下游次堆石區(qū)在臨近上游坡面位置處振動碾的碾壓來實現(xiàn)密實。

3.2 碾壓振動監(jiān)測試驗原理

碾壓振動在散體介質(zhì)中的傳播及衰減規(guī)律受其孔隙率、密度、彈模等參數(shù)控制，為此可通過對比正常碾壓區(qū)和薄弱區(qū)在相同豎直向衰減距離處的碾壓振動峰值，以此來評價薄弱區(qū)的碾壓質(zhì)量。

3.3 碾壓振動監(jiān)測試驗方案

為保證碾壓振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，設(shè)計平行于壩軸和垂直于壩軸線2種振動監(jiān)測方案。

（1）振動碾平行于壩軸線工作，振動監(jiān)測點見圖3。

圖3 振動監(jiān)測儀器布置示意圖

（2）振動碾垂直于壩軸線工作。振動碾垂直于壩軸線工作，振動監(jiān)測點及振動碾工作路線布置見圖4。

圖4 測點及振動碾工作路線示意圖

（3）對比分析。通過對上述兩種方案進(jìn)行分析對比，得出兩種振動碾工作方案優(yōu)缺點比較，如表1所示。

表1 兩種振動碾工作方案優(yōu)缺點比較

通過上述兩種碾壓方案的優(yōu)缺點分析對比，最終監(jiān)測方案確定如下：以碾壓方案1碾壓完成后，再以碾壓方案2即垂直于壩軸線碾壓振動一次。在布置測點和確定振動碾試驗作用范圍時，利用RTK、白石灰等做好定點工作。

3.4 振動監(jiān)測試驗方案的實施

3.4.1 試驗場地

試驗場地結(jié)合大壩施工進(jìn)度，選在大壩300.0 m高程右岸側(cè)（如圖5 所示）。因觀測房施工，壩體需上下游分階段填筑，上游側(cè)不間斷填筑上升，下游側(cè)需要觀測房建造完成后開始填筑，其產(chǎn)生的臨時邊坡可以為本實驗創(chuàng)造合適的試驗條件。

圖5 試驗區(qū)域示意圖

3.4.2 試驗步驟

由于振動測試探頭需要埋設(shè)在碾壓區(qū)域內(nèi)，為保護(hù)探頭、保證監(jiān)測方向、結(jié)合緊密等，將探頭預(yù)制到混凝土試件中。混凝土試件為15 cm×15 cm×15 cm，標(biāo)號為C50，在混凝土達(dá)到強(qiáng)度后對探頭進(jìn)行功能測試，可以有效對振動進(jìn)行監(jiān)測。

試驗方案將鋪料及碾壓區(qū)域分成I1、I2、II1、II2、III、IV 和V，其鋪料及碾壓順序為：I1→II1→I2→II2→III→IV→V；測點布置1#～5#共5 個，每個測點監(jiān)測3個方向，其中1#、2#和3#布置在I1區(qū)域，4#和5#布置在II1區(qū)域。

3.4.3 振動碾及堆石料主要參數(shù)

振動碾型號為YZ32D，其主要工作參數(shù)見表2，試驗區(qū)域碾壓遍數(shù)均為10 遍，行駛速度不超過0.8 m/s。

表2 振動碾主要工作參數(shù)

試驗區(qū)域填筑料均為堆石料，主要為流紋巖，根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)性試驗，干密度為2.25～2.40 g/cm3，比重為2.58～2.62，孔隙率為8.40%～12.79%，自然吸水率為2.93%～4.87%，飽和吸水率為2.95%～5.01%，濕抗壓強(qiáng)度為52.5 MPa～126.2 MPa，平均為106.2 MPa，軟化系數(shù)為0.62～0.94，平均為0.82，屬硬質(zhì)巖。

堆石料填筑設(shè)計要求如下：最大粒徑不超過800 mm，小于5 mm的顆粒含量不宜超過20%，小于0.075 mm 的顆粒含量≤5%，含泥量≤5%，孔隙率≤22%，壓實干密度≥2.12 g/cm3。不均勻系數(shù)≥15，曲率系數(shù)為1～3。其填筑主要參數(shù)見表3。

表3 堆石料填筑主要參數(shù)

3.5 碾壓振動試驗

3.5.1 常規(guī)區(qū)碾壓試驗

根據(jù)試驗方案與現(xiàn)場施工進(jìn)度，在常規(guī)區(qū)埋設(shè)了1#～3#測點的探頭，并進(jìn)行鋪料及碾壓，測點及鋪料碾壓示意圖見圖6。

圖6 1#～3#碾壓試驗區(qū)示意圖

將各測點各碾壓遍數(shù)下的碾壓振動峰值進(jìn)行統(tǒng)計?？煽吹剑?#測點振動峰值明顯大于2#、3#測點，1#測點主要在10～20 cm/s，2#、3#測點主要在2～4 cm/s；且對于1#測點，Z方向振動速度峰值大于X、Y方向，但對于2#、3#測點，X方向振動速度峰值大于Y、Z方向。表明對于碾壓振動，正下方和斜下方振動有很大區(qū)別，不僅峰值大小相差較大，正下方比斜下方峰值要大得多；最大峰值方向也不相同，正下方上豎直向振動最大，斜下方上以垂直于振動碾行駛方向振動最大。

隨碾壓遍數(shù)的增加，各測點振動峰值波動較大，分析其主要原因，一是堆石料最大顆粒粒徑達(dá)80 cm，并不是均勻材料，即便密實度增加，對監(jiān)測點的振動峰值影響也較小，需要接著監(jiān)測更多數(shù)據(jù)；二是32 t 振動碾，在碾壓過程中，振動幅值并不穩(wěn)定，相對于碾壓層本身激勵荷載波動較大。

但在Z方向上，隨著碾壓遍數(shù)的增加，振動峰值呈先波動上升再趨于穩(wěn)定，正下方1#測點Z方向上當(dāng)碾壓遍數(shù)增加到6遍時，振動峰值從10 cm/s逐漸增加到17 cm/s，之后在17 cm/s上下波動；同樣的斜下方2#測點Z方向振動峰值從2.8 cm/s 增加到3.0 cm/s并趨于穩(wěn)定，3#測點Z方向振動峰值從2.5 cm/s增加到3.0 cm/s并趨于穩(wěn)定。

3.5.2 薄弱區(qū)碾壓試驗

薄弱區(qū)將在II2 層進(jìn)行鋪料碾壓時產(chǎn)生，在II2層碾壓時，利用測點2#和5#測點可監(jiān)測薄弱區(qū)的碾壓振動。根據(jù)施工進(jìn)度，進(jìn)行碾壓振動監(jiān)測。測點布置及碾壓區(qū)域范圍見圖7。

圖7 碾壓試驗區(qū)示意圖

試驗?zāi)雺簠^(qū)為2.1×10.0 m，其中測點右岸側(cè)4.0 m，左岸側(cè)6.0 m，振動碾首次從左岸側(cè)出發(fā)，時速大約在0.25 m/s。

將各測點各碾壓遍數(shù)下的碾壓振動峰值進(jìn)行統(tǒng)計?？傮w上5#測點峰值大于2#和3#測點，2#和3#測點峰值相近。5#相比于2#和3#測點波動較大，尤其是X方向和Y方向。其中2#測點代表薄弱區(qū)2層處碾壓振動，5#測點代表薄弱區(qū)1層處碾壓振動。

在Z方向上，2#測點峰值在9.05～10.48 cm/s，3#測點峰值在10.65～14.26 cm/s，5#測點峰值在22.64～31.40 cm/s。其中2#和3#測點峰值有隨碾壓遍數(shù)增加先上升再趨于穩(wěn)定的態(tài)勢，而對于5#測點這種規(guī)律不明顯。

3.5.3 碾壓質(zhì)量評價

將常規(guī)區(qū)與薄弱區(qū)分別在1層和2層的碾壓振動匯總，（見圖8）?？梢钥吹綗o論常規(guī)區(qū)還是薄弱區(qū)，1層下的碾壓振動均波動較大，且3條記錄之間均相差較大，常規(guī)1 層I1-1 的振動峰值均值為15.31 cm/s，而II1-4 振動峰值均值為20.76 cm/s；薄弱1 層峰值均值為27.69 cm/s。這表明1 層下碾壓振動峰值的影響因素較為復(fù)雜，隨機(jī)性大。相比于1.0 m 的鋪料厚度，最大顆粒粒徑為0.8 m 的堆石料填筑，將難以保證1層中堆石體的均勻性，對振動峰值影響較大。

圖8 常規(guī)區(qū)與薄弱區(qū)碾壓振動峰值對比

對于2 層處振動峰值，可以看到常規(guī)2 層和薄弱2層均表現(xiàn)良好的規(guī)律性，當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)6遍后，振動峰值趨于穩(wěn)定，且兩者相差不大，常規(guī)2 層7-10遍的振動峰值均值為9.35 cm/s，薄弱2層7-10遍的振動峰值均值為9.85 cm/s。那么從振動峰值的角度來說，薄弱區(qū)的碾壓質(zhì)量與常規(guī)區(qū)一致，是滿足質(zhì)量要求的。

3.6 碾壓振動監(jiān)測成果分析

（1）考慮到堆石料最大顆粒粒徑可達(dá)0.8 m，相對于1層的鋪料厚度1.0 m而言過大，難以假定1層堆石料材料均勻性，使1 層碾壓振動峰值規(guī)律較為復(fù)雜。且采用32 t振動碾，振動激振力大，在1層相對較薄的介質(zhì)中，其激振力偏差的影響也難以消除。故用1層下的碾壓振動不足以評價碾壓質(zhì)量的好壞。

（2）根據(jù)對比常規(guī)區(qū)和薄弱區(qū)2 層處的碾壓振動峰值，隨著碾壓遍數(shù)的增加，兩者之間的差值減小。常規(guī)2層7-10遍的振動峰值均值為9.35 cm/s，薄弱2 層7-10 遍的振動峰值均值為9.85 cm/s。那么從振動峰值的角度來說，薄弱區(qū)的碾壓質(zhì)量與常規(guī)區(qū)一致，是滿足質(zhì)量要求的。

4 壩體沉降量綜合分析

根據(jù)實際情況對壩體沉降量進(jìn)行監(jiān)測分析，得出如下結(jié)論：

（1）按照壩體內(nèi)部埋設(shè)的14套水管式沉降儀所測的的壩體沉降量來看，最大沉降量為87.70 mm，最大沉降率0.31%，在同等壩高壩中屬于壩體沉降量最小的面板堆石壩。

（2）通過碾壓振動監(jiān)測試驗成果表明，振動碾激振力越大，壩體堆石料碾壓密實性效果越好，故32 t 振動碾碾壓效果比26 t 振動碾碾壓密實度好，從而使壩體堆石間隙小，沉降量降低。

（3）通過碾壓振動監(jiān)測試驗表明：在高強(qiáng)度振動碾的碾壓條件下，隨著碾壓遍數(shù)的增加，振動頻率逐漸趨于穩(wěn)定值，說明32 t 振動碾激振力穿透性好，在深度為4.5 m 的情況下，振動峰值保持在4.66 cm/s。

上述三點表明，南公1水電站大壩壩體采用32t振動碾碾壓，提高了壩體碾壓密實度，降低了壩體填筑期間因施工造成的不均勻沉降，進(jìn)一步提高了填筑質(zhì)量。

5 結(jié)語

本文通過兩種不同方式的的壩體施工期沉降監(jiān)測，及對兩種監(jiān)測成果的方法分析與研究，得出了在重型振動碾條件下，碾壓如流紋巖等硬質(zhì)巖后、較低強(qiáng)度振動碾進(jìn)一步提高了壩體的碾壓密實度，提高了筑壩質(zhì)量。從結(jié)果分析來看，南公1水電站面板堆石壩整體沉降的沉降符合一般的變化規(guī)律，經(jīng)過與國內(nèi)外相近壩高的堆石壩沉降量相比，南公1 水電站堆石體碾壓質(zhì)量好，沉降量小。目前水庫已運行，壩體在水壓力、壩體堆石蠕動的共同作用較小，需根據(jù)后期的監(jiān)測資料及時加以分析，確保大壩安全穩(wěn)定運行。