堆石坝粗粒料施工参数研究

马玉华，高 垠，任建钦，徐 岩，解红军

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

1 概述

近代堆石坝发展的源头可以追溯到19世纪中叶，初期的堆石坝是将填筑材料由一定高度抛下（即抛填法）进行填筑，当时几乎见不到像目前这样用机械对堆石料积极碾压的情况。随着时代的发展，虽然粗粒料本身的材质有一些变化，但通过“机械压实”以确保粗粒料维持堆石坝稳定所需的抗剪强度已成为一种常识。为了经济地建设堆石坝，研究粗粒料施工参数则显得尤为重要。下面以尼尔基水利枢纽厂房与主坝连接体堆石料碾压为研究对象，对粗粒料施工参数进行研究。

尼尔基水利枢纽工程是嫩江干流上建设的以防洪及供水为主，结合发电、航运功能的第一座控制性水利工程。枢纽从左岸至右岸布置了左副坝、主坝、右岸河床式电站厂房、右岸岸坡开敞式溢洪道和右副坝，其中工程主坝为沥青混凝土心墙砂砾石坝，全长1 631.31 m；左副坝为粘土心墙土石坝，全长3 813.953 m。主坝、左右副坝均为1级建筑物。主坝与厂房坝段之间连接段总长79.10 m，包括翼墙、主坝沥青混凝土心墙扩大段和上、下游坝坡变坡段，桩号为3+115.80—3+194.90 m。翼墙为混凝土重力式，与厂房坝段连接侧为垂直面，与主坝连接侧边坡为1∶0.50和1∶0.70。为与翼墙坡度一致，在3+163.80 m以右范围内，坝壳料采用堆石填筑。根据要求,需进行天然含水率条件下的堆石料现场碾压试验,以研究堆石料的压实特性及达到设计要求的最佳施工参数。

2 研究内容和研究方法

对堆石料进行碾压试验，确定碾压机械、铺料方法、铺料厚度、碾压方法、碾压遍数、行车速度等经济合理的施工参数。

试验分五大场。其中三大场进行不加水碾压试验，3种铺料厚度为62.8，79.5，98.8 cm。根据3场碾压试验结果，初步确定铺料厚度和碾压遍数。然后，按初步确定的铺料厚度和碾压遍数再进行两大场分别为加水和不加水的碾压试验，以复核初步确定的铺料厚度和碾压遍数的合理性和加水对压实效果的影响。每大场碾压试验进行3组密度试验和3组颗粒大小分析试验。复核试验进行3组密度试验。

试验操作按照DL/5129-2001《碾压式土石坝施工规范》和SL237-1999《土工试验规程》进行。密度试验采用试坑灌水法，试坑直径不小于试坑内试样最大粒径的3～5倍；颗粒大小分析试验采用筛析法。

3 场地布置

场地布置：长度方向总长30 m,中间10 m为试验段，两侧5 m和15 m作为停放车辆及错车用；宽度方向总长14 m，中间6 m为试验段，为防止碾压时产生侧向挤压，两端各延铺4 m。沉降量的测量、密度试验和颗粒大小分析试验的取样在面积为10 m×6 m的范围内进行，其中均匀布置25个沉降测量点，点间间距长度方向2.5 m，宽度方向1.5 m。

4 试验步骤

1）正式铺料前，首先进行场地碾压。碾压遍数不少于20遍，压实密度大于设计标准，然后在其上进行碾压试验。

2）铺料。采用进占法铺料，然后用推土机按要求的铺料厚度推平。

3）布置沉降测量点。按试验场地布置方案，静碾两遍后，在试验段内用铁钉和红布条布置25个沉降测量点，并测量每个测点的起始高程。

4）碾压。碾压试验使用徐州工程机械制造厂生产的自行式振动碾，振动碾型号：CA25D；产品编号97149；工作质量为13.5 t。碾压过程中行驶速度不超过2.0 km/h。振动碾在施工单位编号为Y01。碾压遍数按一进一退算2遍计算。全场均进行碾压，各碾迹之间搭接10～20 cm。每碾压2遍测量一次沉降量，碾至沉降量基本没有变化时，碾压结束。沉降量测量由中水一局负责进行。

5）碾压结束后，按SL237-1999规程在试验段用试坑灌水法检测最终碾压遍数下的压实密度。试坑直径为试坑内试样最大粒径的3～5倍。密度试验进行3组，取其算术平均值。用密度试验料做颗粒大小分析试验。

6）绘制沉降率、干密度、孔隙率与碾压遍数关系曲线。

7）计算干密度。由于压实密度与沉降率密切相关，据此，此次试验采用按沉降率推求干密度的方法计算干密度，即根据测得的最终碾压遍数下的干密度值及各碾压遍数下的沉降量，推求各碾压遍数下相应的干密度值。

8）根据设计控制指标和试验结果，确定经济合理的铺料厚度和碾压遍数。

9）根据以上碾压试验确定的施工参数，进行复核试验。

5 试验成果分析

1）铺料厚度62.8，79.5，98.8 cm等3场碾压试验的累计平均沉降率（i）均随着碾压遍数（N）的增加、铺料厚度的增大而增大。碾压遍数达到12遍左右时，沉降率曲线趋向平缓的趋势。由此可以认为此次试验铺料厚度62.8，79.5，98.8 cm 等3场测得的碾压遍数 12～14遍下的累计平均沉降率接近最大值，相应为5.91%，8.11%和10.73%。

2）3种铺料厚度下，干密度亦随碾压遍数的增加而增大，在同一碾压遍数下干密度则随铺料厚度增大而减小。这说明，要求干密度一定时，铺料厚度大，所需的碾压遍数增多，当碾压遍数达到一定数量后，干密度与碾压遍数关系曲线趋向于平缓。在此次试验62.8，79.5，98.8 cm等3种铺料厚度下，碾压遍数达到12遍后，干密度随碾压遍数的增加变化很小。因此，可以认为，所测得的相应3种铺料厚度的密度值2.24，2.20和2.18 t/m3接近最大值。

3）不同铺料厚度下，孔隙率均随碾压遍数的增加而减小。在同一碾压遍数下，则随铺料厚度的增大而增大。铺料厚度62.8，79.5，98.8 cm下，相应测得的最大孔隙率值为18.25%，21.21%和 22.05%。

4）铺料厚度62.8，79.5，98.8 cm达到设计密度2.15 t/m3的碾压遍数分别为2遍、6遍和10遍。考虑到上述铺料厚度为62.8 cm时有2遍14 t振动碾碾压的情况，该铺料厚度时的碾压遍数应适当增加。

5）两大场复核试验的铺料厚度分别为78.0 cm和88.1 cm。前者为不加水碾压，后者为加水碾压，加水量约为铺料总重量的10%。在同样碾压8遍的条件下，加水比不加水碾压的干密度大0.01 t/m3，沉降率反而小0.04%。由于试验是在两个场次分别进行，铺料厚度及级配条件可能有所不同，但所得结果仍可说明，该堆石料加水进行碾压的压实效果并不显著。

6 结语

1）各场次取样试验得出堆石料的Cu＞15，dmax≤60 cm，小于5 mm颗粒含量在10%～25%之间，小于0.1 mm的颗粒含量小于3%，颗粒大小分析曲线基本处在设计包络线内。因此，试验用料各项指标满足设计要求。

2）累计平均沉降率（i）均随着碾压遍数（N）的增加而增大，且随铺料厚度增大而增大；干密度（ρd）和孔隙率（n）随碾压遍数（N）的增加而增大，在同一碾压遍数下随铺料厚度的增大而减小。各指标间的相互规律较好。

3）当干密度指标一定时，铺料厚度增大，所需的碾压遍数增加。为达到设计干密度为2.15 t/m3，在铺料厚度为62.8，79.5和98.8 cm时，可将分别为4遍、6遍和8遍的碾压遍数作为制定施工计划之用。

4）试验用堆石料加水碾压与不加水碾压的压实效果差异不大，施工中可暂不考虑洒水碾压。