青海大通河纳子峡水电站堆石坝碾压参数试验研究

王俊武，崔金良

（中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810007）

0 引言

面板堆石坝是土石坝的主要坝型之一。自1895年美国54 m 高莫拉混凝土面板堆石坝建成以来，面板堆石坝的建设得到了飞速的发展，其设计水平和筑坝技术都取得了显著进步。 特别是近30 年来，大量高面板堆石坝的建设，充分体现了它在安全性、适用性和经济性等方面的巨大优势。 目前，面板堆石坝已成为世界上高坝建设的三大坝型之一。截至2011年，我国已建成坝高30 m 以上的混凝土面板堆石坝150 余座，其中100 m 以上的有40 余座[1]。 实践证明，在堆石坝施工过程中，采取碾压参数和干密度检测、进行“双控”，是确保大坝填筑工程质量、避免后期不均匀沉降的关键环节[2]。 天然砂砾石具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性，近年来被广泛用作水电站混凝土面板堆石坝的主要填筑材料。 笔者结合青海大通河纳子峡水电站混凝土面板堆石坝工程实际，对于砂砾石料填筑的碾压参数进行了生产性试验研究，确定了最优碾压参数（铺料方式、行车速度、碾压遍数及铺料过程中的加水量等），以期为类似工程确定和优化填筑施工工艺、探索层间填筑良好结合的最佳施工方法提供科学依据。

1 工程概况

纳子峡水电站位于青海省东北部门源县燕麦图呼乡和祁连县皇城乡的交界处，地处大通河上游末段。 工程规模为二等大（2）型，主要建筑物包括混凝土面板堆石坝、右岸溢洪道、左岸放空泄洪洞、左岸引水发电洞、发电厂房、升压站等。 水库正常蓄水位EL3201.50 m，最大坝高121.5 m，总库容7.33 亿m3，总装机容量87 MW。 该坝体自上游至下游分别为碎石土盖重（1B）、上游壤土铺盖（1A）、面板（F）、垫层区（2A）、周边缝处特殊垫层区（2B）、主堆砂砾料区（3B1）、主堆砂砾料区（3B2）、排水区（3F）以及下游坝面砌块石护坡（3D）（图1、图2）。 坝体总填筑量为507 万m3。

图1 纳子峡大坝横剖面示意图Fig.1 Nazixia dam cross section

图2 趾1和2趾板周边缝填料细部示意图Fig.2 Toe 1～toe 2 toe board rim padding details

2 现场生产性碾压试验

2.1 试验场地准备

根据大坝填筑的实际进度以及排水料、垫层料筛分进度，前期3B1、3B2、3F 区填料碾压试验场地拟选择在大坝基坑下游侧靠左岸排水棱体料填筑范围内，2A、2B、3F 区填料试验场地拟选择在3B2 料填筑范围内。 依据杨生栋、崔金良、董忠等文[3]中关于3B1、3B2 料特性的论证，砂砾料只取单组数据。

（1）碾压试验场地按大坝基础面和岸坡基础处理要求进行处理、验收。

（2）先在地基上铺一层试验料，压实到设计标准，并满足场地平整度及密实度要求（表面不平整度小于10 cm，密实度大于设计坝料干密度）。

（3）通过现场测量，划分出24.9 m×70 m 的砂砾石料实验场地。 在实验场地中间，布置4 组试验区，每组试验区又分成3 个6.3 m×10 m 的试验单元，每个单元布置成2 m×1.5 m 方格网，以测量压实沉降量、压实后的干密度、含水率及颗粒级配、相对密度、渗透系数，从而确定现有压实机械达到设计填筑标准的压实参数，包括铺料方式、铺层厚度、碾压遍数。 由于碾压时产生侧向挤压，试验区两侧垂直行车方向留出5 m 作为非试验区。铺料时，试验区周边分别向外扩3 m，并在场外布置运料道路。

（4）试验场地配置1 台15 t 洒水车待命，以满足试验过程中的用水需要。

2.2 试验用料

试验用料砂砾料（3B1）最大粒径为400 mm，料径小于5 mm 的颗粒含量占16%～28%，小于0.075 mm 的颗粒含量占2%～6%，级配连续，且在砂砾石料级配包络曲线范围之内。

2.3 场次布置

碾压试验共4 场次，每1 场次12 个组合。碾压试验场次如表1 所示。 每场次碾压试验使铺料含水率为5%或不洒水。试验布置如图3～图6 所示，试验区测点布置如图7 所示。 图中，b 为松铺厚度、n 为碾压遍数、s 为洒水量。

表1 现场生产性碾压试验场次表Table 1 Field productive rolling experiment schedule

图3 垫层料（2A）试验布置图Fig.3 Bedding material (2A) experiment layout

图4 特殊垫层料（2B）试验布置图Fig.4 Special bedding material (2B) experiment layout

图5 砂砾石（3B1）料试验布置图Fig.5 Sand gravel material (3B1) experiment layout

图6 排水料（3F）试验布置图Fig.6 Draining water material (3F) experiment layout

图7 试验测点布置图Fig.7 Experiment measuring point layout

3B1 砂砾石料、排水棱体料碾压试验于2011 年8月25 日～8 月28 日进行，2A、2B、3F料碾压试验于2011 年9月20日～9月23日进行。

3 碾压试验结果分析

3.1 沉降试验

通过测量表面预埋垫块的沉降量 （如图8 所示）可知：当25 t 振动碾碾压2 遍、4 遍、6 遍时，实验区沉降量相对较大；但碾压8 遍时，沉降量明显变小，而碾压10 遍时，沉降量虽继续减小，不过，与碾压8 遍时相差甚微。 这表明10 遍为最大可碾压遍数。

表2 3B1砂砾石料现场碾压实验颗粒通过比例%Table 2 3B1 gravel sand field rolling experiment particles pass ratio (Unit: %)

3.2 颗粒分析试验

3B1 砂砾石料现场碾压实验颗粒分析数据如表2 和图9 所示。

图8 试验区沉降量（m）Fig.8 Experiment site settling volume (Unit: m)

表2 所列的粒分析试验结果显示：当铺层厚度为80 cm 或60 cm 时，不论加水与否，碾压6 遍、8遍或10 遍时，直径小于5mm 的颗粒含量均满足16%～28%的设计要求，而直径小于0.075 mm 的颗粒含量均不满足2%～8%的设计要求。

图9 3B1砂砾石料碾压实验颗粒级配分布曲线Fig.9 3B1 Gravel sand rolling experiment grain composition distribution curves

3.3 砂砾石料含水率试验

3B1 砂砾石料碾压含水率实验数据如表3 所示。

表3 所列的试验检测数据表明：6 遍碾压区干密度及相对密度不满足设计指标。 碾压8 遍和10遍时，不论加水与否，其干密度及相对密度均满足设计指标。

3.4 试验结果

综合上述3 个实验结果可知： 碾压8 遍或10遍时，除直径小于0.075mm 的颗粒含量不满足设计要求外，其他各项参数均满足设计要求。 所以，依据袁光裕提出的铺层厚度、压实遍数、最优含水量和最大表干密度的关系曲线和非黏性土的不同铺土厚度、相对密度与压实遍数关系曲线[4]，综合现场碾压试验结果（如表2 所示），并考虑到工程施工成本和工程施工进度因素，选定碾压参数为8 遍、加水，具体如表4 所示。 依据施工规范[5]，冬季施工时，为达到设计要求的密实度要求，需减小铺层厚度，增加碾压遍数。 所以，冬季施工时，铺层厚度定为60 cm，碾压参数定为10 遍，不加水。

4 结语

通过青海大通河纳子峡水电站混凝土面板堆石坝砂砾石料碾压参数的试验研究，可得出以下结论。

表3 3B1砂砾石料碾压含水率实验数据Table 3 3B1 gravel sand rolling moisture content experiment data

表4 砂砾石料填筑施工控制参数Table 4 Gravel sand filling construction control parameters

（1）为保证砂砾石料填筑达到理想的质量效果，首先应控制砂砾石料填筑最大粒径，使之符合设计规定，并满足级配优良要求。

（2）根据试验结果，并遵循便于施工的原则，本工程砂砾石料填筑铺料厚度应控制在80 cm 左右（冬季不超过60 cm），并采用25 t 汽车振动碾碾压，行走速度小于3 km/h，碾压遍数在8 遍以上（冬季不低于10 遍）。 周边缝区铺料厚度应控制在40 cm 左右（冬季不超过60 cm），用18 t 汽车振动碾碾压，碾压遍数在8 遍以上，并保证坝面铺料及碾压后平整。

（3） 由于砂砾石料的碾压压实效果与其含水率有着密切关系，在碾压前，应给砂砾石料进行适当加水（加水量体积比不少于5%，最好达到10%），以增加颗粒及石块间的润滑和黏结作用，提高砂砾石料的压实效果。

（4）确定并采取了最优碾压参数，不但确保了工程质量，而且保证了施工进度，降低了施工成本，为类似工程施工参数的选择提供了有益借鉴。

[1] 李力. 混凝土面板堆石坝技术交流文集序//[C]陕西水力发电学会.混凝土面板堆石坝技术交流文集.2011：序1.

[2] 洪维元，刘敦高.面板堆石坝填筑干密度检测探讨[J].人民长江，2000,31（10）：21-23.

[3] 杨生栋,崔金良,董忠,等.纳子峡砼面板砂砾石坝坝料特性试验研究及工程应用[J].水利水电施工,2012（3）：31-36.

[4] 袁光裕. 水利工程施工[M]. 北京: 中国水利水电出版社,2006:122-124.

[5] DL/T5128-2009.混凝土面板堆石坝施工规范[S].