混凝土面板砂砾石坝现场碾压试验和大型相对密度试验研究

吐尔洪·吐尔地

(新疆卡拉贝利水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什　844000)



混凝土面板砂砾石坝现场碾压试验和大型相对密度试验研究

吐尔洪·吐尔地

(新疆卡拉贝利水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什844000)

【摘要】本文首先对卡拉贝利工程中混凝土面板砂砾石坝筑坝材料进行了现场碾压试验，在选定施工机械(SR22MP自行式振动碾)和振动参数(激振频率28～32Hz，行进速度2.63～8.6km/h)后,研究了铺料厚度、碾压遍数、加水量等因素对碾压干密度的影响规律，并根据试验结果确定了大坝碾压施工控制参数。然后采用振动台法，对不同含砾量的筑坝砂砾料进行了大型相对密度试验，确定了不同相对密度下的含砾量P5与干密度Pd的关系曲线，为确定设计参数和碾压施工控制提供了坚实的科学依据。这些成果不但直接为卡拉贝利工程混凝土面板砂砾石坝的设计和施工提供了科学支撑，对其他类似工程也有重要参考价值。

【关键词】混凝土面板砂砾石坝；碾压试验；相对密度

1概述

新疆卡拉贝利水利枢纽工程位于新疆克孜勒苏柯尔克孜自治州乌恰县境内,东距喀什约165km,北距乌恰县城约70km,距乌鲁木齐约1606km,交通便利。工程以防洪、灌溉为主,兼顾发电，主要由拦河大坝、溢洪道、两条泄洪排沙洞、发电引水洞及电站厂房组成。水库正常蓄水位1770.00m,总库容2.62亿m3,电站装机容量3×23.33MW,为Ⅱ等大(2)型工程，大坝为Ⅰ级建筑物。拦河大坝为混凝土面板砂砾石坝,坝顶高程1775.50m，最大坝高92.5m，坝长760.7m，大坝宽高比8.2，为典型的宽河谷地形大坝。坝顶宽度12m，上游坝坡1∶1.7,下游坝坡1∶1.8,在下游坡设宽10m、纵坡为6%的“之”字形上坝公路。面板坝各填筑分区利用砂砾料的主要有上游砂砾石盖重料、垫层小区料、垫层料、坝体砂砾料、排水料、利用料区、反滤料、排水棱体。

工程区地质条件复杂，区域稳定性差。工程区处于帕米尔、南天山隆起和塔里木坳陷三大新构造单元的交汇地带，区域内有南天山地震带、帕米尔地震带和西昆仑地震带三个地震带,是新构造运动与变形最为强烈的地区之一。据100多年记载,这三个地震带地震活动一直很活跃,曾记录有8.25级地震1次,6.0～7.5级地震几十次。近场区重要的地震构造有卡兹克阿尔特断裂、乌恰断褶带和木什背斜北缘逆断层带。南天山地震带、帕米尔地震带和西昆仑地震带共同构成了复杂的地震带地质背景新构造运动,地震频发，坝址区地震基本烈度为Ⅷ度强。根据国家地震局工程研究中心《新疆卡拉贝利水利枢纽工程场地地震安全性评价报告》，工程场地50年超越概率10%、2%和100年超越概率5%、2%的基岩地震动水平向峰值加速度分别为252.5gal、375.1gal和358.9gal、424.4gal。卡拉贝利混凝土面板砂砾石坝的抗震安全性是工程建设的突出问题，因此保证大坝的施工质量十分重要，是基本的抗震工程措施。

为此，首先对卡拉贝利混凝土面板砂砾石坝筑坝材料进行了现场施工碾压试验，在选定施工机械(SR22MP自行式振动碾)和振动参数(激振频率28～32Hz，行进速度2.63～8.6km/h)后,研究了铺料厚度、碾压遍数、加水量等因素对碾压干密度的影响规律，并根据试验结果确定了大坝碾压施工控制参数。然后采用振动台法，对不同含砾量的筑坝砂砾料进行了大型相对密度试验，确定了含砾量P5与最大干密度的关系曲线，为确定设计参数提供了坚实的科学依据。这些成果不但直接为卡拉贝利混凝土面板砂砾石坝的设计和施工提供了科学支撑，对其他类似工程也有重要参考价值。

2碾压试验方案

2.1试验设备和场地布置

本次选定的碾压机械为型号SR22MP的自行式振动碾,滚筒自重9.58t,宽度2000mm，驱动轮分配质量10500kg,钢轮总作用力22000kN,激振频率28～32Hz，行进速度2.63～8.6km/h,现场渗透试验采用渗透双环法。根据选定的碾压机械选取60cm、80cm、100cm三种铺料厚度进行碾压试验。试验场地面积为42m×110m=1800m2,根据铺料厚度划分三个试验区域，每个区域长20m、宽42m，各铺料厚度区域之间采用10m宽过渡带平缓过渡,每个试验区域选用8遍、10遍、12遍三种不同碾压遍数和加水6%划分为4个小区,每个区域宽度为6m。

2.2试验用料

碾压试验用料按照招标文件规定从指定料场开采，1.8m3挖掘机装车,20t自卸车运输至碾压试验场地,试验前对开采料进行颗粒级配检测,对满足设计要求的材料进行碾压试验。

2.3试验步骤

用全站仪在上述划分的区域内按照2m×3m方格网布设测点，用水准仪测量铺料厚度和碾压后的厚度。采用进占法卸砂砾料,220马力推土机平料,铺料过程中用带刻度的尺杆初步控制铺料厚度，随后用水准测量虚铺厚度,人工配合机械整平,厚度误差控制在±5cm以内。铺料平整好以后,用全站仪按照方格网布设测点并标记,用精密水准仪测出布置测点的松铺厚度。采用全磙进退法碾压,一来一回算两遍,换磙时两碾迹之间搭接20cm。振动碾行进速度控制在3.0km/h以内，振动频率保持在30Hz左右,振幅保持在1.7mm左右。碾压完毕后，用全站仪恢复先前测放的方格网点,以白灰标示,用精密水准仪测量碾后高程,以确定压实厚度和沉降量。取样用人工挖坑,坑径控制在最大粒径的3～5倍且试坑直径大于1m，用灌水法检测干密度,灌水用塑料薄膜厚度为0.05mm。试验组合、填筑料碾压,分别选三种不同铺料厚度(60cm、80cm、100cm)、三种不同碾压遍数(8、10、12),以不加水与加水量(6%)进行对比试验，确定出碾压机具对应的最佳碾压遍数、铺料厚度等参数。在进行最佳参数试验的同时,进行室内相关的物理性能试验,以确定填筑料的物理性能指标。

3试验结果及分析

通过现场试验以及室内试验手段获得了卵石密度、碾压前级配、碾压后级配、含水量、干密度、砾石含量、最大干密度、最小干密度、相对密度、渗透系数等参数值。下面对以上参数的试验结果进行分析。

3.1碾压试验级配结果分析

根据试验测定成果,绘制颗分级配曲线图(见图1)，并计算出不均匀系数和曲率系数(见下表)。根据碾压前与碾压后级配曲线变化,分析试验料碾压后的破碎情况。

图1　砂砾料碾压前后级配变化曲线

级配参数碾压前铺 料 厚 度/cm60801008遍10遍12遍8遍10遍12遍8遍10遍12遍不均匀系数Cu218.75178.57205.26184.21163.16156.00204.55167.74189.47177.78曲率系数Cc6.433.919.528.927.179.8510.115.888.0111.11

通过碾压现场目测,砂砾料碾压后无粉状破碎,从图1中看到碾压前后级配线基本无明显变化。碾压前碾压后小于5mm含量为17.83%～32.94%；小于0.075mm含量为2.36%～4.10%。从上表看到曲率系数为3.91～11.11(规范要求曲率系数1～3)；不均匀系数为156～218.75,均大于5.0。

3.2碾压试验结果分析

从图2～图4结果看,砂砾料铺料厚度60cm、80cm、100cm,碾压8遍、10遍、12遍,随着碾压遍数增加，干密度增大，铺料厚度增加，干密度降低，符合碾压的基本规律。随着碾压遍数增加,沉降量变化不大,这是由于采用进占法上料时,自卸汽车卸料、推土机平料过程中对填筑料浅表产生碾压效果。试验中将具有代表性的砂砾料进行了室内岩块密度检测,作为评价坝料碾压后密实性能的参考,砂砾料岩块密度检测结果为2.67g/cm3。

图2　不同铺层厚度下碾压遍数与沉降量的关系

图3　不同碾压遍数下铺料厚度与干密度的关系

图4　不同铺层厚度下碾压遍数与干密度的关系

一般来说，一定铺层厚度下，碾压后干密度随碾压遍数的增加而增加，此次试验结果也表现出这样的规律。碾压试验的目的，就是根据不同铺层厚度下的干密度随碾压遍数的变化曲线，以及出现的拐点情况并结合设计提出控制相对密度，确定在选定的施工机械和振动参数下经济合理的碾压控制参数：铺层厚度和碾压遍数。

由图3可见，在铺层厚度60cm时，起始干密度随碾压遍数的增加而增加，在碾压10遍时干密度达到最大，而后随碾压遍数提高而降低；在铺层厚度80cm时，干密度随碾压遍数的增加而明显增加，但在10遍后出现拐点，碾压遍数对干密度的提高影响开始不明显，12遍与10遍干密度相差不大；铺层厚度为100cm时，在12遍之前，碾压遍数对干密度提高的影响一直比较明显，没有出现拐点。

从试坑结构看,上述各种试验工况的上、下料的分布比较均匀,无明显大料集中及架空现象,碾压后砂石结合均匀、密实。结合取样结果及试验区砾石含量试验结果分布情况,砾石含量分布未出现有规律的分区分布,砾石含量符合C3料场复查结果,无明显变化,说明卸料、摊铺工艺合理。

3.3碾压加水试验

根据砂砾料碾压试验方案进行加水量6%的试验。首先采用水罐车现场加水,第一次加水2%，砂砾料表面出现明流,渗透1h后进行查看,渗水深度为15cm。接着进行第二次加水2%。通过两次加水共计加水4%,在两次加水完毕2h后查看，渗透深度为40cm。

在碾压试验现场取全料进行人工加水拌和试验,每次加水2%后进行拌和,在累计加水4%后,砂砾料出现明流,说明C3料场砂砾料在加水4%后基本达到饱和。

加水对比试验表明：ⓐ加水不能及时渗透,只能加至表层,不能满足高强度的机械化施工需要；ⓑ现场加水拌和试验表明，砂砾料只能加水至4%,加之不加水就能满足相对密度Dr≥0.85要求,考虑2014年至2016年冬季砂砾料填筑继续施工等因素,建议取消砂砾料加水程序,采用C3料场开采砂砾料直接上坝。

4大型相对密度试验

对于砂砾石料，大坝填筑设计密度一般采用相对密度进行控制，因此还需要进行配套的大型相对密度试验。采用振动台法，对筑坝砂砾料进行了大型相对密度试验，确定了含砾量P5与最大干密度的关系曲线，为设计参数确定提供了坚实的科学依据。

从试验结果来看，砾石含量的范围为67.40%～84.20%；碾压前后对颗粒级配进行了对比,试验结果显示碾压前后级配变化不大(见60页表)；室内相对密度试验共7组，最大干密度采用振动台法测定,最小干密度采用人工松填测定。试验所用料为200mm以下全料,超径料用等量替换法替换,从试验结果来看,最大值出现在砾石含量72%(见图5)。图5显示,对于最大干密度试验，含砾量在72%时，最大干密度达到最大值2.45g/cm3。相对密度85%时，对应干密度为2.36g/cm3。

图5　砂砾料P5- ρd-Dr关系曲线

根据上述不同含砾量下的相对密度试验曲线，结合碾压试验取样得到的碾压干密度和相应颗粒分析试验结果，可以得到不同铺层厚度下相对密度随碾压遍数变化的规律。对于铺料厚60cm，8遍Dr=0.85～1.15，10遍Dr=0.95～1.17,12遍Dr=0.96～1.06；对于铺料厚80cm，8遍Dr=0.86～0.9,10遍Dr=0.9～0.98,12遍Dr=0.88～1.05；对于铺料厚100cm，8遍Dr=0.72～0.88,10遍Dr=0.88～0.94,12遍Dr=0.93～1.10。对于设计提出的不同填筑控制相对密度0.85要求，上述碾压工况只有铺料厚100cm碾压8遍条件下满足设计要求。

由于铺层厚度60cm太小，碾压效率不高，除非迫不得已，一般工程不会采用。对于铺层厚度100cm,碾压12遍，仍然没有出现拐点，碾压遍数太多也影响施工效率，一般工程也很少采用。对于铺层厚度80cm，在10遍时出现拐点，相对密度也满足设计要求，因此对于选定的施工机械(SR22MP自行式振动碾)和振动参数(激振频率28～32Hz，行进速度2.63～8.6km/h)，可以确定铺层厚度80cm及碾压遍数10遍为比较经济合理的施工碾压参数。

5结论

a.在选定的施工机械(SR22MP自行式振动碾)和振动参数(激振频率28～32Hz，行进速度2.63～8.6km/h)条件下，对于铺层厚度60cm，起始干密度随碾压遍数的增加而增加，在碾压10遍干密度达到最大，而后反随碾压遍数提高而降低；对于铺层厚度80cm，干密度随碾压遍数的增加而明显增加，但10遍以后，碾压遍数对干密度的提高影响开始不明显，12遍与10遍干密度相差不大；对于铺层厚度100cm的情况，在12遍之前，碾压遍数对干密度提高的影响一直比较明显。

b.试验表明：碾压前后的颗粒级配变化不大,是否加水对压实效果的影响不明显。不加水进行振动碾压能够满足工程需求。

c.含砾量在P5=72%时，最大干密度达到最大值2.45g/cm3。对于相对密度Dr=85%相应的干密度在含砾量72%时，干密度值为2.36g/cm3。

d.通过综合比较，对于选定的施工机械(SR22MP自行式振动碾)和振动参数(激振频率28～32Hz，行进速度2.63～8.6km/h)，确定铺层厚度80cm及碾压遍数10遍为经济合理的施工碾压参数。

参考文献

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Research on site rolling compaction test and large-scale relative density test on concrete panel sand-gravel dam

Tuerhong Tuerdi

(XinjiangKalabeiliWater-controlProjectConstructionAdministration,Kashgar844000,China)

Abstract:In the paper, site rolling test is implemented on the materials of concrete panel gravel dam firstly in Kalabeili Project. After construction machinery (SR22MP self-propelled vibration roller) and vibration parameters (excitation frequency of 28～32Hz, running speed of 2.63～8.6km/h) are selected, the influence law of spreading thickness, compaction times, water dosage and other factors on rolling compaction dry density are studied. Dam rolling compaction construction control parameters are determined according to the test results. Then, vibration table method is adopted for large-scale relative density test on dam sand-gravel material with different gravel contents. Relationship curves between gravel content P5 and dry density Pd under different relative densities are determined, thereby providing solid scientific basis for determining design parameters and rolling compaction construction control. The results not only can directly provide scientific support for designing and constructing concrete panel sand-gravel dam in Kalabeili Project, but also has important reference value for other similar projects.

Key words:concrete panel sand-gravel dam; rolling compaction experiment; relative density

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.06.017

中图分类号：TV642

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2016)06- 0058- 06