前坪水库筑坝砂砾料现场碾压试验研究

皇甫泽华，张兆省，历从实，杨玉生

（1.河南省前坪水库建设管理局，450003，郑州；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

前坪水库筑坝砂砾料现场碾压试验研究

皇甫泽华1，张兆省1，历从实1，杨玉生2

（1.河南省前坪水库建设管理局，450003，郑州；2.中国水利水电科学研究院，100038，北京）

无序人工河道采砂导致前坪水库料场筑坝砂砾料级配范围变化大、离散性大，为进一步明确上坝料级配包线，科学确定碾压施工参数，提高施工工效，验证设计填筑标准的合理性，在选定26 t自行式振动碾条件下，对扰动筑坝砂砾料进行了不同铺厚、不同碾压遍数和不同洒水情况组合的现场碾压试验。在试验基础上，提出能够满足填筑标准的高效碾压施工参数及相应的质量控制措施。

前坪水库；采砂扰动砂砾料；现场碾压试验；碾压施工参数；施工功效

前坪水库是国务院批准的172项重大节水供水工程之一，位于淮河流域沙颍河主要支流北汝河上游洛阳市汝阳县，是一座以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电的大（2）型水利枢纽工程，总库容5.84亿m3，主要建筑物包括主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等。主坝采用黏土心墙砂砾（卵）石坝，坝顶长818 m，最大坝高90.3 m，初步设计批复所需筑坝砂砾料场为大坝上下游近10 km北汝河内上层5.5 m范围内的砂砾（卵）石，总用量约1 500万m3。

已批复的坝壳料设计为天然级配砂砾（卵）石料，由于近年人工采砂现象严重，导致料场上层砂砾（卵）石料细颗粒缺失，料场砂砾（卵）石料级配曲线、物理力学参数、开采条件等均有变化。鉴于大坝填筑料的重要性，2016年3月经水规总院专家咨询建议，对坝体填筑砂砾石料有效分布（质量、储量等）进行复核，经复核原有料场及上游两岸阶地中下部可开采原级配砂砾石料约685万m3，人工采砂扰动料约700万m3。由于人工开采后扰动料级配范围变化大，离散性大，大坝施工前开展筑坝砂砾料现场碾压试验研究，进一步明确上坝料级配包线，对利用700万m3人工采砂扰动料及工程质量控制和施工技术要求至关重要。

目前堆石坝碾压设备和施工技术发展很快，很多砂砾石坝施工经验值得借鉴。根据物料性质，考虑振动碾吨位、铺层厚度、分区配置等因素，开展筑坝砂砾料现场碾压试验研究、复核和确定设计参数和施工参数，为大坝优化设计和施工技术参数控制提供科学依据，对保证现场施工质量可控及提高工效可行性非常必要。

一、试验内容

该碾压试验选定扰动砂砾料场砂砾料进行碾压试验，研究重点针对坝壳砂砾料，按照有关规程规范要求，开展砂砾料现场碾压试验，验证设计指标，复核和确定设计参数和施工参数，为大坝优化设计和施工技术参数控制提供科学依据。一是验证坝料设计填筑标准的合理性，对碾压试验确定的坝体填筑料的填筑标准，确定特定碾压设备（26t振动碾）、强震条件下砂砾料达到填筑设计标准的碾压参数，如铺筑厚度、碾压遍数、加水量等；二是检验所选用的填筑压实机械的实用性及其性能的可靠性；三是测定各堆筑料碾压后的物性指标，包括含水率、干密度、相对密度（配合相对密度试验确定）、颗粒级配、渗透系数等；四是通过进行不同碾压参数的对比试验，确定各堆筑料经济合理的压实参数；五是研究和完善坝料填筑的施工工艺和措施。

二、试验方案及检测项目

1.试验方案

前坪水库扰动砂砾料现场碾压试验采用26 t的自行式振动平碾，振动平碾的机身重量为26.1 t，额定功率为174 kW，碾压宽度为2.2 m。

前坪水库筑坝砂砾料现场碾压试验对洒水和不洒水工况下的砂砾料共进行3个不同铺厚（60 cm、80 cm和100 cm）、4个不同碾压遍数（6遍、8遍、10遍、12遍）共计24个小试验区工况组合的试验。

除此之外，还根据以上碾压试验确定的碾压参数，进行碾压参数复核试验，进行了铺厚80 cm、洒水和不洒水、碾压遍数分别为6遍和8遍的碾压复核试验。

2.检测项目

根据试验场地情况，参照国家有关规范，对不同碾压参数（工况）下的碾压层进行含水率、干密度、颗粒级配等测试，提出含水率、干密度、碾压前后颗粒级配组成等测试结果及表示指标随碾压施工参数变化的规律图表。对于复核碾压试验，还应进行渗透系数检测。

三、相关影响因素试验研究

采用选定的碾压机具和行车参数（行车速度、振动频率和振动位移等），对前坪水库扰动料场分别进行了洒水和不洒水、不同铺土厚度、不同碾压遍数等试验组合工况的碾压试验及相应的物理力学特性试验检测（主要包括干密度、含水率、干密度和颗粒分析等）。试验前，对选定料场砂砾料进行了颗粒分析试验，验证试验材料的代表性。对选定料场代表性砂砾料碾压试验结果，分析颗粒级配对材料碾压性能（以干密度或相对密度评价）的影响，分析整理了洒水和不洒水时一定铺土厚度下的干密度（相对密度或孔隙率）与碾压遍数关系曲线、一定加水量和碾压遍数下干密度（相对密度或孔隙率）与铺土厚度的关系曲线等规律。经综合比较，初步选定碾压施工参数（主要包括行车速度、铺土厚度、碾压遍数和加水量等），最后进行了复核试验。

1.不同影响因素试验

对选定料场代表性砂砾料，采用26 t自行式振动平碾，进行了不洒水和洒水工况下铺土厚度 60 cm、80 cm、100 cm， 碾压遍数 6遍、8遍、10遍、12遍等不同组合的碾压试验。

2.复核试验

在对选定料场代表性砂砾料洒水、不洒水、碾压遍数、铺料厚度等因素对碾压效果影响研究的基础上，初步选定砂砾料的铺厚为80 cm，对铺土厚度80 cm分别进行了洒水和不洒水、碾压遍数6遍和8遍不同组合的复核碾压试验。

3.级配的影响

砂砾料颗粒级配特征（主要包括＜5mm细粒含量及200～400mm的粗大粒组含量等）对其碾压性能有一定影响。

各挖坑干密度与颗粒级配有稳定的对应关系，对于细粒含量合理（10%～20%）、有一定粗大粒组（200～400 mm）含量，有一定细粒含量且包含粗大粒组（200～400 mm）的连续级配，挖坑干密度较大。否则，对于缺乏细粒含量或缺乏粗大粒组等各种级配，挖坑干密度较小。因此，控制砂砾料上坝级配十分重要。

4.加水与否的影响

加水对砂砾料的碾压性能有明显影响，能够显著提高砂砾料的碾压性能。比如对于铺土厚度80 cm、碾压遍数6遍和8遍，不加水时平均相对密度均不能达到相对密度80%的设计填筑标准。而在洒水饱和碾压条件下，碾压6遍时部分试坑检测相对密度小于80%，碾压8遍时各个试坑检测相对密度均大于80%，洒水碾压8遍时平均相对密度能达到相对密度80%的设计填筑标准。

5.碾压遍数的影响

不洒水碾压时，在一定铺厚下，随着碾压遍数增加，干密度和相对密度的变化没有特定的趋势性关系。从复核试验看，在不洒水碾压的条件下，碾压遍数从6遍增加到8遍时，平均干密度和平均相对密度略有增大，分别从2.227和76.9%增大到2.278和79.4%。说明在一定铺厚下，砂砾料不洒水碾压时，碾压遍数对干密度和相对密度的影响较小，碾压时较难满足填筑相对密度指标达到80%的要求。洒水碾压时，在一定铺厚下，随着碾压遍数增加，相对密度增大，碾压遍数对碾压效果的影响明显。对于洒水铺厚80 cm，能满足填筑相对密度达到80%以上要求的临界碾压遍数为8遍。

6.铺土厚度的影响

不洒水碾压时，在一定碾压遍数下，随着铺厚增大，干密度和相对密度的变化没有特定的趋势性关系，不同试验铺厚下均难以完全满足填筑相对密度指标达到80%的要求。

洒水饱和碾压时，在一定碾压遍数下，随着铺厚增大，相对密度减小，铺厚对砂砾料压实效果有明显影响。铺厚从60 cm增大到80 cm时，相同碾压遍数下，随着铺厚增加，相对密度降低较小；当铺厚从80 cm继续增大时，相对密度降低很快，因此可选定80 cm为碾压的临界厚度。

7.渗透性

对选定料场代表性砂砾料，在建议的碾压施工参数下，对碾压层分别进行了垂直渗透试验。根据本次试验结果，选定料场代表性砂砾料上坝碾压达到设计填筑标准时，其渗透系数范围为 x×10-4～x×10-2cm/s。

四、结论和建议

1.试验结论

洒水工况和不洒水工况试验结果表明，加水对砂砾料的碾压性能有显著影响，加水可显著提高砂砾料的碾压性能。

一是通过洒水工况试验表明，碾压砂砾料相对密度随铺土厚度和碾压遍数增加而增加的变化规律较明显。

二是通过不洒水工况试验表明，随铺土厚度和碾压遍数增加，碾压砂砾料相对密度的变化规律较差，起伏较大。而且，在所试验的铺土厚度和碾压遍数工况下，均不能保证达到全部试坑相对密度达到80%以上碾压标准的设计要求。根据分析推测，可能是由于砂砾料含有一定水分，且含水率不均匀引起的。前坪水库砂砾料场位于河道之内，砂砾料一般处于饱和状态。经过开采、运输等上料过程，砂砾料处于有一定含水的非饱和状态，不同位置、不同时间的上坝砂砾料，其含水状态也不一样。以往的研究资料表明，砂砾料的碾压密实性能随含水率的不同而不同，在完全干燥或饱和两种情况下均较容易碾压密实，而非饱和的含有一定水分时则不易碾压密实。砂砾料碾压性能由干燥状态开始随含水率的提高而减小，在某个含水率时最差（如1%～2%时），然后再随含水率的提高而提高。

三是选定料场代表性砂砾料，在建议的碾压施工参数下，复核碾压试验层的渗透系数范围为 x×10-4～x×10-2cm/s。

2.碾压施工参数和质量控制建议

①建议施工碾压参数为：采用26 t自行式振动碾，开强震档，行车速度控制在3 km/h以下，铺料厚度为80 cm并洒水饱和，碾压8遍。

②质量控制建议为洒水。按照现有试验成果，洒水与不洒水相比，洒水的效果是非常明显的。建议在施工中控制好洒水质量，保证洒水量和洒水的均匀性。对于河道开采直接上坝砂砾料，可按体积控制洒水10%，可达充分饱和。

五、应用效果

根据该试验研究成果，将施工功效从原确定的效率较低的碾压施工参数（采用18 t振动碾，铺土厚度为40 cm，碾压8遍等），提高到功效较高的碾压施工参数 （26t自行式振动碾，开强震档，行车速度控制在3km/h以下，铺料厚度为80cm并洒水饱和，碾压8遍），在保证现场施工质量的前提下，大幅度提高了现场碾压施工功效。2016年11月27日，前坪水库上游围堰（主坝坝体的一部分）开始填筑，截至2017年3月底，已完成210万m3（上游围堰体量260万 m3），为汛前（5月15日）完成上游围堰工程、确保汛期上游围堰挡水度汛打下了坚实基础。

Field compaction tests of dam gravel material for Qianping reservoir//

Huangfu Zehua,Zhang Zhaoxing,Li

Congshi,Yang Yusheng

The gradation range of gravel materials in the dam site of the Qianping reservoir is large,and with large dispersion due to artificial sand excavation.In order to further clarify the gravel gradation envelope of dam,scientifically determine the roller compaction parameters,improve the construction efficiency,and verify the rationality of design filling criteria,field compaction tests with different thickness,rolling times and sprinkling quantity were carried out under the 26t self-propelled vibratory roller.Based on the experiments,it is suggested that efficient compaction construction parameters and corresponding quality control measures can meet the filling criteria.

Qianping reservoir;disturbed gravel due to sand excavation；field compaction tests;compaction construction parameters；construction efficiency

TV+F407.9

B

1000-1123（2017）12-0025-02

2017-03-20

皇甫泽华，总工程师，教授级高级工程师。

水利部公益性行业科研专项经费资助项目（No.201501035）。

责任编辑 董明锐