面板堆石坝砂砾石料填筑碾压试验研究

任海军

(长江科学院监理公司 湖北武汉 430010)



面板堆石坝砂砾石料填筑碾压试验研究

任海军

(长江科学院监理公司 湖北武汉 430010)

利用天然砂砾石进行大坝填筑，其碾压参数直接影响到大坝施工进度和沉降变形，也直接影响到大坝施工成本和安全稳定，碾压参数的优化一直是大坝填筑施工技术研究重点。为有效地指导现场施工，以某一工程为案例，通过面板堆石坝砂砾石料填筑碾压试验研究，分析数据成果，提出大坝填筑碾压参数。

面板堆石坝; 砂砾石料; 碾压试验

1 工程概述

某水利枢纽工程规划水库正常蓄水位1820m，最大坝高164.8m，水库总库容22.49亿m3，电站总装机容量755MW，设计年发电量22.6亿kW·h，为一等大(1)型工程。枢纽由挡水坝、1#、2 #表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2 #深孔放空排沙洞及发电引水洞、发电厂房、生态基流引水洞及其厂房、过鱼设施等建筑物组成。

挡水坝为混凝土面板砂砾石-堆石坝，坝基位于现代河床深厚覆盖层上，主要由单一成分的冲积砂卵砾石层组成，局部夹砂层透镜体。覆盖层厚度50m～94m，大坝抗震设计烈度为9度，100年超越概率2%的设计地震动峰值加速度为320.6gal。坝轴线全长795m，坝顶高程1825.80m，坝顶宽度为12m。坝体从上游至下游按盖重区、上游铺盖区、垫层料区、过渡料区、砂砾石料区、堆石料区分区填筑。上游主堆石区采用砂砾石料，坝坡坡度为1∶1.7,下游坝坡坡度为1∶1.6。深厚的砂砾石覆盖层和庞大的坝体，对坝体沉降变形将产生较大影响，施工过程中对填筑质量的控制尤为重要。为此，开展现场碾压试验，有利于验证和确定大坝填筑标准和技术要求，复核和确定施工碾压参数，为大坝施工质量控制提供科学依据。

2 碾压试验

2.1 碾压试验的目的

通过对主堆石砂砾石料进行现场碾压试验及相应的物理力学特性试验，检验所选用的填筑压实机械的实用性及其性能的可靠性。通过进行不同碾压参数组合对比试验，确定各堆筑料经济合理的碾压施工参数，如碾压设备机具、振动频率及振动位移、行进速度、铺筑厚度、加水量和碾压遍数等[1]。通过试验成果分析，提出完善坝料填筑的施工工艺、措施和建议，指导现场施工。

2.2 试验内容

碾压试验前对主堆石砂砾石料在料场取料，取样4组，进行颗粒分析试验，分析料源是否满足设计要求。现场碾压试验采用中大牌YZ32Y2型的自行式振动碾，分洒水和不洒水两种试验工况，铺筑厚度分别为60cm、80cm、100cm，碾压遍数分别为6、8、10、12遍，洒水分别为5%、10%、15%。试验场地分区域进行，每个区域长10m、宽6m。

2.3 试验基本步骤

(1)碾压试验场地选定在大坝下游右岸边线位置，该处场地为较平整的砂砾石基础。采用推土机和挖掘机将试验场地平整后，采用振动碾按3km/h的速度进行碾压2遍，用水准仪对试验场地的平整度进行，全场平均沉降不大于2mm。

(2)碾压试验的砂砾石料取自C3料场，取料前先进行坑探，对料源进行颗分试验。现场取料按照料场正常开采方式均匀取料，具有代表性。

(3)砂砾石料采用挖掘机装车，自卸车运送至试验场地，采用进占法卸料，人工筛选出超径大石，通过水准仪测量和试验场地边的标杆控制试验土料的摊铺厚度。摊铺厚度满足要求后用振动碾对试验区先静碾两遍，然后用白石灰标记不同试验区域区间界限及各种分界线，明确各个试验单元。

(4)碾压试验分为洒水和不洒水两种工况，洒水试验共进行3个洒水率。试验料加水通过洒水车在摊铺完成的试验区域进行洒水，洒水量根据洒水车水箱贮水量来确定。

(5)碾压采用进退错距法进行，按照划分的试验单元和设定的遍数进行碾压。在同一碾压条带进退一个来回计为碾压2遍，在进行下一条带碾压时，与前一条带需要搭接，碾压搭接宽度约20cm，振动碾行车速度﹤3km/h。振动碾在距试验场地边线2m处起振，在场地边界处，整个碾子需全部走出试验区。

(6)使用水准仪对布置在试验场地内的测点进行不同碾压遍数下的沉降测量。每个试验单元布设20个测点。为方便沉降测点在碾压后辨识，在每个测点处用塑料布包一个石子，并喷上红油漆。沉降测量每2遍测量一次。

(7)按照设定的碾压遍数进行碾压后，对每个试验单元进行挖坑检测，采用灌水法来测定所取样品的干密度，并通过烘干法测定样品的含水率，每个单元布置4个试坑。采用筛分法对试坑料进行颗粒分析，从每个试验单元开挖的4个试坑中选取3个进行筛分，5mm及以上的样品颗粒筛分在室外进行，5mm以下样品进行取样送至室内做颗粒分析试验。

3 试验成果分析

3.1 砂砾石料的设计技术指标

砂砾石料设计相对密度采用0.90。根据试验成果：砂砾料最紧平均干密度γdmax=2.29g/cm3；最松平均干密度γdmin=2.03g/cm3。砂砾坝壳料设计干容重：γds=2.26g/cm3，砂砾料特征粒径如表1所示，坝体砂砾石料填筑设计技术要求,如表2所示。

表1 砂砾料特征粒径表(上、下包线及均线)

表2 坝体砂砾石料填筑设计技术参数

3.2 试验成果与分析

3.2.1 不洒水工况砂砾石料碾压试验检测成果分析

根据试验结果整理出砂砾石料在不洒水工况下，不同铺筑厚度、不同碾压遍数与干密度和相对密度的关系曲线分析，砂砾石料在铺筑厚度一定情况下干密度和相对密度随着碾压遍数增加而增加，如图1～图2所示。在碾压遍数相同的情况下干密度和相对密度随着铺筑厚度的增加而减少，这一特点与一般规律相符，如图3～图4所示。

图1 不洒水工况碾压参数与平均干密度关系曲线

图2 不洒水工况碾压参数与平均相对密度关系曲线

图3 碾压8遍时铺筑厚度与平均干密度、平均相对密度关系曲线

图4 碾压10遍时铺筑厚度与平均干密度、平均相对密度关系曲线

对铺筑厚度60cm碾压10遍时检测干密度ρd=2.32g/cm3～2.38g/cm3之间，相对密度Dγ=86.75%～91.64%之间，平均Dγ=89%，接近设计控制指标。碾压12遍时干密度ρd=2.33cm3～2.39/cm3之间，相对密度Dγ=89.5%～93.16%之间，平均Dγ=91.36%，基本满足设计控制指标。对于铺筑厚度80cm和100cm碾压12遍时，其平均密度为2.34g/cm3和2.32g/cm3，其对应的平均相对密度只有85.91%和84.6%，均未达到设计控制标准。综合考虑铺筑厚度、碾压遍数对干密度、相对密度的影响速率，根据不洒水试验确定的铺筑厚度80cm进行洒水工况的碾压试验。

3.2.2 洒水工况砂砾石料碾压试验检测成果分析

根据试验结果整理出砂砾石料在洒水工况下，不同洒水率、不同碾压遍数与干密度和相对密度的关系曲线分析，洒水能显著提高砂砾石料的碾压性能，对砂砾石料的平均相对密度提升幅度较大，可到达10%左右，随后不同洒水率之间的平均相对密度差别不大，如图5所示。洒水率和铺筑厚度一定时，在碾压遍数较小时干密度随着碾压遍数增加呈现快速增加趋势，达到一定碾压遍数后，干密度随着碾压遍数增加开始减小，如图6所示。洒水率和铺筑厚度一定时，在碾压遍数较小时相对密度随着碾压遍数增加呈现快速增加趋势，达到一定碾压遍数后，相对密度随着碾压遍数增加趋缓，如图7所示。

图5 铺筑厚度80cm洒水工况与平均相对密度关系曲线

图6 铺筑厚度80cm洒水10%与平均干密度关系曲线

从图5中可以分析出，对铺筑厚度80cm砂砾石料，碾压8遍时，3种洒水率5%、10%和15%对应的相对密度为87.19%、88.51%和88.75%，相对密度均不能达到设计标准。碾压10遍时，3种洒水率5%、10%和15%对应的相对密度为92.66%、93.44%和93.81%，相对密度均能达到设计标准。从图8中可以分析出，铺筑厚度80cm砂砾石料，洒水率10%工况下，加水碾压10遍的碾压性能最佳，平均干密度最大，相对密度可以达到90%的设计填筑标准。

图7 铺筑厚度80cm洒水10%与平均相对度关系曲线

图8 铺筑厚度80cm洒水10%碾压参数与碾压性能关系曲线

3.3 施工工艺及参数控制

根据现场碾压试验成果分析，砂砾石料铺筑碾压主要参数控制为：铺筑厚度为80cm，洒水10%，采用32t自行式振动碾激振碾压10遍，行车速度控制在3km/h以内，可以满足设计相对密度>90%指标要求，具体参数控制如表3所示。铺料时应注意对砂砾石料颗粒级配的控制，避免骨料集中现象。

表3 坝体砂砾石料填筑施工技术参数

3.4 施工过程控制注意事项

(1)根据试验成果显示，砂砾石料的级配对碾压效果有着明显的影响。由于天然河床自然沉积存在级配分布差异性较大，部分砂砾石料处于水下。在砂砾石料场开采过程中，应建立有效的开采规划，保证开采质量，严格控制不符合要求的砂砾石料上坝。

(2)洒水与不洒水相比，洒水的效果相当明显，保证洒水量直接影响到相对密度能否满足设计指标要求。首先，应做好对料场含水率的及时测定；其次，上坝前对坝料的加水系统尽可能智能化，按照所测定含水率自动称重加水；最后，在坝面铺筑碾压前做好补充加水控制。

(3)在不洒水工况试验过程中，碾压后砂砾石料表层出现一层浮砂，不同碾压参数下各试坑颗粒级配分析也显示出，对于中间粒组(1mm～10mm)的级配曲线易超出设计上包线，同时试坑试验干密度也相对偏小。随着碾压遍数增加、铺筑厚度增加，浮砂显现更显著。通过洒水工况试验过程对比，浮砂现象明显改观，不同碾压参数下的试坑颗粒级配分析也符合设计要求。

(4)混凝土建筑物、岸坡与砂砾石料之间的接触带应回填过渡料，宽度宜为1m～2m。

(5)砂砾石料卸车后应及时进行铺筑平整，不能出现堆筑过高后再进行铺筑，减少铺筑过程中骨料分离。铺筑厚度控制应贯穿整个施工过程，应严格控制不能出现超厚超薄的情况。

4 结论

通过试验证明设计相关指标是合理的，试验成果可作为大坝填筑控制指标合理评价参数，对于高震区、深厚覆盖层上建设高混凝土面板砂砾石堆石坝的施工质量控制、确保大坝工程建设与运行安全具有重要意义。

(1)合理选择碾压设备，既可提高施工进度，也可保证施工质量。采用32t自行式振动碾，行车速度控制在3km/h以内更有利于施工质量控制。

(2)洒水可以有效地提高砂砾石碾压密实度，一般可以提高10%～15%左右，最优含水量控制是砂砾石填筑过程中关键，一般选用10%洒水率。

(3)砂砾石填筑碾压厚度直接影响到工程施工进度，综合考虑铺筑厚度、碾压遍数对干密度、相对密度的影响速率，一般选用80cm为宜。

[1] NB/T 35016-2013 土石筑坝材料碾压试验规程[S].北京：中国电力出版社，2013.

Experimental Study on Filling and Compaction of Rockfill Materials for Concrete Faced Rockfill Dam

RENHaijun

(Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010)

By using natural sand gravel dam, the rolling parameters directly affect the dam construction schedule and settlement, but also directly affect the dam construction cost and safety and stability. Optimize the rolling parameters has been the research focus of dam construction technology. Through the experimental study of filling and rolling of rockfill dam of face rockfill dam, the paper analyzes the data and puts forward the parameters of dam filling and rolling, which can effectively guide the site construction.

Concrete face rockfill dam; Gravel stone; Compaction tests

任海军(1980- )，男，高级工程师。

E-mail:renavy@163.com

2017-03-18

TV64

A

1004-6135(2017)08-0057-04