红鱼洞筑坝堆石料现场碾压及相对密度试验研究

王中良，唐婉秋，黄仁龙，杨玉生，赵剑明，吕 军

(1.四川省红鱼洞水库建设管理局，四川 巴中 636600；2.中国水利水电科学研究院，北京 100048；3.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810000)

堆石料取材方便，压实性能好，沉陷变形小，填筑密度大，承载力高[1]，被广泛应用于堆石坝、路堤建设等工程中，尤其是在堆石坝中，堆石料用量占有非常大的比重[2- 3]。当前，我国堆石坝的建设面临着从 200 m 级到 300 m 级的突破[4- 5]，坝体的变形控制是特高坝设计阶段需要首要考虑的因素[6]。

在实际工程中，堆石料最大粒径常常能达到600～800 mm，甚至800～1600 mm[7]。对于室内试验，相关规范[8]规定试验土料的颗粒直径应小于1/5～1/6的试样直径。对室内常用的直径30cm、高度60 cm的大型三轴试样，允许试验土料的最大粒径为60mm，与现场实际最大粒径600～1600mm相差甚远。因此，需要对超径土料进行缩尺处理，对缩尺级配开展试验，但是缩尺效应的影响，室内试验得到土料的变形和强度特性与原型土料的真实性质存在一定的差异[9- 10]。堆石坝通过分层碾压进行填筑，为了准确获得堆石料的碾压参数，需要进行现场试验，本文针对四川省红鱼洞水利枢纽工程两种筑坝堆石料—滴水岩料场灰岩和孔明洞料场白云岩开展现场碾压试验，研究碾压遍数、是否洒水对碾压效果的影响。

目前，在我国土石坝相关设计规范中，对砂砾料，填筑标准的控制指标采用相对密度表示，对堆石料填筑标准则以孔隙率来表示[11- 12，14]。粗粒土的孔隙率对其力学性质有很大的影响，但不同级配的粗粒土，即使孔隙率相同，其力学性质也不尽相同，孔隙率不能表示粗粒土颗粒间的紧密程度。如朱晟等[13]通过侧限压缩试验发现对于不同级配的堆石料，虽然能够达到相同的压实孔隙率，但其力学性质仍然有很大差异，只使用孔隙率指标难以控制大坝的变形性能，建议采用孔隙率和相对密度双控指标。

通过开展筑坝堆石料现场大型相对密度试验，研究确定筑坝堆石料的最大、最小干密度，再结合现场碾压试验，确定碾压试验结果对应的相对密度值。

1 碾压试验

1.1 试验方案

针对滴水岩料场灰岩堆石料和孔明洞料场白云岩堆石料两种筑坝堆石料进行现场碾压试验，对于灰岩堆石料按照一种摊铺厚度(98cm)、一种碾压遍数(12遍)、不洒水的工况进行试验；对于白云岩堆石料按照一种摊铺厚度(80cm)、三种碾压遍数(14、16、18遍)、洒水(5%含水率)和不洒水的工况进行试验。

1.2 主要试验设备

26t振动碾(具体参数见表1)，全站仪，直径2m的取样钢环，级配筛，300kg台秤，烘箱，电子天平。

表1 振动碾参数

1.3 试验过程

(1)使用推土机和挖掘机将试验场地整平，同时使用全站仪对试验场地的平整度进行控制。整平完成后，使用26t振动碾按照3km/h的速度对试验场地进行碾压，直到碾压2遍后全场的平均沉降量不超过2mm。

(2)碾压完成后，开始对试验场地进行划线、上料和摊铺。上料采用进占法的方式进行。在摊铺过程中，使用全站仪测量和控制试验土料的摊铺厚度。

(3)摊铺厚度满足要求后，使用振动碾对试验区域静碾两遍，然后用白石灰标记不同试验区。对于白云岩洒水工况，使用洒水车在静碾两遍后的试验区域进行洒水。振动碾压采用进退错距法方式进行，在同一个碾压条带进退一个来回计为碾压2遍，在碾压下一条带时，需要与前一条带进行搭接，搭接宽度控制在20cm左右。振动碾压行车速率控制在2～3km/h，振幅采用1.9mm，振动频率采用28Hz，振动力采用430kN。

(4)每碾压2遍，使用全站仪对布置在试验场地内的测点进行一次沉降测量。

(5)碾压完成后，在试验区域内选择相对平整的区域作为试坑开挖点。使用直径2m的取样钢环，找平并固定好，然后在环内铺一层塑料薄膜，将称过质量的水倒进环内，等水位稳定之后，在钢环标记好的位置用角尺测记环内水位的高度，完成后移除水和塑料布。

(6)在环内开挖试坑，同时将挖出的土料进行筛分。在开挖达到指定深度后，试坑内放入塑料布，然后将称过质量的水倒入其中，调整加水量使水位与挖坑前标记处量测的水位高度一致。

(7)将筛分出的各个粒组的土料进行称量，同时对每个粒组进行取样拿到试验室烘干测含水。

1.4 试验分析

不洒水工况滴水岩料场灰岩和孔明洞料场白云岩两种堆石料累计沉降量与碾压遍数之间的关系图如图1所示。从图1中可以看到，对于两种堆石料，累计沉降量均随着碾压遍数的增加而增加，但累计沉降量增加幅度逐渐减小。对于灰岩堆石料，沉降量主要集中在碾压遍数为2遍和4遍时，沉降量分别为9.33cm和2.69cm；碾压遍数为6遍和8遍时，沉降量变化较小，分别为1.61cm和1.01cm；当碾压遍数为10遍和12遍时，沉降量分别为0.49cm和0.33cm，均小于0.5cm，已无明显变化。对于白云岩堆石料，沉降量主要集中在碾压遍数为6遍和8遍时，沉降量分别为5.77cm和2.42cm；碾压遍数达到10遍时，沉降量为0.41cm；当碾压遍数达到12遍及12遍以上时，沉降量已无明显变化。

图1 不洒水工况累计沉降量与碾压遍数的关系

为了检测碾压后颗粒破碎情况，碾压前在碾压区域选取试验点进行土料的颗粒筛分，碾压结束后在相同位置进行颗粒筛分试验。对于灰岩堆石料选取三个试验点，对于白云岩堆石料在不洒水区选取一个试验点，在洒水区选取一个试验点。

灰岩堆石料三个试验点碾压前、碾压12遍后级配曲线如图2—3所示。从图2—3中可以看到，碾压前后试验点的级配曲线均在包线范围内，碾压前，三个试验点小于5mm含量变化范围为1.95%～20%，平均值为11.6%；碾压后，三个试验点小于5mm含量变化范围为3.5%～20.7%，平均值为12.4%，可见，碾压过程中有部分土料破碎，导致碾压后小于5mm含量有所增加。

图2 灰岩堆石料碾压前级配曲线

图3 灰岩堆石料碾压12遍后级配曲线

图4 白云岩堆石料碾压前级配曲线

图5 白云岩堆石料碾压18遍后级配曲线

白云岩堆石料两个试验点碾压前、碾压18遍后级配曲线如图4—5所示。从图4—5中可以看到，碾压前后试验点的级配曲线均在包线范围内，碾压前，不洒水、洒水试验点小于5mm含量分别为12.6%、4.7%；碾压后，不洒水、洒水试验点小于5mm含量分别为13.1%、6.1%，可见，相对于不洒水工况，洒水工况碾压后土料破碎程度较大。

根据式(1)—(3)，可以计算出试坑中土料干密度，再根据相应其比重，可以算出对应的孔隙率。

(1)

(2)

(3)

式中，M终了—达到初始水位高度时灌入试坑中水的质量，g；M初始—初始找平时灌入水的质量，g；ρw—水的密度，g/cm3；V—试坑体积，cm3；m—取自试坑内土料的质量，g；ρ—试坑湿密度，g/cm3；ρd—试坑干密度；ω—试坑中土料含水率，%。

灰岩堆石料碾压后的干密度与孔隙率见表2，可以看到对于虚铺98cm、碾压12遍，三个试坑的干密度值几乎一致，对应的孔隙率也相差不大，满足设计干密度≥2.15g/cm3、孔隙率≤21%的要求。

表2 灰岩堆石料碾压后干密度与孔隙率

白云岩堆石料碾压后的干密度与孔隙率见表3，从表3中可以看到，对于不洒水工况，碾压14遍和碾压16遍的干密度相同，碾压18遍的干密度有所增大；对于洒水工况，随着碾压遍数的增加，干密度逐渐增大；碾压遍数相同时，洒水工况相对于不洒水工况，干密度有所增大，但上述工况均满足设计干密度≥2.13g/cm3，孔隙率≤24%的要求。

表3 白云岩堆石料碾压后干密度与孔隙率

2 现场大型相对密度试验

2.1 试验原理

根据试验规程[13]，粗粒土相对密度指的是：土料最疏松时孔隙比与现场土的孔隙比的差值和最疏松时的孔隙比与最紧密时的孔隙比的差值的比值，其表达式为：

(4)

式中，Dr—相对密度；emax—土料最疏松时的孔隙比，即最大孔隙比；e—现场土的孔隙比；emin—土料最密实时的孔隙比，即最小孔隙比。

(5)

式中，Dr—相对密度；ρdmax—最大干密度；ρd—现场土的干密度；ρdmin—最小干密度；ρs—土粒的密度。

由以上相对密度的定义可知，要得到粗粒土的相对密度首先要确定粗粒土的最大、最小干密度。

2.2 试验方案

根据表4—5的级配曲线进行滴水岩料场灰岩堆石料和孔明洞料场白云岩堆石料的相对密度试验，研究不同P5(粒径小于5mm的颗粒含量，下同)含量下堆石料最大、最小干密度。

2.3 主要试验设备

密度桶：带底无盖钢桶，直径1800mm，高800mm，壁厚14mm。

为了和施工实际情况相匹配，对于滴水岩料场灰岩堆石料，采用26t振动碾。对于孔明洞料场白云岩堆石料，采用33t振动碾。

2.4 试验过程

最小干密度试验采用人工松填法，主要过程如下：从料场选定堆石料运送至试验场地，进行筛分；按照试验级配称量出各粒组土的质量，分四份搅拌均匀后轻缓地松填进密度桶内；填至桶顶后，采用平直工具将桶的顶面找平，根据装填的总土重和密度桶的体积计算最小干密度。

最大干密度试验采用振动碾压法，主要过程如下：在上述最小干密度试验基础上，将余下的土料装填并高出桶顶20cm左右；用选定的振动碾按照行驶速度小于3km/h进行碾压，振动碾压26遍后，在每个密度桶范围内微动进退振动碾压15min；碾压完成后，将桶顶以上多余的土料去除，桶顶找平，开挖并称重。

2.5 试验结果分析

表6和图6为滴水岩料场灰岩堆石料级配包线试验结果。由表6和图6可知，在试验级配包线范围内，随着P5含量的增大，最大、最小干密度均呈现先增大后减小的趋势，在平均线级配附近干密度最大，其对应最大、最小干密度分别为2.337、1.818 g/cm3。总体上看，在P5含量81%～95%范围内，最大干密度在2.256～2.337 g/cm3之间变化，最小干密度在1.751～1.818 g/cm3之间变化。表7和图7为孔明洞料场白云岩堆石料级配包线试验结果。由表7和图7可知，总体上看，在上包线到平均线之间，即P5含量85.0%到90.0%之间，不同级配对最大、最小干密度的影响较小。下平均线级配和下包线级配，最大、最小干密度均呈现了较明显的变化，对于下平均级配，最大、最小干密度分别为2.333、1.791g/cm3，对于下包线级配配，最大、最小干密度分别为2.249、1.726g/cm3。

表4 滴水岩料场灰岩堆石料相对密度试验级配表

表5 孔明洞料场白云岩堆石料相对密度试验级配表

表6 滴水岩料场灰岩堆石料级配包线试验结果

图6 滴水岩料场灰岩堆石料干密度与P5含量关系

表7 孔明洞料场白云岩堆石料级配包线试验结果

图7 孔明洞料场白云岩堆石料干密度与P5含量关系

3 碾压试验结果对应的相对密度值

根据碾压试验的筛分数据可以得到每个试坑的P5含量，再结合上述相对密度试验结果，可以计算出每个试坑的相对密度值。

灰岩堆石料碾压试验结果对应的相对密度值见表8，从表8中可以看到，由于试坑2的P5含量处于上均线和平均线之间，所以对应的最大、最小干密度较大，从而与试坑1、3相比，虽然干密度几乎一样，但相对密度却相差较大。

白云岩堆石料碾压试验结果对应的相对密度值见表9，从表9中可以看到，由于6个试坑的P5含量相差不大，所以对应的最大、最小干密度也没有太大差别。不洒水区的三个试坑相对密度值为0.75～0.78，平均值为0.77；洒水区的三个试坑相对密度值为0.80～0.83，平均值为0.81，可见洒水工况相对于不洒水工况，相对密度值有所提高。

表8 灰岩堆石料碾压试验结果对应的相对密度值

表9 白云岩堆石料碾压试验结果对应的相对密度值

4 结论

根据红鱼洞滴水岩料场灰岩和孔明洞料场白云岩两种堆石料开展现场碾压试验和相对密度试验，得到以下结论：

(1)不洒水工况滴水岩料场灰岩和孔明洞料场白云岩两种堆石料累计沉降量均随着碾压遍数的增加而增加，但累计沉降量增加幅度逐渐减小。

(2)对于滴水岩料场和孔明洞料场，在试验级配包线范围内，随着P5含量的增大，最大、最小干密度均呈现先增大后减小的趋势，存在一个最优P5含量。

(3)从灰岩堆石料碾压试验结果对应的相对密度值中可以看到，由于试坑2的P5含量处于灰岩相对密度试验上均线和平均线之间，所以对应的最大、最小干密度都比较大，从而和试坑1、3相比，虽然干密度几乎一样，但相对密度却相差较大。从白云岩堆石料碾压试验结果对应的相对密度值中可以看到，由于6个试坑的P5含量相差不大，所以对应的最大、最小干密度也没有太大差别。洒水工况相对于不洒水工况，相对密度值有所提高。