南公1水电站面板堆石坝主堆石区碾压参数试验研究

柯昌佳，刘义佳，吴世然，刘志鹏，舒 爽，陈 明

(1. 中国水利电力对外有限公司，北京 100120；2. 武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072；3. 中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024)

南公1水电站位于老挝南部阿速坡省南公河下游，分布于北纬14°30’～14°40’、东经106°35’～107°13’之间。南公1水电站是南公河四级开发方案中的第三级，工程由首部枢纽及引水发电系统组成，其中首部枢纽包括面板堆石坝、左岸溢洪道、左岸导流隧洞和右岸电站进水口。电站主挡水建筑物为布置于主河床的混凝土面板堆石坝，坝顶长400 m，坝顶宽8.8 m，坝顶高程325.0 m，最大坝高为90 m。面板堆石坝坝体填筑总量184.7×104m3，坝体填筑分区见图1，其中堆石料1 573 549 m3，料源主要来自导流洞、引水洞、溢洪道开挖和右岸下游石料场。在碾压施工前，需要对坝料进行必要的碾压试验[1]，确定各种填筑料的施工压实机具以及经济合理的压实参数(铺料方法、铺层厚度、碾压遍数、加水量等)。目前国内外学者均认为现场碾压试验对于面板堆石坝的坝体填筑是必不可少的。

1 主要技术指标

坝体填筑料主要为流纹岩，根据室内物理力学性试验，干密度为2.25～2.40 g/cm3，比重为2.58～2.62，孔隙率为8.40%～12.79%，自然吸水率为2.93%～4.87%，饱和吸水率为2.95%～5.01%，湿抗压强度为52.5～126.2 MPa，平均为106.2 MPa，软化系数为0.62～0.94，平均为0.82，属硬质岩。

堆石料填筑设计要求如下：最大粒径不超过800 mm，小于5 mm的颗粒含量不宜超过20%，小于0.075 mm的颗粒含量≤5%，含泥量≤5%，孔隙率≤22%，压实干密度≥2.12 g/cm3。不均匀系数≥15，曲率系数为1～3。

图1 坝体填筑分区示意图

2 现场碾压试验

2.1 试验方法及步骤

碾压试验方法采用以“全质量法”为主、“干密度”校核为辅的方法[2]，即在全过程沉降测量的基础上，初步判断压实情况后进行干密度压实质量检测。

试验场地需控制基面平整坚实，本次坝料碾压试验场地设在1号渣场，场地先用推土机推平，碾压至基础坚实不再下沉，然后采用弱风化流纹岩进行基础硬化，振动碾碾压，压实到设计标准，消除基础面对碾压试验的影响，再布置试验区，用试验料先在地基上铺一层，表面不平整度不超过±5码cm，试验场地尺寸约为30 m×60 m，每条试验带有效面积为6 m×15 m。碾压试验步骤如图2。

图2 碾压试验步骤图

2.2 试验方案及试验设备

填筑料在挖装过程中剔除超粒径料，并在碾压前进行颗粒级配筛分，小于5 mm含量及小于0.075 mm含量均满足设计要求。采用进占法卸料，人工配合机械进行摊铺整平后，振动碾进行静碾两遍，全站仪测出松铺厚度[2-5]。振动碾采用进退错距法碾压，针对不同填筑料进行不同铺料厚度和碾压遍数的碾压试验，见表1。

综合考虑施工要求、填筑工期、气候条件等因素，堆石料采用YZ32Y型32 t振动碾。配备其他主要机械设备有SD22型推土机1台、CAT330液压反铲2台、20 t自卸汽车8辆，10 t洒水车1辆。

表1 碾压振动试验方案表

3 试验结果分析

堆石料在铺料厚度分别为90、100和110 cm进行不同碾压遍数的试验。考虑到铺料厚度越小，达到合格碾压效果所需碾压遍数越小，为提高试验效率，铺料厚度110 cm碾压8、10和12遍，100 cm碾压8和10遍，90 cm碾压6和8遍。

3.1 累计沉降量

通过测量各碾压试验的累计沉降量，可得到不同铺料厚度下不同碾压遍数下累计沉降量[6]，见表2。由表2和图2可知，不同铺料厚度下，累计沉降量、压缩率均随碾压遍数的增加而增加。但随相同碾压遍数下，随着铺料厚度的增加，压缩率将减小。

表2 累计沉降量、压缩率与碾压遍数的关系表

图2 各碾压方案的累计沉降量与压缩率图

3.2 干密度

在碾压完成后，再人工挖坑取样，坑径控制在最大粒径的2～3倍，在实验室获取湿密度、含水率、干密度、表观密度、孔隙率等参数[7]。

根据设计要求，需要干密度≥2.12 g/cm3，孔隙率≤22%，由表3和图3可知，当铺料厚度90 cm，碾压6、8遍；铺料厚度100 cm，碾压8、10遍；铺料厚度110 cm，碾压10、12遍，均能满足设计要求。而铺料厚度110 cm，碾压8遍时，孔隙率满足设计要求，干密度不能满足设计要求，表明此碾压方案不合适。其中，当铺料厚度一定时，随着碾压遍数的增加，干密度增加；当碾压遍数一定时，随着铺料厚度的增加，干密度减小，孔隙率增加。

表3 碾压后干密度与碾压遍数的关系表

图3 碾压后干密度与碾压遍数的关系图

3.3 级配曲线

为论证对比碾压前后的料源颗粒级配变化情况，首先在碾压试验开始铺料的同时，对堆石料进行碾压试验前的筛分试验[8-9]。在碾压结束后，挖坑取样，利用灌水法进行干密度和含水量检测，并对试样进行筛分试验，筛分结果见表4。以铺料厚度100 cm，碾压遍数为8的试验为例给出碾压前后级配料的对比，见图4。由图4可知，硬质岩流纹岩在碾压前后级配曲线均满足设计要求，均在设计包络线内；但碾压后，小于30 mm颗粒粒径占比有所增加，大于100 mm颗粒粒径占比有所减小，这是由于在碾压过程中，大粒径颗粒被碾压破碎，使小粒径颗粒占比增加。

不均匀系数Cu和曲率系数Cc是反映级配料不同粒组的分布情况，以判断粒度级配是否良好的指标，其计算方法见公式1[10-12]，对于这里堆石料应有Cu≥15，Cu为1～3。碾压后堆石料的不均匀系数Cu和曲率系数Cc见表5，可看到均满足设计要求，且随碾压遍数的增加，不均匀系数Cu将增加，但曲率系数Cc变化规律不明显。这是由于碾压过程中，使大颗粒破碎占比减小，d60变大，大颗粒增加，d10变小，Cu值显然随碾压遍数的增加而变大。

表4 堆石料碾压试验颗粒分析汇总表

图4 堆石料碾压前后的级配曲线图(铺料100 cm+碾8遍)

表5 碾压后的不均匀系数和曲率系数表

Cu=d60/d10

Cc= (d30×d30)/(d60×d10)

(1)

式中：d60为过筛重量占60%的粒径；d30为过筛重量占30%的粒径；d10为过筛重量占10%的粒径。

4 结 语

根据上述堆石料现场碾压试验成果，经对试验资料进行整理和分析，结合各碾压铺设厚度、各碾压遍数下的沉降量变化，以及碾压后级配、干密度的实际变化情况综合考虑，在充分借鉴其他工程碾压试验的基础上得出：

1)堆石料的施工铺料厚度为100 cm为宜，压实厚度为90 cm。碾压施工加水量(体积比)为10%，碾压以静碾2遍+动碾8遍为宜。

2)建议根据不同的筑坝石料设计要求，进行科学有序的石料开采，并通过所需料源的爆破试验参数对石料的爆破开采进行有效控制。同时加强石料的分类加工堆存，以便保证筑坝石料的颗粒级配等各项指标满足设计要求。

3)应结合工程实际，取与碾压试验相同的代表性垫层料、过渡料作为试验用料，宜在碾压试验场定点检测碾压前后颗粒级配及破碎率等实验。检测碾压前后级配变化值，并对铺筑层厚度全料进行颗粒级配分析论证，调整更为经济合理的级配曲线。