堆石壩粗粒料施工參數(shù)研究

馬玉華，高 垠，任建欽，徐 巖，解紅軍

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061）

1 概述

近代堆石壩發(fā)展的源頭可以追溯到19世紀(jì)中葉，初期的堆石壩是將填筑材料由一定高度拋下（即拋填法）進(jìn)行填筑，當(dāng)時(shí)幾乎見不到像目前這樣用機(jī)械對堆石料積極碾壓的情況。隨著時(shí)代的發(fā)展，雖然粗粒料本身的材質(zhì)有一些變化，但通過“機(jī)械壓實(shí)”以確保粗粒料維持堆石壩穩(wěn)定所需的抗剪強(qiáng)度已成為一種常識(shí)。為了經(jīng)濟(jì)地建設(shè)堆石壩，研究粗粒料施工參數(shù)則顯得尤為重要。下面以尼爾基水利樞紐廠房與主壩連接體堆石料碾壓為研究對象，對粗粒料施工參數(shù)進(jìn)行研究。

尼爾基水利樞紐工程是嫩江干流上建設(shè)的以防洪及供水為主，結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)功能的第一座控制性水利工程。樞紐從左岸至右岸布置了左副壩、主壩、右岸河床式電站廠房、右岸岸坡開敞式溢洪道和右副壩，其中工程主壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，全長1 631.31 m；左副壩為粘土心墻土石壩，全長3 813.953 m。主壩、左右副壩均為1級(jí)建筑物。主壩與廠房壩段之間連接段總長79.10 m，包括翼墻、主壩瀝青混凝土心墻擴(kuò)大段和上、下游壩坡變坡段，樁號(hào)為3+115.80—3+194.90 m。翼墻為混凝土重力式，與廠房壩段連接側(cè)為垂直面，與主壩連接側(cè)邊坡為1∶0.50和1∶0.70。為與翼墻坡度一致，在3+163.80 m以右范圍內(nèi)，壩殼料采用堆石填筑。根據(jù)要求,需進(jìn)行天然含水率條件下的堆石料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn),以研究堆石料的壓實(shí)特性及達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最佳施工參數(shù)。

2 研究內(nèi)容和研究方法

對堆石料進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，確定碾壓機(jī)械、鋪料方法、鋪料厚度、碾壓方法、碾壓遍數(shù)、行車速度等經(jīng)濟(jì)合理的施工參數(shù)。

試驗(yàn)分五大場。其中三大場進(jìn)行不加水碾壓試驗(yàn)，3種鋪料厚度為62.8，79.5，98.8 cm。根據(jù)3場碾壓試驗(yàn)結(jié)果，初步確定鋪料厚度和碾壓遍數(shù)。然后，按初步確定的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)再進(jìn)行兩大場分別為加水和不加水的碾壓試驗(yàn)，以復(fù)核初步確定的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的合理性和加水對壓實(shí)效果的影響。每大場碾壓試驗(yàn)進(jìn)行3組密度試驗(yàn)和3組顆粒大小分析試驗(yàn)。復(fù)核試驗(yàn)進(jìn)行3組密度試驗(yàn)。

試驗(yàn)操作按照DL/5129-2001《碾壓式土石壩施工規(guī)范》和SL237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。密度試驗(yàn)采用試坑灌水法，試坑直徑不小于試坑內(nèi)試樣最大粒徑的3～5倍；顆粒大小分析試驗(yàn)采用篩析法。

3 場地布置

場地布置：長度方向總長30 m,中間10 m為試驗(yàn)段，兩側(cè)5 m和15 m作為停放車輛及錯(cuò)車用；寬度方向總長14 m，中間6 m為試驗(yàn)段，為防止碾壓時(shí)產(chǎn)生側(cè)向擠壓，兩端各延鋪4 m。沉降量的測量、密度試驗(yàn)和顆粒大小分析試驗(yàn)的取樣在面積為10 m×6 m的范圍內(nèi)進(jìn)行，其中均勻布置25個(gè)沉降測量點(diǎn)，點(diǎn)間間距長度方向2.5 m，寬度方向1.5 m。

4 試驗(yàn)步驟

1）正式鋪料前，首先進(jìn)行場地碾壓。碾壓遍數(shù)不少于20遍，壓實(shí)密度大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，然后在其上進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。

2）鋪料。采用進(jìn)占法鋪料，然后用推土機(jī)按要求的鋪料厚度推平。

3）布置沉降測量點(diǎn)。按試驗(yàn)場地布置方案，靜碾兩遍后，在試驗(yàn)段內(nèi)用鐵釘和紅布條布置25個(gè)沉降測量點(diǎn)，并測量每個(gè)測點(diǎn)的起始高程。

4）碾壓。碾壓試驗(yàn)使用徐州工程機(jī)械制造廠生產(chǎn)的自行式振動(dòng)碾，振動(dòng)碾型號(hào)：CA25D；產(chǎn)品編號(hào)97149；工作質(zhì)量為13.5 t。碾壓過程中行駛速度不超過2.0 km/h。振動(dòng)碾在施工單位編號(hào)為Y01。碾壓遍數(shù)按一進(jìn)一退算2遍計(jì)算。全場均進(jìn)行碾壓，各碾跡之間搭接10～20 cm。每碾壓2遍測量一次沉降量，碾至沉降量基本沒有變化時(shí)，碾壓結(jié)束。沉降量測量由中水一局負(fù)責(zé)進(jìn)行。

5）碾壓結(jié)束后，按SL237-1999規(guī)程在試驗(yàn)段用試坑灌水法檢測最終碾壓遍數(shù)下的壓實(shí)密度。試坑直徑為試坑內(nèi)試樣最大粒徑的3～5倍。密度試驗(yàn)進(jìn)行3組，取其算術(shù)平均值。用密度試驗(yàn)料做顆粒大小分析試驗(yàn)。

6）繪制沉降率、干密度、孔隙率與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線。

7）計(jì)算干密度。由于壓實(shí)密度與沉降率密切相關(guān)，據(jù)此，此次試驗(yàn)采用按沉降率推求干密度的方法計(jì)算干密度，即根據(jù)測得的最終碾壓遍數(shù)下的干密度值及各碾壓遍數(shù)下的沉降量，推求各碾壓遍數(shù)下相應(yīng)的干密度值。

8）根據(jù)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)和試驗(yàn)結(jié)果，確定經(jīng)濟(jì)合理的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)。

9）根據(jù)以上碾壓試驗(yàn)確定的施工參數(shù)，進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。

5 試驗(yàn)成果分析

1）鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm等3場碾壓試驗(yàn)的累計(jì)平均沉降率（i）均隨著碾壓遍數(shù)（N）的增加、鋪料厚度的增大而增大。碾壓遍數(shù)達(dá)到12遍左右時(shí)，沉降率曲線趨向平緩的趨勢。由此可以認(rèn)為此次試驗(yàn)鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm 等3場測得的碾壓遍數(shù) 12～14遍下的累計(jì)平均沉降率接近最大值，相應(yīng)為5.91%，8.11%和10.73%。

2）3種鋪料厚度下，干密度亦隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，在同一碾壓遍數(shù)下干密度則隨鋪料厚度增大而減小。這說明，要求干密度一定時(shí)，鋪料厚度大，所需的碾壓遍數(shù)增多，當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線趨向于平緩。在此次試驗(yàn)62.8，79.5，98.8 cm等3種鋪料厚度下，碾壓遍數(shù)達(dá)到12遍后，干密度隨碾壓遍數(shù)的增加變化很小。因此，可以認(rèn)為，所測得的相應(yīng)3種鋪料厚度的密度值2.24，2.20和2.18 t/m3接近最大值。

3）不同鋪料厚度下，孔隙率均隨碾壓遍數(shù)的增加而減小。在同一碾壓遍數(shù)下，則隨鋪料厚度的增大而增大。鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm下，相應(yīng)測得的最大孔隙率值為18.25%，21.21%和 22.05%。

4）鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm達(dá)到設(shè)計(jì)密度2.15 t/m3的碾壓遍數(shù)分別為2遍、6遍和10遍?？紤]到上述鋪料厚度為62.8 cm時(shí)有2遍14 t振動(dòng)碾碾壓的情況，該鋪料厚度時(shí)的碾壓遍數(shù)應(yīng)適當(dāng)增加。

5）兩大場復(fù)核試驗(yàn)的鋪料厚度分別為78.0 cm和88.1 cm。前者為不加水碾壓，后者為加水碾壓，加水量約為鋪料總重量的10%。在同樣碾壓8遍的條件下，加水比不加水碾壓的干密度大0.01 t/m3，沉降率反而小0.04%。由于試驗(yàn)是在兩個(gè)場次分別進(jìn)行，鋪料厚度及級(jí)配條件可能有所不同，但所得結(jié)果仍可說明，該堆石料加水進(jìn)行碾壓的壓實(shí)效果并不顯著。

6 結(jié)語

1）各場次取樣試驗(yàn)得出堆石料的Cu＞15，dmax≤60 cm，小于5 mm顆粒含量在10%～25%之間，小于0.1 mm的顆粒含量小于3%，顆粒大小分析曲線基本處在設(shè)計(jì)包絡(luò)線內(nèi)。因此，試驗(yàn)用料各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2）累計(jì)平均沉降率（i）均隨著碾壓遍數(shù)（N）的增加而增大，且隨鋪料厚度增大而增大；干密度（ρd）和孔隙率（n）隨碾壓遍數(shù)（N）的增加而增大，在同一碾壓遍數(shù)下隨鋪料厚度的增大而減小。各指標(biāo)間的相互規(guī)律較好。

3）當(dāng)干密度指標(biāo)一定時(shí)，鋪料厚度增大，所需的碾壓遍數(shù)增加。為達(dá)到設(shè)計(jì)干密度為2.15 t/m3，在鋪料厚度為62.8，79.5和98.8 cm時(shí)，可將分別為4遍、6遍和8遍的碾壓遍數(shù)作為制定施工計(jì)劃之用。

4）試驗(yàn)用堆石料加水碾壓與不加水碾壓的壓實(shí)效果差異不大，施工中可暫不考慮灑水碾壓。