長(zhǎng)河壩水電站壩體堆石料碾壓試驗(yàn)分析

周于鴻，袁雪岷，高 艷

(四川二灘國(guó)際工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

長(zhǎng)河壩水電站系大渡河干流水電規(guī)劃“三庫(kù)22級(jí)”的第10級(jí)電站，上接猴子巖電站，下游為黃金坪電站。大壩為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程1 697.00m，最大壩高240.0m，壩頂長(zhǎng)度502.85m，壩頂寬度16.0m，上游壩坡1∶2，目前，正在進(jìn)行大壩填筑施工。

為確定壩料的壓實(shí)特性，監(jiān)理工程師進(jìn)行了不同鋪料厚度、碾壓遍數(shù)和不同加水條件的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。通過(guò)不同壓實(shí)條件下壩料的顆粒級(jí)配、壓實(shí)干密度、碾壓沉降量的綜合分析，最終確定壩體填筑料的碾壓參數(shù)。本文主要介紹了壩殼堆石料的碾壓試驗(yàn)情況及成果。

2 碾壓試驗(yàn)條件

2.1 堆石料料場(chǎng)的基本情況及堆石料的指標(biāo)

響水溝石料場(chǎng)位于壩址區(qū)上游右岸響水溝溝口，距壩址3.5km。地形形態(tài)為一山包，三面臨空，地形坡度40°～50°，巖性為花崗巖，巖質(zhì)致密堅(jiān)硬，分布高程1 545～1 885m。

料源巖性為花崗巖，巖石弱－微風(fēng)化，巖質(zhì)致密堅(jiān)硬，淺表有約0.5～1.5m的根植殘積土層。據(jù)平洞勘探資料，巖體卸荷較強(qiáng)烈，強(qiáng)卸荷水平深度為46m，弱風(fēng)化弱卸荷水平深度90m，向里為微新巖體。地質(zhì)測(cè)繪未發(fā)現(xiàn)有大的斷裂通過(guò)，巖體中主要發(fā)育的構(gòu)造裂隙有4組，此外隨機(jī)短小裂隙亦發(fā)育。料場(chǎng)儲(chǔ)量2 675萬(wàn)m3。主要質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

料場(chǎng)總體開(kāi)采條件好，有用料質(zhì)量、儲(chǔ)量分布穩(wěn)定。料場(chǎng)臨大渡河側(cè)地形陡峻，開(kāi)采中需注意爆破方式，避免大規(guī)模石料滾入大渡河對(duì)河流形成不利影響。通過(guò)前期料場(chǎng)復(fù)勘試驗(yàn)檢測(cè)情況與招標(biāo)技術(shù)要求對(duì)比，料場(chǎng)巖石試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度大于45MPa，軟化系數(shù)滿足堆石料技術(shù)要求。表明巖石抗壓強(qiáng)度高、質(zhì)量好，與料場(chǎng)地質(zhì)比較后質(zhì)量滿足石料質(zhì)量技術(shù)要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，碾壓試驗(yàn)用料的控制最大粒徑為800mm，超徑顆粒在取料時(shí)被剔除。

用于壩殼填筑的堆石料，采用微、弱風(fēng)化或新鮮的開(kāi)采花崗巖或石英閃長(zhǎng)巖料。開(kāi)采料的飽和抗壓強(qiáng)度為96.4MPa，軟化系數(shù)為0.82。

堆石料的最大邊與最小邊長(zhǎng)之比不超過(guò)4，最大粒徑不大于800mm，D15≤30mm，小于5mm的顆粒含量不大于20%，小于0.075mm的顆粒含量不大于3%。

堆石壓實(shí)控制的孔隙率通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定，不大于21%，相應(yīng)的干密度約為2.22g/cm3。

對(duì)堆石料不同級(jí)配的顆粒分別進(jìn)行了比重試驗(yàn)，比重試驗(yàn)成果共6組，其中最大值為2.80，最小值為2.74，加權(quán)平均值為 2.77;平均吸水率為0.8%。

現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)采用挖坑灌水法。試驗(yàn)用水采用灑水車(chē)運(yùn)輸至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，水溫14～18℃，其相應(yīng)的密度范圍為0.99 924～0.9 986g/cm3。試驗(yàn)中取其標(biāo)準(zhǔn)值1 g/cm3做為計(jì)算采用數(shù)值。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)使用的機(jī)械主要有反鏟、自卸式汽車(chē)、推土機(jī)、灑水車(chē)和自行式振動(dòng)平碾5種機(jī)械。用反鏟取料，20t自卸汽車(chē)運(yùn)料，推土機(jī)鋪料，振動(dòng)碾選用SANY－26t自行式振動(dòng)平碾。振動(dòng)碾碾壓寬度為2.12m，振動(dòng)頻率為27/31Hz，振幅為2.05/1.03mm，激振力為416/275kN。

2.3 場(chǎng)地布置和場(chǎng)地準(zhǔn)備

據(jù)大壩堆石料江咀碾壓試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)劃，布置場(chǎng)地時(shí)考慮了所采用的試驗(yàn)組合方法。碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地總長(zhǎng)70m，寬24m，碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置了過(guò)渡帶，作為停車(chē)及錯(cuò)車(chē)用，中間有不同鋪料厚度的料;為防止碾壓時(shí)向側(cè)面產(chǎn)生擠壓，兩端各留2m區(qū)間作為壓重。在試驗(yàn)段范圍內(nèi)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和取樣，并按照1.5m×2m的網(wǎng)格布置沉降測(cè)量點(diǎn)，同時(shí)在距填筑面前沿4～6m設(shè)置移動(dòng)標(biāo)桿，以控制鋪料厚度。

2.4 試驗(yàn)方案

振動(dòng)碾行車(chē)速度控制不超過(guò)2.7±0.2km/h，鋪料厚度為80cm、90cm、100cm及120cm四種，碾壓遍數(shù)分別為靜2遍+振8遍、靜2遍+振10遍及靜2遍+振12遍，同時(shí)進(jìn)行不灑水及加水4%比較試驗(yàn)。

2.5 壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

主要進(jìn)行了壓實(shí)干密度、碾壓層表面沉降、碾壓后土料顆粒級(jí)配分析三方面的試驗(yàn)。密度試驗(yàn)采取試坑灌水法，試坑的大小依據(jù)料的最大粒徑大小按規(guī)范要求確定，其深度穿透整個(gè)鋪土層;顆粒分析采用篩分法。該項(xiàng)試驗(yàn)與干密度測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，碾壓試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)碾壓層的沉降變形進(jìn)行了測(cè)量。碾壓區(qū)共分為9個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)布置有16個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)144個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)采用白灰標(biāo)識(shí)，碾壓兩遍后按標(biāo)識(shí)點(diǎn)測(cè)量，如有損毀重新標(biāo)識(shí)測(cè)量。

3 碾壓試驗(yàn)的目的

(1)確定堆石料的最佳壓實(shí)方法，包括選擇碾壓設(shè)備類(lèi)型、機(jī)械參數(shù)、碾壓遍數(shù)、鋪土厚度、灑水量等施工參數(shù);

(2)了解并分析堆石料碾壓前后顆粒級(jí)配的變化和破碎率;

(3)了解并分析壓實(shí)后堆石料的各種物理性質(zhì)、力學(xué)、滲透性質(zhì)，為設(shè)計(jì)提供安全、經(jīng)濟(jì)、合理的計(jì)算參數(shù);

(4)分析復(fù)核堆石料設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)干密度試驗(yàn)結(jié)果。不同試驗(yàn)條件下的碾壓干密度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)試的干密度值比較分散，其值處于2.17～2.31 g/cm3范圍內(nèi)。分析其原因，主要是由于試驗(yàn)時(shí)直接取自響水溝料場(chǎng)料源地石料取料的不均勻性所致。

(2)碾壓遍數(shù)與鋪料厚度的關(guān)系。碾壓遍數(shù)與鋪料厚度的關(guān)系見(jiàn)表1。從表中可以看出，隨著鋪土厚度的增加，碾壓遍數(shù)相同時(shí)干密度基本相同，總的趨勢(shì)是碾壓8遍后，干密度在2.21 g/cm3左右。因此，對(duì)于本次試驗(yàn)而言，鋪料厚度90cm碾壓8遍干密度最大。但是，鋪料層厚度過(guò)薄或過(guò)厚或碾壓遍數(shù)增加，會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度，增加壩體施工的費(fèi)用。根據(jù)本次試驗(yàn)的結(jié)果及以往的工程施工經(jīng)驗(yàn)，建議本工程堆石料的鋪土厚度選擇為100cm最佳。

(3)碾壓遍數(shù)與孔隙率的關(guān)系。根據(jù)碾壓遍數(shù)與孔隙率關(guān)系圖(見(jiàn)圖1)分析:在同一鋪料厚度條件下，堆石料孔隙率與碾壓遍數(shù)的關(guān)系成反比，即孔隙率隨碾壓遍數(shù)的增加而減小，說(shuō)明碾壓遍數(shù)越大，石料壓實(shí)度越高。同樣碾壓遍數(shù)隨著鋪土厚度增加，孔隙率增加，說(shuō)明石料厚度越大越不易壓實(shí);不同石料鋪料厚度越大，其孔隙率越大。

80cm鋪料厚度碾壓8遍與100cm鋪料厚度碾壓10遍壓實(shí)效果相當(dāng)，120cm鋪料厚度壓10遍與12遍孔隙率接近，說(shuō)明所選壓實(shí)機(jī)械性滿足要求，能夠?qū)⑦x擇厚度參數(shù)條件下石料壓實(shí)。在碾壓8遍后80～120cm鋪料厚度石料孔隙率均滿足要求。

(4)孔隙率與鋪料厚度及碾壓遍數(shù)關(guān)系。根據(jù)鋪料厚度與孔隙率關(guān)系(見(jiàn)圖2)分析:當(dāng)碾壓8遍時(shí)，鋪料厚度80cm與100cm孔隙率基本無(wú)變化。從孔隙率與碾壓遍數(shù)變化趨勢(shì)上分析，碾壓8遍與碾壓10遍石料孔隙率變化趨勢(shì)總體上平緩，為設(shè)計(jì)鋪料厚度范圍合適碾壓遍數(shù);碾壓12遍孔隙率出現(xiàn)大幅變化，說(shuō)明過(guò)薄鋪料厚度碾壓12遍的石料存在壓碎可能性。

根據(jù)孔隙率分布范圍分析，鋪料厚度100cm與120cm是施工生產(chǎn)合適選擇厚度，因?yàn)樯鲜鲣伭虾穸认虏煌雺罕閿?shù)石料孔隙率變化較小，說(shuō)明在8～12遍情況下均已壓實(shí)且均滿足設(shè)計(jì)要求。碾壓8遍時(shí)鋪料厚度100cm為可作為經(jīng)濟(jì)鋪料厚度。

(5)沉降率與鋪土厚度關(guān)系。根據(jù)沉降率與鋪土厚度關(guān)系(見(jiàn)圖3)分析:在碾壓遍數(shù)不變的情況下，隨鋪料厚度的增加，沉降率變化不大，同時(shí)說(shuō)明碾壓8遍土料已基本趨于緊密狀態(tài);同時(shí)碾壓8遍、10遍、12遍，不同鋪料厚度沉降率分布集中，說(shuō)明在設(shè)計(jì)選擇厚度下碾壓8遍石料已經(jīng)壓實(shí)。鋪料90cm時(shí)，沉降率為6.7%，數(shù)值較大，與孔隙率分析結(jié)果一致，說(shuō)明90cm鋪料厚度石料確實(shí)已被壓碎。

表1 堆石料選擇場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖1 響水溝堆石料碾壓遍數(shù)與孔隙率關(guān)系

圖2 輔料厚度與孔隙率關(guān)系

圖3 沉降率與鋪土厚度關(guān)系

鋪料100cm時(shí)不同碾壓遍數(shù)下沉降率較為集中，說(shuō)明鋪100cm石料壓實(shí)效果較好。

鋪料120cm時(shí)存在架空現(xiàn)象，沉降率的分布規(guī)律性不明顯。

綜合考慮沉降測(cè)量結(jié)果和碾壓遍數(shù)與干密度的變化趨勢(shì)，碾壓遍數(shù)超過(guò)8遍，材料的壓實(shí)密度趨于穩(wěn)定。從經(jīng)濟(jì)及填筑速度考慮，建議碾壓遍數(shù)控制為8遍。

(6)加水與不加水堆石料的密度分析。在充分加水的條件下，堆石料干密度與加水有一定的關(guān)系，但關(guān)系不明顯，普遍增大約0.01～0.05g/cm3，但都能滿足設(shè)計(jì)孔隙率指標(biāo)小于21%的要求，與前期碾壓試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性相一致。

(7)現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)共進(jìn)行了2組，采用雙環(huán)法進(jìn)行，外環(huán)直徑100cm、內(nèi)環(huán)直徑60cm、高50cm?，F(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)密度試驗(yàn)結(jié)束后在碾壓試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)測(cè)點(diǎn)位置與現(xiàn)場(chǎng)密度試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)錯(cuò)開(kāi)。其中最大滲透系數(shù)為:5.2×10－1cm/s，最小滲透系數(shù)為3.7×10－1cm/s，平均滲透系數(shù)為4.4 ×10－1cm/s。

(8)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)。堆石料固結(jié)試驗(yàn)表明，堆石料的壓縮系數(shù)均小于0.2，屬于低壓縮性土料。

(9)現(xiàn)場(chǎng)新型張拉大直剪試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，碾壓厚度為120cm時(shí)的堆石料碾壓后強(qiáng)度高于厚度為100cm的堆石料。兩組堆石料內(nèi)摩擦角分別為50°和51.7°。由此可以認(rèn)為，長(zhǎng)河壩堆石料碾壓后強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上述碾壓試驗(yàn)確定的碾壓施工參數(shù)(鋪料厚度100cm，碾壓靜2遍+振8遍的施工參數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)孔隙率小于21%的要求)，長(zhǎng)河壩電站大壩進(jìn)行了反濾料、堆石料的填筑施工作業(yè)。通過(guò)對(duì)已經(jīng)填筑的堆石料采用挖坑、灌水法檢查，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，表明全部符合設(shè)計(jì)要求。

表2 堆石料現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)