開茂水庫面板堆石壩壩料碾壓試驗(yàn)及成果分析

向?qū)W忠， 李旺盛， 趙啟強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

開茂水庫面板堆石壩壩料碾壓試驗(yàn)及成果分析

向?qū)W忠， 李旺盛， 趙啟強(qiáng)

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

結(jié)合面板堆石壩的施工特點(diǎn)，選取不同特性的筑壩材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。通過試驗(yàn)成果，分析了該類筑壩材料的顆粒級(jí)配、滲透系數(shù)以及干密度等技術(shù)參數(shù)是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求并選取合理、經(jīng)濟(jì)的碾壓參數(shù)進(jìn)行面板堆石壩填筑施工。

北川開茂水庫；面板堆石壩；現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)；碾壓參數(shù)；成果分析

1 工程概述

開茂水庫位于四川省綿陽市北川羌族自治縣安昌鎮(zhèn)及永寧鎮(zhèn)境內(nèi)，庫區(qū)樞紐主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程612 m，最大壩高56 m，壩頂長(zhǎng)357．35 m。大壩分區(qū)自上游至下游依次為壩體蓋重區(qū)、上游粘土鋪蓋區(qū)、面板、ⅡB特殊墊層區(qū)、ⅡA墊層區(qū)、ⅢA過渡區(qū)、ⅢB主堆石區(qū)、ⅢC2次堆石區(qū)、ⅢC1下游堆石區(qū)等幾部分。堆石區(qū)填筑料從楊家灣石料場(chǎng)爆破開采，ⅡA墊層料從安昌河下河街料場(chǎng)開采，ⅢA過渡料原計(jì)劃也從安昌河下河街料場(chǎng)開采，但由于該料場(chǎng)儲(chǔ)量不足，在工程建設(shè)過程中調(diào)整為采用北川老縣城唐家山堰塞湖下游河道沖淤料。圖1為開茂水庫面板堆石壩典型斷面圖。

圖1 開茂水庫面板堆石壩典型斷面圖

2 料源情況

楊家灣堆石料場(chǎng)長(zhǎng)約350～600 m，寬約420 m，料場(chǎng)所處地層為侏羅系蓮花口組第⑦層中下部，地層產(chǎn)狀為N75°～80°E/NW∠9°～12°。巖相變化較大，巖性主要為灰白色礫巖與紫紅色泥巖互層，其中灰白色礫巖為有用層，紫紅色泥巖為無用層，需剔除。下河街砂礫石料場(chǎng)分布于安昌河河道上，枯水期部分產(chǎn)地高出河水面0．5～1．2m漫灘，絕大部分產(chǎn)地位于水下，有用儲(chǔ)量主要位于水下。老縣城河道料場(chǎng)的物料來源于兩岸岸坡崩塌巖體碎塊經(jīng)洪水搬運(yùn)堆積，塊碎石級(jí)配在水平分布及豎向分布上均表現(xiàn)為不均勻性和級(jí)配的不連續(xù)性，塊石巖性強(qiáng)度較高，碎礫石巖性強(qiáng)度較低。

3 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及結(jié)果分析

3．1 碾壓設(shè)備選型

面板堆石壩筑壩時(shí)，堆石料、過渡料及部分墊層料采用20 t自行式振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓，靠近上游擠壓邊墻1m范圍內(nèi)墊層料采用2 t小型振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓。試驗(yàn)時(shí)，選用的大型碾壓設(shè)備為中國(guó)龍工集團(tuán)生產(chǎn)的龍工LG520B；選用的小型碾壓設(shè)備為濟(jì)寧德瑞得機(jī)械有限公司生產(chǎn)的FYL－600型壓路機(jī)。

3．2 試驗(yàn)采取的取樣方法

墊層料、過渡料、堆石料現(xiàn)場(chǎng)密度檢測(cè)采用挖坑灌水法。墊層料的挖坑直徑為40 cm，過渡料、堆石料的挖坑直徑為150～200 cm，挖坑深度分別為各區(qū)的填筑層厚。

墊層料含水量檢測(cè)采用烘干法；過渡料、堆石料含水量檢測(cè)采用烘干和風(fēng)干聯(lián)合法。

3．3 墊層料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及成果分析

墊層料填筑厚度與擠壓邊墻高度一致，按壓實(shí)厚度40 cm控制。靠近擠壓邊墻1 m寬范圍內(nèi)分2次填筑，單次鋪填厚度按20 cm控制，采用2 t小型振動(dòng)碾碾壓。碾壓試驗(yàn)前，先對(duì)篩分加工后的半成品墊層料進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)以驗(yàn)證各級(jí)顆粒含量是否滿足設(shè)計(jì)要求。半成品墊層料顆粒篩分試驗(yàn)成果見圖2。

圖2 半成品墊層料顆粒篩分試驗(yàn)成果圖

從圖2中可以看出，粒徑＜5 mm的顆粒含量為18．7%，設(shè)計(jì)要求為35%～55%，不滿足設(shè)計(jì)要求，需要摻加細(xì)粒徑料；粒徑＜0．075 mm的顆粒含量為5．7%，設(shè)計(jì)要求為4%～8%，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)半成品墊層料的顆粒篩分結(jié)果，采用層鋪法在半成品墊層料中摻配滿足設(shè)計(jì)要求的人工砂，在料場(chǎng)選擇碾壓場(chǎng)地，分4個(gè)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。鋪填厚度為20 cm時(shí)，采用2 t小型振動(dòng)碾碾壓，分不加水和加水5%兩種，碾壓遍數(shù)為6和8遍；鋪填厚度為40 cm時(shí)，采用20 t自行式振動(dòng)碾碾壓，分不加水、加水5%和加水10%三種，碾壓遍數(shù)為6和8遍。碾壓試驗(yàn)成果見表1、2。

表1 鋪填厚度為20 cm時(shí)墊層料碾壓試驗(yàn)成果表

表2 鋪填厚度為40 cm時(shí)墊層料碾壓試驗(yàn)成果表

從表1和表2中可以看出，在墊層料鋪料厚度不變、碾壓遍數(shù)不變的情況下，隨著加水量的增加其壓實(shí)度相應(yīng)升高，孔隙率相應(yīng)減小，說明碾壓時(shí)加水對(duì)壓實(shí)度有積極影響；在墊層料鋪料厚度相同、加水量相同的情況下，振碾8遍比振碾6遍的干密度高、孔隙率低，說明碾壓遍數(shù)越多、壓實(shí)效果越好。

從碾壓試驗(yàn)中干密度數(shù)據(jù)可以看出，鋪料厚度為20 cm、加水5%、振碾6遍時(shí)其干密度能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求；加水5%、振碾8遍時(shí)其干密度較高，孔隙率較低，同樣滿足設(shè)計(jì)要求；振碾6遍且不加水時(shí)其干密度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，結(jié)合工程實(shí)際情況，從經(jīng)濟(jì)性等各方面考慮，鋪填厚度為20 cm時(shí)，采用2 t小型振動(dòng)碾碾壓，碾壓參數(shù):振碾8遍，不加水，激振力15 kN，行駛速度1．2 km/h。鋪料厚度為40 cm時(shí)，不加水和加水5%、振碾6遍時(shí)其干密度小于設(shè)計(jì)要求的2．17 g/ cm3；加水5%、振碾8遍和加水10%碾壓時(shí)，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求；但加水10%、振碾6遍時(shí)其孔隙率偏高，滲透系數(shù)均在10－3～10－4之間，因此，鋪填厚度為40 cm時(shí)，采用20 t自行式振動(dòng)碾碾壓，碾壓參數(shù):振碾8遍，加水5%，激振力350 kN，行駛速度為2．1 km/h。

3．4 過渡料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及成果分析

過渡料鋪料厚度與墊層料鋪料厚度一致，為40 cm。試驗(yàn)前，對(duì)開采的石料經(jīng)過條篩篩分剔除粒徑300 mm以上的顆粒后，在開采料源附近選擇一塊試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，碾壓遍數(shù)從振碾8遍和振碾10遍中選擇，加水量在加水5%和加水10%中選擇，試驗(yàn)成果見表3。

表3 過渡料碾壓試驗(yàn)成果表

從表3中可以看出，在鋪料厚度、碾壓遍數(shù)相同的情況下，其干密度并沒有隨加水量的增加而提高，說明加水加到一定量后對(duì)壓實(shí)度沒有“積極”作用；在鋪料厚度、加水量一定的情況下，碾壓遍數(shù)的增加對(duì)干密度有較大程度的提高，說明壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，同時(shí)，粒徑＜5 mm顆粒含量和粒徑＜0．075 mm顆粒含量亦隨著碾壓遍數(shù)的增加而增多，其滲透系數(shù)也隨之減小，說明該料場(chǎng)料源中軟巖顆粒摻加其中，在強(qiáng)振碾壓下軟巖顆粒被碾壓破碎成細(xì)顆粒反而對(duì)過渡料滲透性不利。因此，過渡料鋪填厚度為40 cm，采用20 t自行式振動(dòng)碾碾壓時(shí)選擇的碾壓參數(shù)為:振碾8遍，加水5%，激振力350 kN，行駛速度為2．1 km/h。

3．5 堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)及成果分析

楊家灣料場(chǎng)爆破后軟巖料無法剔除，經(jīng)設(shè)計(jì)研究要求分別進(jìn)行含軟巖30%和50%的混合料進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地在采石場(chǎng)附近選定。試驗(yàn)時(shí)分鋪填厚度60 cm，振碾6遍、8遍和鋪填厚度80 cm，振碾6遍、8遍控制。碾壓時(shí)，由于混合料中泥巖含量較多未進(jìn)行灑水。圖3為含軟巖料50%混合料的碾壓后顆粒級(jí)配表，圖4為含軟巖料30%混合料的碾壓后顆粒篩分級(jí)配圖。表4為含軟巖料30%和50%混合料碾壓試驗(yàn)成果表。

從圖3、4中可以看出，碾壓后，無論含30%軟巖的混合料還是50%軟巖的混合料中粒徑＜0．075 mm顆粒含量均遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，其中含50%軟巖混合料中粒徑＜0．075 mm顆粒含量為28%，含30%軟巖混合料中粒徑＜0．075 mm顆粒含量為19．2%；根據(jù)計(jì)算，含30%軟巖混合料的不均勻系數(shù)Cu為1．9，含50%軟巖混合料的不均勻系數(shù)Cu為1．95，均與設(shè)計(jì)要求的不均勻系數(shù)大于16的要求相差甚遠(yuǎn)。

從表4中可以看出，混合料不論是振碾6遍，還是振碾8遍，其干密度雖然有小幅度的提高，但始終達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，滲透系數(shù)均在10－4左右，其滿足不了面板堆石壩堆石料的滲透要求。圖4 含軟巖料30%混合料的碾壓后顆粒篩分級(jí)配圖

圖3 含軟巖料50%混合料的碾壓后顆粒篩分級(jí)配圖

圖4 含軟巖料30%混合料的碾壓后顆粒篩分級(jí)配圖

表4 含軟巖30%和50%混合料碾壓試驗(yàn)成果表

4 結(jié)語

(1)從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在其他可變量固定時(shí)，碾壓遍數(shù)的增加對(duì)筑壩材料的壓實(shí)度有較大程度的提高，灑水量的增加對(duì)壓實(shí)度也有一定的積極作用。同時(shí)，有關(guān)數(shù)據(jù)表明:碾壓遍數(shù)過多會(huì)使壩料中細(xì)顆粒含量增加，進(jìn)而影響壩料的滲透性；灑水量在達(dá)到一定量時(shí)，對(duì)壓實(shí)度的影響較小，進(jìn)而推測(cè)當(dāng)灑水量達(dá)到某值時(shí)，壓實(shí)度將趨于一個(gè)穩(wěn)定值或呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，不再隨灑水量的增加而增大。因此，在進(jìn)行面板堆石壩筑壩時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際筑壩材料因地制宜，選擇合理、經(jīng)濟(jì)的碾壓參數(shù)。

(2)堆石料試驗(yàn)結(jié)果表明，泥巖、礫巖混合料筑壩時(shí)，由于泥巖強(qiáng)度很低、礫巖強(qiáng)度相對(duì)較高，施工過程中受振動(dòng)碾碾壓后泥巖全部轉(zhuǎn)化為土顆粒填充在礫巖骨架之間，使壩料滲透系數(shù)大大降低，無法滿足筑壩要求，需重新選定新的料場(chǎng)進(jìn)行筑壩或結(jié)合面板堆石壩的特點(diǎn)改變壩型進(jìn)行筑壩。

(責(zé)任編輯:李燕輝)

TV7;TV52;TV523;TV522

B

1001-2184(2015)05-0016-04

向?qū)W忠(1970-)，男，重慶豐都人，基礎(chǔ)工程分局分局長(zhǎng)，高級(jí)工程師，從事水利水電、房屋建筑工程施工、技術(shù)管理及市場(chǎng)開發(fā)等工作；

李旺盛(1987-)，男，青海民和人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；

趙啟強(qiáng)(1975-)，男，四川巴中人，高級(jí)工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作．

2015-08-25