黃南水庫(kù)堆石壩碾壓試驗(yàn)和檢測(cè)分析

江浙飏

(水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012)

1 工程概況

黃南水庫(kù)工程位于浙江省松陽縣境內(nèi)小港中段黃南村上游約400 m處峽谷河段，壩型為混凝土面板堆石壩，壩頂高程337.00 m，防浪墻頂高程337.50 m，壩頂寬度10.00 m，壩頂長(zhǎng)度267.00 m，壩基趾板最低高程240.00 m，相應(yīng)最大壩高97.00 m，上、下游壩坡均為1∶1.4，下游壩坡為混凝土格網(wǎng)生態(tài)護(hù)坡。

壩體堆石根據(jù)對(duì)壩料滲透性、壓縮性的不同要求分區(qū)填筑，分層碾壓，自上游至下游依次分為四個(gè)主要填筑區(qū)：墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)和下游堆石區(qū)，另在面板周邊縫附近設(shè)特殊填筑區(qū)(2B區(qū))及在施工滑模壩頂高程332.00 m以上設(shè)壩頂靜碾?yún)^(qū)，下游壩坡設(shè)護(hù)坡。壩頂設(shè)厚20 cm的C25F50混凝土路面，其底部設(shè)厚15 cm的碎石墊層，墊層下部為壩頂靜碾堆石區(qū)。本次堆石壩碾壓試驗(yàn)以特殊墊層區(qū)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，試驗(yàn)段料源為溢洪道開挖可用料及料場(chǎng)石料。

2 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵?/h2>

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)是通過一定的方法檢驗(yàn)、修正設(shè)計(jì)提出的壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)，確定經(jīng)濟(jì)合理的鋪料方式、碾壓程序、碾壓施工參數(shù)，選擇適宜的碾壓機(jī)械設(shè)備，優(yōu)化施工參數(shù)，制定填筑施工實(shí)施細(xì)則與技術(shù)要求，提出施工質(zhì)量控制的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與檢驗(yàn)方法，長(zhǎng)期以來采用灌水(砂)法[1-2]，近年也有學(xué)者提出表面沉降法[3]、壓實(shí)計(jì)(CMV)法[4]、小型載荷試驗(yàn)(K30)法[5]及離散元法[6]等。黃南水庫(kù)面板堆石壩試驗(yàn)主要采用灌水法，并考察堆石體沉降，達(dá)到以下目的：

(1)通過物理、力學(xué)性能的試驗(yàn)成果，驗(yàn)證堆石料設(shè)計(jì)參數(shù)的可行性；

(2)驗(yàn)證特殊墊層區(qū)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性、可用性；

(3)確定特殊墊層區(qū)的最佳壓實(shí)方法(包括選擇碾壓設(shè)備類型、機(jī)械參數(shù)、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度、灑水量等施工參數(shù))；

(4)選擇可行的施工碾壓參數(shù)。

2.2 堆石料設(shè)計(jì)指標(biāo)及相關(guān)要求

(1)開采料堆石的飽和抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于等于60 MPa，軟化系數(shù)大于0.80；

(2)最大粒徑不大于40 mm，小于0.075 mm的顆粒含量不大于8%，不均勻系數(shù)CU>30，曲率系數(shù)CC=1%～3%。

2.3 填筑標(biāo)準(zhǔn)及要求

(1)孔隙率≤16%；

(2)設(shè)計(jì)技術(shù)要求詳(見表1—2、圖1)。

表1 堆石體設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

表2 堆石體設(shè)計(jì)級(jí)配

圖1 堆石體設(shè)計(jì)包絡(luò)線

3 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

3.1 碾壓試驗(yàn)檢測(cè)工作量

碾壓試驗(yàn)檢測(cè)工作量(見表3)。

表3 碾壓試驗(yàn)檢測(cè)工作量

3.2 料源準(zhǔn)備

自備軋石廠生產(chǎn)砂石骨料后，經(jīng)檢測(cè)符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求的石料作為碾壓試驗(yàn)料源。

3.3 備料規(guī)劃及要求

試驗(yàn)用料根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況設(shè)置備料場(chǎng)堆放，部分直接從軋石場(chǎng)直接運(yùn)至碾壓場(chǎng)地。備料場(chǎng)布置在碾壓試驗(yàn)場(chǎng)附近，便于試驗(yàn)用料的運(yùn)輸，堆石料備料場(chǎng)的面積規(guī)劃為1 000 m2，另外備料場(chǎng)進(jìn)行了分區(qū)，不同類別的料必須分別堆存，各區(qū)之間有足夠的間距。備料場(chǎng)地進(jìn)行碾壓處理以使地面堅(jiān)實(shí)平整。

堆石料試驗(yàn)用料應(yīng)數(shù)量充足，且經(jīng)過含水率、顆粒級(jí)配、巖石強(qiáng)度和軟化系數(shù)檢測(cè)合格。

3.4 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地模擬大壩填筑施工情況，位于大壩壩區(qū)上游自備軋石廠附近已完成開挖的坡腳處，場(chǎng)地總體面積為400 m2。根據(jù)前期沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)成果分析，經(jīng)過雨季沉降，場(chǎng)地沉降變形基本穩(wěn)定，滿足碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地的技術(shù)要求。

(1)場(chǎng)地堅(jiān)實(shí)平整，采用20 t自行式振動(dòng)平碾按2～3 km/h的速度碾壓，根據(jù)測(cè)量沉降資料結(jié)果看，碾壓2遍后全場(chǎng)平均沉降量小于2 mm；整場(chǎng)高差小于20 cm且局部起伏差小于5 cm。

(2)在場(chǎng)地碾壓完畢后，攤鋪一層試驗(yàn)料，壓實(shí)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將這一層作為基層，然后在其上進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。

(3)一個(gè)試驗(yàn)區(qū)規(guī)格為12 m×16 m(寬×長(zhǎng)) ，面積為192 m2。

(4)試驗(yàn)鋪料要求

由于碾壓時(shí)產(chǎn)生側(cè)向擠壓，因此試驗(yàn)區(qū)的兩側(cè)(垂直行車方向)留出了一個(gè)碾寬。順碾壓方向的兩端留出了4～5 m作為非試驗(yàn)區(qū)，以滿足停車和錯(cuò)車需要。

3.5 碾壓前試驗(yàn)檢測(cè)

本次碾壓試驗(yàn)在碾壓前對(duì)特殊墊層區(qū)進(jìn)行了3組含水率試驗(yàn)、3組顆粒級(jí)配試驗(yàn)；2組巖石強(qiáng)度及軟化系數(shù)試驗(yàn)；比重試驗(yàn)。其檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)(見表4—6、圖2)。

從表4—6和圖2中看出，碾壓試驗(yàn)材料試驗(yàn)結(jié)果滿足要求。

表4 碾壓前顆粒級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表5 巖石抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表6 比重檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖2 碾壓前顆粒分析曲線

4 碾壓試驗(yàn)

壓實(shí)參數(shù)包括機(jī)械參數(shù)和施工參數(shù)兩大類。其中碾壓設(shè)備為20 t自行式振動(dòng)碾，施工參數(shù)包括鋪料厚度、碾壓遍數(shù)、行車速度、含水量等。

試驗(yàn)組合方法采用淘汰法，即每次只變動(dòng)一項(xiàng)參數(shù)，固定其他參數(shù)，通過試驗(yàn)求得該項(xiàng)參數(shù)的適宜值，再變動(dòng)另一項(xiàng)參數(shù)，求得另一項(xiàng)施工參數(shù)的適宜值，最終通過試驗(yàn)得到的填筑材料的各項(xiàng)最佳施工參數(shù)。待各項(xiàng)參數(shù)選定后，用選定參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。

碾壓設(shè)備采用20 t自行式振動(dòng)平碾，碾壓參數(shù)為4種組合行車速度按2～3 km/h(超過3 km/h報(bào)警)進(jìn)行控制。碾壓遍數(shù)與沉降量關(guān)系曲線未趨于收斂時(shí)，增加碾壓遍數(shù)，繼續(xù)試驗(yàn)直至收斂，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行不同加水量的試驗(yàn)復(fù)核。

為保證沉降觀測(cè)準(zhǔn)確，在振動(dòng)碾振動(dòng)影響范圍之外的碾壓場(chǎng)附近設(shè)置2個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，在碾壓試驗(yàn)單元內(nèi)以2 m×2 m的方格網(wǎng)布置沉降測(cè)點(diǎn)。沉降測(cè)量碾壓數(shù)遍后對(duì)試驗(yàn)單元內(nèi)全部測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次高程測(cè)量，整個(gè)場(chǎng)次碾壓完成后的數(shù)據(jù)為一個(gè)場(chǎng)次。

測(cè)量測(cè)點(diǎn)布置采用2 m×2 m的方格網(wǎng)，根據(jù)不同的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)，以鋪料厚度20 cm、碾6遍為例，每個(gè)區(qū)布置48個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)采用白灰標(biāo)識(shí)，碾壓兩遍后仍按標(biāo)識(shí)測(cè)量，如有損毀重新標(biāo)識(shí)測(cè)量。

(1)鋪料前測(cè)量

采用徠卡(TS09)全站儀和中偉水準(zhǔn)儀進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)量，記錄其測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)及高程，取得鋪料厚度計(jì)算初始值。

(2)碾壓前測(cè)量

鋪料完成后，在試驗(yàn)段內(nèi)按照均勻分布的方格網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量，記錄其坐標(biāo)和高程，測(cè)算其鋪料厚度，并為計(jì)算碾壓沉降值提供初始值。

(3)碾壓過程中

測(cè)量碾壓過程中碾壓遍數(shù)每增加2遍，由測(cè)量進(jìn)行方格網(wǎng)測(cè)量，并記錄碾壓過程中的測(cè)量值。

(4)碾壓后測(cè)量

碾壓結(jié)束后，根據(jù)方格網(wǎng)點(diǎn)測(cè)量其高程值，求得碾壓沉降量。

5 碾壓試驗(yàn)成果

使用方格網(wǎng)測(cè)量，不同鋪料厚度與碾壓遍數(shù)的沉降量(見表7)，沉降率(見表8)，沉降率與碾壓遍數(shù)、鋪料厚度關(guān)系曲線圖(見圖3)。

表7 各級(jí)碾壓遍數(shù)下的沉降量匯總表

表8 各級(jí)碾壓遍數(shù)下的沉降率匯總表

圖3 沉降率與鋪料厚度關(guān)系曲線圖

本次碾壓試驗(yàn)2個(gè)碾壓組合，碾壓后每個(gè)組合取現(xiàn)場(chǎng)密度3組，其檢測(cè)結(jié)果(見表9、圖4)。從表9試驗(yàn)結(jié)果分析可得出，特殊墊層區(qū)當(dāng)鋪料厚度為20 cm時(shí)，碾壓遍數(shù)振碾4遍和6遍時(shí)孔隙率滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，但碾壓4遍孔隙率滿足設(shè)計(jì)要求，富裕系數(shù)足夠；鋪料厚度為20 cm時(shí)碾壓6遍滿足設(shè)計(jì)要求、富裕系數(shù)過大；故特殊墊層2B區(qū)選擇鋪料厚度為20 cm，20 t自行式振動(dòng)碾碾壓4遍組合進(jìn)行不同加水量(4%、5%)的試驗(yàn)復(fù)核，結(jié)果(見表10)。

圖4 碾壓后顆粒級(jí)配曲線

表9 現(xiàn)場(chǎng)密度試驗(yàn)檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

表10 現(xiàn)場(chǎng)密度復(fù)核試驗(yàn)檢測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表

從表10的成果分析， 5%加水量試驗(yàn)成果滿足設(shè)計(jì)孔隙率的要求。

采用20 t式振動(dòng)碾在鋪料厚度為20 cm遍數(shù)振碾4和6時(shí)孔隙率滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，碾壓4遍時(shí)孔隙率≤16%，滿足設(shè)計(jì)要求，富裕系數(shù)達(dá)標(biāo)，碾壓6遍時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求，富裕系數(shù)達(dá)標(biāo)，孔隙率≤16%。但從施工進(jìn)度方面考慮，確定碾壓4遍為特殊墊層區(qū)的施工碾壓遍數(shù)。特殊墊層區(qū)加水量試驗(yàn)成果均滿足設(shè)計(jì)要求。

本次碾壓試驗(yàn)采用20 t自行式振動(dòng)碾(型號(hào)為XS202J)，碾壓寬度為2 350 mm，振力為353 kN。行車速度為2～3 km/h，采用低頻高振碾壓。

根據(jù)上述對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，最終確定具體施工參數(shù)(見表11)。

表11 施工工藝參數(shù)確定表

6 結(jié)論與建議

(1)堆石體碾壓試驗(yàn)是堆石壩填筑質(zhì)量檢測(cè)的重要內(nèi)容，在填筑每層每單元均要進(jìn)行壓實(shí)度、容重、空隙率等指標(biāo)的檢測(cè)，并根據(jù)料場(chǎng)的情況及時(shí)修正控制參數(shù)，在控制較理想的情況下，可適當(dāng)減少施工過程中的挖坑檢測(cè)數(shù)量。

(2)灌水法較適用于堆石體碾壓試驗(yàn)，在效率、準(zhǔn)確度上均有優(yōu)勢(shì)。從黃南水庫(kù)面板堆石壩碾壓試驗(yàn)結(jié)果來看，采用20 t振動(dòng)碾、層厚200 mm、加水5%、碾壓4遍，可以達(dá)到要求。

(3)結(jié)合料場(chǎng)的爆破試驗(yàn)，選取穩(wěn)定的料場(chǎng)和較穩(wěn)定的爆破參數(shù)，取得的碾壓試驗(yàn)參數(shù)在施工過程中會(huì)取得較好的控制效果。