前坪水庫筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)研究

皇甫澤華，張兆省，歷從實(shí)，楊玉生

（1.河南省前坪水庫建設(shè)管理局，450003，鄭州；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

前坪水庫筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)研究

皇甫澤華1，張兆省1，歷從實(shí)1，楊玉生2

（1.河南省前坪水庫建設(shè)管理局，450003，鄭州；2.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京）

無序人工河道采砂導(dǎo)致前坪水庫料場筑壩砂礫料級配范圍變化大、離散性大，為進(jìn)一步明確上壩料級配包線，科學(xué)確定碾壓施工參數(shù)，提高施工工效，驗(yàn)證設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，在選定26 t自行式振動(dòng)碾條件下，對擾動(dòng)筑壩砂礫料進(jìn)行了不同鋪厚、不同碾壓遍數(shù)和不同灑水情況組合的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出能夠滿足填筑標(biāo)準(zhǔn)的高效碾壓施工參數(shù)及相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。

前坪水庫；采砂擾動(dòng)砂礫料；現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)；碾壓施工參數(shù)；施工功效

前坪水庫是國務(wù)院批準(zhǔn)的172項(xiàng)重大節(jié)水供水工程之一，位于淮河流域沙潁河主要支流北汝河上游洛陽市汝陽縣，是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電的大（2）型水利樞紐工程，總庫容5.84億m3，主要建筑物包括主壩、副壩、溢洪道、泄洪洞、輸水洞、電站等。主壩采用黏土心墻砂礫（卵）石壩，壩頂長818 m，最大壩高90.3 m，初步設(shè)計(jì)批復(fù)所需筑壩砂礫料場為大壩上下游近10 km北汝河內(nèi)上層5.5 m范圍內(nèi)的砂礫（卵）石，總用量約1 500萬m3。

已批復(fù)的壩殼料設(shè)計(jì)為天然級配砂礫（卵）石料，由于近年人工采砂現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致料場上層砂礫（卵）石料細(xì)顆粒缺失，料場砂礫（卵）石料級配曲線、物理力學(xué)參數(shù)、開采條件等均有變化。鑒于大壩填筑料的重要性，2016年3月經(jīng)水規(guī)總院專家咨詢建議，對壩體填筑砂礫石料有效分布（質(zhì)量、儲量等）進(jìn)行復(fù)核，經(jīng)復(fù)核原有料場及上游兩岸階地中下部可開采原級配砂礫石料約685萬m3，人工采砂擾動(dòng)料約700萬m3。由于人工開采后擾動(dòng)料級配范圍變化大，離散性大，大壩施工前開展筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)研究，進(jìn)一步明確上壩料級配包線，對利用700萬m3人工采砂擾動(dòng)料及工程質(zhì)量控制和施工技術(shù)要求至關(guān)重要。

目前堆石壩碾壓設(shè)備和施工技術(shù)發(fā)展很快，很多砂礫石壩施工經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。根據(jù)物料性質(zhì)，考慮振動(dòng)碾噸位、鋪層厚度、分區(qū)配置等因素，開展筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)研究、復(fù)核和確定設(shè)計(jì)參數(shù)和施工參數(shù)，為大壩優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工技術(shù)參數(shù)控制提供科學(xué)依據(jù)，對保證現(xiàn)場施工質(zhì)量可控及提高工效可行性非常必要。

一、試驗(yàn)內(nèi)容

該碾壓試驗(yàn)選定擾動(dòng)砂礫料場砂礫料進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，研究重點(diǎn)針對壩殼砂礫料，按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，開展砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)，復(fù)核和確定設(shè)計(jì)參數(shù)和施工參數(shù)，為大壩優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工技術(shù)參數(shù)控制提供科學(xué)依據(jù)。一是驗(yàn)證壩料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，對碾壓試驗(yàn)確定的壩體填筑料的填筑標(biāo)準(zhǔn)，確定特定碾壓設(shè)備（26t振動(dòng)碾）、強(qiáng)震條件下砂礫料達(dá)到填筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的碾壓參數(shù)，如鋪筑厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等；二是檢驗(yàn)所選用的填筑壓實(shí)機(jī)械的實(shí)用性及其性能的可靠性；三是測定各堆筑料碾壓后的物性指標(biāo)，包括含水率、干密度、相對密度（配合相對密度試驗(yàn)確定）、顆粒級配、滲透系數(shù)等；四是通過進(jìn)行不同碾壓參數(shù)的對比試驗(yàn)，確定各堆筑料經(jīng)濟(jì)合理的壓實(shí)參數(shù)；五是研究和完善壩料填筑的施工工藝和措施。

二、試驗(yàn)方案及檢測項(xiàng)目

1.試驗(yàn)方案

前坪水庫擾動(dòng)砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)采用26 t的自行式振動(dòng)平碾，振動(dòng)平碾的機(jī)身重量為26.1 t，額定功率為174 kW，碾壓寬度為2.2 m。

前坪水庫筑壩砂礫料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)對灑水和不灑水工況下的砂礫料共進(jìn)行3個(gè)不同鋪厚（60 cm、80 cm和100 cm）、4個(gè)不同碾壓遍數(shù)（6遍、8遍、10遍、12遍）共計(jì)24個(gè)小試驗(yàn)區(qū)工況組合的試驗(yàn)。

除此之外，還根據(jù)以上碾壓試驗(yàn)確定的碾壓參數(shù)，進(jìn)行碾壓參數(shù)復(fù)核試驗(yàn)，進(jìn)行了鋪厚80 cm、灑水和不灑水、碾壓遍數(shù)分別為6遍和8遍的碾壓復(fù)核試驗(yàn)。

2.檢測項(xiàng)目

根據(jù)試驗(yàn)場地情況，參照國家有關(guān)規(guī)范，對不同碾壓參數(shù)（工況）下的碾壓層進(jìn)行含水率、干密度、顆粒級配等測試，提出含水率、干密度、碾壓前后顆粒級配組成等測試結(jié)果及表示指標(biāo)隨碾壓施工參數(shù)變化的規(guī)律圖表。對于復(fù)核碾壓試驗(yàn)，還應(yīng)進(jìn)行滲透系數(shù)檢測。

三、相關(guān)影響因素試驗(yàn)研究

采用選定的碾壓機(jī)具和行車參數(shù)（行車速度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)位移等），對前坪水庫擾動(dòng)料場分別進(jìn)行了灑水和不灑水、不同鋪土厚度、不同碾壓遍數(shù)等試驗(yàn)組合工況的碾壓試驗(yàn)及相應(yīng)的物理力學(xué)特性試驗(yàn)檢測（主要包括干密度、含水率、干密度和顆粒分析等）。試驗(yàn)前，對選定料場砂礫料進(jìn)行了顆粒分析試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)材料的代表性。對選定料場代表性砂礫料碾壓試驗(yàn)結(jié)果，分析顆粒級配對材料碾壓性能（以干密度或相對密度評價(jià)）的影響，分析整理了灑水和不灑水時(shí)一定鋪土厚度下的干密度（相對密度或孔隙率）與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線、一定加水量和碾壓遍數(shù)下干密度（相對密度或孔隙率）與鋪土厚度的關(guān)系曲線等規(guī)律。經(jīng)綜合比較，初步選定碾壓施工參數(shù)（主要包括行車速度、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)和加水量等），最后進(jìn)行了復(fù)核試驗(yàn)。

1.不同影響因素試驗(yàn)

對選定料場代表性砂礫料，采用26 t自行式振動(dòng)平碾，進(jìn)行了不灑水和灑水工況下鋪土厚度 60 cm、80 cm、100 cm， 碾壓遍數(shù) 6遍、8遍、10遍、12遍等不同組合的碾壓試驗(yàn)。

2.復(fù)核試驗(yàn)

在對選定料場代表性砂礫料灑水、不灑水、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度等因素對碾壓效果影響研究的基礎(chǔ)上，初步選定砂礫料的鋪厚為80 cm，對鋪土厚度80 cm分別進(jìn)行了灑水和不灑水、碾壓遍數(shù)6遍和8遍不同組合的復(fù)核碾壓試驗(yàn)。

3.級配的影響

砂礫料顆粒級配特征（主要包括＜5mm細(xì)粒含量及200～400mm的粗大粒組含量等）對其碾壓性能有一定影響。

各挖坑干密度與顆粒級配有穩(wěn)定的對應(yīng)關(guān)系，對于細(xì)粒含量合理（10%～20%）、有一定粗大粒組（200～400 mm）含量，有一定細(xì)粒含量且包含粗大粒組（200～400 mm）的連續(xù)級配，挖坑干密度較大。否則，對于缺乏細(xì)粒含量或缺乏粗大粒組等各種級配，挖坑干密度較小。因此，控制砂礫料上壩級配十分重要。

4.加水與否的影響

加水對砂礫料的碾壓性能有明顯影響，能夠顯著提高砂礫料的碾壓性能。比如對于鋪土厚度80 cm、碾壓遍數(shù)6遍和8遍，不加水時(shí)平均相對密度均不能達(dá)到相對密度80%的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。而在灑水飽和碾壓條件下，碾壓6遍時(shí)部分試坑檢測相對密度小于80%，碾壓8遍時(shí)各個(gè)試坑檢測相對密度均大于80%，灑水碾壓8遍時(shí)平均相對密度能達(dá)到相對密度80%的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。

5.碾壓遍數(shù)的影響

不灑水碾壓時(shí)，在一定鋪厚下，隨著碾壓遍數(shù)增加，干密度和相對密度的變化沒有特定的趨勢性關(guān)系。從復(fù)核試驗(yàn)看，在不灑水碾壓的條件下，碾壓遍數(shù)從6遍增加到8遍時(shí)，平均干密度和平均相對密度略有增大，分別從2.227和76.9%增大到2.278和79.4%。說明在一定鋪厚下，砂礫料不灑水碾壓時(shí)，碾壓遍數(shù)對干密度和相對密度的影響較小，碾壓時(shí)較難滿足填筑相對密度指標(biāo)達(dá)到80%的要求。灑水碾壓時(shí)，在一定鋪厚下，隨著碾壓遍數(shù)增加，相對密度增大，碾壓遍數(shù)對碾壓效果的影響明顯。對于灑水鋪厚80 cm，能滿足填筑相對密度達(dá)到80%以上要求的臨界碾壓遍數(shù)為8遍。

6.鋪土厚度的影響

不灑水碾壓時(shí)，在一定碾壓遍數(shù)下，隨著鋪厚增大，干密度和相對密度的變化沒有特定的趨勢性關(guān)系，不同試驗(yàn)鋪厚下均難以完全滿足填筑相對密度指標(biāo)達(dá)到80%的要求。

灑水飽和碾壓時(shí)，在一定碾壓遍數(shù)下，隨著鋪厚增大，相對密度減小，鋪厚對砂礫料壓實(shí)效果有明顯影響。鋪厚從60 cm增大到80 cm時(shí)，相同碾壓遍數(shù)下，隨著鋪厚增加，相對密度降低較??；當(dāng)鋪厚從80 cm繼續(xù)增大時(shí)，相對密度降低很快，因此可選定80 cm為碾壓的臨界厚度。

7.滲透性

對選定料場代表性砂礫料，在建議的碾壓施工參數(shù)下，對碾壓層分別進(jìn)行了垂直滲透試驗(yàn)。根據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果，選定料場代表性砂礫料上壩碾壓達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其滲透系數(shù)范圍為 x×10-4～x×10-2cm/s。

四、結(jié)論和建議

1.試驗(yàn)結(jié)論

灑水工況和不灑水工況試驗(yàn)結(jié)果表明，加水對砂礫料的碾壓性能有顯著影響，加水可顯著提高砂礫料的碾壓性能。

一是通過灑水工況試驗(yàn)表明，碾壓砂礫料相對密度隨鋪土厚度和碾壓遍數(shù)增加而增加的變化規(guī)律較明顯。

二是通過不灑水工況試驗(yàn)表明，隨鋪土厚度和碾壓遍數(shù)增加，碾壓砂礫料相對密度的變化規(guī)律較差，起伏較大。而且，在所試驗(yàn)的鋪土厚度和碾壓遍數(shù)工況下，均不能保證達(dá)到全部試坑相對密度達(dá)到80%以上碾壓標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)分析推測，可能是由于砂礫料含有一定水分，且含水率不均勻引起的。前坪水庫砂礫料場位于河道之內(nèi)，砂礫料一般處于飽和狀態(tài)。經(jīng)過開采、運(yùn)輸?shù)壬狭线^程，砂礫料處于有一定含水的非飽和狀態(tài)，不同位置、不同時(shí)間的上壩砂礫料，其含水狀態(tài)也不一樣。以往的研究資料表明，砂礫料的碾壓密實(shí)性能隨含水率的不同而不同，在完全干燥或飽和兩種情況下均較容易碾壓密實(shí)，而非飽和的含有一定水分時(shí)則不易碾壓密實(shí)。砂礫料碾壓性能由干燥狀態(tài)開始隨含水率的提高而減小，在某個(gè)含水率時(shí)最差（如1%～2%時(shí)），然后再隨含水率的提高而提高。

三是選定料場代表性砂礫料，在建議的碾壓施工參數(shù)下，復(fù)核碾壓試驗(yàn)層的滲透系數(shù)范圍為 x×10-4～x×10-2cm/s。

2.碾壓施工參數(shù)和質(zhì)量控制建議

①建議施工碾壓參數(shù)為：采用26 t自行式振動(dòng)碾，開強(qiáng)震檔，行車速度控制在3 km/h以下，鋪料厚度為80 cm并灑水飽和，碾壓8遍。

②質(zhì)量控制建議為灑水。按照現(xiàn)有試驗(yàn)成果，灑水與不灑水相比，灑水的效果是非常明顯的。建議在施工中控制好灑水質(zhì)量，保證灑水量和灑水的均勻性。對于河道開采直接上壩砂礫料，可按體積控制灑水10%，可達(dá)充分飽和。

五、應(yīng)用效果

根據(jù)該試驗(yàn)研究成果，將施工功效從原確定的效率較低的碾壓施工參數(shù)（采用18 t振動(dòng)碾，鋪土厚度為40 cm，碾壓8遍等），提高到功效較高的碾壓施工參數(shù) （26t自行式振動(dòng)碾，開強(qiáng)震檔，行車速度控制在3km/h以下，鋪料厚度為80cm并灑水飽和，碾壓8遍），在保證現(xiàn)場施工質(zhì)量的前提下，大幅度提高了現(xiàn)場碾壓施工功效。2016年11月27日，前坪水庫上游圍堰（主壩壩體的一部分）開始填筑，截至2017年3月底，已完成210萬m3（上游圍堰體量260萬 m3），為汛前（5月15日）完成上游圍堰工程、確保汛期上游圍堰擋水度汛打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

Field compaction tests of dam gravel material for Qianping reservoir//

Huangfu Zehua,Zhang Zhaoxing,Li

Congshi,Yang Yusheng

The gradation range of gravel materials in the dam site of the Qianping reservoir is large,and with large dispersion due to artificial sand excavation.In order to further clarify the gravel gradation envelope of dam,scientifically determine the roller compaction parameters,improve the construction efficiency,and verify the rationality of design filling criteria,field compaction tests with different thickness,rolling times and sprinkling quantity were carried out under the 26t self-propelled vibratory roller.Based on the experiments,it is suggested that efficient compaction construction parameters and corresponding quality control measures can meet the filling criteria.

Qianping reservoir;disturbed gravel due to sand excavation；field compaction tests;compaction construction parameters；construction efficiency

TV+F407.9

B

1000-1123（2017）12-0025-02

2017-03-20

皇甫澤華，總工程師，教授級高級工程師。

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（No.201501035）。

責(zé)任編輯 董明銳