抽水蓄能電站土石壩填筑料現(xiàn)場碾壓工藝性試驗

賈高峰,王保欣,李志龍,陳書軍

(1.中國水利水電第三工程局有限公司,西安 710007；2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概況

該抽水蓄能電站地處寒溫大陸性季風濕潤氣候區(qū)，夏季炎熱多雨，冬季漫長寒冷，多年平均最高氣溫37.5 ℃、極端最低氣溫-45.2 ℃、多年最大凍土深1.91 m。屬Ⅰ等大(1)型工程，樞紐建筑物由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、地面開關(guān)站及下水庫組成。上水庫混凝土面板堆石主壩及心墻土石副壩，其主壩最大壩高80.00 m，壩頂長745 m。上庫壩體填筑工程量約3.11×106m3,其壩體填筑料料場位于壩址上游，地下廠房硐室開挖后直接運輸至料場進行加工后再運至壩體碾壓填筑。根據(jù)DL/T5129-2013《碾壓式土石壩施工規(guī)范》要求[1]，堆石料應優(yōu)先采用巖性單一，且數(shù)量與質(zhì)量應有可靠保證，反濾料及過渡料可采用人工制備。因此需在碾壓施工前對壩料進行必要的工藝性試驗，以確定相關(guān)的技術(shù)指標和各種參數(shù)，在參考其他工程碾壓施工技術(shù)方法上[5],進行碾壓工藝性試驗研究。

2 工藝性試驗目的

(1) 復核已堆存的洞挖石料質(zhì)量是否滿足設計要求。

(2) 通過碾壓工藝性試驗，確定各種填筑料的施工壓實機具；經(jīng)濟合理的壓實工藝參數(shù)(鋪料方法、鋪層厚度、 碾壓遍數(shù)、 加水量等)。

(3) 確定級配曲線、孔隙率、干容重及滲透系數(shù)等有關(guān)質(zhì)量控制參數(shù)。

(4) 制定有關(guān)的施工技術(shù)措施和檢驗方法。

3 主要技術(shù)指標

3.1 洞挖料物理、力學及化學性指標

洞挖料巖性為新鮮～微風化長白花崗巖，通過試驗結(jié)果可知[2]：比重為2.64～2.65，干密度值為2.60～2.62 g/cm3，飽和密度2.62～2.63 g/cm3，吸水率為0.26%～0.43%，飽和吸水率為0.30%～0.47%，孔隙率為0.76%～1.52%，變形模量11.4～17.1 GPa，SO3含量在0.06%～0.09%，其干抗壓強度77.1～101.0 MPa,飽和抗壓強度為61.9～78.9 MPa,屬堅硬巖石；軟化系數(shù)均大于0.75，屬不軟化巖石。

3.2 墊層料設計指標

壓實后最小干密度2.23 g/cm3，洞挖料塊石最大粒徑100 mm，孔隙率≤17%；壓實后滲透系數(shù)k≥1×10-2cm/s，小于5 mm顆粒含量15%～30%，不均勻系數(shù)≥15，曲率系數(shù)=1～3。

3.3 過渡料設計指標

壓實后最小干密度2.17 g/cm3，洞挖料塊石最大粒徑300 mm，孔隙率≤19%；小于5 mm顆粒含量10%～20%，不均勻系數(shù)≥15，曲率系數(shù)=1～3。

4 碾壓試驗及過程控制

4.1 試驗方法及場地的選擇

碾壓試驗段試驗方法采用以“全質(zhì)量法”[6]為主、“干密度”校核為輔的方法。即在全過程沉降測量的基礎上，初步判斷壓實情況后進行干密度壓實質(zhì)量檢測。

根據(jù)以往的工程碾壓試驗經(jīng)驗，需選擇一處基面平整堅實的寬闊地帶作為試驗場地，其選用的試驗場地面積為50 m×60 m，基本能夠滿足碾壓試驗要求。并用填料在地基上先鋪壓1層達到設計壓實標準，使墊層料、過渡料試驗場地表面平整度不超過±5 cm作為基準面。

4.2 試驗步驟(流程)

本次碾壓試驗的步驟為[7]：基面處理→填料運輸、上料→人機結(jié)合攤鋪整平→網(wǎng)格點布設、測松鋪厚度→灑水→碾(振)壓→測量碾(振)壓后的沉降量→灌水法取樣檢測壓實度及含水量→進入下一試驗循環(huán)。

4.3 碾壓試驗方案及組合

填筑料在裝運前經(jīng)剔除超遜徑石料后運至填筑基準面，即可開始填筑料的攤鋪和整平工作。過渡料、墊層料試驗采用后退法卸料[8]，人工配合機械攤鋪整平，鋪料時參照周邊厚度標志樁進行，每層鋪料后采用測量方法檢查鋪料厚度，鋪料厚度誤差不宜超過碾壓試驗確定層厚的10%，以松鋪筑厚度45 cm為例，對墊層料和過渡料進行其加水量分別為0%、10%、15%(體積比)，按照3種不同加水量和3個碾壓遍數(shù)(6、8、10遍)進行3場共計9個試驗組合。每次試驗以相同厚度、相同含水量為一場；其試驗順碾壓方向分為3個小區(qū)分別對應不同碾壓遍數(shù)，見表1。

表1 鋪料厚度與碾壓遍數(shù)、含水率組合表

4.4 試驗場地布置及碾壓試驗設備

碾壓試驗場地[9]選擇在上水庫庫盆上游備料場，備用場地平整碾壓面積50 m×60 m。單場試驗場地有效面積需49 m×6 m，一場試驗布置3個試驗組合，依據(jù)規(guī)范要求，場地兩端應留出5～6 m的非試驗區(qū)，以滿足錯車和停車需要。試驗時在試驗場地平面依次進行下一場次試驗組合，整個試驗區(qū)共依次布置6場試驗，場地平面布置如圖1所示。

圖1 試驗場地分區(qū)布置圖 單位：m

根據(jù)設計要求和類似工程施工經(jīng)驗，綜合考慮填筑工期、氣候條件等因素進行設備選型配置，其選擇的設備要保證滿足碾壓試驗段使用的對應技術(shù)參數(shù)。此次墊層料、過渡料碾壓試驗段采用的振動碾為LSS2502型自行式25 t振動平碾，配備的其它主要機械設備有ZL50裝載機1臺、SD22推土機1臺、反鏟挖掘機1臺、20 t自卸汽車6臺、6 t灑水車1臺，具體碾壓填筑設備技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 碾壓填筑設備技術(shù)參數(shù)表

4.5 碾壓過程控制

采用LSS2502振動碾對試驗區(qū)域?qū)嵤┠雺鹤鳂I(yè)，統(tǒng)一先靜壓2遍后再開始振動碾壓，墊層料、過渡料分別采用高、低頻振動壓實，為便于對各碾壓遍數(shù)的鋪筑層相應高程、干密度進行檢測，所有填料均采用進退搭接法碾壓[8]，過渡料、墊層料搭接寬度大于10 cm；振動碾行進速度實測為2.5 km/h，符合規(guī)定小于3 km/h的要求，各細分小場之間最小搭接寬度不小于1.0 m。

4.6 試驗場次組合與試驗數(shù)據(jù)測定

4.6.1 試驗場次組合

試驗組合采用經(jīng)驗法和淘汰法進行，每一試驗組合只變動1個試驗參數(shù)。初步計劃針對同一填料同一鋪筑厚度的同一含水量組合安排同場試驗平行進行，按照碾壓遍數(shù)分別為6、8、10遍分區(qū)檢測；為避免攤鋪后加水量不同而相互影響，不同含水量的同一填料同一鋪筑厚度填料分開填筑試驗。

4.6.2 沉降量觀測

先在碾壓試驗區(qū)域繪制1.5 m×2.0 m方格網(wǎng)[7-9]，并石灰標出車輛進場線路、編號及碾壓遍數(shù)，采用全站儀對方格網(wǎng)交點進行初始高程的測量。正式進行碾壓試驗后，各試驗組合均在振壓(6、8或10遍)前后，分別測出方格網(wǎng)交點高程進行沉降量計算。高程測量必須保證同一沉降量計算點位置不變，測量過程中先用全站儀確定點位后再測高程。

4.6.3 室內(nèi)外試驗檢測

現(xiàn)場采用挖坑注水法試驗[3]。其中現(xiàn)場檢測項目應包括：干密度、含水率、滲透系數(shù)、顆粒分析等[4]；顆粒級配試驗對2種填筑料填筑前和填筑后分別進行1次，10 mm以上部分在碾壓現(xiàn)場進行篩分，10 mm以下部分在室內(nèi)烘干后篩分；滲透試驗參照 (DLT5356-2006 ) 中的“現(xiàn)場滲透試驗”[3]進行。

5 碾壓試驗成果分析

現(xiàn)場碾壓試驗完成后，經(jīng)對試驗數(shù)據(jù)進行綜合數(shù)理統(tǒng)計分析，在同一鋪料厚度保持不變的情況下總體上可分為：碾壓遍數(shù)與沉降量、碾壓遍數(shù)與干密度、碾壓遍數(shù)與顆粒級配關(guān)系3部分。

5.1 碾壓遍數(shù)與沉降量關(guān)系分析

通過各碾壓試驗段的各振動碾壓遍數(shù)，測得過渡料和墊層料加水量分別在0%、10%、15%對應碾壓遍數(shù)的沉降量[10]，其碾壓遍數(shù)與沉降量統(tǒng)計見表3。

表3碾壓遍數(shù)與沉降量統(tǒng)計匯總表

填料種類加水量/%碾壓遍數(shù)與沉降量靜2振4振6振8振10沉降量/mm累計沉降量/mm過渡料02014974501021127534815191386349墊層料01812864481017139534715171396449

從各個沉降量觀測記錄匯總(表3)可知：墊層料和過渡料均隨著碾壓遍數(shù)的增加，其沉降量值呈遞減趨勢，這符合沉降量同碾壓遍數(shù)關(guān)系的正常規(guī)律。從沉降量和不同加水量橫向?qū)Ρ汝P(guān)系上看，二者之間在含水率發(fā)生變化后，小于靜2+振6幾乎沒有區(qū)別，但在大于靜2+振8以上后則沉降量會有輕微改變，如圖2所示。

5.2 碾壓遍數(shù)與干密度試驗匯總分析

碾壓土石壩施工，關(guān)鍵工序就是對壩體砂石料的分層填筑，其壓實效果用測得的干密度反應出來，所以干密度是設計和施工質(zhì)控的主要指標。因此每個試驗組合的對應細分小區(qū)在碾壓完成后均進行干密度及含水量檢測，得出碾壓遍數(shù)分別為6、8、10遍的不同加水量時過渡料和墊層料干密度的變化，對試驗數(shù)據(jù)整理匯總結(jié)果見表4。同時繪制出不同的碾壓遍數(shù)、不同的含水量與干密度的關(guān)系曲線[11]，如圖3、4所示。

從表4所列碾壓試驗結(jié)果可知，過渡料和墊層料在碾壓遍數(shù)分別為6、8、10遍的干密度和孔隙率的實測值均滿足設計指標要求，其過渡料和墊層料的壓實干密度與碾壓遍數(shù)、實測含水量關(guān)系曲線見圖3、4。從它們的關(guān)系可知，干密度實測值均隨碾壓遍數(shù)的增加而增加，但若加水量過大或碾壓遍數(shù)過多都會對碾壓密實度有一定影響，且干密度有隨著碾壓遍數(shù)的增加而出現(xiàn)逐漸降低的趨勢，經(jīng)過對比碾壓遍數(shù)以靜2+振8、加水量為10%的試驗結(jié)果更具經(jīng)濟合理性。

圖2 過渡料、墊層料碾壓遍數(shù)同沉降量的關(guān)系曲線圖

填料類型碾壓遍數(shù)/遍加水量/%實測平均含水量/%平均干密度/(g·cm-3)孔隙率/%過渡料靜2+振6靜2+振8靜2+振1003.52.2614.4104.52.2714.0155.02.2913.303.22.2813.7104.22.2813.6154.92.3112.503.32.3012.8104.12.3112.5154.62.3012.9墊層料靜2+振6靜2+振8靜2+振1003.52.2714.2104.32.2813.5155.12.2813.703.42.3311.8104.62.3112.6155.12.3013.003.62.3411.3104.12.3411.5155.12.3112.5

5.3 級配篩分試驗匯總分析

為論證對比碾壓前后的料源(洞挖料)顆粒級配變化情況，在碾壓試驗開始鋪料的同時，分別對墊層料、過渡料進行了碾壓前的篩分試驗[4]。碾壓結(jié)束后，在一定范圍內(nèi)進行干密度(灌水法)和含水量檢測，同時將試坑挖出的填筑料進行全顆分試驗。其選定靜壓2遍+振壓8遍的試坑顆分曲線如圖5、6所示。

從圖5、6可以看出，墊層料、過渡料采用巖性好、硬度高的花崗巖，碾壓前后的顆粒級配整體有著顯著變化，碾壓后表面細顆粒有明顯增加，可能同巖性本身的礦物結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。從碾壓試驗后的表面和試坑斷面可以看出，墊層料在碾壓施工過程中，填料相對鑲嵌緊密，淺表部的20～40 mm粒徑的塊石有明顯的碾壓破碎現(xiàn)象，故碾壓后的墊層料顆分曲線性狀有一定的變化程度；過渡料的碾壓表面清晰可見有顆粒被壓碎的現(xiàn)象，而在表層以下部位的顆粒被壓碎情況則不明顯，過渡料碾壓前后顆粒級配也同樣有一定顯著變化,主要受粒徑形狀的影響。2種類型的碾壓后試驗結(jié)果表明，雖然曲線總體趨勢位于設計包絡線內(nèi)，但碾壓后致使5 mm以下部分顆粒含量有顯著增加。另外從不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)上看，過渡料CU和CC值、墊層料CU值均滿足設計要求，墊層料碾壓前后的曲率系數(shù)CC不能滿足設計指標要求，因此需做必要的級配調(diào)整。

6 結(jié) 語

根據(jù)上述墊層料和過渡料現(xiàn)場碾壓試驗成果，經(jīng)對試驗資料進行系統(tǒng)的整理、匯總和分析，結(jié)合碾壓鋪設厚度、各加水量下的沉降量變化，以及碾壓后洞挖摻配料級配、干密度的實際變化情況綜合考慮，在充分借鑒其他工程碾壓試驗的基礎上得出：

(1) 墊層料、過渡料的施工松鋪控制厚度均以45 cm為宜，壓實厚度為40 cm；其含水率控制以墊層料、過渡料的碾壓施工加水量(體積比)分別為10%和13%時最佳。

圖4 墊層料干密度與碾壓遍數(shù)、含水量關(guān)系曲線圖

圖5 墊層料碾壓前后級配曲線圖

圖6 過渡料碾壓前后級配曲線圖

墊層料、過渡料進行灑水碾壓施工時以靜壓2遍+振壓8遍為宜；當無灑水時，則應以靜壓2遍+振10遍控制，其靜壓和振壓時的行駛速度應控制在2～3 km/h。

(2) 建議根據(jù)不同的筑壩石料設計要求，進行科學有序的洞挖石料開采，并通過所需料源的爆破試驗參數(shù)對石料的爆破開采進行有效控制。同時加強洞挖石料的分類加工堆存，以便保證筑壩石料的顆粒級配等各項指標都能滿足設計要求。

(3) 應結(jié)合工程實際，取與碾壓試驗相同的代表性堆石料作為試驗用料，宜在碾壓試驗場定點檢測碾壓前后顆粒級配及破碎率(尤其是小于5 mm含量)等試驗。檢測碾壓前后級配變化值，并對鋪筑層厚度全料進行顆粒級配分析論證，調(diào)整更為經(jīng)濟合理的級配曲線。

(4) 壩體填筑碾壓參數(shù)應根據(jù)碾壓試驗成果進行綜合分析比較，大壩施工過程中需對細料進行嚴格控制，必要時可進行摻天然礫料進行碾壓試驗[12]，以便改善提高顆粒級配的合理性，并經(jīng)生產(chǎn)性試驗對摻礫料碾壓施工參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整[13]。