采砂改變級(jí)配砂礫料筑壩壓實(shí)特性及碾壓施工參數(shù)研究

李康達(dá)，楊玉生，柳 瑩，趙劍明，王 龍，齊吉琳

（1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 巖土工程研究所，北京 100048；3.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 研究背景

某水庫(kù)是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)的172項(xiàng)水利工程之一，總庫(kù)容為5.84億m3，屬大（2）型水庫(kù)。該水庫(kù)主壩為黏土心墻砂礫（卵）石壩，最大壩高90.3 m。壩殼料設(shè)計(jì)采用天然級(jí)配砂礫（卵）石料，大壩填筑方量為1300萬(wàn)m3。2012年在可研勘察時(shí)，查明砂礫料儲(chǔ)量共計(jì)1404.0萬(wàn)m3，滿足工程需要。根據(jù)前期的碾壓試驗(yàn)，推薦采用18噸振動(dòng)碾，鋪料厚度為40 cm，碾壓8遍等碾壓施工參數(shù)，可使得該水庫(kù)壩殼料相對(duì)密度達(dá)到75%。

由于河道常年采砂，尤其是2015年6月份以后，河槽采砂尤為嚴(yán)重。河槽內(nèi)采砂場(chǎng)多數(shù)采用篩選和破碎兩種方式開(kāi)采，篩選開(kāi)采主要對(duì)料場(chǎng)內(nèi)砂礫料中細(xì)粒組進(jìn)行，破碎開(kāi)采則對(duì)整個(gè)料區(qū)進(jìn)行了開(kāi)挖。由于當(dāng)?shù)厝斯げ缮埃êY選）較普遍，導(dǎo)致原規(guī)劃料料場(chǎng)上層砂礫（卵）石料細(xì)顆粒缺失，改變了料場(chǎng)砂礫（卵）石料天然級(jí)配曲線、物理力學(xué)參數(shù)、賦存條件等，產(chǎn)生了約700萬(wàn)m3的采砂擾動(dòng)砂礫料。人工開(kāi)采擾動(dòng)后部分料粒徑級(jí)配曲線坡度較陡，甚至出現(xiàn)水平段，呈現(xiàn)某種粒組缺失，甚至細(xì)顆粒組完全缺失的現(xiàn)象，近半數(shù)級(jí)配不良，且離散性較大。尤其是上游部分砂礫石料場(chǎng)與下游砂礫石料場(chǎng)大部分區(qū)域的人工擾動(dòng)料顆粒較粗，粒徑普遍在4 cm以上，細(xì)顆粒組缺失，導(dǎo)致了粗料骨架間的孔隙難以得到很好的填充，從而對(duì)壓實(shí)效果的提升增加了難度，同時(shí)級(jí)配的離散性大，而砂礫料的壓實(shí)性能具有級(jí)配相關(guān)性，壓實(shí)效果受級(jí)配的影響顯著。對(duì)于采砂擾動(dòng)料，原料場(chǎng)設(shè)計(jì)包線、開(kāi)采條件和壩的填筑控制標(biāo)準(zhǔn)等均發(fā)生了變化，為保證大壩的填筑質(zhì)量，控制大壩沉降量，大壩設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)密度由75%提高到了80%。已有研究資料表明[1-2]，壩體變形與母巖材料、顆粒級(jí)配以及壓實(shí)密度等密切相關(guān)。因此，提高筑壩料的壓實(shí)密度能有效降低壩體的變形，提高壩體的整體安全性。這就需要對(duì)筑壩的壓實(shí)特性進(jìn)行研究，并確定合適的碾壓施工參數(shù)。結(jié)合工程實(shí)際，不少研究者[3-7]開(kāi)展了相應(yīng)的碾壓試驗(yàn)研究，探討了碾壓遍數(shù)、鋪料厚度、碾壓機(jī)械、含水率等參數(shù)對(duì)壓實(shí)效果的影響，確定出了合理的碾壓施工參數(shù)，為填筑質(zhì)量控制和碾壓施工提供了依據(jù)。但對(duì)因采砂擾動(dòng)導(dǎo)致的級(jí)配不良砂礫料的壓實(shí)特性研究較少。因此，在進(jìn)行大壩填筑時(shí)如何針對(duì)料場(chǎng)條件變化下的采砂擾動(dòng)料，確定合適的碾壓施工參數(shù)及施工工藝，有效控制壓實(shí)質(zhì)量，是值得探討的問(wèn)題。

為驗(yàn)證新填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，并確定經(jīng)濟(jì)高效的碾壓施工參數(shù)和碾壓施工工藝，為筑壩質(zhì)量控制提供科學(xué)依據(jù)，本文針對(duì)新的料場(chǎng)條件，進(jìn)行不同含水狀態(tài)、不同鋪料厚度和不同碾壓遍數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，研究含水率、鋪土厚度、碾壓遍數(shù)和含礫量等因素對(duì)擾動(dòng)砂礫料壓實(shí)性能的影響，并分析含礫量與壓實(shí)干密度的相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合新的填筑標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)碾壓施工工藝進(jìn)行了探討，并推薦了經(jīng)濟(jì)高效的碾壓施工參數(shù)。

2 砂礫料碾壓試驗(yàn)方案

碾壓施工參數(shù)通常包括振動(dòng)碾噸位、行駛速度、鋪料厚度、碾壓遍數(shù)等。目前大型振動(dòng)機(jī)械應(yīng)用較為普遍，常用的振動(dòng)碾規(guī)格為18～33 t。該水庫(kù)的施工振動(dòng)碾為26 t，即在進(jìn)行碾壓試驗(yàn)時(shí)，采用26 t振動(dòng)碾，行駛速度設(shè)定為2.5 km/h。這種情況下，可以通過(guò)不同厚度和不同碾壓遍數(shù)的碾壓試驗(yàn)考察鋪料厚度和碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)特性的影響，碾壓施工參數(shù)主要集中論證合適的鋪料厚度和碾壓遍數(shù)。此外，由于水庫(kù)砂礫料場(chǎng)位于河道之內(nèi)，開(kāi)采后的砂礫料都含有一定的水分。砂礫料開(kāi)采后通常直接上壩進(jìn)行碾壓，處于有一定含水的濕料狀態(tài)。前人研究表明，對(duì)于砂礫料，在完全干燥或飽和兩種情況下較容易碾壓密實(shí)，而含有一定水分時(shí)，不易碾壓密實(shí)[8]。因此現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)設(shè)置為天然含水和充分灑水兩個(gè)工況，研究不同含水情況對(duì)不同鋪料厚度、不同碾壓遍數(shù)下砂礫料碾壓效果的影響。

碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地選定在大壩上游側(cè)，沿平行壩軸線方向布置，該處場(chǎng)地下部為砂礫石層，上部1.0～1.5 m為黏性土層，平整度較好。首先進(jìn)行清基處理，采用推土機(jī)和挖掘機(jī)將試驗(yàn)區(qū)域按場(chǎng)地要求尺寸整平，再采用26 t振動(dòng)碾按3 km/h的速度碾壓20遍，然后填45 cm厚的砂礫料振動(dòng)碾壓，直到碾壓2遍后全場(chǎng)平均沉降量不大于2 mm。試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)50 m，寬30 m，包括順碾壓方向的兩側(cè)留出的10 m和4 m長(zhǎng)的非試驗(yàn)區(qū)，以滿足停車(chē)和錯(cuò)車(chē)的需要。不同鋪料厚度之間，留出3 m的過(guò)渡區(qū)，對(duì)于每一個(gè)鋪料厚度，又按照碾壓遍數(shù)不同分成4個(gè)試驗(yàn)單元，每個(gè)單元長(zhǎng)10 m，寬6 m。試驗(yàn)場(chǎng)地布置見(jiàn)圖1。現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)在天然含水和充分灑水條件下，進(jìn)行3個(gè)不同鋪料厚度（60、80和100 cm）、四個(gè)不同碾壓遍數(shù)（6、8、10、12遍）共計(jì)24個(gè)小試驗(yàn)區(qū)組合的試驗(yàn)，見(jiàn)表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)方案

3 砂礫料壓實(shí)特性分析

不同試驗(yàn)單元經(jīng)振動(dòng)碾壓后，采用試坑開(kāi)挖灌水法檢測(cè)碾壓后濕密度，并測(cè)定試坑砂礫料含水率，計(jì)算相應(yīng)試坑的干密度。對(duì)各試驗(yàn)單元選取4個(gè)具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，取其平均值作為各碾壓參數(shù)組合下的干密度值。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)篩分確定顆粒級(jí)配曲線，依據(jù)相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果，確定相應(yīng)級(jí)配的最大、最小干密度，進(jìn)而計(jì)算各個(gè)試坑點(diǎn)碾壓后達(dá)到的相對(duì)密度。各碾壓參數(shù)組合下干密度、相對(duì)密度結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。

圖1 碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置示意圖

3.1 碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)特性的影響不同工況下碾壓遍數(shù)與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系見(jiàn)圖2。天然含水工況下，干密度和相對(duì)密度隨碾壓遍數(shù)的變化離散性大，無(wú)明顯規(guī)律可言。鋪料厚度為60 cm時(shí)，不同碾壓遍數(shù)下相對(duì)密度均未達(dá)到80%；鋪料厚度為80 cm時(shí)，相對(duì)密度僅在碾壓8遍時(shí)達(dá)到80%；鋪料厚度為100 cm，碾壓10遍和12遍時(shí)，達(dá)到了相對(duì)密度大于80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)。充分灑水工況下，干密度隨碾壓遍數(shù)的變化仍然呈現(xiàn)出較大的離散性，而相對(duì)密度則隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，呈現(xiàn)良好的規(guī)律性，但隨著碾壓遍數(shù)的增加，相對(duì)密度增長(zhǎng)幅度變緩，說(shuō)明當(dāng)達(dá)到一定碾壓遍數(shù)時(shí)，繼續(xù)增大碾壓遍數(shù)對(duì)提高壓實(shí)效果的作用不明顯。在碾壓8遍及以上時(shí)，各測(cè)點(diǎn)都能達(dá)到相對(duì)密度大于80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)。

表2 各碾壓參數(shù)組合下干密度平均值（單位：g/cm3）

表3 各碾壓參數(shù)組合下相對(duì)密度平均值（單位：%）

圖2 不同工況下碾壓遍數(shù)與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系

圖3 不同工況下鋪料厚度與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系

3.2 鋪料厚度對(duì)壓實(shí)特性的影響鋪料厚度也是影響填筑質(zhì)量的重要因素，圖3給出了不同工況下鋪料厚度與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系。天然含水工況下，干密度和相對(duì)密度隨鋪料厚度的變化較為離散，規(guī)律不明顯。充分灑水工況下，干密度隨鋪料厚度增加的變化規(guī)律同樣較為離散，相對(duì)密度隨鋪料厚度的增加而降低，且降低速率逐漸增大。如碾壓8遍時(shí)，當(dāng)鋪料厚度從60 cm增加到80 cm，相對(duì)密度降低約1.6%；當(dāng)鋪料厚度繼續(xù)增加到100 cm時(shí)，相對(duì)密度降低達(dá)7.0%。

在充分灑水條件下，隨碾壓遍數(shù)和鋪料厚度的變化，干密度的變化規(guī)律散亂，而相對(duì)密度的變化規(guī)律較好。這是由于砂礫料的壓實(shí)性能具有級(jí)配相關(guān)性，壓實(shí)后干密度受級(jí)配的影響顯著[8-10]。而采用相對(duì)密度描述壓實(shí)后砂礫料的密實(shí)程度，基本可以排除級(jí)配的影響[9-12]。

3.3 含礫量對(duì)壓實(shí)特性的影響將開(kāi)挖出的各試驗(yàn)單元料進(jìn)行顆粒篩分，繪制出含礫量（粒徑大于5 mm顆粒占比）與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖4。天然含水工況下，含礫量與干密度和相對(duì)密度之間的關(guān)系規(guī)律不明顯，離散性較大。充分灑水工況下，干密度隨含礫量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，可用拋物線函數(shù)近似擬合；相對(duì)密度與含礫量關(guān)系較為穩(wěn)定，大部分測(cè)點(diǎn)都滿足相對(duì)密度大于80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同工況下含礫量與干密度和相對(duì)密度的關(guān)系

圖5 不同含水情況下各含礫量區(qū)間相對(duì)密度大于80%的頻數(shù)分布直方圖

為了進(jìn)一步分析含礫量對(duì)壓實(shí)效果的影響，以相對(duì)密度大于80%為標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了不同含水情況下各含礫量區(qū)間相對(duì)密度大于80%的頻數(shù)分布，如圖5所示。天然含水和充分灑水條件下的總測(cè)試點(diǎn)都為48個(gè)，各頻數(shù)的分布與含礫量的總體變化規(guī)律是先增加后降低，峰值集中于含礫量80%～88%之間。在充分灑水條件下，滿足相對(duì)密度大于80%的39個(gè)測(cè)點(diǎn)中，處于含礫量80%～88%的有31個(gè)，占比79.5%；不滿足相對(duì)密度大于80%的9個(gè)測(cè)點(diǎn)中，處于含礫量80%～88%之外的有6個(gè)，占比66.7%。充分灑水條件下，滿足相對(duì)密度大于80%的點(diǎn)的含礫量集中在80%～88%分區(qū)，表明當(dāng)含礫量在80%～88%時(shí)，砂礫料壓實(shí)性能較好，更容易達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 含水情況對(duì)壓實(shí)特性的影響本次試驗(yàn)的砂礫料料場(chǎng)位于河道之內(nèi)，開(kāi)采后的砂礫料會(huì)含有一定的水分，且不同位置、不同時(shí)間上壩的砂礫料，其含水狀態(tài)也不一樣。以往的研究表明[8，13-15]，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)。

由圖2—4的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出：天然含水條件下，壓實(shí)相對(duì)密度隨鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律很差，而在充分灑水條件下，其變化規(guī)律較好。壓實(shí)相對(duì)密度隨鋪料厚度的減小和碾壓遍數(shù)的增大而增大，說(shuō)明含水狀態(tài)對(duì)砂礫料壓實(shí)性能有明顯的影響。如天然含水條件下，鋪料厚度60 cm，碾壓8遍和10遍均不能達(dá)到相對(duì)密度大于80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)，而在充分灑水條件下相對(duì)密度均達(dá)到了80%。由圖6可知，天然含水條件下，不同含礫量區(qū)間下滿足相對(duì)密度大于80%的測(cè)點(diǎn)比例普遍較低，平均比例僅約31%；充分灑水條件下，不同含礫量區(qū)間下滿足相對(duì)密度大于80%的測(cè)點(diǎn)比例較高，平均比例約72%。充分灑水后大幅度提升了滿足條件的測(cè)點(diǎn)比例，表明對(duì)砂礫料進(jìn)行充分灑水能顯著提高其壓實(shí)效果。

圖6 不同含水情況下各含礫量區(qū)間相對(duì)密度大于80%的百分比

4 砂礫料筑壩碾壓施工參數(shù)

根據(jù)對(duì)擾動(dòng)砂礫料壓實(shí)性能的研究表明，含水狀態(tài)對(duì)砂礫料壓實(shí)性能影響顯著。通過(guò)對(duì)比天然含水和充分灑水條件下的碾壓效果，表明充分灑水對(duì)提高碾壓效果作用非常明顯。因此，在砂礫料筑壩碾壓施工中，建議控制好灑水量和灑水的均勻性，對(duì)于河道開(kāi)采直接上壩砂礫料，可按體積控制灑水10%，能達(dá)到充分飽和。

通過(guò)對(duì)充分灑水條件下，3個(gè)不同鋪料厚度、4個(gè)不同碾壓遍數(shù)試驗(yàn)組合下砂礫料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果分析表明：一定鋪料厚度下，相對(duì)密度隨碾壓遍數(shù)的增加而增大，但增大速率逐漸變緩，說(shuō)明當(dāng)達(dá)到一定碾壓遍數(shù)時(shí)，砂礫料壓實(shí)相對(duì)密度將趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增大碾壓遍數(shù)時(shí)相對(duì)密度的提高將不明顯，控制碾壓遍數(shù)為8遍時(shí)，即可滿足相對(duì)密度大于80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)。比如對(duì)于鋪料厚度60 cm，碾壓6、8、10和12遍達(dá)到的平均相對(duì)密度分別為83.3%、88.0%、90.8%和92.0%；對(duì)于鋪料厚度為80 cm，碾壓6、8、10和12遍達(dá)到的平均相對(duì)密度分別為80.6%、86.6%、90.0%和91.9%。對(duì)于鋪料厚度60 cm和80 cm，碾壓遍數(shù)分別為6遍和8遍以上時(shí)，均能滿足相對(duì)密度大于80%的設(shè)計(jì)填筑要求；一定碾壓遍數(shù)下，相對(duì)密度隨鋪料厚度的增大而減小，鋪料厚度從60 cm增大到80 cm時(shí)，相對(duì)密度隨鋪料厚度的增加降低較??；鋪料厚度從80 cm增大到100 cm時(shí)，相對(duì)密度降低較快。因此，在選定的施工振動(dòng)機(jī)械、振動(dòng)強(qiáng)度和行駛速度條件下，綜合考慮碾壓效果和施工工效，選定砂礫料筑壩碾壓鋪料厚度為80 cm，并對(duì)上壩砂礫料灑水10%飽和，碾壓遍數(shù)為8遍。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究確定的碾壓施工參數(shù)，為大壩填筑施工提供了依據(jù)。施工期大壩沉降監(jiān)測(cè)表明，砂礫料壩殼施工期最大沉降46 cm，占?jí)胃呒s0.5%，在同類(lèi)規(guī)模砂礫石壩中變形控制較好。

5 結(jié)論

在選定的碾壓機(jī)具和行車(chē)參數(shù)下，通過(guò)開(kāi)展不同含水狀態(tài)、不同鋪料厚度、不同碾壓遍數(shù)等試驗(yàn)工況組合下的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了不同因素對(duì)不良級(jí)配采砂擾動(dòng)砂礫料壓實(shí)性能的影響，驗(yàn)證了采砂擾動(dòng)劣化的不良級(jí)配料在充分灑水、合適的振動(dòng)機(jī)具、行駛速度和碾壓遍數(shù)等條件下能夠振動(dòng)壓實(shí)并達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)相對(duì)密度80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)，解決了采砂擾動(dòng)劣化的不良級(jí)配砂礫料的筑壩壓實(shí)問(wèn)題，并給出了采砂擾動(dòng)劣化的不良級(jí)配砂礫料的碾壓施工參數(shù)，為大壩填筑施工提供了依據(jù)。

含水狀態(tài)對(duì)砂礫料的壓實(shí)性能影響顯著，對(duì)于河床或階地上含有一定水分的砂礫料，上壩施工時(shí)充分灑水對(duì)保證壓實(shí)質(zhì)量十分關(guān)鍵。充分灑水條件下，鋪料厚度和碾壓遍數(shù)對(duì)壓實(shí)效果有明顯影響，壓實(shí)相對(duì)密度隨鋪料厚度的增加而降低，降低速率逐漸增大；壓實(shí)相對(duì)密度隨碾壓遍數(shù)的增大而增大，增大速率逐漸減?。粔簩?shí)干密度隨含礫量的變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，可大致用拋物線關(guān)系進(jìn)行描述，與級(jí)配包線范圍內(nèi)不同含礫量相對(duì)密度試驗(yàn)獲得的干密度隨含礫量變化趨勢(shì)基本一致；在含礫量80%～88%之間，較容易達(dá)到設(shè)計(jì)相對(duì)密度80%的填筑標(biāo)準(zhǔn)。

為了經(jīng)濟(jì)高效的達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)，保證大壩施工質(zhì)量，建議采用的筑壩碾壓施工參數(shù)如下：26 t自行式振動(dòng)碾，開(kāi)強(qiáng)震檔，控制行車(chē)速度在3 km/h以下；鋪料厚度為80 cm，按照體積控制灑水10%飽和，碾壓8遍。在推薦的碾壓施工參數(shù)下，在料場(chǎng)級(jí)配包線范圍內(nèi)的擾動(dòng)砂礫料，碾壓后能達(dá)到設(shè)計(jì)相對(duì)密度80%的要求，將設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)由75%提高到80%具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性。