南公1水電站面板堆石壩主堆石區(qū)碾壓參數(shù)試驗(yàn)研究

柯昌佳，劉義佳，吳世然，劉志鵬，舒 爽，陳 明

(1. 中國水利電力對外有限公司，北京 100120；2. 武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072；3. 中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024)

南公1水電站位于老撾南部阿速坡省南公河下游，分布于北緯14°30’～14°40’、東經(jīng)106°35’～107°13’之間。南公1水電站是南公河四級開發(fā)方案中的第三級，工程由首部樞紐及引水發(fā)電系統(tǒng)組成，其中首部樞紐包括面板堆石壩、左岸溢洪道、左岸導(dǎo)流隧洞和右岸電站進(jìn)水口。電站主擋水建筑物為布置于主河床的混凝土面板堆石壩，壩頂長400 m，壩頂寬8.8 m，壩頂高程325.0 m，最大壩高為90 m。面板堆石壩壩體填筑總量184.7×104m3，壩體填筑分區(qū)見圖1，其中堆石料1 573 549 m3，料源主要來自導(dǎo)流洞、引水洞、溢洪道開挖和右岸下游石料場。在碾壓施工前，需要對壩料進(jìn)行必要的碾壓試驗(yàn)[1]，確定各種填筑料的施工壓實(shí)機(jī)具以及經(jīng)濟(jì)合理的壓實(shí)參數(shù)(鋪料方法、鋪層厚度、碾壓遍數(shù)、加水量等)。目前國內(nèi)外學(xué)者均認(rèn)為現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)對于面板堆石壩的壩體填筑是必不可少的。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

壩體填筑料主要為流紋巖，根據(jù)室內(nèi)物理力學(xué)性試驗(yàn)，干密度為2.25～2.40 g/cm3，比重為2.58～2.62，孔隙率為8.40%～12.79%，自然吸水率為2.93%～4.87%，飽和吸水率為2.95%～5.01%，濕抗壓強(qiáng)度為52.5～126.2 MPa，平均為106.2 MPa，軟化系數(shù)為0.62～0.94，平均為0.82，屬硬質(zhì)巖。

堆石料填筑設(shè)計(jì)要求如下：最大粒徑不超過800 mm，小于5 mm的顆粒含量不宜超過20%，小于0.075 mm的顆粒含量≤5%，含泥量≤5%，孔隙率≤22%，壓實(shí)干密度≥2.12 g/cm3。不均勻系數(shù)≥15，曲率系數(shù)為1～3。

圖1 壩體填筑分區(qū)示意圖

2 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法及步驟

碾壓試驗(yàn)方法采用以“全質(zhì)量法”為主、“干密度”校核為輔的方法[2]，即在全過程沉降測量的基礎(chǔ)上，初步判斷壓實(shí)情況后進(jìn)行干密度壓實(shí)質(zhì)量檢測。

試驗(yàn)場地需控制基面平整堅(jiān)實(shí)，本次壩料碾壓試驗(yàn)場地設(shè)在1號渣場，場地先用推土機(jī)推平，碾壓至基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)不再下沉，然后采用弱風(fēng)化流紋巖進(jìn)行基礎(chǔ)硬化，振動碾碾壓，壓實(shí)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，消除基礎(chǔ)面對碾壓試驗(yàn)的影響，再布置試驗(yàn)區(qū)，用試驗(yàn)料先在地基上鋪一層，表面不平整度不超過±5碼cm，試驗(yàn)場地尺寸約為30 m×60 m，每條試驗(yàn)帶有效面積為6 m×15 m。碾壓試驗(yàn)步驟如圖2。

圖2 碾壓試驗(yàn)步驟圖

2.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)設(shè)備

填筑料在挖裝過程中剔除超粒徑料，并在碾壓前進(jìn)行顆粒級配篩分，小于5 mm含量及小于0.075 mm含量均滿足設(shè)計(jì)要求。采用進(jìn)占法卸料，人工配合機(jī)械進(jìn)行攤鋪整平后，振動碾進(jìn)行靜碾兩遍，全站儀測出松鋪厚度[2-5]。振動碾采用進(jìn)退錯距法碾壓，針對不同填筑料進(jìn)行不同鋪料厚度和碾壓遍數(shù)的碾壓試驗(yàn)，見表1。

綜合考慮施工要求、填筑工期、氣候條件等因素，堆石料采用YZ32Y型32 t振動碾。配備其他主要機(jī)械設(shè)備有SD22型推土機(jī)1臺、CAT330液壓反鏟2臺、20 t自卸汽車8輛，10 t灑水車1輛。

表1 碾壓振動試驗(yàn)方案表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

堆石料在鋪料厚度分別為90、100和110 cm進(jìn)行不同碾壓遍數(shù)的試驗(yàn)?？紤]到鋪料厚度越小，達(dá)到合格碾壓效果所需碾壓遍數(shù)越小，為提高試驗(yàn)效率，鋪料厚度110 cm碾壓8、10和12遍，100 cm碾壓8和10遍，90 cm碾壓6和8遍。

3.1 累計(jì)沉降量

通過測量各碾壓試驗(yàn)的累計(jì)沉降量，可得到不同鋪料厚度下不同碾壓遍數(shù)下累計(jì)沉降量[6]，見表2。由表2和圖2可知，不同鋪料厚度下，累計(jì)沉降量、壓縮率均隨碾壓遍數(shù)的增加而增加。但隨相同碾壓遍數(shù)下，隨著鋪料厚度的增加，壓縮率將減小。

表2 累計(jì)沉降量、壓縮率與碾壓遍數(shù)的關(guān)系表

圖2 各碾壓方案的累計(jì)沉降量與壓縮率圖

3.2 干密度

在碾壓完成后，再人工挖坑取樣，坑徑控制在最大粒徑的2～3倍，在實(shí)驗(yàn)室獲取濕密度、含水率、干密度、表觀密度、孔隙率等參數(shù)[7]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要干密度≥2.12 g/cm3，孔隙率≤22%，由表3和圖3可知，當(dāng)鋪料厚度90 cm，碾壓6、8遍；鋪料厚度100 cm，碾壓8、10遍；鋪料厚度110 cm，碾壓10、12遍，均能滿足設(shè)計(jì)要求。而鋪料厚度110 cm，碾壓8遍時，孔隙率滿足設(shè)計(jì)要求，干密度不能滿足設(shè)計(jì)要求，表明此碾壓方案不合適。其中，當(dāng)鋪料厚度一定時，隨著碾壓遍數(shù)的增加，干密度增加；當(dāng)碾壓遍數(shù)一定時，隨著鋪料厚度的增加，干密度減小，孔隙率增加。

表3 碾壓后干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系表

圖3 碾壓后干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系圖

3.3 級配曲線

為論證對比碾壓前后的料源顆粒級配變化情況，首先在碾壓試驗(yàn)開始鋪料的同時，對堆石料進(jìn)行碾壓試驗(yàn)前的篩分試驗(yàn)[8-9]。在碾壓結(jié)束后，挖坑取樣，利用灌水法進(jìn)行干密度和含水量檢測，并對試樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，篩分結(jié)果見表4。以鋪料厚度100 cm，碾壓遍數(shù)為8的試驗(yàn)為例給出碾壓前后級配料的對比，見圖4。由圖4可知，硬質(zhì)巖流紋巖在碾壓前后級配曲線均滿足設(shè)計(jì)要求，均在設(shè)計(jì)包絡(luò)線內(nèi)；但碾壓后，小于30 mm顆粒粒徑占比有所增加，大于100 mm顆粒粒徑占比有所減小，這是由于在碾壓過程中，大粒徑顆粒被碾壓破碎，使小粒徑顆粒占比增加。

不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc是反映級配料不同粒組的分布情況，以判斷粒度級配是否良好的指標(biāo)，其計(jì)算方法見公式1[10-12]，對于這里堆石料應(yīng)有Cu≥15，Cu為1～3。碾壓后堆石料的不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc見表5，可看到均滿足設(shè)計(jì)要求，且隨碾壓遍數(shù)的增加，不均勻系數(shù)Cu將增加，但曲率系數(shù)Cc變化規(guī)律不明顯。這是由于碾壓過程中，使大顆粒破碎占比減小，d60變大，大顆粒增加，d10變小，Cu值顯然隨碾壓遍數(shù)的增加而變大。

表4 堆石料碾壓試驗(yàn)顆粒分析匯總表

圖4 堆石料碾壓前后的級配曲線圖(鋪料100 cm+碾8遍)

表5 碾壓后的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)表

Cu=d60/d10

Cc= (d30×d30)/(d60×d10)

(1)

式中：d60為過篩重量占60%的粒徑；d30為過篩重量占30%的粒徑；d10為過篩重量占10%的粒徑。

4 結(jié) 語

根據(jù)上述堆石料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)成果，經(jīng)對試驗(yàn)資料進(jìn)行整理和分析，結(jié)合各碾壓鋪設(shè)厚度、各碾壓遍數(shù)下的沉降量變化，以及碾壓后級配、干密度的實(shí)際變化情況綜合考慮，在充分借鑒其他工程碾壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出：

1)堆石料的施工鋪料厚度為100 cm為宜，壓實(shí)厚度為90 cm。碾壓施工加水量(體積比)為10%，碾壓以靜碾2遍+動碾8遍為宜。

2)建議根據(jù)不同的筑壩石料設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行科學(xué)有序的石料開采，并通過所需料源的爆破試驗(yàn)參數(shù)對石料的爆破開采進(jìn)行有效控制。同時加強(qiáng)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(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，取與碾壓試驗(yàn)相同的代表性墊層料、過渡料作為試驗(yàn)用料，宜在碾壓試驗(yàn)場定點(diǎn)檢測碾壓前后顆粒級配及破碎率等實(shí)驗(yàn)。檢測碾壓前后級配變化值，并對鋪筑層厚度全料進(jìn)行顆粒級配分析論證，調(diào)整更為經(jīng)濟(jì)合理的級配曲線。