碾壓機械對土石壩壓實質(zhì)量的影響

湯洪潔，王傳菲，柳 瑩，楊玉生，王中良，楊孝攀

(1.水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，北京 100120；2.江河水利水電咨詢中心有限公司，北京 100120；3.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；4.中國水利水電科學研究院，北京 100048；5.巴中市紅魚洞水庫運行保護中心，四川 巴中 636600)

1 碾壓機械對筑壩方式演變的影響

土石壩具有就地取材、對地形條件和環(huán)境因素適應(yīng)性強且較為經(jīng)濟的優(yōu)點，是世界范圍內(nèi)普遍應(yīng)用的壩型。全世界已建15m以上大壩中，土石壩占比約78%[1]。中國已建大壩中，土石壩比例達93%[2]；已建大型工程中，土石壩比例達到50%[3]。在壩工發(fā)展史上，20世紀初期已出現(xiàn)100m以上的混凝土拱壩(1910年建成)和重力壩(1915年建成)，而直到20世紀30年代，100m以上的土石壩才出現(xiàn)[4]。在100m以上高壩中，直至20世紀50年代末，土石壩占比僅31%；60年代開始，土石壩占比逐步增大，到1974年時，土石壩占比達到50%，此后土石壩比重逐步超越混凝土壩；到1980年，土石壩占比已達到62%，且壩高越大，土石壩的比重越大[4]。中國各壩型中土石壩占有絕對優(yōu)勢，近年來在建和擬建的300m級特高壩，大部分也是土石壩。

20世紀20年代末之前建造的土石壩壩高一般不超過50m，大多為拋投或碼砌方式建設(shè)、采用木面板或混凝土面板防滲的堆石壩[4]。20世紀30年代時，在山區(qū)采用拋投方式建造有壩高達100m的混凝土面板堆石壩，但因堆石體變形可達壩高的1%～2%，導(dǎo)致面板都有裂縫發(fā)生[4]。在平原或丘陵區(qū)主要采用水力沖填或半水力沖填方式筑壩，壩體填筑密實度較小，施工期容易發(fā)生滑坡事故。40年代及50年代，轉(zhuǎn)而修建粘土心墻或斜心墻堆石壩，堆石仍然是拋投法施工，壩體變形較大易產(chǎn)生裂縫[4]。50年代以后，隨著大型運輸車輛和重型碾壓設(shè)備的出現(xiàn)，土石壩填筑方式逐步由拋填方式過渡到靜碾，再到振動碾壓。60年代以后，由于重型振動碾壓設(shè)備的使用，高土石壩發(fā)展迅速，尤其是面板堆石壩重新獲得生命力，60年代各國建成100m以上的土石壩50余座，70年代土石壩高度達到240m，80年代達到325m，這些壩都是粘土心墻或斜心墻砂礫石壩/堆石壩，孔隙率減小到25%甚至20%，變形較小少有裂縫發(fā)生[4]。碾壓機械的噸位由開始時的5t逐步到10t和13.5t，再到后來的16、20、26、32t，土石壩的壩高也逐步由最初的中低壩發(fā)展到100m以上的高壩，直至200m以上或300m級的特高壩[5]。

在振動碾壓機械發(fā)明之前的20世紀30—40年代，高土石壩主要采用混凝土面板拋投式堆石壩，由于拋投式堆石壩沒有經(jīng)過壓實，其孔隙率只能達到31%～36%，會發(fā)生堆石體變形太大導(dǎo)致面板裂縫[4]；到五六十年代，拋投式面板堆石壩就已不再采用，土石壩在所有壩型中比重較大的原因主要在于其經(jīng)濟性和對地質(zhì)地形條件的良好適應(yīng)性，尤其是巖土力學、計算技術(shù)的進步以及生產(chǎn)力水平的提高，使得大型施工機械和施工技術(shù)在土石壩建設(shè)中得到普遍應(yīng)用，使得有條件提高大壩設(shè)計填筑標準，壩體的碾壓越來越密實，壩體變形控制效果越來越顯著[4- 5]。本文主要結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗以及相關(guān)研究成果，結(jié)合已建工程大壩沉降監(jiān)測資料，分析碾壓機械特性對壓實質(zhì)量的影響及其相互關(guān)系，為土石壩設(shè)計和施工提供參考。

2 碾壓機械特性對壓實質(zhì)量的影響

2.1 振動時間的影響

朱俊高等[6]采用表面振動壓實儀(電源電壓為380V，功率1kW，振動頻率50Hz，激振力5kN)，在表面壓重為8.609kPa的條件下，研究了激振時間和表面壓重對砂礫料干密度的影響規(guī)律。所采用的試驗材料為長河壩心墻土石壩砂卵礫石料(巖性較硬，最大粒徑60mm)和江蘇六合某地的砂卵石料(最大粒徑為60mm和20mm，巖性較軟，易破碎)。根據(jù)文中試驗數(shù)據(jù)，繪圖整理得到振動時間對干密度的影響，如圖1所示。

圖1 振動時間對干密度的影響

由圖1可知，對于巖性相同的砂礫料，最大粒徑對干密度有明顯的影響，在相同的激振時間和激振力條件下，最大粒徑dmax=60mm的干密度明顯大于dmax=20mm的干密度，且干密度隨振動時間的變化曲線幾乎平行。隨激振時間的增長，六合料干密度的增大速度明顯大于長河壩砂礫料。原因在于兩者巖性不同，六合砂礫料巖性較軟，容易破碎，破碎后細粒含量增多，細粒能夠填充粗粒形成的骨架孔隙，從而能夠達到更高的干密度。長河壩砂礫料巖性較硬，振動引起的破碎率較小，干密度隨振動時間的增大速率明顯較緩慢。

王星照等[7]在湖南龍背灣工程現(xiàn)場采用密度桶法研究了定點振動碾壓試驗對砂礫料干密度的影響。試驗時首先進行行駛振動碾壓，隨著碾壓遍數(shù)增加，干密度值增大，碾壓到12遍時干密度趨于平穩(wěn)，因此選擇單純碾壓至12遍后，再進行不同時間的定點碾壓試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，定點振動15min與定點碾壓20min，砂卵石料的最大干密度值增長0.01 ～0.02g/cm3，變化很小。

圖2 定點振動試驗對干密度的影響[7]

2.2 壓重的影響

壓重是影響表面振動壓實法試驗結(jié)果的另一個重要因素。DL/T 5356—2019《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》和JTJ 051—1993《公路土工試驗規(guī)程》規(guī)定的壓重分別為13.8、14kPa，并說明，壓重從7kPa增至13.8kPa時，干密度顯著增加，此后再增加壓重至21kPa時，干密度則無顯著增加，趨于穩(wěn)定。

馮冠慶等[8]采用振動臺法試驗研究表明，附加荷重越大，試驗干密度越大，當荷重從7kPa增加到14kPa時，干密度顯著增大，繼續(xù)增大壓重到21kPa時，干密度則無顯著增大。采用表面振動法時，壓重從7kPa增加到14kPa時，干密度隨之增大，繼續(xù)增大壓重到21kPa時，干密度反而減小?？梢姡瑑H靠增加壓重，所獲得的壓實效果并不顯著。朱俊高[9]對砂礫料進行了3種壓重(6.387、8.609、10.831kPa)的表面振動試驗，振動時間6min，試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當壓重由6.387kPa增大至8.609kPa時，砂礫料壓實干密度(相對密度)顯著增大，而壓重再增大至10.831kPa時，壓實干密度增大很小，已趨于穩(wěn)定。張勝利[10]采用振動臺法測試了砂礫料在壓重2～18kPa范圍內(nèi)壓實干密度隨壓重的變化情況，結(jié)果表明，在壓重小于14kPa時，隨壓重的增加，壓實干密度增大較快。當壓重達到14kPa后，再增大壓重對干密度的壓實作用已較小。這些試驗表明，DL/T 5356—2019和JTJ 05—1993規(guī)定的壓重值是基本合適的。

圖3 壓重對干密度(相對密度)的影響

由此帶來的啟示是，當土石壩實際施工采用的振動碾噸位增大到一定程度后，繼續(xù)增大振動碾噸位對壓實效果的意義可能是比較小的。

2.3 壓實功能的影響

郭慶國[11]根據(jù)昌馬(73組)、碧口(2組)和毛家村(15組)3座工程砂礫石試驗資料，分析了壓實功能與干密度的關(guān)系，如圖4所示。從圖4看出，干密度隨壓實功能增大而增大，當壓實功能較小(小于400kJ/m3)時，干密度隨壓實功能增大迅速增大，但當壓實功能增至某值(400 ～600kJ/cm3)以后，干密度的增長率減小，增大壓實功能帶來的壓實效果降低。根據(jù)壓實功能對砂礫料干密度的影響規(guī)律，可選出經(jīng)濟合理的最優(yōu)壓實功能為500kJ/m3左右。

圖4 壓實功能對砂礫料壓實干密度的影響[11]

2.4 振幅、頻率和振動加速度的影響

振動碾的振動參數(shù)如振幅、頻率、加速度等直接影響壓實效果，根據(jù)壓實材料的特性，合理選擇碾壓振動參數(shù)十分重要。圖5—7分別給出了振動頻率、振幅和振動加速度對壓實干密度的影響[12- 15]。由圖5可知，壓實干密度隨振動頻率的增大而顯著增加。頻率在25～50Hz間有一個最優(yōu)值，當振動頻率低于振動碾和土系統(tǒng)的自振頻率時，壓實效果降低較多。但振動碾和土系統(tǒng)的自振頻率較難測定，表1給出了常見地基土大致的自振頻率范圍，可供應(yīng)用參考[12- 13]。

表1 地基土自振頻率經(jīng)驗范圍

圖5 振動頻率對壓實干密度的影響

以往工程實踐表明，堆石常采用的頻率為30～42Hz，壓實粘性土采用23～29Hz[13]。由圖6—7可知，頻率相同時，壓實干密度隨振幅、振動加速度的增大而顯著增加，當振幅增至最優(yōu)振幅時，干密度達到最大，繼續(xù)再增加振幅，干密度反而減小。即在同一振動頻率下，存在一個最優(yōu)振幅及相應(yīng)的振動加速度值。

圖6 振幅對壓實干密度的影響

圖7 振動加速度對壓實干密度的影響

谷本喜一曾研究振動頻率對砂土壓實的影響，認為存在一個最優(yōu)壓實頻率，該頻率隨碾壓遍數(shù)增加而增大，與砂土的自振頻率接近。認為用振動碾壓實厚層、大體積的土方和堆石，振動碾的設(shè)計振幅應(yīng)在1.5～2.0mm范圍內(nèi)，響應(yīng)適宜的頻率為25～30Hz。

2.5 壓實方法的影響

土體由于外力的作用，克服顆粒間摩阻力，顆?；ハ嗵畛涠兊妹軐?。壓實方法不同，施加于土體上的作用力的大小以及作用原理不同，壓實效果也不同。采用夯實法時，土體承受的是沖擊力；當采用平碾碾壓時，土體承受的是碾磙的重力；當采用振動碾時，土體不但承受碾的重力，還要承受振動力。圖8給出了不同壓實方法對干壓實效果的影響，試驗和工程實踐證明，對無粘性粗粒土，振動法壓實效果最好，而且工效高，故在土石壩施工中，重型振動碾被廣為應(yīng)用。

圖8 不同壓實方法的影響[11]

3 碾壓機械對壓實質(zhì)量控制的影響

3.1 碾壓機械對堆石壩設(shè)計的影響

考察土石壩發(fā)展的歷史，可以看出碾壓施工機械的應(yīng)用對土石壩發(fā)展的重要作用。在重型振動碾壓機械發(fā)明之前，高壩建設(shè)對填筑標準要求較高，原有的拋填式筑壩由于缺乏對填筑層的有效壓實，壩體變形較大導(dǎo)致發(fā)生嚴重滲漏，修建更高的堆石壩，則發(fā)生更嚴重的滲漏問題。因此，拋投式筑壩難以適應(yīng)高壩建設(shè)對變形控制的要求。20世紀40年代，為應(yīng)對拋填式面板堆石壩由于變形過大導(dǎo)致的滲漏問題，開始采用帶有反濾層的土質(zhì)心墻堆石壩，以適應(yīng)拋填式堆石壩變形，延長拋填式堆石壩壽命[14]。1940—1965年期間，伴隨著修建更高堆石壩的需求，以及重型振動平碾的出現(xiàn)，拋填式堆石壩逐步向碾壓式堆石壩過渡。而當重型振動碾壓機械普遍應(yīng)用之后，對填筑標準要求更高的高壩發(fā)展迅速，尤其是面板堆石壩重獲生命力。

柳瑩等[15]對新疆已建百米以上混凝土面板堆石壩施工碾壓參數(shù)進行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)目前的16～18t以上振動碾壓施工條件下，碾壓層厚度基本上為80cm，碾壓遍數(shù)大致為6—8遍，基本能滿足大壩達到設(shè)計壓實指標的要求。圖9給出了2000年以來新疆土石壩施工振動碾噸位的發(fā)展情況[15]。由圖9可知，近20年來，新疆百米級面板壩施工采用的振動碾噸位普遍在16～18t以上；2018年之后，伴隨著強震區(qū)、深厚覆蓋層上高面板壩的建設(shè)，更大噸位的振動碾開始使用，這為土石壩采用更高的設(shè)計填筑標準進行更嚴格的變形控制提供了基礎(chǔ)，對堆石壩變形控制意義重大。以砂礫石壩為例，目前強震區(qū)土質(zhì)心墻砂礫石壩和混凝土面板壩，其填筑標準相對密度大多采用0.85和0.90，從建設(shè)高度上，土質(zhì)心墻堆石壩已達到300m級，面板堆石壩已達250m級。

圖9 新疆土石壩施工振動碾噸位的發(fā)展[17]

3.2 碾壓機械對堆石壩變形控制水平的影響

堆石壩沉降受壩料性質(zhì)、填筑標準、施工碾壓參數(shù)等諸多因素的影響。當振動碾壓機械出現(xiàn)之前，拋投式面板堆石壩孔隙率可達31%～36%，隨著重型振動碾壓機械的使用，壓實后壩體孔隙率大幅度減小。目前規(guī)范中對土質(zhì)心墻防滲體分區(qū)壩和瀝青混凝土心墻壩，規(guī)定堆石料的孔隙率宜為20%～28%，對面板堆石壩主堆石區(qū)，壩高H<150m和150m≤壩高H≤200m，孔隙率分別不應(yīng)大于20%～25%和18%～21%。結(jié)合新疆已建100m級面板壩沉降監(jiān)測資料，圖10給出了不同振動碾噸位對竣工沉降量和沉降率的影響[15]。

圖10 振動碾噸位對堆石壩竣工沉降量和沉降率的影響

由圖10可知，隨振動碾噸位的增大，面板堆石壩竣工期沉降量和沉降率逐漸減小。當筑壩材料為砂礫料時，新疆100m級(90～165m)大壩竣工沉降率基本上能控制在0.3%左右，竣工后沉降率基本上能控制在0.2%以內(nèi)，運行穩(wěn)定后總沉降率基本能控制在0.3%～0.5%以內(nèi)。當筑壩材料為爆破堆石料時，大壩竣工沉降率都在0.3%以上，大多為0.5%左右，個別達到了0.69%，竣工后沉降量大多在400mm以上，2015年建成的某混凝土面板堆石壩運行4年后沉降率達到0.89%，已接近混凝土面板堆石壩設(shè)計經(jīng)驗沉降控制界限值，說明壩體采用爆破堆石料填筑時，變形控制難度較大。對于強震區(qū)150m級以上的高堆石壩建設(shè)，從變形控制的角度而言，當壩址附近有豐富的砂礫石資源時，壩體選擇采用砂礫石填筑是較優(yōu)選擇。在現(xiàn)有的碾壓機械水平下，26～32t振動碾基本能滿足100 ～200m級堆石壩變形控制要求。對于150m級以上高壩，建議采用26t以上的振動碾施工。

3.3 碾壓機械對壓實質(zhì)量的邊際作用遞減效應(yīng)

楊大偉[16]對不同振動碾噸位下，砂礫石料干密度隨碾壓遍數(shù)的變化進行了研究，如圖11所示，為了更清晰地表示碾壓機械對壓實干密度的影響，以振動碾噸位為橫軸重新整理，可得圖12。由圖11—12可知：①當碾壓遍數(shù)較少時，壓實干密度對振動碾噸位十分敏感，振動碾噸位越大， 第一次碾壓時達到的壓實干密度越大，如20t振動碾碾壓一遍達到的壓實效果與14t振動碾碾壓2—3遍達到的壓實效果相當，26t振動碾碾壓1遍與14t振動碾碾壓4—5遍達到的壓實效果相當；②在碾壓遍數(shù)不超過4遍時，隨著振動碾噸位增大，相同碾壓遍數(shù)下壓實干密度越大，兩者大致呈線性關(guān)系；③當碾壓遍數(shù)達到5遍后，繼續(xù)增大碾壓遍數(shù)對壓實的效果有限，壓實干密度甚至可能會減小，隨碾壓遍數(shù)變化呈現(xiàn)一定的起伏。如采用14t振動碾碾壓5遍與8遍的干密度分別為2.07、2.091g/cm3，采用20t振動碾碾壓5遍與8遍的干密度分別為2.114 、2.137 g/cm3，其差值均在0.03g/cm3試驗誤差控制范圍內(nèi)；④進行第5遍以上碾壓時，若振動碾噸位t≤20t，壓實干密度隨振動碾噸位增大而增大，振動碾噸位達到20t后，繼續(xù)增大增動碾噸位對壓實效果的提升有限，壓實干密度甚至可能會減小，隨振動碾噸位增加呈現(xiàn)一定的起伏。

圖11 振動碾噸位對壓實干密度的影響

圖12 碾壓機械對壓實干密度的影響

壓實干密度隨振動碾噸位和碾壓遍數(shù)的變化規(guī)律，對土石壩填筑施工振動碾選擇和碾壓參數(shù)的確定可以獲得以下啟發(fā)：①在一定的振動碾噸位下，碾壓遍數(shù)的增大，不一定能改善壓實效果，存在一個經(jīng)濟高效的碾壓遍數(shù)，在施工參數(shù)選擇時應(yīng)通過試驗確定該碾壓遍數(shù)；②碾壓機械噸位對壓實效果具有邊際作用遞減的效應(yīng)，振動碾噸位由14t增大到20t對壓實效果的提升顯著，但由20t繼續(xù)增大時，對壓實效果的提升減小，原因在于大噸位振動碾在強震條件下更容易導(dǎo)致砂礫料粗、細顆粒分離，影響壓實效果。

碾壓機械對壓實質(zhì)量的邊際作用遞減效應(yīng)，在壩體沉降變形的規(guī)律中也有體現(xiàn)。柳瑩[15]等對新疆已建100m級以上已建面板堆石壩碾壓施工參數(shù)和沉降監(jiān)測的分析表明，當振動碾噸位由16t增大到20t及由20t增大到26t時，堆石壩的沉降率顯著減小，而振動碾噸位由26t增大到32t時，依據(jù)有限的資料分析發(fā)現(xiàn)沉降率減少的幅度很小。振動碾由26t提高到32t對變形控制的效果尚需要結(jié)合更多的案例進行分析。

總的來看，包括碾壓機械噸位和碾壓遍數(shù)對壓實質(zhì)量存在邊際作用遞減效應(yīng)，在確定施工碾壓參數(shù)時，應(yīng)結(jié)合壩體設(shè)計填筑標準，考慮邊際作用遞減效應(yīng)，選擇合適的振動碾噸位和合適的碾壓遍數(shù)，以經(jīng)濟高效地達到設(shè)計填筑壓實要求，避免因碾壓參數(shù)不合適達不到設(shè)計填筑質(zhì)量要求。振動碾噸位過小時，靠增大碾壓遍數(shù)難以達到設(shè)計填筑要求。振動碾噸位過大時，若碾壓遍數(shù)選擇不當，遍數(shù)過多時容易導(dǎo)致壩體材料粗、細顆粒分離，對壓實質(zhì)量控制不利。

4 結(jié)論

(1)碾壓機械與土石壩的發(fā)展有密切關(guān)系，隨著大型振動碾壓機械的使用，對變形控制要求嚴格的面板壩在重型碾壓機械普遍應(yīng)用后發(fā)展迅速。重型碾壓機械的使用，使得有條件修建高標準的高壩，可以從設(shè)計層面提出高的設(shè)計填筑標準，保證壩體碾壓密實，取得良好的堆石體沉降控制效果。

(2)碾壓機械逐步由靜碾發(fā)展到動碾，由較小的5t，逐步發(fā)展到20、26、32t，目前20t以上振動碾在土石壩工程中已得到普遍廣泛的應(yīng)用，近年來強震區(qū)高壩建設(shè)大多采用26t或32t振動碾碾壓密實，這對提高大壩壓實密實度很關(guān)鍵，26～32t振動碾基本能滿足目前的高壩建設(shè)需要。對于150m級以上的高混凝土面板堆石壩，推薦采用26t以上的振動碾進行碾壓施工。

(3)振動碾噸位由16t提高到20t及由20t提高到26t時，面板砂礫石壩和面板堆石壩的沉降率顯著減小，目前的振動碾壓條件下，對于砂礫石壩和堆石壩，其竣工沉降控制分別可控制在0.3%和0.5%以內(nèi)，大壩碾壓后密實度很高。

(4)提高碾壓機械噸位，增加其壓實功能，可有效提高壩料的壓實效果，但碾壓機械對壓實質(zhì)量存在邊際效應(yīng)遞減現(xiàn)象，在確定施工碾壓參數(shù)時，應(yīng)結(jié)合壩體設(shè)計填筑標準，考慮邊際效應(yīng)遞減現(xiàn)象，選擇合適的振動碾噸位和合適的碾壓遍數(shù)。