面板堆石壩砂卵石軟基處理與壩料碾壓試驗研究

陳謀建，楊燮罡

(1.中國能建葛洲壩集團(tuán)，武漢 430033；2.四川省都江堰水利發(fā)展中心，成都 611830)

面板堆石壩以其造價低、施工方便及受地區(qū)和氣候條件限制小等優(yōu)點，被廣泛采用。我國已建、在建壩高30m以上面板堆石壩數(shù)量超過400余座，涉及各種不利地形、地質(zhì)條件[1]。新時期面板堆石壩建設(shè)面臨著超高面板壩、狹窄河谷高面板壩、深厚覆蓋層筑壩等關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)[2-3]。通過大量的工程經(jīng)驗積累和不斷的自主創(chuàng)新，逐步形成了我國特色的面板堆石壩筑壩技術(shù)體系。

在面板堆石壩工程施工中可能會遇到各種各樣的筑壩基礎(chǔ)，需要針對工程的實際情況，因地制宜地采用適合工程本身的基礎(chǔ)處理辦法。在覆蓋層壩基上修筑土石壩，由于覆蓋層中一般存在黏性土夾層、砂卵石層等，壓縮性空間分布不均勻，對壩體沉降和變形不利，需采取措施提高地基變形模量[4]。對于覆蓋層厚度較淺情況下，一般將堆石體地基挖至巖石界面。王啟國以金沙江中游上江-其宗河段河床為研究對象，對厚礫卵石層工程地質(zhì)特性開展了深入的研究[5]。壩基覆蓋層處理主要有挖除法、強(qiáng)夯法、振沖加密法、高壓旋噴樁、固結(jié)灌漿法等技術(shù)。邢建營等對比分析了固結(jié)灌漿、旋噴樁等幾種壩基覆蓋層處理方案在河口村面板壩中的效果，研究各壩基處理方案對壩體和防滲體接縫變形的影響。

面板堆石壩堆石料壓實后應(yīng)具有低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度以及良好的透水性能，合理的填筑標(biāo)準(zhǔn)有利于堆石體的質(zhì)量控制，是滿足大壩變形安全的基本保證[6-7]。現(xiàn)場碾壓試驗是確定各種填筑料合理壓實參數(shù)的主要方法，研究表明主堆石料最大粒徑宜為500～800 mm，小于0.075 mm含量宜控制在5%以下。李紅心等開展了大渡河猴子巖水電站面板堆石壩壩料現(xiàn)場碾壓試驗，同時開展了現(xiàn)場原位大型直剪和載荷試驗，檢查堆石料碾壓后抗滑穩(wěn)定性和抗承載及抗變形能力，確定了填筑料的力學(xué)變形指標(biāo)[8]。任強(qiáng)和王建魁開展了老撾南公1水電站面板堆石壩墊層料和過渡料的現(xiàn)場碾壓試驗，研究了墊層料及過渡料的干密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系、分析了碾壓后顆粒級配關(guān)系及累計沉降量[9]。邱荻錦等開展了重慶市金佛山水庫面板堆石壩各壩料碾壓試驗，根據(jù)試驗結(jié)果推薦了壩體填筑施工參數(shù)，并檢測分析了壩體填筑質(zhì)量控制結(jié)果[10]。王中良等開展了四川省紅魚洞水利樞紐灰?guī)r和白云巖兩種筑壩堆石料碾壓試驗，研究了碾壓遍數(shù)及灑水對碾壓效果的影響[11]。童恩飛等分析了河南省天池抽水蓄能電站下水庫面板堆石壩壩料壓實厚度、碾壓遍數(shù)、灑水率等參數(shù)[12]。

文章依托貴州省冊亨水庫面板堆石壩工程，開展壩基平板荷載試驗，測定砂卵石層地基變形模量，開展主要填筑壩料現(xiàn)場碾壓試驗，測定顆粒級配曲線、干密度等參數(shù)，分析不同碾壓遍數(shù)的碾壓效果，為砂卵石地基筑壩和壩料填筑壓實參數(shù)提供依據(jù)。

1 工程概況

冊亨水庫工程位于貴州省黔西南州冊亨縣境內(nèi)，攔河壩壩型采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程為739.30m，壩頂總長202.82m，最大壩高73.50m。壩址多年平均流量1.43m3/s，水庫校核洪水位為738.41m，總庫容為1826萬m3，正常蓄水位為736.0m，興利庫容為1431.4萬m3，為多年調(diào)節(jié)水庫。水庫工程等別屬Ⅲ等，規(guī)模為中型。

圖1 大壩分區(qū)典型斷面圖

冊亨面板堆石壩典型分區(qū)斷面如圖1所示，其中，灰?guī)r主堆石區(qū)3B主要布置于壩軸線上游，頂部高程為736.2m，下游面坡比為1∶0.3；在次堆石區(qū)3C與壩后塊石護(hù)坡間也為主堆石區(qū)，水平寬度7.5m，坡比為1∶1.6，次堆石區(qū)3C位于主堆石區(qū)3B下游，主要布置于壩軸線下游，頂部高程728m，下游坡比1∶1.6；排水堆石區(qū)3D位于次堆石區(qū)3C下部，頂部高程675.8m，厚度約5m；過渡區(qū)3A主要位于墊層區(qū)2A下游和大壩建基面，壩前水平寬為3m，建基面厚度為1.2m；墊層區(qū)2A主要位于過渡區(qū)3A上游，水平寬3.0m，等寬布置。大壩填筑總量約81萬m3。

2 砂卵石壩基處理

冊亨水庫樞紐工程場區(qū)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，地震基本烈度Ⅵ度，成庫條件較好，庫岸穩(wěn)定。壩址基巖為灰色厚層狀細(xì)砂巖夾粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，由兩種強(qiáng)度差異較大的巖性組成，軟巖所占比例較小。為了減少河床砂卵石層開挖及回填工程量，經(jīng)過現(xiàn)場勘查檢測，工程采用軟基筑壩的施工技術(shù)。保留大壩河床砂卵石基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)采用局部挖槽換填和振動碾預(yù)壓，再通過平板載荷試驗檢測法，確保河床砂卵石的地基承載力滿足設(shè)計筑壩要求。

根據(jù)冊亨水庫工程壩基特點，軟基處理首先進(jìn)行河床基礎(chǔ)表層清理，根據(jù)揭露的地質(zhì)情況，有針對性的對含有淤泥的或腐殖土部位進(jìn)行掏槽開挖，然后采用墊層料置換回填處理，置換回填時按墊層料施工程序進(jìn)行分層攤鋪并碾壓密實；其次采用25t振動碾對整平后的河床基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)壓，碾壓遍數(shù)不少于10遍，其中2遍靜碾，8遍以上震碾；碾壓完成后，對預(yù)壓過的大壩基礎(chǔ)進(jìn)行平板載荷試驗檢測，對基礎(chǔ)承載力不滿足設(shè)計要求的部位進(jìn)行補(bǔ)碾，直至合格為止。

3 平板荷載試驗檢測

平板載荷試驗的加載方式采用分級維持載荷沉降相對穩(wěn)定法進(jìn)行，按預(yù)估破壞荷載值分10級進(jìn)行，每級加荷載值為200kPa，直到檢測點發(fā)生破壞為止。試驗采用PDS-JY無線靜載荷試驗儀進(jìn)行，電腦自動控制加壓、量測沉降量、判斷沉降穩(wěn)定等過程。每級加載后，前45min分別按照間隔10、10、10、15、15、15min觀測讀取沉降量，以后每隔30min讀取一次沉降量，當(dāng)連續(xù)2h內(nèi)，每小時沉降量<0.1mm時，則可認(rèn)為已經(jīng)趨于穩(wěn)定，可加載下一級荷載。

在河床中部進(jìn)行了3組平板載荷試驗，3個試驗點分別為位于壩上0-024.52、壩下0+004.53和壩下0+044.53，測定結(jié)果見表1，試驗測得河床砂卵石的變形模量為134～141MPa，平均值為137.3MPa。國內(nèi)如浙江梅溪水庫、浙江梁輝水庫等工程砂卵石原型監(jiān)測變形模量在100MPa左右，測定值高于設(shè)計采用的壩體變形模量130MPa。因此，本工程采用砂卵石地基筑壩技術(shù)是可行的。

表1 平板荷載試驗結(jié)果

4 壩料碾壓試驗方案

碾壓試驗場地需先推平并將基礎(chǔ)碾壓堅實，以消除基礎(chǔ)面沉降對碾壓試驗結(jié)果的影響。試驗選擇在溢洪道出部位口開闊場地進(jìn)行，每一試驗單元面積約為14m×20m?，F(xiàn)場配備的試驗設(shè)備主要有YZ25振動碾1臺、HYC-08振動碾1臺、TS06Ultra-2全站儀1套以及挖掘機(jī)、推土機(jī)、自卸汽車、灑水車等數(shù)臺。

現(xiàn)場碾壓試驗參數(shù)見表2，壩料主要包括主堆石料、次堆石料、過渡層料及墊層料。灑水量對過渡料的碾壓效果主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面，在碾壓過程中灑水可以降低排水區(qū)料顆粒之間的摩擦阻力，從而有利于顆粒重新排列；另一方面，因水壓的沖擊作用，層面部分顆粒在水流的作用下產(chǎn)生移動，使得部分細(xì)顆粒產(chǎn)生填充效應(yīng)，也能改善碾壓效果。結(jié)合以往施工經(jīng)驗，本次現(xiàn)場碾壓試驗選取10%的灑水量。

表2 壩料碾壓試驗基本參數(shù)

各壩料按照設(shè)定要求碾壓結(jié)束后，挖出一定的壩料進(jìn)行顆粒篩分，測定并繪制顆粒級配曲線。同時，采用套環(huán)注水法測定碾壓后的壓實干密度，并計算孔隙率。每組試驗各指標(biāo)均測定3次，取平均值進(jìn)行分析。

5 碾壓試驗結(jié)果與分析

5.1 顆粒級配曲線

各壩料碾后級配曲線與設(shè)計包絡(luò)線范圍如圖2所示，由圖可見，各壩料碾后級配曲線基本都在設(shè)計包絡(luò)線范圍以內(nèi)，主堆石料、次堆石料、過渡層料、墊層料<0.075mm顆粒含量范圍分別為0.2%～3.3%、0.4%～2.4%、2.6%～4.8%、5.7%～7.8%。不同碾壓遍數(shù)試驗結(jié)果表明，采用自行式振動碾碾壓10遍時，即可滿足設(shè)計級配要求。

(a)主堆石料; (b) 次堆石料; (c) 過渡層料; (d) 墊層料

5.2 干密度與孔隙率

影響壩料壓實干密度的主要因素包括顆粒級配、最大粒徑、填筑層的厚度、碾壓機(jī)具的性能以及顆粒形態(tài)等。各壩料干密度和孔隙率與碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖3，從現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果總體可以看出：各壩料碾后干密度均隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，孔隙率隨碾壓遍數(shù)的增加而減小。主堆石料、次堆石料、過渡層料、墊層料經(jīng)過碾壓10遍后，壓實干密度平均值分別為2.14 g/cm3、2.16 g/cm3、2.2 g/cm3和2.23g/cm3，均滿足設(shè)計要求。

(a)干密度;(b) 孔隙率

6 結(jié)論與討論

根據(jù)冊亨面板堆石壩砂卵石地基平板載荷試驗，壩基采用局部挖槽換填和振動碾預(yù)壓后，實測河床砂卵石的變形模量可達(dá)到134～141MPa，可滿足設(shè)計要求。壩料現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果表明，各壩料碾后干密度均隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，采用25t自行式振動碾碾壓10遍時，顆粒級配和干密度可滿足設(shè)計要求。

壩址的選擇不僅僅局限在基巖條件好的地址上，基巖條件復(fù)雜、具有軟弱夾層的筑壩項目逐漸增多。面板堆石壩對基礎(chǔ)的要求較低，國內(nèi)外已有大量建在砂卵石基礎(chǔ)上面板堆石壩。在滿足大壩安全的基礎(chǔ)上，充分利用砂卵石基礎(chǔ)，可減少石料用量，縮短工期，有利于工程實施。軟基上施工同時會面臨著孔壓過高、變形過大、抗力過小等問題，若施工上壩速度過快，軟基內(nèi)的水無法及時排出，會使地基孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力降低，進(jìn)而導(dǎo)致壩體產(chǎn)生開裂、滑坡或者地基失穩(wěn)等事故。因此，在實施過程中，還需采用基礎(chǔ)挖槽排水等方法，降低地下水位及軟基中的含水量，再通過預(yù)壓使基礎(chǔ)形成新的穩(wěn)固層。