唐河水電站面板壩主堆料填筑碾壓參數的確定

蘇滿紅

1 工程概況

唐河水電站工程位于山西省靈丘縣東河南鎮韓淤地村，距靈丘縣城22 km，控制流域面積457 km2，總庫容998萬 m3，電站裝機容量200 kW。水電站由樞紐建筑物、供水發電引水管線及發電站組成，樞紐建筑物包括混凝土重力壩段、灌溉洞、供水發電引水口、泄洪沖沙閘、混凝土面板堆石壩段等部分。大壩壩型為混凝土面板堆石壩和重力壩混合壩型，壩頂高程1067.4 m，最大壩高30.4 m，壩頂長395 m，是一座以水力發電、工業供水和農業灌溉為主，兼顧防洪等綜合利用功能的小(1)型水庫。

2 混凝土面板堆石壩布置與設計

混凝土面板堆石壩采用鋼筋混凝土面板防滲，堆石作壩殼，壩體填筑依次為墊層料填筑、過渡料填筑、主堆石及下游堆石料填筑。主堆石區填料來源于重力壩、泄洪閘基礎、庫區改線公路開挖石料，設計主堆石最大粒徑800 mm，孔隙率不大于22%，小于5 mm含量小于20%，小于0.075 mm含量小于10%，滲透系數不小于3 cm/s，石料飽和抗壓強度大于30 MPa，干密度ρd≥2110 kg/m3。

3 現場碾壓試驗

3.1 碾壓試驗場地

試驗場地布置在大壩上游料場，試驗區面積30 m×50 m，試驗區域先用推土機平整振動碾壓實，然后在上面鋪一層試驗料用振動碾壓實且達到與待測鋪層密度相同后灑水刨毛作為基層，在其上鋪料進行碾壓試驗。主堆石碾壓試驗分加水5%和不加水兩個試驗區，共進行4場試驗，前3場試驗鋪筑厚度分別為80 cm，100 cm，120 cm，最后一場試驗為最優參數復核試驗，鋪筑厚度為100 cm，試驗用料含水率控制在標準最優含水率±2%左右。

3.2 碾壓試驗參數組合

主堆石碾壓試驗采用20 t振動碾分9組進行試驗。試驗以80 cm，100 cm，120 cm鋪筑厚度分別按4遍，6遍，8遍各3組碾壓;第10組為復核試驗，鋪筑厚度為100 cm，碾壓遍數為6遍。

3.3 碾壓試驗步驟

3.3.1 鋪料

鋪料方式模擬實際施工，采用自卸汽車進占后退混合法鋪料，鋪料方向平行縱軸線，用推土機平料。鋪料厚度用間距10 m且帶有油漆標記的標桿控制，鋪填厚度誤差為松鋪厚度的±10%。

3.3.2 碾壓

采用最大激振力430 kN的自行式振動碾進退錯距法碾壓，每次錯距為碾寬，輪壓重疊20 cm～30 cm，碾壓方向平行于試驗區縱軸線，相似于壩軸方向。碾壓遍數采用前進、后退為兩遍計，振動碾行車速度控制在2 km/h以內。

3.3.3 測量

每個試驗組合均按1.5 m×1.5 m布置網格測點，每個試驗組合布置10個測點，用水準儀測量基面、鋪填前后層面及不同碾壓遍數后同一測點上的標高，以計算松鋪厚度和不同碾壓遍數時的沉降量。

3.3.4 干密度、孔隙率檢測

壓實干密度按SL 273-1999土工試驗規程探坑灌水法測定，并依據干密度及巖石比重計算孔隙率，同時進行顆粒分析和含水率測定，試坑直徑為填筑料最大粒徑的2倍～3倍，灌水法塑料布厚度0.1 mm，體積校正系數參考相關資料取1.003，每一組合用灌水法測3個干密度值。由于堆石料碾壓后其孔隙率較大，因此其滲透系數一般較大，不進行專門滲透試驗。現場滲透試驗利用密度試驗的試坑進行簡易注水，采用鋼環試坑滲水法，按公式k=Q/F(k為滲透系數值，cm/s;Q為滲透流量，cm3/s;F為鋼環內截面積，cm2)計算滲透系數值。干密度、孔隙率、滲透系數檢測結束后，對試坑進行回填并碾壓，然后按規定的加水和不加水試驗區不同鋪筑厚度填鋪，進行第二、第三場的碾壓試驗。

3.4 現場試驗

試驗采用1.2 m3挖掘機挖料，15 t自卸汽車運輸，TY320推土機進占法平料，20 t自行式振動碾進退錯距法碾壓。試驗期間天氣情況較好，最高氣溫32℃，最低氣溫20℃。

4 碾壓成果及分析

試驗測得主堆料碾壓檢測情況見表1。根據主堆料碾壓檢測結果可見，總體看壓實干密度加水較不加水情況大，4遍～6遍壓實干密度增長較大，8遍則增長率較小，壓實干密度在鋪料厚度相同時隨碾壓遍數的增大而增大，碾壓遍數相同時隨鋪料厚度的增大而減小;孔隙率加水較不加水情況小，孔隙率在鋪料厚度相同時隨碾壓遍數的增大而減小，碾壓遍數相同時隨鋪料厚度的增大而增大;壓實后沉降量加水較不加水情況大，壓實后沉降量、最優參數組合時的松鋪系數在鋪料厚度相同時隨碾壓遍數的增大而增大，碾壓遍數相同時隨鋪料厚度的增大而增大。一般而言，為提高壓實密度，減少壩體變形，應對壩料灑水壓實。對于主堆石料，由于壩體巖石屬于堅硬巖石，粒徑較大，軟弱巖石軟化系數較大，從沉降變形看灑水有一定效果，尤其對細料含量較多的壩料效果比較明顯。壩面灑水主要是使壩料進一步濕透，并使顆粒表面形成水膜，從而減小顆粒之間的摩擦阻力，更有利于壓實。軟巖石吸水率最大為2%，一般在0.5%～1.0%，通過碾壓試驗過程中的觀察，過多灑水從碾壓層面流失，因此壩面灑水量根據石料巖性、細粒含量及其風化程度按堆石體積5%控制可滿足要求。

表1 主堆料碾壓檢測結果

試驗過程中，鋪料厚度80 cm時碾壓6遍平均壓實干密度、孔隙率達到設計要求(孔隙率≤22%，設計干密度ρd＞2110 kg/m3)，但超過設計要求較多;鋪料厚度120 cm時碾壓6遍平均壓實干密度、孔隙率均不達設計要求;鋪料厚度100 cm時碾壓6遍、8遍平均壓實干密度、孔隙率達到設計要求，合格率100%，但碾壓6遍接近設計要求。根據以上分析，填料鋪料100 cm、碾壓6遍為合理施工參數，松鋪系數為1.06。復核試驗結果平均壓實干密度不加水2125 kg/m3，加水 2141 kg/m3，孔隙率不加水 21.3，加水20.7，合格率100%，松鋪系數為1.07，證明以上碾壓參數是合理的。可見，對于填料加水5%、不加水情況，在最優參數下進行碾壓均能達干密度、孔隙率設計的標準要求。

5 結論

5.1 主堆石料施工碾壓參數

試驗測得主堆料碾壓參數見表2。

表2 主堆料施工碾壓參數表

5.2 填筑施工工藝

5.2.1 壩料級配

堆石料顆粒級配，是提高壓實密度、降低壩體沉降變形的關鍵，最大粒徑越大，壓實干密度愈高，材料不均勻系數愈大，壓實性能愈好也愈易獲得最大的壓實密度。

壩料最大粒徑決定于鋪料厚度，一般最大粒徑為鋪料厚度的2/3，若最大粒徑接近于鋪料厚度，則大粒徑料周圍的細料得不到有效壓實。只有控制好顆粒級配才會得到有效壓實，所以在填筑過程中，控制好進場的料源是非常重要的，同時做好上壩材料的均勻性和施工的連續性。

5.2.2 壩料運輸、攤鋪、碾壓

采用1.2 m3挖掘機挖料，15 t自卸汽車運輸，進入填料面平行壩軸線方向用進占法進行卸料。用推土機向前進占平料，采用定點測量法及時檢查鋪層厚度，發現超厚立即進行處理，鋪填層厚及邊線誤差控制在允許范圍內。用20 t自行式振動碾采用進退錯距法碾壓，保持填筑均衡上升，填筑高程基本保持一致。

5.2.3 層間結合處理

下層填料碾壓完畢后，只要填層保持濕潤狀態，即可進行連續作業，此時結合層良好，但因氣候原因或停工時間較長時，應視下層填料表面失水情況對結合層面進行灑水刨毛處理或將干層面清除后灑水刨毛處理，使料層保持在最優含水量范圍內，再填筑上層填料。

5.2.4 岸坡結合部施工

主堆石區采用自卸汽車運、卸料及推土機平料時，在壩體與岸坡的結合部位易出現大塊石集中、架空現象，局部不易壓實，針對這種情況，應用挖掘機進行分散處理，在岸坡結合處2 m范圍內，振動碾平行岸坡方向碾壓。不易壓實的邊角部位，減薄鋪料厚度，用輕型振動碾或振動板壓實，或者是在結合部位先填1 m～2 m寬的過渡料，再填堆石料。

5.2.5 堆石料接縫處理

堆石料分段分期填筑時，在壩殼內形成了橫向或縱向的接縫。在接縫處采用留臺施工法，即先期鋪料時，每層預留1.0 m～1.5 m平臺，后期填筑的石料與先期石料接觸且在達到同一高程時，采用振動碾騎縫碾壓。

5.2.6 負溫下填筑碾壓

負溫下堆料填筑施工，灑水易凝結成冰且不利于壓實，因此不考慮灑水，主堆石料施工可采用不灑水鋪填100 cm碾壓遍數增加1遍(即7遍)，壓實干密度可達設計要求。

[1]DL/T 5128-2001，混凝土面板堆石壩施工規范[S].

[2]DL/T 5129-2001，碾壓式土石壩施工規范[S].

[3]SDJ 213-83，碾壓式土石壩施工技術規范[S].

[4]SL 237-1999，土工試驗操作規程[S].

[5]GB/T 50123-1999，土工試驗方法標準[S].