堆石壩粗粒料施工參數研究

馬玉華，高 垠，任建欽，徐 巖，解紅軍

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130061）

1 概述

近代堆石壩發展的源頭可以追溯到19世紀中葉，初期的堆石壩是將填筑材料由一定高度拋下（即拋填法）進行填筑，當時幾乎見不到像目前這樣用機械對堆石料積極碾壓的情況。隨著時代的發展，雖然粗粒料本身的材質有一些變化，但通過“機械壓實”以確保粗粒料維持堆石壩穩定所需的抗剪強度已成為一種常識。為了經濟地建設堆石壩，研究粗粒料施工參數則顯得尤為重要。下面以尼爾基水利樞紐廠房與主壩連接體堆石料碾壓為研究對象，對粗粒料施工參數進行研究。

尼爾基水利樞紐工程是嫩江干流上建設的以防洪及供水為主，結合發電、航運功能的第一座控制性水利工程。樞紐從左岸至右岸布置了左副壩、主壩、右岸河床式電站廠房、右岸岸坡開敞式溢洪道和右副壩，其中工程主壩為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，全長1 631.31 m；左副壩為粘土心墻土石壩，全長3 813.953 m。主壩、左右副壩均為1級建筑物。主壩與廠房壩段之間連接段總長79.10 m，包括翼墻、主壩瀝青混凝土心墻擴大段和上、下游壩坡變坡段，樁號為3+115.80—3+194.90 m。翼墻為混凝土重力式，與廠房壩段連接側為垂直面，與主壩連接側邊坡為1∶0.50和1∶0.70。為與翼墻坡度一致，在3+163.80 m以右范圍內，壩殼料采用堆石填筑。根據要求,需進行天然含水率條件下的堆石料現場碾壓試驗,以研究堆石料的壓實特性及達到設計要求的最佳施工參數。

2 研究內容和研究方法

對堆石料進行碾壓試驗，確定碾壓機械、鋪料方法、鋪料厚度、碾壓方法、碾壓遍數、行車速度等經濟合理的施工參數。

試驗分五大場。其中三大場進行不加水碾壓試驗，3種鋪料厚度為62.8，79.5，98.8 cm。根據3場碾壓試驗結果，初步確定鋪料厚度和碾壓遍數。然后，按初步確定的鋪料厚度和碾壓遍數再進行兩大場分別為加水和不加水的碾壓試驗，以復核初步確定的鋪料厚度和碾壓遍數的合理性和加水對壓實效果的影響。每大場碾壓試驗進行3組密度試驗和3組顆粒大小分析試驗。復核試驗進行3組密度試驗。

試驗操作按照DL/5129-2001《碾壓式土石壩施工規范》和SL237-1999《土工試驗規程》進行。密度試驗采用試坑灌水法，試坑直徑不小于試坑內試樣最大粒徑的3～5倍；顆粒大小分析試驗采用篩析法。

3 場地布置

場地布置：長度方向總長30 m,中間10 m為試驗段，兩側5 m和15 m作為停放車輛及錯車用；寬度方向總長14 m，中間6 m為試驗段，為防止碾壓時產生側向擠壓，兩端各延鋪4 m。沉降量的測量、密度試驗和顆粒大小分析試驗的取樣在面積為10 m×6 m的范圍內進行，其中均勻布置25個沉降測量點，點間間距長度方向2.5 m，寬度方向1.5 m。

4 試驗步驟

1）正式鋪料前，首先進行場地碾壓。碾壓遍數不少于20遍，壓實密度大于設計標準，然后在其上進行碾壓試驗。

2）鋪料。采用進占法鋪料，然后用推土機按要求的鋪料厚度推平。

3）布置沉降測量點。按試驗場地布置方案，靜碾兩遍后，在試驗段內用鐵釘和紅布條布置25個沉降測量點，并測量每個測點的起始高程。

4）碾壓。碾壓試驗使用徐州工程機械制造廠生產的自行式振動碾，振動碾型號：CA25D；產品編號97149；工作質量為13.5 t。碾壓過程中行駛速度不超過2.0 km/h。振動碾在施工單位編號為Y01。碾壓遍數按一進一退算2遍計算。全場均進行碾壓，各碾跡之間搭接10～20 cm。每碾壓2遍測量一次沉降量，碾至沉降量基本沒有變化時，碾壓結束。沉降量測量由中水一局負責進行。

5）碾壓結束后，按SL237-1999規程在試驗段用試坑灌水法檢測最終碾壓遍數下的壓實密度。試坑直徑為試坑內試樣最大粒徑的3～5倍。密度試驗進行3組，取其算術平均值。用密度試驗料做顆粒大小分析試驗。

6）繪制沉降率、干密度、孔隙率與碾壓遍數關系曲線。

7）計算干密度。由于壓實密度與沉降率密切相關，據此，此次試驗采用按沉降率推求干密度的方法計算干密度，即根據測得的最終碾壓遍數下的干密度值及各碾壓遍數下的沉降量，推求各碾壓遍數下相應的干密度值。

8）根據設計控制指標和試驗結果，確定經濟合理的鋪料厚度和碾壓遍數。

9）根據以上碾壓試驗確定的施工參數，進行復核試驗。

5 試驗成果分析

1）鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm等3場碾壓試驗的累計平均沉降率（i）均隨著碾壓遍數（N）的增加、鋪料厚度的增大而增大。碾壓遍數達到12遍左右時，沉降率曲線趨向平緩的趨勢。由此可以認為此次試驗鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm 等3場測得的碾壓遍數 12～14遍下的累計平均沉降率接近最大值，相應為5.91%，8.11%和10.73%。

2）3種鋪料厚度下，干密度亦隨碾壓遍數的增加而增大，在同一碾壓遍數下干密度則隨鋪料厚度增大而減小。這說明，要求干密度一定時，鋪料厚度大，所需的碾壓遍數增多，當碾壓遍數達到一定數量后，干密度與碾壓遍數關系曲線趨向于平緩。在此次試驗62.8，79.5，98.8 cm等3種鋪料厚度下，碾壓遍數達到12遍后，干密度隨碾壓遍數的增加變化很小。因此，可以認為，所測得的相應3種鋪料厚度的密度值2.24，2.20和2.18 t/m3接近最大值。

3）不同鋪料厚度下，孔隙率均隨碾壓遍數的增加而減小。在同一碾壓遍數下，則隨鋪料厚度的增大而增大。鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm下，相應測得的最大孔隙率值為18.25%，21.21%和 22.05%。

4）鋪料厚度62.8，79.5，98.8 cm達到設計密度2.15 t/m3的碾壓遍數分別為2遍、6遍和10遍。考慮到上述鋪料厚度為62.8 cm時有2遍14 t振動碾碾壓的情況，該鋪料厚度時的碾壓遍數應適當增加。

5）兩大場復核試驗的鋪料厚度分別為78.0 cm和88.1 cm。前者為不加水碾壓，后者為加水碾壓，加水量約為鋪料總重量的10%。在同樣碾壓8遍的條件下，加水比不加水碾壓的干密度大0.01 t/m3，沉降率反而小0.04%。由于試驗是在兩個場次分別進行，鋪料厚度及級配條件可能有所不同，但所得結果仍可說明，該堆石料加水進行碾壓的壓實效果并不顯著。

6 結語

1）各場次取樣試驗得出堆石料的Cu＞15，dmax≤60 cm，小于5 mm顆粒含量在10%～25%之間，小于0.1 mm的顆粒含量小于3%，顆粒大小分析曲線基本處在設計包絡線內。因此，試驗用料各項指標滿足設計要求。

2）累計平均沉降率（i）均隨著碾壓遍數（N）的增加而增大，且隨鋪料厚度增大而增大；干密度（ρd）和孔隙率（n）隨碾壓遍數（N）的增加而增大，在同一碾壓遍數下隨鋪料厚度的增大而減小。各指標間的相互規律較好。

3）當干密度指標一定時，鋪料厚度增大，所需的碾壓遍數增加。為達到設計干密度為2.15 t/m3，在鋪料厚度為62.8，79.5和98.8 cm時，可將分別為4遍、6遍和8遍的碾壓遍數作為制定施工計劃之用。

4）試驗用堆石料加水碾壓與不加水碾壓的壓實效果差異不大，施工中可暫不考慮灑水碾壓。