高壩填筑不同行速碾壓對(duì)比分析研究

王建幫 羅 帥 包永俠

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 工程概況

阿爾塔什大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩,壩頂寬度12.0m,壩軸線長(zhǎng)度795m,壩頂高程1825.8m,大壩基礎(chǔ)高程1661.0m,最大壩高164.8m,砂礫石基礎(chǔ)覆蓋層厚93m,受變形影響的復(fù)合壩高達(dá)250m級(jí)。上游壩坡坡度為1∶1.7,下游壩坡坡比為1∶1.6,在下游坡設(shè)寬度為15m、縱坡為8%的“之”字形上壩公路。大壩上游迎水坡面為C30W12F300混凝土面板結(jié)構(gòu),面板最小厚度為40cm,最大厚度為96cm,上部與大壩防浪墻連接,下部與趾板、水平連接板連接。壩體總填筑方量為2493.3萬(wàn)m3，其中砂礫料約為1227.8萬(wàn)m3，占總填筑方量的49.23%。砂礫料3B區(qū)選用砂礫石料筑料，位于3A區(qū)下游。砂礫料由C1、C2、C3砂礫料場(chǎng)開(kāi)采上壩填筑，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足技術(shù)要求，設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)要求相對(duì)密度不小于0.9(見(jiàn)圖1)。

圖1 混凝土面板堆石壩壩體標(biāo)準(zhǔn)橫剖面

根據(jù)建設(shè)單位確定的節(jié)點(diǎn)目標(biāo)和原則，為實(shí)現(xiàn)安全度汛和延長(zhǎng)面板施工前壩體沉降期，要求2017年汛期壩體臨時(shí)斷面填筑高程不低于1715m，2017年8月底壩體臨時(shí)斷面填筑高程不低于1730.0m，2018年8月底壩體臨時(shí)斷面填筑高程不低于1791m，按此節(jié)點(diǎn)要求進(jìn)行了重新分期規(guī)劃，填筑有效時(shí)間縮短至31個(gè)月，2019年4月大壩全斷面即可達(dá)到防浪墻底部高程，整體填筑工期較原方案提前8個(gè)月，月平均填筑強(qiáng)度約提升至80.77萬(wàn)m3/月，填筑高峰時(shí)段發(fā)生在2017年2月—2018年8月，除冬季兩個(gè)月，高峰強(qiáng)度達(dá)68萬(wàn)m3～113.3萬(wàn)m3/月，持續(xù)時(shí)間18個(gè)月，期間大壩高程已從1661m上升至1791m，在2017年2月—2018年8月連續(xù)近100萬(wàn)m3月填筑強(qiáng)度，對(duì)料場(chǎng)開(kāi)采、壩料填筑、碾壓等都提出了更高的要求，施工難度明顯增加。

2 現(xiàn)代面板堆石壩發(fā)展

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2009年底，我國(guó)壩高30m以上的混凝土面板堆石壩已建成約170座，在建、擬建各約40座，總數(shù)約260座，目前已建最高的面板堆石壩是水布埡壩，壩高233m，亦是目前世界最高的面板堆石壩；壩體填筑規(guī)模最大的是天生橋一級(jí)面板堆石壩，壩高178m，填筑量約1800萬(wàn)m3。現(xiàn)代面板壩的壩料填筑發(fā)展呈現(xiàn)了以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：?堆石體采用振動(dòng)碾薄層碾壓填筑，從而提高了壩體的密實(shí)度，減小了變形；?現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖料和料場(chǎng)開(kāi)采石料、爆破料、砂礫石料均可上壩；?面板墊層及其材料的粒徑、級(jí)配優(yōu)選，碾壓技術(shù)得到很好的研究，為面板質(zhì)量控制提供了良好的支撐。

3 振動(dòng)碾常規(guī)工作現(xiàn)狀

由于高壩要求較高的壓實(shí)密度，以減少壩體變形，因此采用重型振動(dòng)碾碾壓。常規(guī)已有自重18t、25t的牽引式振動(dòng)碾，以及總重26t、32t的自行式振動(dòng)碾等可供選用。自行式振動(dòng)碾的碾壓效果主要取決于工作重量和激振力。江蘇漂陽(yáng)抽水蓄能電站上壩采用了振動(dòng)碾整筒碾壓。水布埡壩體3B料采用25t自行碾，月平均39.2萬(wàn)m3，月高峰75萬(wàn)m3。洪家渡主堆石料采用18t振動(dòng)碾，月高峰填筑量72萬(wàn)m3。天生橋一級(jí)主堆石料采用18t牽引式振動(dòng)平碾，月平均填筑量48萬(wàn)m3。

4 砂礫料現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比

4.1 確定最大干密度及最小干密度

根據(jù)砂礫料原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)確定最大干密度、最小干密度，采用設(shè)計(jì)上包線級(jí)配、上平均線級(jí)配、平均線級(jí)配、下平均線級(jí)配、下包線級(jí)配5個(gè)不同礫石含量配料。根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配選擇礫石含量75.0%、78.0%、81.0%、84.0%、87.0%作為相對(duì)密度試驗(yàn)級(jí)配；另外增加礫石含量為69.0%、72.0%的兩組級(jí)配和砂礫料C3料場(chǎng)顆粒級(jí)配變化較大的實(shí)際顆分線礫石含量為80.8%(最大粒徑為156mm)的級(jí)配進(jìn)行了一組試驗(yàn)，配料級(jí)配見(jiàn)圖2。

圖2 砂礫石料現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)原型級(jí)配曲線

原型級(jí)配相對(duì)密度試驗(yàn)中不同礫石含量所對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

表1 不同礫石含量所對(duì)應(yīng)的最小干密度、最大干密度值

從表1中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大干密度在2.33～2.43g/cm3，礫石含量在78.0%時(shí)其干密度達(dá)到最大值2.43g/cm3，但在同樣的礫石含量不同的最大粒徑情況下，最大干密度與最小干密度變化較大，根據(jù)設(shè)計(jì)包絡(luò)線配料的礫石含量81.0%的最大干密度為2.40g/cm3、最小干密度為2.06g/cm3，而根據(jù)料場(chǎng)實(shí)際顆粒級(jí)配分析線配料的礫石含量為80.8%的最大干密度為2.33g/cm3、最小干密度為1.94g/cm3，最大干密度相比減小了0.07g/cm3、最小干密度相比減小了0.12g/cm3，可見(jiàn)，砂礫石料的干密度隨著礫石含量、最大粒徑的變化而變化。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制砂礫石料不同礫石含量對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 不同礫石含量對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度關(guān)系曲線

4.2 不同行走速度下確定碾壓遍數(shù)

碾壓參數(shù)設(shè)定為:同碾壓機(jī)具，壓實(shí)機(jī)具為32t振動(dòng)碾(YZ32Y2型，振動(dòng)頻率為0～28Hz，振幅為1.83mm，激振力為590kN無(wú)級(jí)可調(diào))，同加水量，為10%(體積比)，在不同行走速度下確定碾壓遍數(shù)。

a.碾壓速度控制在2.0km/h時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果，整理計(jì)算其鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及相對(duì)密度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)相對(duì)密度成果1

b.碾壓速度控制在3.0km/h時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果，整理計(jì)算其鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及相對(duì)密度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)相對(duì)密度成果2

c.碾壓速度控制在3.5km/h時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果，整理計(jì)算其鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及相對(duì)密度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)相對(duì)密度成果3

d.碾壓速度控制在4.0km/h時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)果，整理計(jì)算其鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及相對(duì)密度，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)相對(duì)密度成果4

從150m以上級(jí)高壩壩體穩(wěn)定方面考慮，并結(jié)合施工因素綜合分析相對(duì)密度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系(見(jiàn)圖4)，確定輔料厚度為80cm、加水量為10%時(shí)的大壩填筑砂礫料碾壓施工參數(shù)如下：行車(chē)速度2.0km/h時(shí)，32t自行式振動(dòng)碾激振碾壓8遍；行車(chē)速度3.0km/h時(shí)，32t自行式振動(dòng)碾激振碾壓10遍；行車(chē)速度3.5km/h時(shí)，32t自行式振動(dòng)碾激振碾壓12遍；行車(chē)速度4.0km/h時(shí)，32t自行式振動(dòng)碾激振碾壓14遍。采用以上碾壓參數(shù)進(jìn)行施工，相對(duì)密度不小于0.9，其平均值均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖4 相對(duì)密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

5 不同行走速度施工綜合效益分析

5.1 工效分析

鋪料厚度為80cm，32t振動(dòng)碾行走速度為2.0km/h、3.0km/h、3.5km/h、4.0km/h時(shí)的碾壓遍數(shù)分別為8、10、12、14；有效作業(yè)時(shí)間：每班取8h，每天分兩班，每個(gè)月取25天，故每個(gè)月的有效作業(yè)時(shí)間為400h，在此特定條件下分析碾壓機(jī)械壓實(shí)面積生產(chǎn)率。

振動(dòng)碾月產(chǎn)能計(jì)算公式如下：

P=8Bhvkt/n

式中P——碾壓機(jī)械生產(chǎn)率，壓實(shí)方，m3/臺(tái)班；

B—有效壓實(shí)寬度，等于碾寬減去搭接寬度，m；

v—壓實(shí)作業(yè)速度，km/h；

h—鋪料厚度，m；

n—壓實(shí)遍數(shù)；

Kt—時(shí)間利用系數(shù),條件良好取0.6～0.8；場(chǎng)地小、工作困難取0.4～0.6。

PA=8×1000Bvkt/n

式中PA——碾壓機(jī)械壓實(shí)面積生產(chǎn)率，m2/臺(tái)班。

32t自行式振動(dòng)碾在不同行走速度下每月產(chǎn)能計(jì)算見(jiàn)表6。

表6 32t自行式振動(dòng)碾在不同行走速度下每月產(chǎn)能計(jì)算

計(jì)算分析得出相同時(shí)間內(nèi)單臺(tái)32t自行式振動(dòng)碾每月產(chǎn)能在行走速度為3.0km/h、碾壓遍數(shù)為10遍時(shí)最高。

5.2 經(jīng)濟(jì)分析

在相同碾壓方量的情況下，32t振動(dòng)碾行走速度在2.0km/h、3.0km/h、3.5km/h、4.0km/h時(shí)的碾壓遍數(shù)分別為8、10、12、14；不同行走速度施工經(jīng)濟(jì)效益分析見(jiàn)表7。

表7 不同行走速度施工綜合效益分析

對(duì)不同行走速度下的工效及經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析得出：相同時(shí)間內(nèi)，單臺(tái)32t自行式振動(dòng)碾的行走速度在3.0km/h、碾壓遍數(shù)為10遍時(shí)，月產(chǎn)能最高、經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文以阿爾塔什大壩主堆石區(qū)填筑為主要研究對(duì)象，結(jié)合已建成的高壩填筑碾壓參數(shù)及月填筑強(qiáng)度進(jìn)行總結(jié)，主堆石區(qū)碾壓要求在滿(mǎn)足相對(duì)密度不小于0.9的前提下，分析不同礫石含量所對(duì)應(yīng)的最大干密度和最小干密度，分析總結(jié)進(jìn)度效益與經(jīng)濟(jì)效益，最終確定選擇最優(yōu)的碾壓參數(shù)，達(dá)到加快施工進(jìn)度及降低施工成本的目的。該研究為創(chuàng)新大壩施工模式提供了新的研究思路，積累的經(jīng)驗(yàn)可供今后類(lèi)似工程借鑒。