過渡區填筑料碾壓工藝試驗研究

徐 蕩,余萬龍

中國葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

山東文登抽水蓄能電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩,壩體填筑總工程量為476.9萬m3,其中堆石料為444.9萬m3,過渡料21萬m3,墊層料10.3萬m3,壩體上游壩坡1：1.4。堆石壩填筑料分區自上游向下游依次為:碎石壓重區、壩前墊層區、特殊墊層區、壩前過渡層區、上游堆石區B、下游堆石區(含不連續級配區)及下游干砌石護坡。大壩填筑所需的過渡料為庫盆爆破開采料唯一來源,由于庫盆開采料存在裂隙節理發育、球形孤石等特點。為滿足過渡料設計最大粒徑不大于300 mm等技術指標,在大壩填筑前須進行過渡料碾壓工藝試驗。

1 填筑技術指標及填筑標準

本次上水庫過渡區的碾壓工藝試驗,填筑時壓實材料選用山東省文登抽水蓄能電站庫盆的開挖挖料,并實行連續級配。各水電站壩過渡段的填筑料技術指標如表1所示。

表1 過渡區填筑料技術指標

2 填筑料性能試驗

2.1 填筑料巖石材質試驗

為全面掌握填筑壓料的地質特性,對料源進行了取樣,并按《水電水利工程巖石試驗規程》DL/T 5368—2007[1]對石料的單軸抗壓強度、軟弱關系等參數進行了試驗,其具體測量結果如表2所示。

表2 壩料材質試驗結果

根據《巖土工程勘察規程》GB 50021—2001[2],以巖石的飽和單軸及耐壓性能劃分,如表3所示。

表3 上水庫庫岸庫盆過渡區填筑料巖石密度試驗結果

表3 巖石硬度劃分 單位:MPa

由表3可知,過渡料試驗填筑料總體屬堅硬巖石。

2.2 填筑料顆粒級配試驗

對山東省文登抽水蓄能電站的開挖石料進行了全料粒度級配試驗,以滿足上水庫過渡料的填筑使用。粒度級配試驗,采取現場木筐粗篩,篩分網的規格為方格網,篩分網孔徑選擇為20、40、60、80、100 mm幾種,并實行分類稱量。

考慮篩分準確度,在場內開展了20 mm的細顆粒初步篩選,初步篩選后數量不少于4 kg,并送至室內試驗室開展全含水量的篩分試驗,篩分網選擇為0.075～20 mm的8種篩子。經檢測后的篩分顆粒級配如圖1所示。

圖1 上水庫過渡區填筑料顆粒篩分級配曲線圖

2.3 填筑料巖石密度試驗

對開挖材料的巖層密度加以計算,并按照《水電水利土工試驗規程》DL/T 5355—2006[3]執行,其中大于5 mm顆粒的密度使用浮秤法,小于等于5 mm顆粒使用比重瓶法計算,將全料巖層密度按照粗、細材的配比,按粗、細材比例經過加權平衡后計算,以作為填筑材料碾壓遍數基本參數。上水庫庫岸庫盆過渡區開挖料巖石密度試驗結果如表3所示。

3 現場碾壓試驗

3.1 碾壓機具選擇

為確保工程設計所提供的填筑基礎材料壓實質量標準一致,并根據本工程所設計大壩中填筑壓實材料的特性,本次碾壓試驗機具及主要技術參數選型如表4所示。

表4 碾壓機械設備參數

3.2 碾壓試驗參數與試驗場次的確定

3.2.1 碾壓試驗參數選擇

本次試驗,上水庫過渡料鋪筑層厚度控制誤差在±10%,松鋪厚度選定為42 cm。

依據現場的施工經驗一般采取進占法和混合法填筑,考慮現場實際情況,本工程試驗采用進占法填筑,料場內采用反鏟挑料、裝料、20 t自卸車裝載運輸。現場試驗區域采用石灰中撒出的白線或在試驗條帶范圍線內,使用進占法施工。

根據以往大壩填筑經驗和設備的效率,選擇按2 km/h的碾壓速度控制。

試驗所需的過渡料源采用小于20 mm和大于20 mm顆粒試樣測定含水率,加權平均計算全料含水率,大于20 mm顆粒含水率為0.3%,小于20 mm顆粒含水率為7.1%,全料含水率為2.0%,含水率較大,本次試驗未加水。

本次試驗采用振碾6遍。碾壓方法采用進退錯距法,前進和后退按算2遍計,輪壓的重疊部分為15～20 cm。

操作流程:反鏟和推土機平整試驗場地—振動碾碾壓試驗場地—進料(進占法)推平—灑水—靜碾—碾壓—測試壓實密度、含水量—回填試坑—碾壓。

3.2.2 碾壓試驗場次

上水庫過渡區填筑料的碾壓試驗共進行1場,其碾壓參數如表5所示。

表5 碾壓參數

3.3 碾壓試驗檢測項目和方法

試驗檢測按現行規程、規范進行。

3.3.1 干密度檢測

過渡料的壓實干密度測定參照《水電水利工程粗粒土試驗規程》DL/T—5356[4]實施,采取灌水方式,在現場取樣了3個坑。現場試坑孔徑通常為最大粒徑的3～4倍,但最大粒度不得大于200 cm,且套環孔徑應超過試坑孔徑,因此本次過渡段對填筑壓實料的碾壓夯實測試中選擇了最大孔徑為1.2 m的套環,取樣深度為壓實層最厚,所灌水的薄膜膜厚為0.04 mm,并具有較好的彈性,同時按照《碾壓土石壩建筑施工技術規范》DL/T 5129[4]執行。

3.3.2 顆粒級配試驗

現場各試驗單元內挖3個坑,對坑內的骨料進行全級配篩分試驗。試坑直徑一般為最大粒徑的2～3倍,套環直徑應大于試坑直徑。

顆粒級配試驗,采用圓孔篩。粒徑小于等于100 mm的石料采用篩析法分析,粒徑大于100 mm的石料尺寸應用尺量測。考慮篩分精度,現場僅進行20 mm以上顆粒篩分,小于20 mm的試樣在現場稱取不少于4 kg,送室內烘干后進行篩分試驗,并將細料篩分與現場粗料篩分連接成全料級配。

3.3.3 含水率試驗

一般采用小于20 mm和大于20 mm顆粒試樣測定含水率,加權平均計算全料含水率,用烘干法測定。

3.3.4 孔隙率計算

壓實干密度相應的孔隙率由下式計算而得。

n=1-(ρd0/Gs×ρw)

(1)

式中:n為孔隙率,%;ρd0為現場填筑干密度,g/cm3;Gs為石料各粒徑組加權密度;ρw為水的密度,取值1 g/cm3。

3.3.5 原位滲透系數測試

原位滲透試驗采用現場試坑注水試驗法。按《水電水利工程粗粒土試驗規程》DL/T 5356[4]采用雙環注水法進行,儀器設備內環直徑22.6 cm,外環直徑45.2 cm,高15 cm。

按下列公式計算土的滲透系數的近似值。

KT=Vw/(A×t)

(2)

式中:KT為溫度為T℃時土的滲透系數的近似值,cm/s;Vw為在t時間內的滲透水量,cm3;A為內環面積,cm2;t為間隔時間,s。

3.4 現場碾壓試驗結果

現場碾壓試驗結果見表6,上水庫過渡料篩分結果見表7。

表6 過渡料碾壓試驗結果匯總

表7 過渡料篩分結果

4 現場碾壓試驗結果分析

4.1 壓實密度及孔隙率

從試驗成果可以得出,碾壓6遍時填筑料壓實干密度滿足設計(大于等于2.18 g/cm3)的要求。碾壓6遍時填筑料的孔隙率滿足設計孔隙率(小于等于20%)的要求。

4.2 試驗精度的影響

密度檢測誤差是不可避免的,應意識到誤差的存在并盡最大努力減小誤差,試驗誤差歸納起來主要可能來源于以下方面:灌水時塑料薄膜厚度的影響;試坑壁的松動和粗糙程度,特別對試坑壁凹凸不平的部位應進行處理;試坑直徑與試樣最大粒徑的關系。

4.3 顆粒級配

該次碾壓試驗填筑料仍含有部分超徑含量,在填筑施工過程中應剔除大于300 mm的填筑料。

4.4 影響滲透系數的主要因素

大壩填筑滲透系數的影響因素主要是填料中小于5 mm和0.075 mm的顆粒含量。碾壓過程中大于5 mm的顆粒含量較多時,粗料形成骨架則滲透系數較大,當碾壓過程中小于5 mm的顆粒含量大于30%時滲透系數主要決定于細料。本次試驗的滲透系數為0.012,均滿足設計要求(大于0.01)。

5 結論

通過對上水庫開采石料時的篩分結果和現場碾壓測量結果的研究,采用18 t振動碾、壓實厚度40 cm,靜碾2遍、振碾6遍,施工工藝達到了工程設計的要求。