唐河水电站面板坝主堆料填筑碾压参数的确定

苏满红

1 工程概况

唐河水电站工程位于山西省灵丘县东河南镇韩淤地村，距灵丘县城22 km，控制流域面积457 km2，总库容998万 m3，电站装机容量200 kW。水电站由枢纽建筑物、供水发电引水管线及发电站组成，枢纽建筑物包括混凝土重力坝段、灌溉洞、供水发电引水口、泄洪冲沙闸、混凝土面板堆石坝段等部分。大坝坝型为混凝土面板堆石坝和重力坝混合坝型，坝顶高程1067.4 m，最大坝高30.4 m，坝顶长395 m，是一座以水力发电、工业供水和农业灌溉为主，兼顾防洪等综合利用功能的小(1)型水库。

2 混凝土面板堆石坝布置与设计

混凝土面板堆石坝采用钢筋混凝土面板防渗，堆石作坝壳，坝体填筑依次为垫层料填筑、过渡料填筑、主堆石及下游堆石料填筑。主堆石区填料来源于重力坝、泄洪闸基础、库区改线公路开挖石料，设计主堆石最大粒径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%，渗透系数不小于3 cm/s，石料饱和抗压强度大于30 MPa，干密度ρd≥2110 kg/m3。

3 现场碾压试验

3.1 碾压试验场地

试验场地布置在大坝上游料场，试验区面积30 m×50 m，试验区域先用推土机平整振动碾压实，然后在上面铺一层试验料用振动碾压实且达到与待测铺层密度相同后洒水刨毛作为基层，在其上铺料进行碾压试验。主堆石碾压试验分加水5%和不加水两个试验区，共进行4场试验，前3场试验铺筑厚度分别为80 cm，100 cm，120 cm，最后一场试验为最优参数复核试验，铺筑厚度为100 cm，试验用料含水率控制在标准最优含水率±2%左右。

3.2 碾压试验参数组合

主堆石碾压试验采用20 t振动碾分9组进行试验。试验以80 cm，100 cm，120 cm铺筑厚度分别按4遍，6遍，8遍各3组碾压;第10组为复核试验，铺筑厚度为100 cm，碾压遍数为6遍。

3.3 碾压试验步骤

3.3.1 铺料

铺料方式模拟实际施工，采用自卸汽车进占后退混合法铺料，铺料方向平行纵轴线，用推土机平料。铺料厚度用间距10 m且带有油漆标记的标杆控制，铺填厚度误差为松铺厚度的±10%。

3.3.2 碾压

采用最大激振力430 kN的自行式振动碾进退错距法碾压，每次错距为碾宽，轮压重叠20 cm～30 cm，碾压方向平行于试验区纵轴线，相似于坝轴方向。碾压遍数采用前进、后退为两遍计，振动碾行车速度控制在2 km/h以内。

3.3.3 测量

每个试验组合均按1.5 m×1.5 m布置网格测点，每个试验组合布置10个测点，用水准仪测量基面、铺填前后层面及不同碾压遍数后同一测点上的标高，以计算松铺厚度和不同碾压遍数时的沉降量。

3.3.4 干密度、孔隙率检测

压实干密度按SL 273-1999土工试验规程探坑灌水法测定，并依据干密度及岩石比重计算孔隙率，同时进行颗粒分析和含水率测定，试坑直径为填筑料最大粒径的2倍～3倍，灌水法塑料布厚度0.1 mm，体积校正系数参考相关资料取1.003，每一组合用灌水法测3个干密度值。由于堆石料碾压后其孔隙率较大，因此其渗透系数一般较大，不进行专门渗透试验。现场渗透试验利用密度试验的试坑进行简易注水，采用钢环试坑渗水法，按公式k=Q/F(k为渗透系数值，cm/s;Q为渗透流量，cm3/s;F为钢环内截面积，cm2)计算渗透系数值。干密度、孔隙率、渗透系数检测结束后，对试坑进行回填并碾压，然后按规定的加水和不加水试验区不同铺筑厚度填铺，进行第二、第三场的碾压试验。

3.4 现场试验

试验采用1.2 m3挖掘机挖料，15 t自卸汽车运输，TY320推土机进占法平料，20 t自行式振动碾进退错距法碾压。试验期间天气情况较好，最高气温32℃，最低气温20℃。

4 碾压成果及分析

试验测得主堆料碾压检测情况见表1。根据主堆料碾压检测结果可见，总体看压实干密度加水较不加水情况大，4遍～6遍压实干密度增长较大，8遍则增长率较小，压实干密度在铺料厚度相同时随碾压遍数的增大而增大，碾压遍数相同时随铺料厚度的增大而减小;孔隙率加水较不加水情况小，孔隙率在铺料厚度相同时随碾压遍数的增大而减小，碾压遍数相同时随铺料厚度的增大而增大;压实后沉降量加水较不加水情况大，压实后沉降量、最优参数组合时的松铺系数在铺料厚度相同时随碾压遍数的增大而增大，碾压遍数相同时随铺料厚度的增大而增大。一般而言，为提高压实密度，减少坝体变形，应对坝料洒水压实。对于主堆石料，由于坝体岩石属于坚硬岩石，粒径较大，软弱岩石软化系数较大，从沉降变形看洒水有一定效果，尤其对细料含量较多的坝料效果比较明显。坝面洒水主要是使坝料进一步湿透，并使颗粒表面形成水膜，从而减小颗粒之间的摩擦阻力，更有利于压实。软岩石吸水率最大为2%，一般在0.5%～1.0%，通过碾压试验过程中的观察，过多洒水从碾压层面流失，因此坝面洒水量根据石料岩性、细粒含量及其风化程度按堆石体积5%控制可满足要求。

表1 主堆料碾压检测结果

试验过程中，铺料厚度80 cm时碾压6遍平均压实干密度、孔隙率达到设计要求(孔隙率≤22%，设计干密度ρd＞2110 kg/m3)，但超过设计要求较多;铺料厚度120 cm时碾压6遍平均压实干密度、孔隙率均不达设计要求;铺料厚度100 cm时碾压6遍、8遍平均压实干密度、孔隙率达到设计要求，合格率100%，但碾压6遍接近设计要求。根据以上分析，填料铺料100 cm、碾压6遍为合理施工参数，松铺系数为1.06。复核试验结果平均压实干密度不加水2125 kg/m3，加水 2141 kg/m3，孔隙率不加水 21.3，加水20.7，合格率100%，松铺系数为1.07，证明以上碾压参数是合理的。可见，对于填料加水5%、不加水情况，在最优参数下进行碾压均能达干密度、孔隙率设计的标准要求。

5 结论

5.1 主堆石料施工碾压参数

试验测得主堆料碾压参数见表2。

表2 主堆料施工碾压参数表

5.2 填筑施工工艺

5.2.1 坝料级配

堆石料颗粒级配，是提高压实密度、降低坝体沉降变形的关键，最大粒径越大，压实干密度愈高，材料不均匀系数愈大，压实性能愈好也愈易获得最大的压实密度。

坝料最大粒径决定于铺料厚度，一般最大粒径为铺料厚度的2/3，若最大粒径接近于铺料厚度，则大粒径料周围的细料得不到有效压实。只有控制好颗粒级配才会得到有效压实，所以在填筑过程中，控制好进场的料源是非常重要的，同时做好上坝材料的均匀性和施工的连续性。

5.2.2 坝料运输、摊铺、碾压

采用1.2 m3挖掘机挖料，15 t自卸汽车运输，进入填料面平行坝轴线方向用进占法进行卸料。用推土机向前进占平料，采用定点测量法及时检查铺层厚度，发现超厚立即进行处理，铺填层厚及边线误差控制在允许范围内。用20 t自行式振动碾采用进退错距法碾压，保持填筑均衡上升，填筑高程基本保持一致。

5.2.3 层间结合处理

下层填料碾压完毕后，只要填层保持湿润状态，即可进行连续作业，此时结合层良好，但因气候原因或停工时间较长时，应视下层填料表面失水情况对结合层面进行洒水刨毛处理或将干层面清除后洒水刨毛处理，使料层保持在最优含水量范围内，再填筑上层填料。

5.2.4 岸坡结合部施工

主堆石区采用自卸汽车运、卸料及推土机平料时，在坝体与岸坡的结合部位易出现大块石集中、架空现象，局部不易压实，针对这种情况，应用挖掘机进行分散处理，在岸坡结合处2 m范围内，振动碾平行岸坡方向碾压。不易压实的边角部位，减薄铺料厚度，用轻型振动碾或振动板压实，或者是在结合部位先填1 m～2 m宽的过渡料，再填堆石料。

5.2.5 堆石料接缝处理

堆石料分段分期填筑时，在坝壳内形成了横向或纵向的接缝。在接缝处采用留台施工法，即先期铺料时，每层预留1.0 m～1.5 m平台，后期填筑的石料与先期石料接触且在达到同一高程时，采用振动碾骑缝碾压。

5.2.6 负温下填筑碾压

负温下堆料填筑施工，洒水易凝结成冰且不利于压实，因此不考虑洒水，主堆石料施工可采用不洒水铺填100 cm碾压遍数增加1遍(即7遍)，压实干密度可达设计要求。

[1]DL/T 5128-2001，混凝土面板堆石坝施工规范[S].

[2]DL/T 5129-2001，碾压式土石坝施工规范[S].

[3]SDJ 213-83，碾压式土石坝施工技术规范[S].

[4]SL 237-1999，土工试验操作规程[S].

[5]GB/T 50123-1999，土工试验方法标准[S].