长河坝水电站坝体堆石料碾压试验分析

2012-09-05周于鸿袁雪岷

水电站设计 2012年1期

周于鸿，袁雪岷，高艳

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前言

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“三库22级”的第10级电站，上接猴子岩电站，下游为黄金坪电站。大坝为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程1 697.00m，最大坝高240.0m，坝顶长度502.85m，坝顶宽度16.0m，上游坝坡1∶2，目前，正在进行大坝填筑施工。

为确定坝料的压实特性，监理工程师进行了不同铺料厚度、碾压遍数和不同加水条件的现场碾压试验。通过不同压实条件下坝料的颗粒级配、压实干密度、碾压沉降量的综合分析，最终确定坝体填筑料的碾压参数。本文主要介绍了坝壳堆石料的碾压试验情况及成果。

2 碾压试验条件

2.1 堆石料料场的基本情况及堆石料的指标

响水沟石料场位于坝址区上游右岸响水沟沟口，距坝址3.5km。地形形态为一山包，三面临空，地形坡度40°～50°，岩性为花岗岩，岩质致密坚硬，分布高程1 545～1 885m。

料源岩性为花岗岩，岩石弱－微风化，岩质致密坚硬，浅表有约0.5～1.5m的根植残积土层。据平洞勘探资料，岩体卸荷较强烈，强卸荷水平深度为46m，弱风化弱卸荷水平深度90m，向里为微新岩体。地质测绘未发现有大的断裂通过，岩体中主要发育的构造裂隙有4组，此外随机短小裂隙亦发育。料场储量2 675万m3。主要质量技术指标满足规范要求。

料场总体开采条件好，有用料质量、储量分布稳定。料场临大渡河侧地形陡峻，开采中需注意爆破方式，避免大规模石料滚入大渡河对河流形成不利影响。通过前期料场复勘试验检测情况与招标技术要求对比，料场岩石试验抗压强度大于45MPa，软化系数满足堆石料技术要求。表明岩石抗压强度高、质量好，与料场地质比较后质量满足石料质量技术要求。根据设计要求，碾压试验用料的控制最大粒径为800mm，超径颗粒在取料时被剔除。

用于坝壳填筑的堆石料，采用微、弱风化或新鲜的开采花岗岩或石英闪长岩料。开采料的饱和抗压强度为96.4MPa，软化系数为0.82。

堆石料的最大边与最小边长之比不超过4，最大粒径不大于800mm，D15≤30mm，小于5mm的颗粒含量不大于20%，小于0.075mm的颗粒含量不大于3%。

堆石压实控制的孔隙率通过现场碾压试验确定，不大于21%，相应的干密度约为2.22g/cm3。

对堆石料不同级配的颗粒分别进行了比重试验，比重试验成果共6组，其中最大值为2.80，最小值为2.74，加权平均值为 2.77;平均吸水率为0.8%。

现场密度检测采用挖坑灌水法。试验用水采用洒水车运输至试验现场，水温14～18℃，其相应的密度范围为0.99 924～0.9 986g/cm3。试验中取其标准值1 g/cm3做为计算采用数值。

2.2 试验设备

现场碾压试验使用的机械主要有反铲、自卸式汽车、推土机、洒水车和自行式振动平碾5种机械。用反铲取料，20t自卸汽车运料，推土机铺料，振动碾选用SANY－26t自行式振动平碾。振动碾碾压宽度为2.12m，振动频率为27/31Hz，振幅为2.05/1.03mm，激振力为416/275kN。

2.3 场地布置和场地准备

据大坝堆石料江咀碾压试验场规划，布置场地时考虑了所采用的试验组合方法。碾压试验场地总长70m，宽24m，碾压试验场地布置了过渡带，作为停车及错车用，中间有不同铺料厚度的料;为防止碾压时向侧面产生挤压，两端各留2m区间作为压重。在试验段范围内进行现场试验和取样，并按照1.5m×2m的网格布置沉降测量点，同时在距填筑面前沿4～6m设置移动标杆，以控制铺料厚度。

2.4 试验方案

振动碾行车速度控制不超过2.7±0.2km/h，铺料厚度为80cm、90cm、100cm及120cm四种，碾压遍数分别为静2遍+振8遍、静2遍+振10遍及静2遍+振12遍，同时进行不洒水及加水4%比较试验。

2.5 压实质量检测试验

主要进行了压实干密度、碾压层表面沉降、碾压后土料颗粒级配分析三方面的试验。密度试验采取试坑灌水法，试坑的大小依据料的最大粒径大小按规范要求确定，其深度穿透整个铺土层;颗粒分析采用筛分法。该项试验与干密度测试同时进行，碾压试验过程中，对碾压层的沉降变形进行了测量。碾压区共分为9个区，每个区布置有16个测点，共计144个测点，测点采用白灰标识，碾压两遍后按标识点测量，如有损毁重新标识测量。

3 碾压试验的目的

(1)确定堆石料的最佳压实方法，包括选择碾压设备类型、机械参数、碾压遍数、铺土厚度、洒水量等施工参数;

(2)了解并分析堆石料碾压前后颗粒级配的变化和破碎率;

(3)了解并分析压实后堆石料的各种物理性质、力学、渗透性质，为设计提供安全、经济、合理的计算参数;

(4)分析复核堆石料设计技术指标及填筑标准的合理性。

4 试验结果及分析

(1)干密度试验结果。不同试验条件下的碾压干密度试验结果见表1。试验结果表明，测试的干密度值比较分散，其值处于2.17～2.31 g/cm3范围内。分析其原因，主要是由于试验时直接取自响水沟料场料源地石料取料的不均匀性所致。

(2)碾压遍数与铺料厚度的关系。碾压遍数与铺料厚度的关系见表1。从表中可以看出，随着铺土厚度的增加，碾压遍数相同时干密度基本相同，总的趋势是碾压8遍后，干密度在2.21 g/cm3左右。因此，对于本次试验而言，铺料厚度90cm碾压8遍干密度最大。但是，铺料层厚度过薄或过厚或碾压遍数增加，会影响现场施工的进度，增加坝体施工的费用。根据本次试验的结果及以往的工程施工经验，建议本工程堆石料的铺土厚度选择为100cm最佳。

(3)碾压遍数与孔隙率的关系。根据碾压遍数与孔隙率关系图(见图1)分析:在同一铺料厚度条件下，堆石料孔隙率与碾压遍数的关系成反比，即孔隙率随碾压遍数的增加而减小，说明碾压遍数越大，石料压实度越高。同样碾压遍数随着铺土厚度增加，孔隙率增加，说明石料厚度越大越不易压实;不同石料铺料厚度越大，其孔隙率越大。

80cm铺料厚度碾压8遍与100cm铺料厚度碾压10遍压实效果相当，120cm铺料厚度压10遍与12遍孔隙率接近，说明所选压实机械性满足要求，能够将选择厚度参数条件下石料压实。在碾压8遍后80～120cm铺料厚度石料孔隙率均满足要求。

(4)孔隙率与铺料厚度及碾压遍数关系。根据铺料厚度与孔隙率关系(见图2)分析:当碾压8遍时，铺料厚度80cm与100cm孔隙率基本无变化。从孔隙率与碾压遍数变化趋势上分析，碾压8遍与碾压10遍石料孔隙率变化趋势总体上平缓，为设计铺料厚度范围合适碾压遍数;碾压12遍孔隙率出现大幅变化，说明过薄铺料厚度碾压12遍的石料存在压碎可能性。

根据孔隙率分布范围分析，铺料厚度100cm与120cm是施工生产合适选择厚度，因为上述铺料厚度下不同碾压遍数石料孔隙率变化较小，说明在8～12遍情况下均已压实且均满足设计要求。碾压8遍时铺料厚度100cm为可作为经济铺料厚度。

(5)沉降率与铺土厚度关系。根据沉降率与铺土厚度关系(见图3)分析:在碾压遍数不变的情况下，随铺料厚度的增加，沉降率变化不大，同时说明碾压8遍土料已基本趋于紧密状态;同时碾压8遍、10遍、12遍，不同铺料厚度沉降率分布集中，说明在设计选择厚度下碾压8遍石料已经压实。铺料90cm时，沉降率为6.7%，数值较大，与孔隙率分析结果一致，说明90cm铺料厚度石料确实已被压碎。

表1 堆石料选择场碾压试验结果统计

图1 响水沟堆石料碾压遍数与孔隙率关系

图2 辅料厚度与孔隙率关系

图3 沉降率与铺土厚度关系

铺料100cm时不同碾压遍数下沉降率较为集中，说明铺100cm石料压实效果较好。

铺料120cm时存在架空现象，沉降率的分布规律性不明显。

综合考虑沉降测量结果和碾压遍数与干密度的变化趋势，碾压遍数超过8遍，材料的压实密度趋于稳定。从经济及填筑速度考虑，建议碾压遍数控制为8遍。

(6)加水与不加水堆石料的密度分析。在充分加水的条件下，堆石料干密度与加水有一定的关系，但关系不明显，普遍增大约0.01～0.05g/cm3，但都能满足设计孔隙率指标小于21%的要求，与前期碾压试验结果规律性相一致。

(7)现场渗透试验。现场渗透试验共进行了2组，采用双环法进行，外环直径100cm、内环直径60cm、高50cm。现场渗透试验在现场密度试验结束后在碾压试验场进行，试验时测点位置与现场密度试验测点错开。其中最大渗透系数为:5.2×10－1cm/s，最小渗透系数为3.7×10－1cm/s，平均渗透系数为4.4 ×10－1cm/s。

(8)室内固结试验。堆石料固结试验表明，堆石料的压缩系数均小于0.2，属于低压缩性土料。

(9)现场新型张拉大直剪试验。由试验结果可知，碾压厚度为120cm时的堆石料碾压后强度高于厚度为100cm的堆石料。两组堆石料内摩擦角分别为50°和51.7°。由此可以认为，长河坝堆石料碾压后强度满足设计指标。