胶凝砂砾石坝铺筑工艺试验研究

2017-04-22郭增江

山西水土保持科技 2017年1期

关键词：遍数石坝砂砾

郭增江

（大同市孤山水库管理处）

胶凝砂砾石坝铺筑工艺试验研究

郭增江

（大同市孤山水库管理处）

以阳高县守口堡水库大坝首座胶凝砂砾石坝为试验场地，进行了施工工艺试验研究，提出了：细砂与粗砂料的适宜配比；每层铺料厚度宜为45 cm，碾压遍数为8遍；采用专用拌和系统JGL200和26 t单钢轮振动碾SSR260设备；不同龄期抗压强度间的函数关系。研究结果可为类似工程施工提供科学依据。

胶凝砂砾石坝施工参数工料配比铺料厚度碾压遍数守口堡水库

胶凝砂砾石坝是一种新坝型，可利用河道现有的砂砾石作为筑坝材料进行筑坝，体现了“宜材适构”的筑坝理念，即可大大降低筑坝工程造价，又对坝区周围的生态环境破坏影响较小。库区用于筑坝开挖砂砾石后的空间，还可增加有效蓄水库容。阳高县守口堡水库大坝，设计坝长354 m，最大坝高61.6 m，作为我国首例正在建设的胶凝砂砾石坝坝型，将填补该种坝型的空白。为了确保大坝施工质量，需对胶凝砂砾石坝在材料选择、施工方式、质量控制等方面进行研究，2015年在主体大坝施工前进行了铺筑工艺试验，以试验结果指导后续大坝铺筑施工。

1 胶凝砂砾石坝工艺试验内容

因守口堡水库大坝属于国内首座胶凝砂砾石试验坝，即无工程实例可供借鉴，又无资料可供参考，参照现有其他坝型的建设经验，需对以下方面内容进行工艺试验探讨：一是胶凝砂砾石料施工配比；二是铺料厚度、碾压遍数与外掺石比例；三是胶凝砂砾石专用拌和系统的拌和质量、生产能力及稳定性（拌和、运输、平仓、碾压设备的配套性）；四是胶凝砂砾石不同龄期抗压强度函数关系。通过试验，分析总结出工艺参数，为后续筑坝施工提供经验和依据。

2 胶凝砂砾石坝工艺试验采用的依据

依据《胶结颗粒料筑坝技术导则》（SL678-2014）、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/ T1596-2005）、《水工碾压混凝土施工规范》（SL53-94）、《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）、《碾压式土石坝施工规范》（DL/T5129-2001）、《水工碾压混凝土试验规程》（DL/T5433-2009）及《贫胶渣砾料碾压混凝土施工导则》（DL/T5253-2011）等技术规范，设计胶凝砂砾石坝的胶凝砂砾强度C1806要求及相关技术条款。设计的胶凝砂砾石配合比详见表1，工艺试验检测项目见表2。

3 胶凝砂砾石坝现场试验准备

3.1 现场试验准备

3.1.1 组织机构

设总负责、生产负责、试验负责各1人，下设测量组、物资组、施工组、技术组、试验组和资料组。

3.1.2 施工机械及试验检测设备校验

（1）施工机械。主要包括：胶凝砂砾石专用拌和系统（JGL200）1台，15 t自卸汽车4台，推土机（SD16）1台，26 t单钢轮振动碾（SSR260）1台，小型振动碾（BW75S）1台，异型夯板2台，挤压边墙机（BJYDP40）1台，小型翻斗车1台，洒水车（4.8 m3）1辆，测量设备1套。试验前对胶凝砂砾石专用拌和系统进行了称量精度校准，对运输、平仓、碾压等设备的能力、工况进行了检查和必要的清洗。

（2）试验检测设备。主要包括：特制摇筛机1台，砂石标准筛1套，圆孔筛（5-150mm）1套，地磅（500kg）2台，台称（10 kg）2台，电子称（150 kg）2台，含水量快速测定仪5台，凝结时间测定仪2台，维勃稠度仪2台，试模（150 mm立方体）60组，试模（450 mm立方体）30组，锤式振动器（150 mm3）2台，锤式振动器（450 mm3）2台，核子密度仪1台，套环（500 mm）6个，3 t叉车1台，养护设备1套，压力机（500 t）1台，压力机（100 t）1台，压力机（200 t）2台，铁锹、撬棍、毛刷、瓷盘、量筒、塑料布等其他用具若干。试验前，主要检测设备及器具经专门机构进行了鉴定。

表1 胶凝砂砾石配合比

表2 胶凝砂砾石拌和物试验检测项目

3.1.3 主要原材料

据中国水利水电科学研究院结构材料研究所提出的《山西守口堡胶凝砂砾石坝材料试验研究报告》中的质量要求进行备料，总量按2 500 m3胶凝砂砾石进行准备，其中水泥125 t，粉煤灰100 t，砂砾石1600m3。

3.2 现场胶凝砂砾石试验性施工

按照胶凝砂砾石拌和、运输、入仓、平仓、碾压顺序进行了试验性施工，采用平层连续铺筑法，铺筑层以固定方向逐条带铺筑，平仓方向与坝轴线方向平行；中间部位采用SD16型履带式推土机进行平仓，边角部位采用小型挖掘机平仓，并辅以人工摊开集中骨料，防止大骨料分离及滚石伤害。在各试验条带布置网格测点，并在铺筑区外设置了控制基桩。在各条带的网格测点上以颜色进行标记和编号，用水准仪测量并记录初始厚度和相对高程。同时，记录松铺厚度、松铺自然坡脚、大骨料分离情况、平仓速度等。

采用SSR260单钢轮振动碾进行压实，碾压方式采用进退错距法。平仓后及时碾压，拌和物暴露时间不超过最长允许历时5 h；振动碾行动速度控制在1.0-1.5 km/h；相邻碾压带间搭接宽度0.3-0.4 m，端头搭接为1.0 m。达到工艺试验规定碾压遍数后，表层基本泛浆。压实后，按前述方法分别测量各网格测点在碾压前后的相对高程变化，计算出每一次试验条带的平均沉降量。记录碾压遍数、压实厚度、压实自然坡脚、VC值的可碾范围、拌和物暴露允许时间、碾压层表面情况等。

平均沉降量计算公式为：

平均沉降率计算公式为：

式中：hi——碾压前各网格测点的相对高程，m；

n——试验条带内测点数；

H——试验条带的平均铺层厚度，m。

碾压后及时养护。高温天气时，采用喷雾或蓬布覆盖保持仓面湿润；低温天气时，采用草帘、养护垫等覆盖，防止胶凝砂砾石冻结。

4 工艺试验结果分析

4.1 试验方法分析

采用逐渐收敛法进行试验，试验参数为单位用水量、摊铺厚度、碾压遍数，外掺15%的细骨料和25%的粗骨料。其原理是：固定其他参数，变动一个参数，通过试验得出该参数的最优值，依次类推得出各参数的最优值，最后采用最优参数进行复核试验。鉴于守口堡水库库区料场砂砾石砂率偏大，且砂偏细，所以，采用外掺15%-25%的外掺石来降低砂率，减少用水量，提高胶凝砂砾石强度。实验结果见图1、图2、图3、图4。

在试验过程中，先固定单位用水量100 kg和110 kg、摊铺厚度40 cm、45 cm和50 cm，外掺细骨料15%，外掺粗骨料25%，多种组合分别试验，检测不同碾压遍数的表观密度和沉降量。由图1至图4可以看出，当沉降量趋于稳定时的最大表观密度相对应的碾压遍数8（2静6动）即为最佳碾压遍数；当碾压遍数大于8时，出现翻浆或橡皮鼓和表面骨料分离等现象，表观密度反而下降；当碾压遍数小于8时，沉降量还在增大，测得表观密度不是最大值，抗渗效果不好。因此，确定碾压8遍是较为理想的参数。

图1 外掺15%细骨料表观密度与碾压遍数关系曲线

图2 外掺25%粗骨料表观密度与碾压遍数关系曲线

图3 外掺15%细骨料沉降量与碾压遍数关系曲线

图4 外掺25%粗骨料沉降量与碾压遍数关系曲线

表3 胶凝砂砾石不同龄期抗压强度（C1806）检测值

再固定碾压遍数8（2静6动），单位用水量100 kg和110 kg两种组合，分别进行试验，得出满足设计强度的最佳摊铺厚度为45 cm。摊铺厚度大于45 cm时，下层碾压不密实；摊铺厚度小于45 cm时，施工效率不高，且层间结合面较多，渗水通道增多。按《胶凝颗粒料筑坝技术导则》规定，碾压厚度不应小于最大石粒径（15 cm）的3倍，且最大厚度不宜超过70 cm，因此，确定摊铺厚度45 cm为较理想的参数。

最后，固定碾压遍数8（2静6动），摊铺厚度45 cm，得出外掺15%的细骨料最佳用水量为110 kg，外掺25%的粗骨料最佳用水量为100 kg。用水量大于110 kg时，出现沾碾现象；用水量小于100 kg时，出现骨料分离，且VC值大于25 s。

4.2 胶凝砂砾石不同龄期抗压强度试验结果分析

采用150 mm立方体试件进行不同龄期（7 d、14 d、28 d、180 d）抗压强度相关性试验，得到检测值共120组（见表3）。

根据《胶凝颗粒料筑坝技术导则》中的胶凝砂砾石抗压强度等级，按180 d龄期、150 mm立方体抗压强度标准值共分4级，即C1804、C1806、C1808、C18010。从表3的试验检测值可知，180 d抗压强度值平均为11.2 MPa和11.5 MPa，满足C18010最高级及设计C1806要求。如按设计C1806来判断强度合不合格，180 d时间太长，势必造成实际施工耗费工期过长，费用较高不经济。为此，需总结出胶凝砂砾石不同龄期抗压强度相互关系规律，以便由7 d、14 d、28 d科学地推断出180 d强度去指导施工。通过整理分析胶凝砂砾石不同龄期抗压强度检测值，得出了相关函数关系（见表4），这样既能保证守口堡水库施工工期，又能为国内今后类似工程设计及施工提供科学依据。