胡家山水库混凝土面板堆石坝填筑碾压试验分析

2015-12-16李兴

水利建设与管理 2015年1期

关键词：铺料遍数石料

李兴

(镇雄县水利水电勘测设计队，云南镇雄 657200)

1 前言

混凝土面板堆石坝是堆石坝的一种形式，由混凝土防渗面板、防渗接地结构、堆石坝体三大部分组成，具有施工速度快、造价低、地形地质条件影响小的优点。

堆石体填筑质量的控制与混凝土面板开裂有直接关系。施工前必须通过碾压试验确定合适的压实机具、压实方法、压实参数及其他处理措施，将碾压试验所得的指标与设计指标相比较，核实设计填筑标准的合理性。

2 工程概况及坝体分区

胡家山水库由混凝土面板堆石坝、输水隧洞、溢洪道、导流隧洞组成，总库容1542.3万m3，是一项Ⅲ等中型水利工程。

根据面板坝工作性质及填筑材料强度、渗透性、压缩性等将填筑体分成三个主要区域:1区分为1A区和1B区;2区分为2A区、2AA区、2AB区;3区分为3A、3B、3C、3D和3E区。详见下页图1。

1区:防渗补强区。当面板出现裂缝和板间缝、张开缝时，防渗土(1A区)可以起辅助防渗作用，其上覆盖的任意料(1B区)，可避免防渗土料失稳。

2区:垫层区。紧接面板，既是混凝土面板的可靠基础，又是坝体防渗的第二道防线。在周边缝下侧一定范围设置垫层区2AA区和2AB区。

3区:堆石区。是面板堆石坝的主体，也是承受水压力荷载的主要支撑体。

过渡区(3A区):用于垫层区(2区)和主堆石区(3B区)之间的过渡。

主堆石区(3B区):位于过渡区下游，绝大部分水压力荷载通过垫层由主堆石区传入地基，对面板起支承作用。

下游次堆石区(3C区):位于坝体下游部分，其上游、顶部以上和底部以下均为3B区，仅起到稳定下游坝体的作用。

坝下游护坡(3D区):为保证坝坡的稳定及平整，下游坝坡采用大块石护坡，由人工铺砌。

下游排水棱体区(3E区):顶宽4m，内、外侧边坡均为 1∶1.4。

图1 坝体分区横剖面

3 设计填筑标准

3.1 垫层料区

垫层料为半透水垫层，属级配良好的灰岩料。最大粒径为100mm，其中d≤5mm含量为35% ～50%，d＜0.075mm含量为4% ～8%。控制干密度为2.23g/cm3，填筑孔隙率不大于18%，渗透系数1×10－3～1×10－4cm/s，特殊垫层料ⅡAA为垫层料筛除大于40mm以上颗粒后使用，ⅡAA区料筛除大于20mm以上颗粒作为ⅡAB区使用，填筑孔隙率小于15%。垫层料铺料厚度为400mm，特殊垫层料铺料厚度为200mm。

3.2 过渡料区

过渡料采用石料场开挖加工后的灰岩料、新鲜砂岩。过渡料的最大粒径不大于300mm，其中d＜5mm的颗粒含量不超过20%，d＜0.075mm的颗粒含量不超过5%。控制干密度不小于2.149g/cm3，相应孔隙率21%，渗透系数1×10－1～1 ×10－2cm/s，过渡料铺料厚度为400mm。

3.3 堆石料区

堆石料采用石料场开采获取弱风化至新鲜砂岩、粉砂岩料，下游次堆石料为可利用石料场弱风化砂岩、粉砂岩料，大坝、溢洪洞及输水隧洞开挖有用料。主堆石料最大粒径600mm，其中d≤5mm的细料含量小于20%;d＜25mm的含量小于40%;相应孔隙率23%，控制干密度不小于2.118g/cm3，渗透系数不小于10－1cm/s。下游次堆石料最大粒径为800mm，控制干密度不小于2.063g/cm3，相应孔隙率25%。

4 填筑料常规试验

碾压前对各料场原材料进行了一系列的常规试验，包括堆石料、过渡料、垫层料的比重、颗粒分析试验，其中堆石料完成 1组比重试验，1组颗粒分析试验，过渡料完成1组比重试验，1组颗粒分析试验，垫层料完成1组比重试验，1组颗粒分析试验。

5 机具选择及碾压参数

5.1 机具选择

5.1.1 堆石料机具选择

参照类似工程施工经验，该工程拟采用CLG6126型振动平碾进行堆石料碾压、SD22型推土机进行堆石料的摊铺、整平及30t载重车进行运输。做碾压试验时用1台振动平碾、1台推土机、1台挖掘机、5辆载重车完成，模拟一个小型上坝作业组。

5.1.2 垫层料、过渡料机具选择

参照类似工程施工经验，采用SM20型自行式压路机进行过渡料、垫层料碾压，SD16型推土机进行过渡料、垫层料的摊铺、整平和陕汽载重车进行运输。做碾压试验时用1台自行式压路机、1台推土机、1台挖掘机、5辆载重车完成，模拟一个小型上坝作业组。

5.2 碾压参数

5.2.1 堆石料碾压参数

机械参数有振动平碾的激振力(28/33t)、碾砣重量(26t)、碾宽(2.1m)、载重车的运输能力(25t)等;施工参数有铺料厚度(60cm、80cm、100cm)、碾压遍数(6、8、10遍)、行车速度(3km/h)、坝料的加水量(充分湿润)、卸料方式(进占法)。

5.2.2 垫层料、过渡料碾压参数

机械参数有压路机的激振力(18t)、碾砣重量(20t)、碾宽(2.1m)、推土机(23t)、载重车的运输能力(30t)等;施工参数有铺料厚度(30cm、40cm、50cm)、碾压遍数(6、8、10遍)、行车速度(3km/h)、坝料的加水量(10%)、卸料方式(后退法)。

6 试验情况

6.1 试验场地规划

6.1.1 场地安排及处理

在弃渣场附近，选择一块平坦坚实的场地进行压实，并达到设计要求。试验区为25m×60m长方形场地，面积约为1500m2。铺料时在试验区两侧留出一个碾宽约3m，在顺碾压方向的两端留出10m作为非试验区。先进行堆石料的碾压试验，再进行垫层料、过渡料的碾压试验。

6.1.2 场地布置

每场堆石料(过渡料、垫层料碾)碾压试验有2种参数——铺土厚度和碾压遍数变动，场地布置见图2，其中:h1——铺料厚度 60cm(30cm)，h2——铺料厚度80cm(40cm)，h3——铺料厚度 100cm(50cm);N1——碾压遍数为6遍，N2——碾压遍数为8遍，N3——碾压遍数为10遍。

图2 碾压试验场地布置

6.2 试验场次安排

6.2.1 堆石料

选用料场堆石料，加水量充分，按3种铺料厚度(60cm、80cm、100cm)、3 个碾压遍数(6、8、10 遍)，共进行3大场9个小场试验。

6.2.2 过渡料

选用料场过渡料，加水量10%，按3种铺料厚度(30cm、40cm、50cm)、3 个碾压遍数(6、8、10 遍)，共进行3大场9个小场试验。

6.2.3 垫层料

选用砂石料加工场垫层料，加水量为10%，按3种铺料厚度(30cm、40cm、50cm)、3 个碾压遍数(6、8、10遍)，共进行3大场9个小场试验。

7 现场描述与检测

7.1 现场描述

堆石料、过渡料(垫层料)每个小场均采用挖掘机装料，自卸汽车运输，进占法卸料(后退法卸料)，推土机摊铺找平(挖机摊铺找平)，振动平碾碾压，行车速度3km/h，振动油门中档，条带法碾压方式，表面石料压碎少(表面石料有少许压碎)，无架空现象;测量每个遍数碾压沉降量，计算累计沉降量。

7.2 土工试验

检测每一个组合压实后的干密度、含水率、孔隙率和现场渗透试验。湿密度采用灌水法进行，含水率采用烘干法进行，经计算求得干密度，取样数量为每一个组合2个，共54个，并整理干密度、含水率及孔隙率试验报告。每一个碾压组合检测2个点，共完成现场渗透试验数量为54个。列出碾压土工试验结果统计表。

8 试验成果

8.1 堆石料

a.铺料厚度分为60cm、80cm、100cm，从铺料厚度上分析碾压相同遍数时，80cm厚度时基本能满足设计要求。

b.从碾压土工试验结果统计表看出，碾压6、8、10遍，干密度呈规律性变化，但从现场渗透系数来看，随着碾压遍数的增加，渗透系数没有规律变化，综合考虑施工中碾压遍数为8遍;碾压8遍的平均干密度为2.307g/cm3，高于设计干密度(≥2.118g/cm3)，孔隙率23%，次堆石料设计干密度不小于2.063g/cm3，孔隙率25%。碾压遍数与干密度关系曲线见图3。

c.碾压后测得的渗透系数满足设计技术要求。

d.从颗粒分析试验看，碾压后粒径变小。

图3 主堆料碾压遍数与干密度关系曲线

e.随着碾压遍数增加，其累计沉降量增加，但增加的趋势变小，其碾压遍数与累计沉降量关系曲线见图4。

图4 主堆料碾压遍数与累计沉降量关系曲线

8.2 过渡料

a.铺料厚度为30cm、40cm、50cm;各项检测指标均能满足设计要求。

b.从碾压土工试验结果统计表分析，碾压6、8、10遍，干密度随着碾压遍数增加而减小，孔隙率略有变化，但从现场渗透系数分析，随着碾压遍数的增加渗透系数有变小的趋势;40cm碾压8遍的平均干密度为2.364g/cm3，高于设计干密度 2.149g/cm3，孔隙率21%。碾压遍数与干密度关系曲线见下页图5。

c.碾压后测得的渗透系数满足设计技术要求。

d.从颗粒分析试验看，碾压后粒径变小。

e.随着碾压遍数增加其累计沉降量增加，但增加的趋势变小，其碾压遍数与累计沉降量关系曲线见下页图6。的趋势变小，其碾压遍数与累计沉降量关系曲线见图8。