20t振动凸块碾填筑粘性土坝体应用

2020-03-14宋五朋王先忠

河南水利与南水北调 2020年1期

刘蓓宋五朋王先忠

（河南省水利勘测有限公司）

1 工程概况

河南省出山店水库是一座以防洪为主，结合供水、灌溉，兼顾发电等综合利用的大型水利枢纽工程，大坝型式为混合坝型，主坝轴线长3 694.57 m，其中土坝段长3 265 m，混凝土坝段长429.57 m（含连接坝段），坝顶高程100.40 m，最大坝高40.60 m。该水库土坝坝型为粘土心墙砂壳坝，粘土心墙顶宽4 m，边坡比为1∶0.50，心墙与上游坝壳料之间铺设水平宽度为3 m 的反滤料，心墙下游铺设水平宽度为3 m的反滤层、水平宽度为2 m的排水带、水平宽度为1 m 的反滤层，上游坝坡采用混凝土连锁块护砌、下游坝坡采用混凝土预制块护砌。粘土心墙碾压压实度按≥99%控制。

2 问题的提出

根据振动凸块碾碾压原理，振动凸块碾在压实土料时，不仅借助碾重与振动的作用，同时借助凸块插入土体时使土受到挤压和揉搓的联合作用，振动凸块碾对土壤施加外力，迫使土壤颗粒重新排列与相互靠近，挤出土壤中水分与空气以减少其孔隙率，使土颗粒重新排列，提高碾压效能及土体密实度，进而使土体得到均匀的压实效果，振动凸块碾是粘性土碾压的适用器具。

近些年来，随着科技的进步，20 t 吨位以上大吨位振动凸块碾在市场上已普遍存在，考虑到粘性土坝体填筑过程的效率、效果、经济等因素，拟选择20 t振动凸块碾应用于本工程使用，但20 t 振动凸块碾的重量远大于《碾压式土石坝施工技术规范》（SDJ213-83）碾压器具的重量要求，其适用性需进一步分析、论证。

3 理论分析

根据相关规范，坝体填筑施工前，需进行必要的室内和现场试验，必须进行施工试验。

勘测期间在坝前0.50～1 km坝前土料区取土样进行室内轻型击实试验，最大干密度范围值为1.65～1.74 g/cm3，平均值为1.68 g/cm3；最优含水率范围值为15.70%～20.80%，平均值为18.00%。

施工试验前进行了土料击实试验复核，最大干密度1.71 g/cm3，最优含水率18.20%，压实度按≥99%控制。

《土工试验规程》（SL237-1999）规定的击实功为592.20 kJ/m3，适用于粒径小于5 mm的粘性土，粘性土现场碾压试验是在室内轻型击实指导下，通过选择适宜的压实机具以及合理的铺土厚度和碾压遍数等施工压实参数，来对粘性土合理功的一个合理分化。以压实器具技术参数和施工压实参数的形式合理分化后的粘性土合理功进行施工碾压，获得最好的压实密度。从理论上讲，20 t振动凸块碾能作为粘性土坝体填筑的碾压器具。

根据振动凸块碾单位压实功计算公式（式1），在室内轻型击实试验指导下，单位压实功能选取592.2 kJ/m3；在选择20 t振动凸块碾作为碾压器具时，选择合适的铺土厚度和碾压遍数，来对粘性土合理功的一个合理分化。

式中：Es—单位压实功能，tm/m3；δs—静态线压力（t/m）；δk—动态线压力（t/m）；f—振动频率（HZ）；A—振幅（m）；N—振动碾累计碾压遍数（4、6、8、10……）；v—行驶速度（m/s）；h—压实层厚度（m）。

20 t振动凸块碾器具的技术参数见表1，经计算后，铺土厚度30 cm、35 cm、40 cm对应的碾压遍数为6（计算值为5.80）遍。

4 现场试验

现场碾压试验不仅核查土料压实后能否达到设计压实干密度，选定碾压施工中合适的含水率、铺土厚度、碾压变数等施工参数，还可以在室内轻型击实试验指导下，检查压实机具的性能是否满足施工要求。

根据室内轻型击实试验成果，料区粘性土最大干密度1.71 g/cm3，最优含水率18.20%；根据坝壳料现场试验，砂砾料铺土厚度为70 cm，故，选取20t振动凸块碾作为碾压器具时，粘性土的现场试验以最优含水率18.20%、铺土厚度35 cm、碾压遍数6遍为基数进行现场试验。现场试验选择3个试验场区，分别对应不同的含水率（16.20%、18.20%、21.20%）、不同的铺土厚度（30 cm、35 cm、40 cm）和碾压遍数（4、6、8）进行试验（见表2）；试验组合为碾压遍数、铺土厚度和不同含水率为组合方式，共27个试验组合。

表2 碾压试验参数取值表

现场试验过程中，对粘性土碾压表象进行观测，未发生20 t 振动凸块碾器具沉陷、土体破坏等影响填筑质量的现象。

现场试验碾压试验区平均干密度统计表见表3，根据该统计表可知，以20 t 振动凸块碾进行碾压，铺土厚度选取35 cm，碾压遍数选取6遍。

表3 现场试验碾压试验区表

综上所述，从理论分析及现场试验结果对比可知，20 t 振动凸块碾作为粘性土坝体填筑碾压器具是适用的。

5 碾压效果

经综合分析后，该水库采取20 t振动凸块碾作为粘性土坝体填筑碾压器具，铺土厚度35 cm，碾压遍数6遍。

施工期间共检测压实度4 592 组，合格率为100%，施工过程中未发生器具沉陷、土体破坏等影响填筑质量的现象。施工期间，南京水利科学研究院对土坝段的安全监测中包含了垂直位移沉降观测系统，2017 年6 月开始对坝基及坝体进行监测，2017年12月坝体封顶，根据2017年6月至2018年10月监测资料，坝体总沉降量11.22 cm（粘土心墙），坝体沉降目前已趋于稳定。