孙红义，刘 贺，马 冰

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹)，河南 郑州 450003)

0 前言

堆石坝主要是采用当地的堆石料作为填筑体，该坝型具有便于取材，碾压性能较好，压实度大，整体的沉降变形较小，且其承载力高的优势[1]，因此，大批国内外相关科研学者以及工程技术人员对碾压堆石坝进行了各方面深入的研究。尤其是堆石坝碾压过程中的压实质量的评价成为研究热点。乔兰等[2]、崔金平[3]、Gash等[4]、秦尚林等[5]、李树勇等[6]通过对路基填筑、水库堆石坝和抽水蓄能心墙坝等碾压试验进行总结，探究了在对堆石体多次重压过程中的施工工艺和碾压质量的关联。Anderegg等[7]、Krishnamurthy等[8]通过公路路基的压实规律，根据压实料的干密度与压路机的震动频率的关系，推测出压实料的压实效果；朱家启等[9]、黄金林等[10]通过对堆石体碾压试验研究，探讨了堆石料的摊铺厚度、干密度等重要物理力学参数以及碾压遍数对堆石体压实度的关系；部分学者[11-13]通过数值模拟方法研究了堆石坝的碾压过程，其结果与现场碾压试验基本相符。

目前情况下，通过灌水法等大量的现场试验来获得碾压料干密度的方式，是检验堆石料碾压质量的主要方法。但是，这类方式需要的工作量很大，占用较多的人材机成本和时间。同时，此方法受外界与人为因素干扰很大，存在较大的不确定性因素和误差，致使获取的成果具有较大的离散性，不能准确反映实际情况。本文在某个在建的面板堆石坝堆石料的现场碾压试验的基础上，采用沉降量和沉降率法来测定和评价该工程实施过程中堆石料的压实质量，并与传统检测技术对比，作为传统检测手法的补充，希望克服传统检测手法的不足。

1 堆石料现场碾压试验

1.1 工程概况

在建的某水库位于黄河流域，是黄河的二级支流，主要由拦河大坝、溢洪洞、放空(引水)洞等组成，工程属Ⅲ等工程，工程规模为中型。其中，拦河大坝为混凝土面板堆石坝，其坝顶长约为295m，坝顶宽约为8.0m，大坝的上游设计坝坡为1∶1.4，下游设计坝坡为1∶1.3。

选用的堆石料场位于河谷右岸，坝轴线下游约600m处，有公路与坝址相连，交通较为便利。料场所在的山体雄厚，山坡和坡脚多基岩出露，基岩的岩性较为单一，为下震旦统石英片岩。

1.2 试验方案

根据现场情况，本工程碾压试验在大坝次堆区下游较开阔场地进行，试验前进行场地平整和压实，消除基础面沉降变形对试验产生的不利影响。划定的碾压试验范围面积为B×L=42m×51m，场地内和两侧设置过渡区域，根据堆石料不同的摊铺厚度和碾压遍数等条件，设置若干试验单元每一试验单元面积为B1×L1=9m×12m，每单元内布置便于测量和取样的3.0m×3.0m的方格网。为了便于碾压前后的相对高程，设置1m×1m方格网测点，测点间距1.5～2.0m，且每个试验单元测点数不少于20个。

试验选用自行式振动碾进行碾压，行车速度≤2.4km/h。碾压料的摊铺厚度分别为80、100、120cm，在用选定吨位的振动碾静压2遍后，分别采取激振6、8、10遍的方式，根据不同的碾压铺料厚度、碾压遍数共划分为9个区，堆石料现场碾压试验场地布置情况如图1所示。

图1 碾压现场布置情况

1.3 压实质量检测试验

完成确定的碾压参数后，对不同组合的试验区，进行压实质量的检测。沉降变化分别进行碾压前、碾压中和碾压后测量，按前节划分方式分别测定各网点的相对高程变化，从而得出各摊铺料区碾压前后的沉降量变化，再根据沉降率法判定压实质量。堆石料碾压后的密度采用灌水法获得，每个试验单元有效数据不少于3个，试坑直径80cm，可根据最大粒径大小进行调整，开挖深度穿透摊铺层厚度。

2 沉降率法分析

沉降率法为检测堆料体在实施过程中的压实质量提供了一种便捷、省事的方法。因此，本文通过室内外试验研究，建立沉降量、沉降率与干密度的关系，进一步验证表面沉降法作为大坝堆石料压实质量控制方法的可靠性。

2.1 沉降率与密度的理论关系

本文根据周娟[15]介绍的沉降量与密度的理论关系进行分析。采用获取碾压堆石料的总体积和总质量的方式，进而求得堆石料碾压过程中的压实密度。鉴于摊铺料的总质量是不因压实而变化的，因此只需要测量碾压后堆石料体积变化，便可得出其密度的变化，令碾压开始前摊铺料的初始密度为ρ0，则：

(1)

式中，W—碾压层的总质量；V0—碾压层摊铺后的总体积；A—碾压层摊铺后的面积；t—摊铺料层的平均厚度。

设Sn为碾压n次后的沉降量，则n次碾压后的密度ρn为：

(2)

式中，An—碾压n次后碾压层的面积；tn—碾压n次后碾压层的厚度；εn—堆石料的沉降率，是堆石料沉降量Sn与其摊铺铺厚t的比值。

由于总质量W一定，且面积An的变化可忽略不计，An≈A。结合公式(1)—(2)可得：

(3)

如果初始密度ρ0已知，则只需要测定沉降量Sn就可以立即计算出n次碾压后的密度ρn。

设ρe为碾压结束后的密度，可利用沉降量Sn与沉降速率εn的关系，按式(2)可得：

(4)

由(4)可得ρ0=ρe(1-εe)，将其代入(3)可得：

ρn=ρe(1-εe)(1+εn)

≈ρe(1-εe+εn)

(5)

由(5)式可知，若精确地获取了某一时间点堆石料的密度和其他情况下的沉降量或沉降率，便可计算出该情况下堆石料的密度。

2.2 依据沉降量控制

在碾压结束后，分别测定各网格点的相对高程，从而得到各个碾压区在碾压过程中的平均沉降值，进而根据摊铺厚度计算出碾压堆石料的沉降率。碾压堆石料的干密度可通过挖坑灌水法和室内含水率检测后获得。

碾压试验前，根据灌水法首先测得堆石料的初始干密度，然后将初始干密度带入公式(5)分别计算得碾压6、8、10遍的干密度，再将通过现场试验测得的干密度与理论公式计算获得的干密度想比较，对比结果见表1，可知两者获得的密度基本相接近。如图2所示，碾压堆石料的沉降量与干密度关系可知，在获得某一时刻的沉降量后，便可查得相应的密度值，进而可获得其该摊铺料的压实度。

表1 堆石料碾压遍数、沉降率与密度的关系

图2 碾压堆石料沉降量与干密度的关系图

因此，在碾压试验开展过程中，只需要测得初始干密度或者碾压完成后的干密度，而其他情况下只需要测量获得摊铺料的沉降量，就可以通过沉降率法来获得不同条件下的干密度，该方法简单易行，是一种有效控制填筑体压实质量的方法，进而节约人力、物力和时间成本等。为了验证检测准确性，可在检测时选择具有代表性的点对其进行现场试验对比和验证。

同时，随着堆石料碾压遍数的增大，堆石料的沉降量也随之增大，见表1、如图3—4所示。因为堆石料在初始条件下相对稀松，经过碾压后比较容易密实，当堆石料压实度到达特定的程度后，很难再进一步有较大程度的压缩，因此，碾压堆石料沉降量的增加量呈下降趋势。其他施工条件相同的情形下，随着堆石料的摊铺厚度的增大，碾压后的沉降量也就随之增大，且碾压遍数越多沉降量的差异也越大。

图3 碾压遍数与沉降量的关系图

图4 碾压遍数与孔隙率的关系图

堆石料不同摊铺厚度的碾压遍数对于干密度、孔隙率的影响较为明显，孔隙率的变化随着碾压遍数的增进而降低。

2.3 碾压指标选取

该工程混凝土面板堆石坝坝体的重要填筑设计指标为：①对于主堆料，岩体饱和抗压强度≥40MPa，软化系数不低于0.6，孔隙率<19%，渗透系数≥10-1；②对于次堆料，岩体饱和抗压强度≥30MPa，软化系数不低于0.6，孔隙率<20%。

3种堆石料摊铺厚度中厚度为80cm的情况下，在碾压遍数为10遍时，比碾压遍数为6遍和8遍时干密度、孔隙率更容易达到设计要求。碾压8遍能够100%达到下游次堆设计要求，碾压10遍能够100%达到主堆设计要求。考虑为保证施工质量的前提下，选用合理的施工参数，主堆石料、下游次堆石料碾压遍数采用10遍。

层间结合情况，当铺料80cm、碾压6遍时，层间碾压不密实，结合良好，干密度及孔隙率不能达到主次堆石料设计要求，故不选用。当堆石料的摊铺厚度为100、120cm，碾压遍数为6、8遍时，堆石料的干密度及孔隙率不能达到主、次堆石料设计要求。铺料80cm碾压8遍时，层间碾压基本密实，结合良好，干密度及孔隙率100%达到次堆设计要求，但不能100%满足主堆设计要求。

铺料80、100cm，碾压10遍时，层间碾压密实，结合良好，干密度及孔隙率100%达到主次堆设计要求。因此为保证填筑质量，主次堆选用堆石料摊铺厚度为80cm，碾压遍数为10遍。

3 结论

本文采用了沉降率法来控制某堆石坝碾压堆石料的压实质量，分析了碾压遍数、铺料厚度对堆石料压实质量的影响，结果表明：

(1)采用沉降率法与传统灌水法所得到碾压堆石料的密度相差不大，可以通过该方法计算出不同碾压条件下的堆石料的干密度。

(2)堆石料碾压过程中的沉降量、沉降率与碾压遍数及铺料厚度有较好的对应关系，因此，可以通过碾压堆石料的沉降量和沉降率来检测压实质量。

(3)沉降率法简单方便，精度相对较高，可以随时检测到碾压堆石料的压实程度与质量。同时，为堆石体碾压性状的研究提供了新思路，也是一种较为有效的压实质量检测方法。