抽水蓄能电站土石坝填筑料现场碾压工艺性试验

贾高峰,王保欣,李志龙,陈书军

(1.中国水利水电第三工程局有限公司,西安 710007；2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

1 工程概况

该抽水蓄能电站地处寒温大陆性季风湿润气候区，夏季炎热多雨，冬季漫长寒冷，多年平均最高气温37.5 ℃、极端最低气温-45.2 ℃、多年最大冻土深1.91 m。属Ⅰ等大(1)型工程，枢纽建筑物由上水库、输水系统、地下厂房系统、地面开关站及下水库组成。上水库混凝土面板堆石主坝及心墙土石副坝，其主坝最大坝高80.00 m，坝顶长745 m。上库坝体填筑工程量约3.11×106m3,其坝体填筑料料场位于坝址上游，地下厂房硐室开挖后直接运输至料场进行加工后再运至坝体碾压填筑。根据DL/T5129-2013《碾压式土石坝施工规范》要求[1]，堆石料应优先采用岩性单一，且数量与质量应有可靠保证，反滤料及过渡料可采用人工制备。因此需在碾压施工前对坝料进行必要的工艺性试验，以确定相关的技术指标和各种参数，在参考其他工程碾压施工技术方法上[5],进行碾压工艺性试验研究。

2 工艺性试验目的

(1) 复核已堆存的洞挖石料质量是否满足设计要求。

(2) 通过碾压工艺性试验，确定各种填筑料的施工压实机具；经济合理的压实工艺参数(铺料方法、铺层厚度、 碾压遍数、 加水量等)。

(3) 确定级配曲线、孔隙率、干容重及渗透系数等有关质量控制参数。

(4) 制定有关的施工技术措施和检验方法。

3 主要技术指标

3.1 洞挖料物理、力学及化学性指标

洞挖料岩性为新鲜～微风化长白花岗岩，通过试验结果可知[2]：比重为2.64～2.65，干密度值为2.60～2.62 g/cm3，饱和密度2.62～2.63 g/cm3，吸水率为0.26%～0.43%，饱和吸水率为0.30%～0.47%，孔隙率为0.76%～1.52%，变形模量11.4～17.1 GPa，SO3含量在0.06%～0.09%，其干抗压强度77.1～101.0 MPa,饱和抗压强度为61.9～78.9 MPa,属坚硬岩石；软化系数均大于0.75，属不软化岩石。

3.2 垫层料设计指标

压实后最小干密度2.23 g/cm3，洞挖料块石最大粒径100 mm，孔隙率≤17%；压实后渗透系数k≥1×10-2cm/s，小于5 mm颗粒含量15%～30%，不均匀系数≥15，曲率系数=1～3。

3.3 过渡料设计指标

压实后最小干密度2.17 g/cm3，洞挖料块石最大粒径300 mm，孔隙率≤19%；小于5 mm颗粒含量10%～20%，不均匀系数≥15，曲率系数=1～3。

4 碾压试验及过程控制

4.1 试验方法及场地的选择

碾压试验段试验方法采用以“全质量法”[6]为主、“干密度”校核为辅的方法。即在全过程沉降测量的基础上，初步判断压实情况后进行干密度压实质量检测。

根据以往的工程碾压试验经验，需选择一处基面平整坚实的宽阔地带作为试验场地，其选用的试验场地面积为50 m×60 m，基本能够满足碾压试验要求。并用填料在地基上先铺压1层达到设计压实标准，使垫层料、过渡料试验场地表面平整度不超过±5 cm作为基准面。

4.2 试验步骤(流程)

本次碾压试验的步骤为[7]：基面处理→填料运输、上料→人机结合摊铺整平→网格点布设、测松铺厚度→洒水→碾(振)压→测量碾(振)压后的沉降量→灌水法取样检测压实度及含水量→进入下一试验循环。

4.3 碾压试验方案及组合

填筑料在装运前经剔除超逊径石料后运至填筑基准面，即可开始填筑料的摊铺和整平工作。过渡料、垫层料试验采用后退法卸料[8]，人工配合机械摊铺整平，铺料时参照周边厚度标志桩进行，每层铺料后采用测量方法检查铺料厚度，铺料厚度误差不宜超过碾压试验确定层厚的10%，以松铺筑厚度45 cm为例，对垫层料和过渡料进行其加水量分别为0%、10%、15%(体积比)，按照3种不同加水量和3个碾压遍数(6、8、10遍)进行3场共计9个试验组合。每次试验以相同厚度、相同含水量为一场；其试验顺碾压方向分为3个小区分别对应不同碾压遍数，见表1。

表1 铺料厚度与碾压遍数、含水率组合表

4.4 试验场地布置及碾压试验设备

碾压试验场地[9]选择在上水库库盆上游备料场，备用场地平整碾压面积50 m×60 m。单场试验场地有效面积需49 m×6 m，一场试验布置3个试验组合，依据规范要求，场地两端应留出5～6 m的非试验区，以满足错车和停车需要。试验时在试验场地平面依次进行下一场次试验组合，整个试验区共依次布置6场试验，场地平面布置如图1所示。

图1 试验场地分区布置图 单位：m

根据设计要求和类似工程施工经验，综合考虑填筑工期、气候条件等因素进行设备选型配置，其选择的设备要保证满足碾压试验段使用的对应技术参数。此次垫层料、过渡料碾压试验段采用的振动碾为LSS2502型自行式25 t振动平碾，配备的其它主要机械设备有ZL50装载机1台、SD22推土机1台、反铲挖掘机1台、20 t自卸汽车6台、6 t洒水车1台，具体碾压填筑设备技术参数见表2。

表2 碾压填筑设备技术参数表

4.5 碾压过程控制

采用LSS2502振动碾对试验区域实施碾压作业，统一先静压2遍后再开始振动碾压，垫层料、过渡料分别采用高、低频振动压实，为便于对各碾压遍数的铺筑层相应高程、干密度进行检测，所有填料均采用进退搭接法碾压[8]，过渡料、垫层料搭接宽度大于10 cm；振动碾行进速度实测为2.5 km/h，符合规定小于3 km/h的要求，各细分小场之间最小搭接宽度不小于1.0 m。

4.6 试验场次组合与试验数据测定

4.6.1 试验场次组合

试验组合采用经验法和淘汰法进行，每一试验组合只变动1个试验参数。初步计划针对同一填料同一铺筑厚度的同一含水量组合安排同场试验平行进行，按照碾压遍数分别为6、8、10遍分区检测；为避免摊铺后加水量不同而相互影响，不同含水量的同一填料同一铺筑厚度填料分开填筑试验。

4.6.2 沉降量观测

先在碾压试验区域绘制1.5 m×2.0 m方格网[7-9]，并石灰标出车辆进场线路、编号及碾压遍数，采用全站仪对方格网交点进行初始高程的测量。正式进行碾压试验后，各试验组合均在振压(6、8或10遍)前后，分别测出方格网交点高程进行沉降量计算。高程测量必须保证同一沉降量计算点位置不变，测量过程中先用全站仪确定点位后再测高程。

4.6.3 室内外试验检测

现场采用挖坑注水法试验[3]。其中现场检测项目应包括：干密度、含水率、渗透系数、颗粒分析等[4]；颗粒级配试验对2种填筑料填筑前和填筑后分别进行1次，10 mm以上部分在碾压现场进行筛分，10 mm以下部分在室内烘干后筛分；渗透试验参照 (DLT5356-2006 ) 中的“现场渗透试验”[3]进行。

5 碾压试验成果分析

现场碾压试验完成后，经对试验数据进行综合数理统计分析，在同一铺料厚度保持不变的情况下总体上可分为：碾压遍数与沉降量、碾压遍数与干密度、碾压遍数与颗粒级配关系3部分。

5.1 碾压遍数与沉降量关系分析

通过各碾压试验段的各振动碾压遍数，测得过渡料和垫层料加水量分别在0%、10%、15%对应碾压遍数的沉降量[10]，其碾压遍数与沉降量统计见表3。

表3碾压遍数与沉降量统计汇总表

填料种类加水量/%碾压遍数与沉降量静2振4振6振8振10沉降量/mm累计沉降量/mm过渡料02014974501021127534815191386349垫层料01812864481017139534715171396449

从各个沉降量观测记录汇总(表3)可知：垫层料和过渡料均随着碾压遍数的增加，其沉降量值呈递减趋势，这符合沉降量同碾压遍数关系的正常规律。从沉降量和不同加水量横向对比关系上看，二者之间在含水率发生变化后，小于静2+振6几乎没有区别，但在大于静2+振8以上后则沉降量会有轻微改变，如图2所示。

5.2 碾压遍数与干密度试验汇总分析

碾压土石坝施工，关键工序就是对坝体砂石料的分层填筑，其压实效果用测得的干密度反应出来，所以干密度是设计和施工质控的主要指标。因此每个试验组合的对应细分小区在碾压完成后均进行干密度及含水量检测，得出碾压遍数分别为6、8、10遍的不同加水量时过渡料和垫层料干密度的变化，对试验数据整理汇总结果见表4。同时绘制出不同的碾压遍数、不同的含水量与干密度的关系曲线[11]，如图3、4所示。

从表4所列碾压试验结果可知，过渡料和垫层料在碾压遍数分别为6、8、10遍的干密度和孔隙率的实测值均满足设计指标要求，其过渡料和垫层料的压实干密度与碾压遍数、实测含水量关系曲线见图3、4。从它们的关系可知，干密度实测值均随碾压遍数的增加而增加，但若加水量过大或碾压遍数过多都会对碾压密实度有一定影响，且干密度有随着碾压遍数的增加而出现逐渐降低的趋势，经过对比碾压遍数以静2+振8、加水量为10%的试验结果更具经济合理性。

图2 过渡料、垫层料碾压遍数同沉降量的关系曲线图

填料类型碾压遍数/遍加水量/%实测平均含水量/%平均干密度/(g·cm-3)孔隙率/%过渡料静2+振6静2+振8静2+振1003.52.2614.4104.52.2714.0155.02.2913.303.22.2813.7104.22.2813.6154.92.3112.503.32.3012.8104.12.3112.5154.62.3012.9垫层料静2+振6静2+振8静2+振1003.52.2714.2104.32.2813.5155.12.2813.703.42.3311.8104.62.3112.6155.12.3013.003.62.3411.3104.12.3411.5155.12.3112.5

5.3 级配筛分试验汇总分析

为论证对比碾压前后的料源(洞挖料)颗粒级配变化情况，在碾压试验开始铺料的同时，分别对垫层料、过渡料进行了碾压前的筛分试验[4]。碾压结束后，在一定范围内进行干密度(灌水法)和含水量检测，同时将试坑挖出的填筑料进行全颗分试验。其选定静压2遍+振压8遍的试坑颗分曲线如图5、6所示。

从图5、6可以看出，垫层料、过渡料采用岩性好、硬度高的花岗岩，碾压前后的颗粒级配整体有着显著变化，碾压后表面细颗粒有明显增加，可能同岩性本身的矿物结构有一定关系。从碾压试验后的表面和试坑断面可以看出，垫层料在碾压施工过程中，填料相对镶嵌紧密，浅表部的20～40 mm粒径的块石有明显的碾压破碎现象，故碾压后的垫层料颗分曲线性状有一定的变化程度；过渡料的碾压表面清晰可见有颗粒被压碎的现象，而在表层以下部位的颗粒被压碎情况则不明显，过渡料碾压前后颗粒级配也同样有一定显著变化,主要受粒径形状的影响。2种类型的碾压后试验结果表明，虽然曲线总体趋势位于设计包络线内，但碾压后致使5 mm以下部分颗粒含量有显著增加。另外从不均匀系数和曲率系数上看，过渡料CU和CC值、垫层料CU值均满足设计要求，垫层料碾压前后的曲率系数CC不能满足设计指标要求，因此需做必要的级配调整。

6 结 语

根据上述垫层料和过渡料现场碾压试验成果，经对试验资料进行系统的整理、汇总和分析，结合碾压铺设厚度、各加水量下的沉降量变化，以及碾压后洞挖掺配料级配、干密度的实际变化情况综合考虑，在充分借鉴其他工程碾压试验的基础上得出：

(1) 垫层料、过渡料的施工松铺控制厚度均以45 cm为宜，压实厚度为40 cm；其含水率控制以垫层料、过渡料的碾压施工加水量(体积比)分别为10%和13%时最佳。

图4 垫层料干密度与碾压遍数、含水量关系曲线图

图5 垫层料碾压前后级配曲线图

图6 过渡料碾压前后级配曲线图

垫层料、过渡料进行洒水碾压施工时以静压2遍+振压8遍为宜；当无洒水时，则应以静压2遍+振10遍控制，其静压和振压时的行驶速度应控制在2～3 km/h。

(2) 建议根据不同的筑坝石料设计要求，进行科学有序的洞挖石料开采，并通过所需料源的爆破试验参数对石料的爆破开采进行有效控制。同时加强洞挖石料的分类加工堆存，以便保证筑坝石料的颗粒级配等各项指标都能满足设计要求。

(3) 应结合工程实际，取与碾压试验相同的代表性堆石料作为试验用料，宜在碾压试验场定点检测碾压前后颗粒级配及破碎率(尤其是小于5 mm含量)等试验。检测碾压前后级配变化值，并对铺筑层厚度全料进行颗粒级配分析论证，调整更为经济合理的级配曲线。

(4) 坝体填筑碾压参数应根据碾压试验成果进行综合分析比较，大坝施工过程中需对细料进行严格控制，必要时可进行掺天然砾料进行碾压试验[12]，以便改善提高颗粒级配的合理性，并经生产性试验对掺砾料碾压施工参数进行优化调整[13]。