李志鑫 張保勝 于秀明

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 工程概況

柏葉口水庫是一座以城市生活和工業(yè)供水、文峪河水庫防洪為主，兼顧提高現(xiàn)有灌區(qū)的灌溉保證率、發(fā)電等綜合利用的中型水利樞紐工程，主要由大壩、溢洪道、泄洪發(fā)電洞和水電站等建筑物組成。

大壩采用混凝土面板堆石壩型式，最大壩高88.30 m，壩頂長310 m，壩體填筑方量159萬m3,上下游壩坡坡度均為1：1.4，壩體堆石分區(qū)填筑，分區(qū)碾壓，上游到下游依次分為上游鋪蓋區(qū)（1A）、上游蓋重區(qū)（1B）、墊層區(qū)（2A）、特殊墊層區(qū)（2B）、過渡區(qū)（3A）、主堆石區(qū)（3B）、下游堆石區(qū)（3C）、下游坡面區(qū)（3D）。在堆石壩填筑施工過程中，通過碾壓試驗確定最優(yōu)碾壓參數(shù)，確保工程質(zhì)量。

2 碾壓試驗

2.1 試驗場地布置

試驗場地布置在大壩壩址下游平地上，面積52 m×38 m，每個試驗組合占地有效面積為6 m×10 m，在試驗前先填筑30 cm厚的碎石進(jìn)行場地找平，20 t振動平碾碾壓8遍后，將這一層作為基層，然后在其上進(jìn)行碾壓試驗，場地布置如圖1所示。

圖1 碾壓試驗場地平面布置

2.2 碾壓試驗方法及參數(shù)組合

2.2.1 設(shè)計指標(biāo)與施工參數(shù)（1）本次試驗要確定的施工碾壓參數(shù)主要是與孔隙率直接相關(guān)的碾壓遍數(shù)、鋪料厚度及灑水量，其余設(shè)計與施工參數(shù)見表1。

（2）碾壓試驗基本原理、方法及試驗組合

采用逐漸收斂法進(jìn)行試驗，其原理是固定其他參數(shù)，變動一個參數(shù)，通過試驗得出該參數(shù)的最優(yōu)值。固定此最優(yōu)參數(shù)，變動另一個參數(shù)，用試驗得出第二個最優(yōu)參數(shù)，依次類推，每一次試驗得一個最優(yōu)參數(shù)，最后用全部最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行一次復(fù)核試驗，若結(jié)果滿足設(shè)計要求，即可定為施工碾壓參數(shù)。試驗組合共分為4組，分別對3C下游堆石、3B主堆石、3A過渡料、2A墊層料進(jìn)行試驗，確定最優(yōu)施工碾壓參數(shù)，試驗參數(shù)組合見表2。

表2 柏葉口水庫面板堆石壩壩料填筑生產(chǎn)性碾壓試驗參數(shù)組合

2.3 最優(yōu)碾壓參數(shù)的確定

堆石料鋪填前，先測定每個區(qū)測點(diǎn)的基層面高程，每個區(qū)的測點(diǎn)為12個，然后采用1.6m3反鏟挖掘機(jī)裝料，20 t自卸汽車進(jìn)占法卸料，T320推土機(jī)散料、平整，鋪土厚度采用方格網(wǎng)控制，堆石料鋪好后先靜壓一遍測定其虛鋪面高程，然后用8 t灑水車進(jìn)行灑水，加水完成后采用振動平碾進(jìn)退不錯距碾壓方式碾壓，進(jìn)退時均應(yīng)起振。碾壓完畢后，測量鋪層面測點(diǎn)高程，根據(jù)各網(wǎng)格測點(diǎn)在碾壓前后的相對高程變化，從而計算出每一次試驗單元的平均沉降量，測定有效壓實(shí)厚度。然后采用挖坑灌水法進(jìn)行檢測，在各試區(qū)分別取樣測定壓實(shí)密度、孔隙率。

2.4 試驗過程

2.4.1 堆石料原材料物理性能試驗

主次堆石料來源于柏葉溝石料場和溢洪道開挖棄渣，墊層料、特殊墊層料由交城縣保同石料廠按級配要求加工供料，前期先對料場石料的物理力學(xué)性質(zhì)做了檢驗，料場堆石料塊體干燥狀態(tài)下平均密度為2.67 g/cm3,墊層料、特殊墊層料塊體干燥狀態(tài)下平均密度為2.72 g/cm3,3B堆石料單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均為42 MPa，3C堆石料單軸飽和抗壓強(qiáng)度平均為25.6 MPa，試驗結(jié)果顯示料源石料滿足設(shè)計要求（3B堆石料設(shè)計單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于等于40 MPa，3C堆石料設(shè)計單軸飽和抗壓強(qiáng)度大于等于25 MPa）。碾壓試驗前，對各級料取樣現(xiàn)場做篩分實(shí)驗，級配要求滿足設(shè)計要求方可進(jìn)行鋪料。

2.4.2 墊層區(qū)ⅡA料碾壓參數(shù)

表3給出了ⅡA料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數(shù)及鋪料厚度的變化關(guān)系，由表3可見：

（1）根據(jù)碾壓前后沉降數(shù)據(jù)分析：鋪料厚度45 cm、55 cm在碾壓6遍沉降量比碾壓4遍要大，平均沉降量為3.5 cm，但沉降趨勢不太明顯，主要由于鋪料厚度較薄，石料級配均勻，比較密實(shí)，與主堆石料沉降量相比，沉降量偏小。

（2）當(dāng)鋪料厚度一定時，隨碾壓遍數(shù)的增加，干容重逐漸增大，孔隙率逐漸減少；當(dāng)碾壓遍數(shù)一定時，隨鋪料厚度的增加，干容重逐漸變小，孔隙率逐漸增大。無論鋪層厚45 cm或55 cm，碾壓后實(shí)測孔隙率均滿足設(shè)計要求，為了與擠壓邊墻施工鋪料厚度相適應(yīng)（擠壓邊墻高為40 cm），便于騎縫碾壓，采取如下參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗，選定參數(shù)為：加水量為5%，碾壓遍數(shù)為4遍，鋪料厚度為43 cm，在原試驗場地按選定參數(shù)鋪料、碾壓后，經(jīng)碾壓取樣分析，干容重d=2.28 g/cm3、孔隙率ρ=16.2%＜18%，滿足設(shè)計要求。

因此，建議ⅡA區(qū)的最優(yōu)施工碾壓參數(shù)為：碾壓機(jī)械：20 t振動平碾；鋪料厚度：43 cm；碾壓遍數(shù)：4遍；加水量：5%，碾壓后壓實(shí)厚度40 cm，孔隙率可以達(dá)到設(shè)計要求（ρ＜18%），對應(yīng)的干容重控制值d＞2.23 g/cm3。

2.4.3 過渡區(qū)ⅢA料碾壓參數(shù)

表4給出了ⅢA料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數(shù)及鋪料厚度的變化關(guān)系，由表4可見：

（1）根據(jù)碾壓前后沉降數(shù)據(jù)分析：1區(qū)、2區(qū)堆石料虛鋪厚度平均為45.5 cm，平均沉降率為9.0%，3區(qū)、4區(qū)堆石料虛鋪厚度平均為56 cm，平均沉降率為7.5%，5區(qū)、6區(qū)堆石料虛鋪厚度平均為65.5 cm，平均沉降率為6.9%,1區(qū)、2區(qū)由于鋪料厚度較薄，壓實(shí)充分，沉降率偏大。

（2）鋪料厚度65 cm、碾壓4、6遍和鋪料厚度55 cm、碾壓4遍孔隙率均達(dá)不到設(shè)計要求。分析前者鋪料偏厚，后者碾壓遍數(shù)少。隨著碾壓遍數(shù)的增加，干密度亦逐漸增大，孔隙率逐漸減少，鋪料厚度45 cm，碾壓遍數(shù)由4遍增至6遍時，孔隙率增加幅度較?。ㄏ鄬υ隽繛?.4%）。采取如下參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗，選定參數(shù)為：加水量為10%，碾壓遍數(shù)為4遍，鋪料厚度為45 cm，在原試驗場地按選定參數(shù)鋪料、碾壓后，經(jīng)碾壓取樣分析，干容重d=2.18 kg/m3、孔隙率ρ=18.4%＜20%，滿足設(shè)計要求。

表3 ⅡA料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數(shù)、鋪料厚度關(guān)系比較

表4 ⅢA料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數(shù)、鋪料厚度關(guān)系比

因此，建議ⅢA區(qū)的最優(yōu)施工碾壓參數(shù)為：碾壓機(jī)械：20T振動平碾；鋪料厚度：45 cm；碾壓遍數(shù)：4遍；加水量：10%，碾壓后壓實(shí)厚度40 cm，孔隙率可以達(dá)到設(shè)計要求（ρ＜20%），對應(yīng)的干容重控制值d＞2.14 g/cm3。

2.4.4 主堆石區(qū)ⅢB料碾壓參數(shù)

表5給出了ⅢB料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數(shù)及鋪料厚度的變化關(guān)系，由表5可見：

（1）碾壓過程沉降觀測表明：1區(qū)、2區(qū)堆石料虛鋪厚度平均為106 cm，平均沉降率為8%，3區(qū)、4區(qū)堆石料虛鋪厚度平均為90 cm，平均沉降率為7.2%，5區(qū)、6區(qū)堆石料虛鋪厚度平均為83 cm，平均沉降率為6.7%，5區(qū)、6區(qū)由于級配比較均勻，受側(cè)向擠壓不太明顯，沉降量降低不明顯，但沉降量整體偏大，平均沉降量為6.5 cm。

（2）當(dāng)鋪料厚度一定時，隨碾壓遍數(shù)的增加，干容重逐漸增大，孔隙率逐漸減少；當(dāng)碾壓遍數(shù)一定時，隨鋪料厚度的增加，干容重逐漸較小，孔隙率逐漸增大。鋪料厚度82～107 cm，只有鋪料厚度107 cm、碾壓6遍時，孔隙率達(dá)不到設(shè)計要求，其余試驗單元區(qū)孔隙率均能達(dá)到設(shè)計要求（ρ＜20%），6區(qū)經(jīng)8遍碾壓后，其孔隙率明顯比其他區(qū)域大，各項指標(biāo)趨于穩(wěn)定。采取如下參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗，選定參數(shù)為：加水量為10%，碾壓遍數(shù)為8遍，鋪土厚度為85 cm，在原試驗場地按選定參數(shù)鋪料、碾壓后，經(jīng)碾壓取樣分析，干容重d=2.14 g/m3、孔隙率ρ=19.9%＜22%，滿足設(shè)計要求。

表5 ⅢB料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數(shù)、鋪料厚度關(guān)系比較

因此，建議ⅢB區(qū)的最優(yōu)施工碾壓參數(shù)為：碾壓機(jī)械：20 t振動平碾；鋪料厚度：85 cm；碾壓遍數(shù)：8遍；加水量：10%，碾壓后壓實(shí)厚度80 cm，孔隙率可以達(dá)到設(shè)計要求（ρ＜22%），對應(yīng)的干容重控制值d＞2.08 g/cm3。

2.4.5 下游堆石區(qū)ⅢC料碾壓參數(shù)

表6給出了ⅢC料碾壓試驗孔隙率隨碾壓遍數(shù)及鋪料厚度的變化關(guān)系，由表6可見：

鋪料厚度一定時，隨碾壓遍數(shù)的增加，干容重逐漸增大，孔隙率逐漸減少；當(dāng)碾壓遍數(shù)一定時，隨鋪料厚度的增加，干容重逐漸較小，孔隙率逐漸增大。無論碾壓遍數(shù)由6遍增至8遍，還是鋪料厚度由85 cm增至105 cm，各區(qū)域孔隙率均滿足設(shè)計要求。經(jīng)過對ⅢB主堆石和ⅢC次堆石第6區(qū)試坑的堆石料進(jìn)行級配分析對比，粒徑0.075 mm＜d≤5 mm顆粒含量:ⅢB主堆石區(qū)為9.19%，ⅢC次堆石區(qū)為18.2%；粒徑d≤0.075 mm顆粒含量:ⅢB主堆石區(qū)為1.23%，ⅢC次堆石區(qū)為4.3%,ⅢB主堆石第6區(qū)孔隙率為19.5%，ⅢC次堆石第6區(qū)孔隙率為21.7%，這恰恰說明了堆石料級配對碾壓效果的影響之大?？紤]到ⅢC次堆石與ⅢB主堆石同時施工要求，采取如下參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗，選定參數(shù)為：加水量為10%，碾壓遍數(shù)為8遍，鋪土厚度為85 cm，在原試驗場地按選定參數(shù)鋪料、碾壓后，經(jīng)碾壓取樣分析，干容重d=2.07 g/cm3、孔隙率ρ=22.5%＜24%，滿足設(shè)計要求。

表6 ⅢC料碾壓試驗孔隙率與碾壓遍數(shù)、鋪料厚度關(guān)系比較

因此，建議ⅢC區(qū)的最優(yōu)施工碾壓參數(shù)為：碾壓機(jī)械：20 t振動平碾；鋪料厚度：85 cm；碾壓遍數(shù)：8遍；加水量：10%，碾壓后壓實(shí)厚度80 cm，孔隙率可以達(dá)到設(shè)計要求（ρ＜24%），對應(yīng)的干容重控制值d＞2.03 g/cm3。

3 結(jié)論與意見

本次試驗成果經(jīng)工程檢驗應(yīng)用效果良好，大壩填筑單元工程合格率100%，優(yōu)良率達(dá)到91.5%。

試驗利用各料區(qū)碾壓遍數(shù)、鋪層厚度與孔隙率的關(guān)系確定了一套經(jīng)濟(jì)合理的最優(yōu)施工碾壓參數(shù)，并得出了一些對堆石料填筑施工十分有用的參考結(jié)論：

（1）墊層料、過渡料碾壓遍數(shù)采用4遍，壓實(shí)厚度40 cm；主堆石、次堆石碾壓遍數(shù)采用8遍，壓實(shí)厚度80 cm,碾重（20 t）不易增加，綜合試驗結(jié)果，壓實(shí)效果比較理想。

（2）墊層料、過渡料的級配要求較為嚴(yán)格，上、下包絡(luò)線的區(qū)間很窄，料源的級配控制是工程質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)，在施工中墊層料和過渡料一層鋪平后同時騎縫碾壓。墊層料要根據(jù)壩料的實(shí)際含水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以免碾壓后出現(xiàn)“彈簧土”等不良現(xiàn)象。

（3）堆石壩對筑壩石料的抗壓強(qiáng)度要求不高，而對堆石料的級配有要求,ⅢC次堆石和ⅢB主堆石屬同一料源，設(shè)計顆粒級配要求相同，采用同樣的碾壓施工參數(shù)值。料源和堆石粒徑大小不同,孔隙率隨碾壓遍數(shù)、鋪料厚度的增加量是不同的，在大壩填筑施工中要特別應(yīng)重視堆石料的級配要求，注意控制取料及鋪料的均勻。