松塔水電站壩體土料碾壓工藝試驗(yàn)分析

姜麗杰

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000）

1 概況

松塔水電站坐落于山西省壽陽縣瀟河主流松塔河上，大壩所在壩址的控制流域面積為1 174 km2，位于壽陽縣松塔鎮(zhèn)下游14.2 km 處；距壽陽縣城約25 km，距晉中市城區(qū)約44 km。大壩為均質(zhì)土壩，主要由壩體、排水設(shè)施、反濾體和護(hù)坡等組成。最大壩高62.6 m，正常蓄水位1 027.00 m，總庫容9 820 萬m3，壩頂長(zhǎng)度523.2 m，最大壩底寬度363.10 m，壩頂寬度10 m。壩體土方填筑總量約311.5 萬m3。

通過現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)、修正壩體填筑料的設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)試驗(yàn)確定經(jīng)濟(jì)合理的壩料類別、設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、填筑強(qiáng)度和同類工程經(jīng)驗(yàn)，選擇能夠滿足工程需要的施工機(jī)械，并通過一定的技術(shù)優(yōu)化，使施工時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)滿足實(shí)際要求，在實(shí)際施工時(shí)還需制定相應(yīng)的施工準(zhǔn)則，使工程的質(zhì)量控制體系得到完善；核實(shí)土料填筑標(biāo)準(zhǔn)的合理性，確定回填料在鋪筑的方式、鋪料所應(yīng)達(dá)到的厚度、碾壓的遍數(shù)、行車時(shí)的速度以及土料的含水量等施工參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)。

2 碾壓試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

料場(chǎng)主要由Q3eol低液限粘土及Q2pl粘土組成，土料除天然含水率均低于最優(yōu)含水率外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均滿足均質(zhì)土壩用料質(zhì)量要求。

取碾壓試驗(yàn)用土料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，袁家山土料場(chǎng)大壩壩體填筑用土料，最大干密度（ρdmax）為1.76 g/cm3，最優(yōu)含水率為16.6%。設(shè)計(jì)壓實(shí)指標(biāo)及施工控制指標(biāo)如表1 所示。

表1 土料的設(shè)計(jì)指標(biāo)及施工質(zhì)控指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)機(jī)械設(shè)備及試驗(yàn)儀器設(shè)備

根據(jù)各種土料的設(shè)計(jì)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及合同要求，結(jié)合在其它工程中的施工經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有裝備情況，碾壓試驗(yàn)配備的主要機(jī)械設(shè)備有20 t 自行式凸塊振動(dòng)碾、20 t自卸汽車、320 型推土機(jī)、灑水車各1 輛（臺(tái)）；擬采用的試驗(yàn)儀器和設(shè)備有MC-3 核子水分密度儀、電子天平、水準(zhǔn)儀、微波爐各1 臺(tái)。

2.3 碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地地基要求

碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置在大壩壩址上游袁家山土料場(chǎng)中部臺(tái)地上，占地面積1 900 m2。試驗(yàn)前用推土機(jī)清除試驗(yàn)區(qū)域的松土和草皮，用振動(dòng)碾碾壓平整，在上面鋪一層試驗(yàn)土料，用振動(dòng)碾壓實(shí)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將這一層作為基層，進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)場(chǎng)地面積、鋪料要求

在施工場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置9 個(gè)試驗(yàn)組合，每個(gè)試驗(yàn)塊的尺寸為22.0 m×49.0 m，根據(jù)試驗(yàn)塊的鋪土厚度和含水量，設(shè)置符合每個(gè)試驗(yàn)塊不同需求的碾壓遍數(shù)，得出碾壓的實(shí)際成果，確保能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，詳見圖1。（圖中“+、○、△”分別為不同碾壓遍數(shù)區(qū)域的取樣點(diǎn)。）

2.5 試驗(yàn)步驟

2.5.1 試驗(yàn)參數(shù)

選擇土質(zhì)相同、天然含水率不同的合格土料分別開采作為試驗(yàn)用料，土料的含水率分別為接近標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的最優(yōu)含水率（ω0）、最優(yōu)含水率+2%（ω1）、最優(yōu)含水率-2%（ω2），然后按擬定的參數(shù)組合進(jìn)行碾壓試驗(yàn)。

圖1 土料碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

2.5.2 鋪料

采用進(jìn)占法鋪料，使用20 t 自卸汽車運(yùn)輸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的土料，用推土機(jī)平料，鋪料方向平行縱軸線，模擬大壩施工方法進(jìn)行。在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)鋪土?xí)r要用標(biāo)尺桿進(jìn)行標(biāo)記，相鄰兩個(gè)標(biāo)記桿之間的距離控制在5 m，對(duì)于鋪土的厚度誤差值要求為松鋪厚度的±10%以內(nèi)。

2.5.3 碾壓

碾壓方式為進(jìn)退錯(cuò)距法（當(dāng)在每個(gè)工作面碾壓6 次時(shí)，其每次搭接碾壓1/6 碾寬，碾寬200 cm，錯(cuò)距為33 cm)，靜壓時(shí)不錯(cuò)距，碾壓方向平行于縱軸線。振動(dòng)碾行走速度控制在2 km/h 以內(nèi)，垂直碾壓方向搭接寬度0.3～0.5 m，平行碾壓方向搭接寬度1.0～1.5 m。

2.6 試驗(yàn)檢測(cè)

2.6.1 松鋪系數(shù)

在不同的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)按要求布設(shè)1.5 m×1.5 m 的網(wǎng)格，建立測(cè)量體系，在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)各個(gè)相關(guān)點(diǎn)位的鋪料前后和碾壓之后的高程值，從而對(duì)松鋪系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。該試驗(yàn)方法主要用于大中型工程中，具有代表性，有利于施工。

松鋪系數(shù)=（壓前松鋪高程-壓前未鋪高程）/（壓后高程-壓前未鋪高程）。

2.6.2 干密度檢測(cè)

在達(dá)到設(shè)計(jì)的壓實(shí)遍數(shù)之后，按照試驗(yàn)要求取樣標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行取樣，在取樣之后進(jìn)行干密度試驗(yàn)，取樣的點(diǎn)位按照梅花形布置，相鄰點(diǎn)位之間的距離為1.0 m，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組取樣數(shù)量為10～15 個(gè)，在每次碾壓后結(jié)合層面處取2 個(gè)點(diǎn)位。

干密度試驗(yàn)方法采用MC-3 型核子密度儀檢測(cè)，環(huán)刀法復(fù)核并率定核子密度儀（對(duì)比試驗(yàn)組數(shù)30 組，然后利用最小二乘法原理建立關(guān)系曲線）。

3 試驗(yàn)成果分析

根據(jù)在試驗(yàn)當(dāng)中得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總，大壩壩體土料碾壓試驗(yàn)成果匯總見表2。

表2 大壩壩體土料碾壓試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)匯總表

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，在鋪料厚度為30 cm，含水率達(dá)到16.6%時(shí)，碾壓6 遍、8 遍、10 遍壓實(shí)平均干密度雖然達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但只有碾壓10 遍時(shí)干密度合格率才能達(dá)到100%。含水率為最優(yōu)含水率的-2%以內(nèi)時(shí)碾壓8 遍、10 遍平均干密度才能達(dá)到1.69 g/m3，合格率分別為70%、100%。當(dāng)含水率為最優(yōu)含水率+2%以上時(shí)，壓實(shí)平均干密度在碾壓10 遍時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，合格率只有60%。

鋪料厚度為35 cm 時(shí)，最優(yōu)含水率時(shí)碾壓8 遍、10 遍壓實(shí)平均干密度均合格，合格率為70%、100%。含水率為最優(yōu)含水率的-2%以內(nèi)時(shí)，碾壓8 遍、10 遍壓實(shí)平均干密度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，合格率分別為50%、100%。含水率為最優(yōu)含水率的+2%左右時(shí)，碾壓10 遍，壓實(shí)平均干密度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

鋪料厚度為40 cm 時(shí)，只有在最優(yōu)含水率時(shí)，壓實(shí)平均干密度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但合格率為60%。計(jì)算單位壓實(shí)遍數(shù)的壓實(shí)厚度，鋪料厚度為35 cm，碾壓遍數(shù)為10 遍時(shí)單位壓實(shí)遍數(shù)的壓實(shí)厚度最大。

根據(jù)以上分析，大壩壩體用土料含水率在14.5%～17.5%范圍內(nèi)時(shí)，鋪料厚度35 cm，碾壓10 遍為合理的施工參數(shù)。最優(yōu)參數(shù)的復(fù)核試驗(yàn)結(jié)果證明以上碾壓參數(shù)是合理的。

4 結(jié)論

第一，根椐碾壓試驗(yàn)結(jié)果，擬將設(shè)計(jì)提出的大壩壩體施工控制含水率為14.5%～18.5%調(diào)整為14.5%～17.5%。兩種壩料壓實(shí)密度控制指標(biāo)是合理可行的，施工中必須給予保證，并盡最大可能提高壓實(shí)密度。選定的碾壓設(shè)備，能夠滿足施工需要。

第二，通過試驗(yàn)最終確定的松塔水電站大壩壩體土料施工參數(shù)為：鋪料35 cm，采用20 t 自行式凸塊振動(dòng)碾碾壓10 遍，行駛速度宜控制在1～2 km/h，松鋪系數(shù)1.14，含水率為14.5～17.5%，干密度≥1.69 g/cm3。

第三，松塔水電站大壩填筑土料碾壓過程中的沉降變化符合土石壩沉降規(guī)律，在一定的程度上說明所采用的碾壓參數(shù)是合理的。