柏叶口水库混凝土面板堆石坝坝料填筑碾压试验

李志鑫 张保胜 于秀明

（山西省水利建筑工程局 太原 030006）

1 工程概况

柏叶口水库是一座以城市生活和工业供水、文峪河水库防洪为主，兼顾提高现有灌区的灌溉保证率、发电等综合利用的中型水利枢纽工程，主要由大坝、溢洪道、泄洪发电洞和水电站等建筑物组成。

大坝采用混凝土面板堆石坝型式，最大坝高88.30 m，坝顶长310 m，坝体填筑方量159万m3,上下游坝坡坡度均为1：1.4，坝体堆石分区填筑，分区碾压，上游到下游依次分为上游铺盖区（1A）、上游盖重区（1B）、垫层区（2A）、特殊垫层区（2B）、过渡区（3A）、主堆石区（3B）、下游堆石区（3C）、下游坡面区（3D）。在堆石坝填筑施工过程中，通过碾压试验确定最优碾压参数，确保工程质量。

2 碾压试验

2.1 试验场地布置

试验场地布置在大坝坝址下游平地上，面积52 m×38 m，每个试验组合占地有效面积为6 m×10 m，在试验前先填筑30 cm厚的碎石进行场地找平，20 t振动平碾碾压8遍后，将这一层作为基层，然后在其上进行碾压试验，场地布置如图1所示。

图1 碾压试验场地平面布置

2.2 碾压试验方法及参数组合

2.2.1 设计指标与施工参数（1）本次试验要确定的施工碾压参数主要是与孔隙率直接相关的碾压遍数、铺料厚度及洒水量，其余设计与施工参数见表1。

（2）碾压试验基本原理、方法及试验组合

采用逐渐收敛法进行试验，其原理是固定其他参数，变动一个参数，通过试验得出该参数的最优值。固定此最优参数，变动另一个参数，用试验得出第二个最优参数，依次类推，每一次试验得一个最优参数，最后用全部最优参数进行一次复核试验，若结果满足设计要求，即可定为施工碾压参数。试验组合共分为4组，分别对3C下游堆石、3B主堆石、3A过渡料、2A垫层料进行试验，确定最优施工碾压参数，试验参数组合见表2。

表2 柏叶口水库面板堆石坝坝料填筑生产性碾压试验参数组合

2.3 最优碾压参数的确定

堆石料铺填前，先测定每个区测点的基层面高程，每个区的测点为12个，然后采用1.6m3反铲挖掘机装料，20 t自卸汽车进占法卸料，T320推土机散料、平整，铺土厚度采用方格网控制，堆石料铺好后先静压一遍测定其虚铺面高程，然后用8 t洒水车进行洒水，加水完成后采用振动平碾进退不错距碾压方式碾压，进退时均应起振。碾压完毕后，测量铺层面测点高程，根据各网格测点在碾压前后的相对高程变化，从而计算出每一次试验单元的平均沉降量，测定有效压实厚度。然后采用挖坑灌水法进行检测，在各试区分别取样测定压实密度、孔隙率。

2.4 试验过程

2.4.1 堆石料原材料物理性能试验

主次堆石料来源于柏叶沟石料场和溢洪道开挖弃渣，垫层料、特殊垫层料由交城县保同石料厂按级配要求加工供料，前期先对料场石料的物理力学性质做了检验，料场堆石料块体干燥状态下平均密度为2.67 g/cm3,垫层料、特殊垫层料块体干燥状态下平均密度为2.72 g/cm3,3B堆石料单轴饱和抗压强度平均为42 MPa，3C堆石料单轴饱和抗压强度平均为25.6 MPa，试验结果显示料源石料满足设计要求（3B堆石料设计单轴饱和抗压强度大于等于40 MPa，3C堆石料设计单轴饱和抗压强度大于等于25 MPa）。碾压试验前，对各级料取样现场做筛分实验，级配要求满足设计要求方可进行铺料。

2.4.2 垫层区ⅡA料碾压参数

表3给出了ⅡA料碾压试验孔隙率随碾压遍数及铺料厚度的变化关系，由表3可见：

（1）根据碾压前后沉降数据分析：铺料厚度45 cm、55 cm在碾压6遍沉降量比碾压4遍要大，平均沉降量为3.5 cm，但沉降趋势不太明显，主要由于铺料厚度较薄，石料级配均匀，比较密实，与主堆石料沉降量相比，沉降量偏小。

（2）当铺料厚度一定时，随碾压遍数的增加，干容重逐渐增大，孔隙率逐渐减少；当碾压遍数一定时，随铺料厚度的增加，干容重逐渐变小，孔隙率逐渐增大。无论铺层厚45 cm或55 cm，碾压后实测孔隙率均满足设计要求，为了与挤压边墙施工铺料厚度相适应（挤压边墙高为40 cm），便于骑缝碾压，采取如下参数进行复核试验，选定参数为：加水量为5%，碾压遍数为4遍，铺料厚度为43 cm，在原试验场地按选定参数铺料、碾压后，经碾压取样分析，干容重d=2.28 g/cm3、孔隙率ρ=16.2%＜18%，满足设计要求。

因此，建议ⅡA区的最优施工碾压参数为：碾压机械：20 t振动平碾；铺料厚度：43 cm；碾压遍数：4遍；加水量：5%，碾压后压实厚度40 cm，孔隙率可以达到设计要求（ρ＜18%），对应的干容重控制值d＞2.23 g/cm3。

2.4.3 过渡区ⅢA料碾压参数

表4给出了ⅢA料碾压试验孔隙率随碾压遍数及铺料厚度的变化关系，由表4可见：

（1）根据碾压前后沉降数据分析：1区、2区堆石料虚铺厚度平均为45.5 cm，平均沉降率为9.0%，3区、4区堆石料虚铺厚度平均为56 cm，平均沉降率为7.5%，5区、6区堆石料虚铺厚度平均为65.5 cm，平均沉降率为6.9%,1区、2区由于铺料厚度较薄，压实充分，沉降率偏大。

（2）铺料厚度65 cm、碾压4、6遍和铺料厚度55 cm、碾压4遍孔隙率均达不到设计要求。分析前者铺料偏厚，后者碾压遍数少。随着碾压遍数的增加，干密度亦逐渐增大，孔隙率逐渐减少，铺料厚度45 cm，碾压遍数由4遍增至6遍时，孔隙率增加幅度较小（相对增量为0.4%）。采取如下参数进行复核试验，选定参数为：加水量为10%，碾压遍数为4遍，铺料厚度为45 cm，在原试验场地按选定参数铺料、碾压后，经碾压取样分析，干容重d=2.18 kg/m3、孔隙率ρ=18.4%＜20%，满足设计要求。

表3 ⅡA料碾压试验孔隙率与碾压遍数、铺料厚度关系比较

表4 ⅢA料碾压试验孔隙率与碾压遍数、铺料厚度关系比

因此，建议ⅢA区的最优施工碾压参数为：碾压机械：20T振动平碾；铺料厚度：45 cm；碾压遍数：4遍；加水量：10%，碾压后压实厚度40 cm，孔隙率可以达到设计要求（ρ＜20%），对应的干容重控制值d＞2.14 g/cm3。

2.4.4 主堆石区ⅢB料碾压参数

表5给出了ⅢB料碾压试验孔隙率随碾压遍数及铺料厚度的变化关系，由表5可见：

（1）碾压过程沉降观测表明：1区、2区堆石料虚铺厚度平均为106 cm，平均沉降率为8%，3区、4区堆石料虚铺厚度平均为90 cm，平均沉降率为7.2%，5区、6区堆石料虚铺厚度平均为83 cm，平均沉降率为6.7%，5区、6区由于级配比较均匀，受侧向挤压不太明显，沉降量降低不明显，但沉降量整体偏大，平均沉降量为6.5 cm。

（2）当铺料厚度一定时，随碾压遍数的增加，干容重逐渐增大，孔隙率逐渐减少；当碾压遍数一定时，随铺料厚度的增加，干容重逐渐较小，孔隙率逐渐增大。铺料厚度82～107 cm，只有铺料厚度107 cm、碾压6遍时，孔隙率达不到设计要求，其余试验单元区孔隙率均能达到设计要求（ρ＜20%），6区经8遍碾压后，其孔隙率明显比其他区域大，各项指标趋于稳定。采取如下参数进行复核试验，选定参数为：加水量为10%，碾压遍数为8遍，铺土厚度为85 cm，在原试验场地按选定参数铺料、碾压后，经碾压取样分析，干容重d=2.14 g/m3、孔隙率ρ=19.9%＜22%，满足设计要求。

表5 ⅢB料碾压试验孔隙率与碾压遍数、铺料厚度关系比较

因此，建议ⅢB区的最优施工碾压参数为：碾压机械：20 t振动平碾；铺料厚度：85 cm；碾压遍数：8遍；加水量：10%，碾压后压实厚度80 cm，孔隙率可以达到设计要求（ρ＜22%），对应的干容重控制值d＞2.08 g/cm3。

2.4.5 下游堆石区ⅢC料碾压参数

表6给出了ⅢC料碾压试验孔隙率随碾压遍数及铺料厚度的变化关系，由表6可见：

铺料厚度一定时，随碾压遍数的增加，干容重逐渐增大，孔隙率逐渐减少；当碾压遍数一定时，随铺料厚度的增加，干容重逐渐较小，孔隙率逐渐增大。无论碾压遍数由6遍增至8遍，还是铺料厚度由85 cm增至105 cm，各区域孔隙率均满足设计要求。经过对ⅢB主堆石和ⅢC次堆石第6区试坑的堆石料进行级配分析对比，粒径0.075 mm＜d≤5 mm颗粒含量:ⅢB主堆石区为9.19%，ⅢC次堆石区为18.2%；粒径d≤0.075 mm颗粒含量:ⅢB主堆石区为1.23%，ⅢC次堆石区为4.3%,ⅢB主堆石第6区孔隙率为19.5%，ⅢC次堆石第6区孔隙率为21.7%，这恰恰说明了堆石料级配对碾压效果的影响之大。考虑到ⅢC次堆石与ⅢB主堆石同时施工要求，采取如下参数进行复核试验，选定参数为：加水量为10%，碾压遍数为8遍，铺土厚度为85 cm，在原试验场地按选定参数铺料、碾压后，经碾压取样分析，干容重d=2.07 g/cm3、孔隙率ρ=22.5%＜24%，满足设计要求。

表6 ⅢC料碾压试验孔隙率与碾压遍数、铺料厚度关系比较

因此，建议ⅢC区的最优施工碾压参数为：碾压机械：20 t振动平碾；铺料厚度：85 cm；碾压遍数：8遍；加水量：10%，碾压后压实厚度80 cm，孔隙率可以达到设计要求（ρ＜24%），对应的干容重控制值d＞2.03 g/cm3。

3 结论与意见

本次试验成果经工程检验应用效果良好，大坝填筑单元工程合格率100%，优良率达到91.5%。

试验利用各料区碾压遍数、铺层厚度与孔隙率的关系确定了一套经济合理的最优施工碾压参数，并得出了一些对堆石料填筑施工十分有用的参考结论：

（1）垫层料、过渡料碾压遍数采用4遍，压实厚度40 cm；主堆石、次堆石碾压遍数采用8遍，压实厚度80 cm,碾重（20 t）不易增加，综合试验结果，压实效果比较理想。

（2）垫层料、过渡料的级配要求较为严格，上、下包络线的区间很窄，料源的级配控制是工程质量的关键点，在施工中垫层料和过渡料一层铺平后同时骑缝碾压。垫层料要根据坝料的实际含水量进行适当调整，以免碾压后出现“弹簧土”等不良现象。

（3）堆石坝对筑坝石料的抗压强度要求不高，而对堆石料的级配有要求,ⅢC次堆石和ⅢB主堆石属同一料源，设计颗粒级配要求相同，采用同样的碾压施工参数值。料源和堆石粒径大小不同,孔隙率随碾压遍数、铺料厚度的增加量是不同的，在大坝填筑施工中要特别应重视堆石料的级配要求，注意控制取料及铺料的均匀。