过渡区填筑料碾压工艺试验研究

徐 荡,余万龙

中国葛洲坝集团第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

山东文登抽水蓄能电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝,坝体填筑总工程量为476.9万m3,其中堆石料为444.9万m3,过渡料21万m3,垫层料10.3万m3,坝体上游坝坡1：1.4。堆石坝填筑料分区自上游向下游依次为:碎石压重区、坝前垫层区、特殊垫层区、坝前过渡层区、上游堆石区B、下游堆石区(含不连续级配区)及下游干砌石护坡。大坝填筑所需的过渡料为库盆爆破开采料唯一来源,由于库盆开采料存在裂隙节理发育、球形孤石等特点。为满足过渡料设计最大粒径不大于300 mm等技术指标,在大坝填筑前须进行过渡料碾压工艺试验。

1 填筑技术指标及填筑标准

本次上水库过渡区的碾压工艺试验,填筑时压实材料选用山东省文登抽水蓄能电站库盆的开挖挖料,并实行连续级配。各水电站坝过渡段的填筑料技术指标如表1所示。

表1 过渡区填筑料技术指标

2 填筑料性能试验

2.1 填筑料岩石材质试验

为全面掌握填筑压料的地质特性,对料源进行了取样,并按《水电水利工程岩石试验规程》DL/T 5368—2007[1]对石料的单轴抗压强度、软弱关系等参数进行了试验,其具体测量结果如表2所示。

表2 坝料材质试验结果

根据《岩土工程勘察规程》GB 50021—2001[2],以岩石的饱和单轴及耐压性能划分,如表3所示。

表3 上水库库岸库盆过渡区填筑料岩石密度试验结果

表3 岩石硬度划分 单位:MPa

由表3可知,过渡料试验填筑料总体属坚硬岩石。

2.2 填筑料颗粒级配试验

对山东省文登抽水蓄能电站的开挖石料进行了全料粒度级配试验,以满足上水库过渡料的填筑使用。粒度级配试验,采取现场木筐粗筛,筛分网的规格为方格网,筛分网孔径选择为20、40、60、80、100 mm几种,并实行分类称量。

考虑筛分准确度,在场内开展了20 mm的细颗粒初步筛选,初步筛选后数量不少于4 kg,并送至室内试验室开展全含水量的筛分试验,筛分网选择为0.075～20 mm的8种筛子。经检测后的筛分颗粒级配如图1所示。

图1 上水库过渡区填筑料颗粒筛分级配曲线图

2.3 填筑料岩石密度试验

对开挖材料的岩层密度加以计算,并按照《水电水利土工试验规程》DL/T 5355—2006[3]执行,其中大于5 mm颗粒的密度使用浮秤法,小于等于5 mm颗粒使用比重瓶法计算,将全料岩层密度按照粗、细材的配比,按粗、细材比例经过加权平衡后计算,以作为填筑材料碾压遍数基本参数。上水库库岸库盆过渡区开挖料岩石密度试验结果如表3所示。

3 现场碾压试验

3.1 碾压机具选择

为确保工程设计所提供的填筑基础材料压实质量标准一致,并根据本工程所设计大坝中填筑压实材料的特性,本次碾压试验机具及主要技术参数选型如表4所示。

表4 碾压机械设备参数

3.2 碾压试验参数与试验场次的确定

3.2.1 碾压试验参数选择

本次试验,上水库过渡料铺筑层厚度控制误差在±10%,松铺厚度选定为42 cm。

依据现场的施工经验一般采取进占法和混合法填筑,考虑现场实际情况,本工程试验采用进占法填筑,料场内采用反铲挑料、装料、20 t自卸车装载运输。现场试验区域采用石灰中撒出的白线或在试验条带范围线内,使用进占法施工。

根据以往大坝填筑经验和设备的效率,选择按2 km/h的碾压速度控制。

试验所需的过渡料源采用小于20 mm和大于20 mm颗粒试样测定含水率,加权平均计算全料含水率,大于20 mm颗粒含水率为0.3%,小于20 mm颗粒含水率为7.1%,全料含水率为2.0%,含水率较大,本次试验未加水。

本次试验采用振碾6遍。碾压方法采用进退错距法,前进和后退按算2遍计,轮压的重叠部分为15～20 cm。

操作流程:反铲和推土机平整试验场地—振动碾碾压试验场地—进料(进占法)推平—洒水—静碾—碾压—测试压实密度、含水量—回填试坑—碾压。

3.2.2 碾压试验场次

上水库过渡区填筑料的碾压试验共进行1场,其碾压参数如表5所示。

表5 碾压参数

3.3 碾压试验检测项目和方法

试验检测按现行规程、规范进行。

3.3.1 干密度检测

过渡料的压实干密度测定参照《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T—5356[4]实施,采取灌水方式,在现场取样了3个坑。现场试坑孔径通常为最大粒径的3～4倍,但最大粒度不得大于200 cm,且套环孔径应超过试坑孔径,因此本次过渡段对填筑压实料的碾压夯实测试中选择了最大孔径为1.2 m的套环,取样深度为压实层最厚,所灌水的薄膜膜厚为0.04 mm,并具有较好的弹性,同时按照《碾压土石坝建筑施工技术规范》DL/T 5129[4]执行。

3.3.2 颗粒级配试验

现场各试验单元内挖3个坑,对坑内的骨料进行全级配筛分试验。试坑直径一般为最大粒径的2～3倍,套环直径应大于试坑直径。

颗粒级配试验,采用圆孔筛。粒径小于等于100 mm的石料采用筛析法分析,粒径大于100 mm的石料尺寸应用尺量测。考虑筛分精度,现场仅进行20 mm以上颗粒筛分,小于20 mm的试样在现场称取不少于4 kg,送室内烘干后进行筛分试验,并将细料筛分与现场粗料筛分连接成全料级配。

3.3.3 含水率试验

一般采用小于20 mm和大于20 mm颗粒试样测定含水率,加权平均计算全料含水率,用烘干法测定。

3.3.4 孔隙率计算

压实干密度相应的孔隙率由下式计算而得。

n=1-(ρd0/Gs×ρw)

(1)

式中:n为孔隙率,%;ρd0为现场填筑干密度,g/cm3;Gs为石料各粒径组加权密度;ρw为水的密度,取值1 g/cm3。

3.3.5 原位渗透系数测试

原位渗透试验采用现场试坑注水试验法。按《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T 5356[4]采用双环注水法进行,仪器设备内环直径22.6 cm,外环直径45.2 cm,高15 cm。

按下列公式计算土的渗透系数的近似值。

KT=Vw/(A×t)

(2)

式中:KT为温度为T℃时土的渗透系数的近似值,cm/s;Vw为在t时间内的渗透水量,cm3;A为内环面积,cm2;t为间隔时间,s。

3.4 现场碾压试验结果

现场碾压试验结果见表6,上水库过渡料筛分结果见表7。

表6 过渡料碾压试验结果汇总

表7 过渡料筛分结果

4 现场碾压试验结果分析

4.1 压实密度及孔隙率

从试验成果可以得出,碾压6遍时填筑料压实干密度满足设计(大于等于2.18 g/cm3)的要求。碾压6遍时填筑料的孔隙率满足设计孔隙率(小于等于20%)的要求。

4.2 试验精度的影响

密度检测误差是不可避免的,应意识到误差的存在并尽最大努力减小误差,试验误差归纳起来主要可能来源于以下方面:灌水时塑料薄膜厚度的影响;试坑壁的松动和粗糙程度,特别对试坑壁凹凸不平的部位应进行处理;试坑直径与试样最大粒径的关系。

4.3 颗粒级配

该次碾压试验填筑料仍含有部分超径含量,在填筑施工过程中应剔除大于300 mm的填筑料。

4.4 影响渗透系数的主要因素

大坝填筑渗透系数的影响因素主要是填料中小于5 mm和0.075 mm的颗粒含量。碾压过程中大于5 mm的颗粒含量较多时,粗料形成骨架则渗透系数较大,当碾压过程中小于5 mm的颗粒含量大于30%时渗透系数主要决定于细料。本次试验的渗透系数为0.012,均满足设计要求(大于0.01)。

5 结论

通过对上水库开采石料时的筛分结果和现场碾压测量结果的研究,采用18 t振动碾、压实厚度40 cm,静碾2遍、振碾6遍,施工工艺达到了工程设计的要求。