高混凝土面板堆石坝坝体填筑碾压参数的拟定.pdf

2 0 0 1 年6 月 中 南水 力发 电 第2 期 高混凝 土 面板堆 石坝 坝体 填 筑碾 压 参数 的拟定 中南勘测设计研究院 朱 家启 刘路平 摘要合理拟定 高馄凝 土面板堆石 坝坝体 填筑碾压 的压实功 能 、 铺料厚 度 、 碾压遍数 、 洒水量 、 铺料方法等参数 ， 是提高坝体压实密度的有鼓措施 ， 此 又 是保证 坝 体 施工 质 量最 基 本 的质 量控 制指 标 。 关键 词高 面 板坝碾 压 参 数 坝体沉陷变形是高混凝土面板堆石坝( 以 下简称高面板坝1 的主要技术问题 。尤其是高 坝更 易产生 大 的变形 量 。过量 的变形会 引起面 板开裂 、 周边缝 张 开 形 成满 水 通 道 ， 有 可 能成 为引发工程 事 故 的起 因 所 以 ， 在 修 建 高 面板 坝时设法减小或控制坝体沉陷变形是坝工界普 遍 关 注的热点 问题 。 大坝 堆石体 压实密度 的高低是影 响坝体 沉 陷变 形量 大小 的主要 原 因 ， 而填筑 材料 良好 的 级 配 和合理 的碾压参数 是提 高压实密度 的关键 要素。当材料级配被确定后 ， 合理地拟定 坝体 填筑 碾压参 数 ， 对 提高压实 密度是至关 重要 的。 1 台理拟 定压实功 能 据 国内和 国外众 多的研究成 果和工程 实践 资料证 实 ， 高功 率 压实机 具 ， 对 提 高压 实密 度 ， 降低孔晾率 ， 具有显著的效果。表 1系国内某 工程 的研究成 果。用 1 6 t 和 1 8 t 不 同 吨位 的碾 压机 具 ， 以压 实密度或孔 隙率 表示 ， 虽然 吨位相 差不 大 ， 但 在 同样 遍数 条 件下 ， 1 8 t 振 动碾 的压 实效 果 明显优于 1 6 t 振 动碾 的压 实效 果 。又如 表 2所列 国外某 工程 的研究 成 果 ： 以 1 2 t 和 1 5 t 两种振 动碾 的压 实 效 果 ， 在 同样 遍 数 条 件 下 ， 1 5 t 振动碾 比 1 2 t 振动碾碾压 的单位沉降率大 4 ， 而孔隙率小约4 ， 碾压 8 遍比4遍的单位 沉降率 大 2 。上 述 成果 表 明 ： 无 论 用 压 实 密 度或孔隙率 以及用单位沉降率表示， 均可见高 吨位 压实机 具 的压 实效 果 是明 显 的 。因此 ， 对 有 高 密度或 低孔 隙率要 求 的高 面 板坝 ， 采用高 吨位 的 压实机具 是必须 的=至于选 用吨位 多大 才合适 此需 结 合 岩性 强 度一 并考 虑 。 因在碾 压过 程 中岩石 将产 生破 碎 ， 破 碎量 与 岩性 强度 高低 和作用力 大小密 切相关 ，并证 实在相 同的 作 用力条 件下 岩 性强 度高的 破碎量 低 于岩性 强度低的破碎量 + 在 同等岩性强 度条 件下 ， 作 用 表 1 国 内不 同 吨位 机 具 礓压 蚊 果表 躲 动碾 层厚 碾压遗数 均 干瘟 平均孔 岩性 ( t ) ( c 皿) ( n ) 度 ( ) 晾率 ( 4 2 1 3 2 2 0 1 6 8 0 6 2 2 1 1 9 1 茅 口组 8 2 2 3 1 8 3 灰 岩 d 2笠 1 8 7 1 8 8 0 6 2 2 6 1 7 2 8 2 3l l 5 4 4 2 1 4 2 0 8 l 6 8 0 6 2 1 6 2 0 0 栖霞组 8 2 2 1 1 8 2 灰 岩 d 2 1 9 1 8 9 l 8 8 0 6 2 2 7 1 5 9 8 2 31 1 4 5 维普资讯 - 4 0 卓雨水力发 电 第2 期 衰 2 国外不同吨位机具碾压 效果表 碾压遍散 振动碾型式 2 i i 6 i 8 i 10 东 德 s y a w l： ( 12 t) 沉 降 6 6 l 8 -5 l 9 8 l 10 5 l l l l4 瑞典 吼 l ( 1 5 * ) 沉降 l 0 3 l 2 4 l 3 6 l 4 5 j 1 5 8 力大的破碎量大于作用力小的破碎量。适度的 破碎 量 对提 高压实 密度是 有利 的 ，但 过量 的破 碎量会 增 加 变形 同时又影 响排 水性 能 ， 且 在 主 堆 石 区或 次堆 石 区将 产 生 负 面效应 。 因此 ， 在 选 用 高 面板坝 压 实机 具 的吨位 时 ， 需 要 同时考 虑以设计文件确定的密度和岩性强度， 在既要 达 到 设 计确 定 的 密度 ， 又要 考 虑岩 性 不宜过量 破 碎 的条件 下 ， 选 择合适 的碾压机具 吨位 2 台 理拟定 填筑层 的厚度 由于施工技 术 的发 展 ， 面板 坝 采用 碾 压 式 施工方法代替抛填式施工方法。用振动碾分层 碾 压堆石体 ， 能使堆石体 达到较 高的密实 度 孔 晾率也随之减低， 致使坝体变形量丈为减小 ， 此 可解决抛填堆石体的大变形与面板不协调的关 键技 术难 题 ， 为 面板 坝的发 展 奠定 了有 力 的基 础 ， 亦是 面板坝不 断向高 度延 伸的关键 因素 。 填筑 层 厚度根 据坝 体分 区的功能 和作 用不 同随之 而异 ， 在 同等压实 功能 条件下 ， 密度 随填 筑层厚度增大而降低 ， 随层厚减薄而增高， 此 已 被诸多的研究成果和工程实践所证实。例如 目 前世界最高的水布垭面板堆石坝主堆石区主堆 石材料 现 场 原 型 研 究 成 果 如 图 l和 图 2中所 示 。两种不 同 的岩性 三种 不 同铺料 厚 度 ， 显示 同一 规 律 ， 6 0 e ra 压 实 效 果 最 好 ， 8 0 c m 次 之 ， l o o e m压实效果均低于前两种 ， 此论证 了厚层 不易被压实而薄层压实效果最佳。对高面板坝 而言， 为提高坝体堆石的压实密度或降低孔隙 率的工程效应 ， 合理拟定坝体各分区填筑层厚 度是非常必要的。根据 目前压实机具功能的实 际条件 ， 以工程实践经验和研究成果为依据 ， 高 面板坝坝体各 区域填筑层厚度 垫层 区和过渡 区为 4 0 c m、 主堆 石 区或 次 堆 石 区为 8 0 c m、 下 游 堆石区填筑层厚度以不超过 l l o e m为宜。 图 1 密度 与层 厚 美 幕 茅 口灰 岩 ) 图 图 2 密度与层厚美 幂( 栖蠢灰岩 ) 图 3合理 拟定碾压 遍数 当压实功能和填筑层厚度被确定后 需要 拟定合理的碾压遍数。一般而言， 在相 同的岩 性条件下， 在某碾压遍数范围内， 密度随碾压遍 数 的增 多而提 高 ， 但 超过某 碾压遍数后 ， 密度就 趋 向稳定 。正如水布垭 高面板 坝主堆石 区主堆 石材料密度与碾压遍数关系研究成果图 3和图 4所示。图 3为茅 口组灰岩 ， 其强度高于图 4 栖 霞组灰 岩 的强度 ， 在 同等 功能 ( 1 6 t 振动 碾 ) 和 3种 不 同铺料 厚度 ( 6 0 c m、 8 0 c m、 l o o c m) 条 件 下 均显示出其密度在碾压 6 遍后趋向稳定。如再 增加碾压遍数效果则不明显。图 4栖霞组灰 岩 维普资讯 第 2期 朱家启刘路平高混凝土面板堆 石坝坝体填筑碾压参数 的拟定 4 l 在与 图 3相 同条 件 下 密 度 在碾 压 8遍 后 才 趋 向稳定。此是 由于栖霞组灰岩强度稍低 ， 在碾 压过程中， 岩块要产生破碎需要多消耗部分能 量， 若要达到强度较高岩性相同的稳定程度， 则 碾压遍数也相应增多。说明遍数与岩性强度亦 相关。因此 ， 对高面板坝合理拟定碾压遍数时， 必须要在岩性 、 压实功能、 铺料厚度确定的条件 下进行 。无论是垫层区、 过渡 区、 主堆石 区或次 堆 石 区 以及 其 它堆 石 区域 的碾 压 遍数 ， 均需 按 设计文件确定的密度( 或孔 隙率 ) 指标 ， 作出密 度 与碾 压遍 数 关 系的研 究 然后 从密 度 与碾 压 遍数的关系曲线中拟定合理 的碾压遍数。 e 臼 凰 3茅 口组灰 岩 密 度与 碾 压 遍数 关 系匦 压 追 技 发 图 4 栖霞组灰岩密度与碾压遍数关系图 4 台理 拟定洒 水量 坝体各分区填筑材料对洒水量有不同的要 求 ， 垫层 区采用半透水性材料 ， 材料细粒径含量 多对 洒水量较 敏感 ， 超 量易产 生孔隙 水压力 ， 量 少又达 不 到应 有 的效 果 。 为此 ， 垫 层 材料 对 洒 水量存有最佳含量 的界 限， 此界限含量对提高 压实密度最有效果 。此界限值需在材料岩性、 级配、 压实功能、 铺料厚度 、 碾压遍数确定之后， 通 过现场 碾压 试验用不 同 的洒水 量绘 出洒水 量 与密度关系曲线 ， 从 曲线中确定此最佳洒水量。 在室 内模 拟条 件 下 ， 亦可 作出 含水量 与 密度 关 系曲线的研究 ， 此曲线确定的最佳含水量 ， 只能 作参考， 不能为依据。其它区域填筑材料 ， 均系 透水 材料 ， 水 在 透水 材料 孔 隙 中 的运 动无 滞 留 条 件 。因此 透 水材料 中洒水只起 两种作 用 ： 一 是起 润 滑作 用 ， 可 减小 碾压 时颗粒 间相互 移 动 时的摩擦 阻力 ， 有利于堆石体的压实 ； 二是岩块 棱触点受到软化 ， 在振动力作用下易于压碎 ， 细 料 可 以填 充 骨架 中 的孔 隙 ， 亦 有利 于堆 石体 的 压实。在透水材料中洒水碾压 的效果已有研究 成 果和工 程实践 资料证 实 ， 如图 5 、 图 6 、 图 7所 示。图中成果表明 ： 无论何种岩性 通过洒水碾 压 ， 沉降率 是 随洒水量 增 多而提 高 ， 洒水量 从 0 增至 5 0 时 ， 全过程仍呈现正面效应 ， 说 明洒 水 量 在透 水 材 料 中没 有量 的界 限 ， 因为在 堆石 体 中的孔 隙是贯穿性 的， 水在孔隙中没有滞留 空 间 洒 下的水 在孔腺 中迅速流 出 ， 所 以只靠洒 水 的持 续时 间过 程起 浸 润作 用 。因此 ， 在 透 水 材料 中水量消耗是大的， 代价是高的。要想在 高面板坝透水材料 区拟定合适 的洒水量 必须 根据研究成果 ， 一方面满足设计文件中确定的 密度要求 ； 另一方面则在力求节约经费条件下 拟定 。 目前 实际工 程 中较 多采用 以填方体积 的 1 5 2 o 的洒 水量 。 琳 i 龟 韵 l 1 f 友 圉 5 茅 口组灰岩洒水压实效 果圉 0 2 4 6 b m 一 一 射 啦 维普资讯 - 4 2 中南水 力发 电 第 2 期 礞匝 孛 盘n，次 围 6 栖 霞组 灰岩 酒水 压 实 效 果围 碾 压 遍散 崮 7 5合理 拟定铺料 方法 面板 坝 坝体 填筑 铺料 方 法 ， 目前 采 用 的有 建进法( 又称前进法) 、 后退法或两者结合法( 又 称混 合法 ) 3种 形式 。后 退 法 铺 料 大 块径 块 石 留在 碾压面 上较 多 ， 形 成 凹 凸不平 ， 平 整 度差 ， 影响振动碾作业和碾压质量 ； 建进法铺料 ， 当汽 车卸下的料 用推土机推平时， 可将表部大块石 较集中地赶至填筑层底层碾压面上， 使石料产 生 一定 的分离 ， 大块石集 中在底 部 ， 较 细 的石料 留在表层 。碾 压后 ， 填 筑层 上部 的 石料 进 一 步 破 碎 ， 形 成 较平 整 的层 面 。该 平 整层 面 会 更有 利于碾压和传播振动荷载 ， 特别是减少汽车轮 胎磨耗 ， 为施工创造更有利的条件 。同时 ， 建进 法铺料运料的载重汽车直接连续行驶在铺料的 层面上 ， 车辆行驶 的能量可产生预压效果 ， 且对 密度 的提高有 正 面效 应 。有 研 究成 果表 明 ， 如 表 3所示 ， 建进铺料法 的压实密度 比后退铺 料 法 的压实密 度约增 大 1 5 。可 见建 进铺 料 法 优于后退铺料法。但是在拟定铺料方法时 ， 需 要根据坝体分 区的实际状况， 分别采用不 同的 铺料方法 ， 垫层 区和过渡区由于填筑宽度小及 材料无大块径块石 ， 宜采用后退铺料法为宜 ； 主 堆石区和次堆石区填筑宽度大而材料大块径较 多 ， 宜采用建进铺料法或混合铺料法。 表 3 不 同铺 料 方 法 的压 实效 果 表 振动碾 铺 层厚 梧承量 碾压 于密 平均 平均 料 遍数 干密 于 l 嚓璋 ( t ) 法 f ) ( ) ( n ) ( f ( ) 2 0 5 d 2 l 9 2 i 笠 2 0 9 2 1 8 6 2 2 6 2 i 8 2 。2 后 2 0 9 退 帅 】 5 l 2 1 9 法 8 2 2 0 2 1 9 】 9 8 2 1 7