土石坝工程及施工技术近况(doc19页)

1、土石坝工程及施工技术近况2 施工新技术简介2.1面板堆石坝挤压式砼边墙固坡技术 挤压式砼边墙固坡技术是面板堆石坝上游坡面的一种新的防护技术。挤压式砼边墙固坡技术（以下简 称边墙挤压施工法） 因其能简便及时地提供上游坡面的保护， 1999 年巴西埃塔面板堆石坝建设中首先采用， 2002年引进我国。 首先在我国黄河公伯峡、 湖北鹤峰和甘肃黑河龙首等电站的面板堆石坝施工中开始应用， 评价较好。边墙挤压施工法的技术优点： 面板堆石坝上游坡面的传统施工，因其繁杂工序，往往自始至终处于进度计划的关键线路，并难以保证密实度和平整度，同时坡面长期无保护，在工程进度、质量和经济少年性上均有较大负面影响。而采用

2、边墙挤压施工法有下列技术优点：1 边墙施工一般速度可达 40 60m/h，在砼成型 12h 即可进行垫层料填铺，两者可同时上升，上游坡面 防护一次成形，不需进行斜坡碾压和削坡处理。2 施工安全性提高。新的施工方法使作业人员大大减少，同时坝脚部位可安全的进行有关作业。3 工程量减少。垫层区不需要超填，面板砼超填现象也可减少。因挤压砼具有与垫层料相近的透水性、密 实度等特点，垫层水平厚度可望减少。4 边墙可提供一个规则、平整的坡面，坡面整洁美观，改善砼面板的接触支撑条件，加之工序简化有利于 施工管理。5 上游坡面的新技术使得工序和施工设备、机具得到简化。坡面施工可随垫层区的上升一次完成，传统工 艺

3、需要的坡面平整和碾压设备、沥青喷涂设备、水泥砂浆施工模具等也可被挤压墙技术取代。6 边墙在坡面形成一个规则、坚实的支撑区域。因其内侧具有直立结构，传统工艺中的坡面斜披碾压可以 完全被对填筑料的垂直碾压取代， 密实度得以保证， 蓄水后这一区域的变形将大大减少。7 对大型工程尤其对导流标准较高的工程，因其提供了一个可抵御冲刷的上游坡面，从而使得坝体导流、 渡汛安全性提高，渡汛建筑物的规模得以降低。8 由于边墙的防护，面板施工可安排在合理时段进行，可延长面板浇筑前的堆石沉降期。据有关资料，一 些大坝的面板开裂是由于坝体填筑和面板施工间隔时间过短所致。挤压式砼边墙施工程序 面板堆石坝垫层区上游坡面的施

4、工工艺流程是：测量放线 挤压式边墙施工 垫层料摊铺垫层料碾压挤压式边墙施工程序： 在每填筑一层过渡料（垫层料）之前，用挤压式边墙机制作出一个半透水砼墙，然后在其内侧按设计 铺填坝料，碾压合格后再挤压制作上层边墙，重复以上工序，参见挤压式砼边墙施工程序图（图2-2-1）。挤压式边墙机介绍见 2-1-4 节。其施工过程为：1 测量放线 对垫层高程进行复核后，确定挤压式砼边墙的边线，并根据底层已成型的墙顶边线作适当调整，使坝 体上游坡面水平方向偏差控制在 5cm 内。根据调整后的边线分段挂线或用白灰标识出挤压机行走路线。2 挤压机 BJY-40 就位用 WA-380 （ 3.0m3）装载机（或其他机

5、械）将挤压机吊运到指定位置，使其内侧外沿紧贴线位。操作 人员调平内外侧调节螺栓， 并查看水平尺， 使其在同一高程； 用钢尺量挤压机出口高度， 使其保持在 40cm。第1页共20页土石坝工程及施工技术近况挤压机就位后，安放挤压边墙三角形端头挡板并予以固定。3 挤压式砼边墙浇筑砼料在拌和楼进行拌制， 6m3砼罐车运至施工现场，采用后退法卸料。待罐车就位后，开动挤压机，并 开始卸料，卸料速度须均匀连续，并将挤压机行走速度控制4060m/h（即就是 1 分钟 1m 左右）。卸料的同时，用自制的量筒均匀地掺加速凝剂溶液。挤压机行走路线以前沿内侧靠线为准，并应根据后沿内侧靠 线情况作适当调整。在卸料行走的

6、同时，根据水平尺、坡度尺校核挤压墙结构尺寸的情况，不断调整内外 侧调平螺栓，使上游坡比及挤压墙高度满足要求。挤压式边墙砼施工时，两端应尽可能地靠近两岸趾板，以减少人工处理量。 砼施工结束后，及时养护。用塑料薄膜或麻袋进行覆盖，设专人进行洒水养护。4 两端与趾板接口处理 接口处砼配合比采用人工法施工配合比，并按施工要求现场掺加速凝剂。 人工立模进行浇筑，每层铺料 10cm，人工用夯锤密实，与趾板结合部位须加强夯实。5 缺陷（错台、起包、倒塌等现象）处理和下道工序对施工中出现的错台、 倒塌现象须挂线用 M5.0 砂浆抹平， 对错台超出设计线的部分， 人工凿除抹灰处 理。处理完成后并经监理验收合格后

7、方可进行下道工序。挤压边墙成型 2h 后，即可进行垫层料的摊铺。 现场施工人员在挤压式边墙上挂高于边墙约 4cm的线绳， 并经高程测量作相应调整， 以作为机械、人工平料的标准。 垫层料采用 20t自卸汽车运输， 后退法卸料。每 车拉料约 7.0m3，每 5m 倒料 1 车。用推土机进行摊铺，摊铺厚度 44cm ，并辅以人工整平，推土机采用后 推法用推刀刮平，人工配合 WA-380 装载机剔除挤压边墙处的超径块石。6 垫层料碾压碾压前在砼边墙布设观测点，以便测定挤压墙的侧向位移。距挤压式砼边墙 10cm ，现场施工员用白灰线进行标识。顺坝轴线方向用自行式振动碾碾压， 动碾 8 遍，振动碾振动频率

8、控制在 27.528.0Hz ，振幅控制在 1.2 1.4mm ，行走速度控制在 1.5km/h 以内，边角用 10t 液压夯板振压 30s，以确保垫层料夯压密实。碾压后，现场施工员布设 2× 4m 方格网，以成型的挤压式边墙顶高程位依据，对边墙内侧垫层料不足 部分采用人工补料至平整， 并碾压 12 遍，使挤压式边墙内侧的垫层料高差在1.5cm以内，若达不到要求，应重新补料碾压，直到满足高程要求。碾后用全站仪（经纬仪）测定挤压墙的侧向位移。边墙截面 边墙截面基本为三角形，上下层连接可视为铰接方式，这可使边墙适应垫层区的沉降变形，其下部不 易形成空腔进而对面板造成不利影响。 2002年

9、 8月公伯峡面板坝施工中，结合上游坡比，并借鉴了埃塔工 程的经验确定断面（见图 2-1-2）。实践表明，这种截面形式有利于挤压机运行和边墙成形，可满足对垫层 料铺填的约束， 也符合我国常规填筑工艺的要求。 边墙顶宽应限制在 12cm 以内，过大的定宽会降低边墙适 应变形的能力。龙首二级水电站大坝上游坡比为 1： 1.5，顶部宽度取为 10cm。墙高取 40cm，与碾压后的垫层料厚度 一致， 内侧坡比设计为 8：1，以便于垫层料碾压， 底部宽度为 75cm；挤压式砼边墙标准断面每延米方量为 0.17m3，每层高度为 0.40m。2.1.4 挤压式砼边墙机 砼一次成形的挤压机械是边墙施工技术的关键

10、环节。适当的挤压力以保证砼成形的同时具有一定的孔隙率 以及与坝料填筑进度相协调的挤压施工速度是挤压机械的基本要求。 挤压机的设计借鉴了道沿滑模的原理， 由于施工对象的不同尤其是砼性能的巨大差异， 挤压机的研制是与砼性能相关联的一项全新课题。2001 年 9 月陕西省水利机械厂经过多方面工作， 以螺旋挤压成型进行设计， 在黑河枢纽工地多次生产 共20页第 2页土石坝工程及施工技术近况 性模拟试验， 并进行了砼材料的施工工艺相关研究， 2002 年 4 月在黄河公伯峡工地结合工程实际生产性试 验成功、 2002 年 9 月公伯峡大坝正式使用，进行挤压式边墙施工。挤压机有关资料介绍如下：1）挤压机结

11、构 后轮、成型仓、搅拌仓、动力仓、液压系统、前轮及转向机构2）挤压机主要机械参数挤压机主要技术参数表型号成形截面 /cm成形方式工作速度（ m/h ）工作方式主泵压力 / MPaBJY-40100×710×400螺旋挤压4080液压25额定功率 /KW最大转角外型尺寸 /cm净质量 kg方向控制最大离地间隙457o20'3660 × 1390 ×11502600机械锁定300mm1：砼边 墙垫层料图2- 1-2边墙典 型截面2.1.5 质量控制1 施工前精心复核和优化砼配合比，尽可能降低水泥用量，以降低挤压式边墙砼的弹模。并将选定的配合 比报监理

12、工程师审批。2 严格控制砼坍落度，确保现场施工坍落度符合设计要求，保证挤压质量。3 拌和楼专人监督，严格把关，按配料单配料，不得擅自更改。4 边墙内侧的垫层料严格按设计要求铺填， 边角部位用 10T 液压夯板夯实， 确保填坝质量。2.1.6 边墙对面板裂缝的影响 已建工程中面板出现裂缝的很多，大体可分为两类：沉降断裂裂缝和温度收缩裂缝（包括干缩裂缝） 据资料介绍大量出现的是温度收缩裂缝。由温度、湿度等环境因素变化引起砼收缩，加之基础约束而在砼 内诱发拉应力，是促使发生裂缝的破坏力，这是外因。砼自身的性能和质量决定砼的抗裂能力，这是内因。 如破坏力大于抗裂能力时，就会出现裂缝，因此在增加砼极限拉

13、伸值的同时，减少基础约束成为面板防裂 的关键。边墙挤压施工法的负面作用是如果砼面板与边墙结合在一起，面板会对坝料产生由台阶形断面所造成 的约束，其剪应力就会更多地从坝体传递到面板，这样那些台阶就会成为面板薄膜料片进行预防，还有采 用一种塑料黏合剂对边墙表面进行喷涂的方法，也有人正在研究其他的预防措施。根据以往的实践经验， 在边墙表面喷洒阳离子乳沥青以改善约束条件，和砼比较乳化沥青极低的粘结强度也可以达到预期的分离 目的。插入垫层的架立筋对约束程度也有一定的影响，改用板凳筋架立钢筋网以进一步减少约束，可以进 行探索。在砼配合比、温控、保湿及施工质量不变的条件下，综合考虑边墙法挤压施工对垫层压实质

14、量、坡面 平整度的改善和延长坝体预沉期的效果，相信，边墙挤压法施工不会增加面板裂缝的可能性。共20页第 3页土石坝工程及施工技术近况2.1.7 经济性比较 边墙挤压施工法对工程质量的提高、进度的加快以及增加导流渡汛的安全性等产生的经济效益是因工 程而异的，但其基本特点与工程经济性要求是完全一致的。传统工艺在上游坡面防护中产生的费用基 本可以归 纳为：垫层超填费用：斜坡的削坡、碾压、整平费用；坡面砂浆或喷涂乳化沥青的施工费用。挤压式边墙 方法在坡面防护中不仅只有挤压砼施工费用而且还可减少同体积垫层料费用。工程所处地理位置的不同如多雨地区可能产生因降水对坡面造成冲刷的后续工作量的增加、可供使用 的

15、垫层料制备成本的不同等不确定因素会使新旧方法的经济性差异有所变化。另外，挤压式边墙技术因探 索阶段，工序计划、生产成本尚待进一步实践，这也是应考虑的方面。挤压边墙技术的直接经济效益还有再探讨的余地，但若综合考虑经济和社会效益，其优越性是不言而 喻的。2.1.8 边墙砼料配合比的试验研究 由于挤压式边墙对坝体结构的改变及约束应力对面板可能产生的不利影响，其砼性能应具备低强度、 低弹模、半透水的特点；为了满足与垫层料填筑同步上升的要求，砼又要具备较高的早期强度；同时也应 注意经济方面的要求。因此，边墙挤压施工法中重要的一环是砼料配合比的研究，必须精心设计，反复进 行室内外试验，确定满足要求的砼料配

16、合比。今将黄河公伯峡和黑河龙首二级两电站的面板坝应用挤压式砼边墙技术中使用的砼料配合比，以及陕 西省水电工程局测试中心的试验研究资料，介绍于下，以供参考。黄河公伯峡面板坝使用 BJY-40型砼边墙挤压机进行固坡施工， 其砼料配合比为： 水泥80kg/m3 ，水灰 比 1.31 ，砂 651kg/m3 ，小石 1449kg/m3 ，外加剂 3，达到了低强度、 低弹模和半透水的要求。摘录自水利水电工程施工手册、土石方工程卷 ） 黑河龙首二级电站挤压式砼边墙砼料配合比 挤压墙砼按一级配干硬性砼配合比设计， 坍落度为 0。经试验， 采用水灰比 1.07（人工法施工为 1.35）速凝剂掺量（）水泥用量（

17、kg/m3 ）砂子（kg/m3 ）小石（kg/m3 ）水（ kg/m3 ）渗透系数（ cm/s ） （9d）抗压强度（ MPa）（28d）砂率（）4.085566138492.15.35×10-31.9529注： 1、弹模为 6626MPa。2、人工法施工时，水量调整为 115kg ，其它量不变。3、用粉状的速凝剂配置浓度为 12的悬浊液可满足速凝剂 4（ 3.4kg ）的掺加要求。挤压式混凝土配合比试验研究1 挤压式边墙砼配合比的设计与试验 配合比的设计研究要考虑三个方面的因素：一是挤压机挤压力的大小，即挤压出的砼密实度与室内成型砼的密实度是否一致，能否满足渗透要求；二是挤压砼的强

18、度和弹模的大小；三是配合比可施工性的要 求。1.1 试验的技术指标 一级配干硬性砼，坍落度为 0.28d 砼抗压强度大约再 9MPa左右，砼渗透系数再 10-210-3 cm/s 范围内，弹模较低。1.2 原材料鉴定1）水泥：耀县生产的秦岭牌 42.5R 水泥，其物理、力学性能合格，见表 1。2）砂子：黑河砂，其物理试验成果见表 2 。3）石子：黑河河床卵石、破碎石，粒径 520mm ，其物理、力学试验成果见表 3。表 1 水泥物理及力学试验成果表共20页第 4页土石坝工程及施工技术近况品种成型日期凝结时间标准稠度/安定性（煮）抗折强度 /MPa抗压强度 /MPa初凝终凝3d28d3d28d耀

19、县秦岭 42.5R 水泥2001.10.177.523.5727.3合格6.210.134.156.6表 2砂料物理试验成果表产地体积质量含泥量/松散密度 / （g/cm3 ）振实密度/ （g/cm3 ）吸水率/细度模数黑河2.680911.761.651.751.12.653.01表 3石料物理力学试验成果表粒径 /mm体积质量超径/逊径/含泥量/松散密度 / （g/cm3 ）振实密度 / （g/cm3 ）吸水率/5 202.711.93.90.150.781.551.770.864）水：拌和及养护砼用水系洁净的饮用水。5）外加剂：咸阳产高效速凝剂。1.3 试验方法1.3.1 模拟挤压试验（

20、采用加工好的试模加压板在压力机上模拟挤压）1）直压法：1 按试配砼装好试模后用加压板在压力机上一次直接挤压成型。 2 用配置好的砼装模，用加压 板分层在压力机上挤压成型。2）振压法：按试配砼装好试模后分层用加压板在压力机上， 边人工敲打边挤压成型。1.3.2 一般方法试验1）人工插捣法：按试配砼装好试模后分层用人工插捣成型。2）振动台振动法：按试配砼装好试模后用振动台振动成型。1.4 砼配合比试验成果及分析1）试验成果见表 4。2）通过试验和比较，模拟挤压显然比一般方 法效果明显， 在掺一定速凝剂， 成型时间同为 3h 的情况下， 模拟挤压出的砼抗压强度较高， 而一般方法成型的砼抗压强 度较低

21、，有些甚至测不出强度， 并且振动挤压的砼成型更接近挤压机成型砼边墙的方式。1.5 试验说明1）本试验所采用的小石均过 5 20mm 筛。2）表 4 推出的配合比中砂、石均以饱和面干状态量为准，砼浇筑前应对原材料的含水量进行实际检查。根 据检查的结果调整单位用水量及其它各材料的用量。2 挤压式砼边墙现场试验 挤压机研制成型以后，在黑河工地进行了现场挤压砼边墙和垫层料铺填碾压的综合试验。表 4挤压式边墙砼配合比设计成果表水泥标号序号水灰比砂率/每方砼中各材料用量 /（kg/m3 ）成型时间（h）成型方式抗压强度/MPa密度/（kg/m3）水泥水砂小石速凝剂/4 秦岭42.5R水泥11.530701

22、0559313822.83直压/213021.5307010559313822.83振压/211531.5307010559313822.83人工插捣/228541.5307010559313822.83振动/229551.4308511958413623.43直压0.6212561.4308511958413623.43振压0.7211871.4308511958413623.43人工插捣/226581.4308511958413623.43振动/229091.253010012557813474.03直压0.92135共20页第5页土石坝工程及施工技术近况101.2530100125578

23、13474.03振压1.02120111.253010012557813474.03人工插捣/2270121.253010012557813474.03振动/2265131.03012512557013305.03直压1.5/141.03012512557013305.03振压2.3/151.03012512557013305.03人工插捣/161.03012512557013305.03振动/170.753015011356613216.03直压1.8/180.753015011356613216.03振压3.4/190.753015011356613216.03人工插捣/200.75301

24、5011356613216.03振动/备注 该配合比均为干硬性砼，砂石料均为饱和面干状态2.1 试验场地准备1）用白灰线撒出了一个长 60m 、宽 40m 的试验场地。2） 220HP 推土机整平、洒水后稍经晾晒，再用 18t 自行式振动碾碾平。3）水准仪控制场地的不平整度小于 10cm 。2.2 挤压砼边墙初期试验1）第一次采用水泥用量 100kg ，砂率为 50的配合比，拌和楼拌制，砼罐车运输，用3m3砼挤压了一道长 15m 的砼边墙，用时 1h15min 。2）第二次采用水泥用量 85kg ，砂率 50和 30的配合比， 拌和楼拌制， 砼罐车运输， 用 6m3砼分别挤压 了两道长 15m

25、 的砼边墙，用时均为 1h 。3）第三次采用水泥用量 70kg，砂率 30的配合比，拌和楼拌制，砼罐车运输，用 3m 3挤压了一道长 15m 的砼边墙，用时 1h15min。4）三次试验均用人工在挤压机料斗内均匀掺和砼速凝剂。5）初期三次试验成果的评价。1 从试验的实际效果看，挤压出的砼边墙都能成型，且具有一定的挤压强度，挤压机在坚实平整的基础上 行走是顺利的。在压实后的垫层区上行走有些困难。2挤压砼所选配合比基本可行。3 挤压机速度过慢，不能满足施工强度要求，应更换油泵，提高速度。4 为了保证砼边墙表面平整度及中线偏差符合要求，并改变挤压机在垫层料上行走困难的状况，挤压机应 更换较宽的轮胎。

26、2.3 挤压机改进后的第四次试验1）采用水泥用量 85kg、砂率 30的配合比，拌和楼拌制，砼罐车运输，在垫层区上挤压施工了长30m 的砼边墙，用时 35min。2）用 12t 自卸汽车拉垫层料，后退法卸料， 220HP推土机整平，最后用 18t 自行式振动碾碾压 8遍。振动 碾用小振幅低频率档位工作。3）第二层挤压机在垫层料上挤压长 30m 的砼边墙，用时 42min。4）第三层挤压机在垫层料上挤压长 30m 的砼边墙，用时 43min。总共三层试验基本成功，挤压机在垫层料 上行走基本正常。5）试验评价。1 挤压式边墙的砼配合比可行，施工性能良好，能满足施工要求。2 挤压机的行进速度满足要求

27、， 且挤压出的砼边墙能够满足 2h 后上垫层料碾压的要求。3 每层用皮尺测量， 30m 长的砼边墙中线综合偏差 57cm，基本满足要求。4 挤压机对砼配合比比较敏感，稍湿的砼行进速度快，稍干的砼行进速度慢。第 6页共20页土石坝工程及施工技术近况5 各次试验垫层料填料碾压时，均未发现明显的边墙侧向挤压位移。3 挤压砼的物理力学性能试验3.1 试样的制备1）在挤压砼试验现场，砼龄期在 7d以后分别取采用水泥用量 70kg、85kg、100kg 配合比的砼试样各 3块。2）用蜡封法测出挤压砼密度，见表 5。用所测出的密度和挤压机挤压边墙砼同配合比成型抗压、抗渗、弹 模试样，做挤压砼的各项技术指标的

28、室内试验。表 5 挤压砼密度测定成果表序号水泥用量/（kg/m3）样原重 /kg（样+蜡） 重/kg注入水 重/kg（蜡+样） 体积/L样体 积/L蜡体积/L密度/（kg/L）备注17017.5518.7821.819.37.931.372.01629.09.7825.825.294.420.872.03637.257.9426.714.43.630.771.99748515.1516.722.039.087.361.722.0582.047511.812.9223.997.125.881.242.007613.0514.0223.747.376.291.082.075710010.0810.

29、7725.745.374.60.772.1912.126813.8514.5524.296.826.040.78-912.8413.8223.797.326.231.092.0613.2 挤压式砼试验成果 挤压式砼物理、力学性能试验成果见表 6、表 7。表 6挤压式砼试验成果表速凝剂掺量 / 水泥用量/（kg/m3）砼密度/（kg/m3）砼抗压强度 /MPa砼渗透系数 / （cm/s）砼弹性模量（ MPa）备注龄期/d强度/MPa龄期/d渗透系数 / （cm/s）龄期/d弹性模量/MPa2.070201671.5692.86×10-29727485204772.2492.02

30、5;10-298624100212672.7492.01×10-29102333.070201671.7292.19×10-29704585204772.429-21.45×10-293980100212673.6396.11×10-2987863.3试验结果分析从表 6、表 7 结果看，挤压砼渗透性能满足与垫层料基本一致的要求，弹性模量小，变形适应能力强，对面板约束力小。砼强度稍低，但能满足挡垫层料的施 工目的。表 7 挤压式砼试验成果表速凝剂掺量 / 砼抗压强度 /MPa砼渗透系数 / （cm/s）备注水泥用量（ kg/m3）龄期/h强度/MPa水泥

31、用量 /（kg/m3）渗透系数 / （ cm/s）2.070200.40704.67× 10-270390.62701.04× 10-28521.50.31852.07× 10-28521.50.42851.96× 10-285240.551002.01× 10-2第7页共20页土石坝工程及施工技术近况85481.31-72721.51-3.085210.53702.45× 10-285210.49701.93× 10-285240.68851.82× 10-285481.34851.08× 10-285

32、721.341006.11× 10-24.08550.12-8560.16-8570.16-4 垫层料的级配与干密度的测试在试验现场测试了挤压式砼边墙内垫层料的干密度和级配，其结果如表8，垫层料的干密度满足要求。5 结论1）砼面板堆石坝垫层料挤压式边墙砼边墙新技术研究开发基本上取得了成功。可以进行生产试验，挤压机 也可以进行正式的批量生产。在生产使用过程中再进一步的完善和改进。2）目前垫层料碾压试验中，未观察到碾压使砼边墙产生明显的侧向位移，应进一步对其进行定量试验。3）砼边墙表面不平整度应进行测试及控制。4）速凝剂的添加方法有待于进一步探讨和研究。本节转录自陕西省水电工程局集团公司

33、测试中心王星照、毕研军、李晨、易永军等撰文。试指 标 序号>808060604040202010105百分含量1011.715.316.414.39.7205.314.317.412.38.930.78.015.716.714.49.0试验指 标 序号颗粒组成 /mm522110.50.50.250.250.1<0.1百分含量15.76.69.45.92.82.225.66.811.79.84.53.432.36.49.99.63.73.6表8垫层料级配试验成果表颗粒组成 /mm2.2 蓝派冲击压实技术在面板堆石体填筑中的应用面板坝发展与压实工艺技术进步的重要关系 从面板堆石坝产生

34、与发展的历史来看，它和压实工艺的进步密不可分。二十世纪初建筑堆石坝还在用 抛石法，密度达不到 2g/cm3、空隙率 30以上。施工期加运行期的总沉降量达到坝高的7。因此当时堆石坝高不足 100m，筑坝技术停滞不前。二十世纪三十年代，瑞典压实机械专家，在1865 年美国所发明光轮压路机的基础上，将压路机设计从静作用增加上振动的概念，开发了基于振动压实原理的振动压路机。第 8页共20页土石坝工程及施工技术近况 六十年代，坝工工程的技术专家将其应用于堆石体填筑：在重力作用下，块石棱角被压碎，在振动效应作 用下，坝料得到嵌填调整，从而使密度提高。沉降变形减少，过量的渗水减少。压实工艺的进步。使堆石 坝

35、的设计高度提高到 200m 级。一般研究认为：变形量与坝高和堆石体的质量即压缩模量有关，大致与坝高平方成正比与压缩模量成 反比。当坝高确定后，要减小坝体和面板的变形量，只有提高堆石体的压缩模量，而压缩模量又与堆石体 压实密度或空隙率密切相关。近半个世纪以来， 振动压路机已经成为 堆石体压实的 经典工艺装备。下面解析一下影响振动压路机压实效果的数学模型：如果以 E表示被压实体的压实度， E 与振动压路机技术参数有下列函数关系：式中P1Ef1(P1)+f2(振动压路机压实轮的线荷载(1)N/cm)A 振动压路机工作振幅（ mm ）振动压路机工作频率（角频率）v 振动压路机的工作速度（ m/s） 为

36、了获得更好的压实效果，振动压路机必须具有足够大的线荷载P1 和振幅 A。线荷载愈大，在堆石体压实中块石棱角愈容易被压碎；振幅愈大，被压坝料愈容易在更深的层面产生振动响应，从而调动更多的 填料颗粒 产生位移，得到更充分的嵌填调整机会， 以便使被压堆石体空隙率减小密度提高。然而，几十年来振动压路机的发展对满足碾压堆石的密实度要求来说几乎已接近到了一个极限。一台 自重十几吨的振动压路机，它的静、动总线荷载不过也就1000N/cm 多一点，振幅一般在零点几至 2mm 之间。它的能量所及对于抗压强度 200MPa 以上的超硬岩石坝料压实中，棱角破碎就受到很大局限，振动响 应的深度也只有 4080cm。因

37、此竣工后在高应力作用下块石棱角还会进一步破碎，嵌填还有较大的继续调 整空间，堆石还会产生较大徐变。至于压实效率 P 可由下式计算：1000BhvP.KB （ m3/h 实方计）（ 2）n式中B有效压实宽度（m）h压实层的厚度（m）v压实作业速度（km/h)n压实遍数KB与现场作业条件有关的时间利用系数。在堆石体压实中， 由于如前所述的压实层厚一般仅为 40 80cm，作业速度 2km/h 左右， 一个台班压实12001300m3，这对于一个填筑方量 8001000 万 m3的坝体填筑工程来说意味着需要投入相当数量的压实 机械和需要一个相当长的填筑工期。2.2.2 蓝派冲击压实技术原理、特点和优

38、越性：1950 年，南非共和国 Berrange先生首创了主要基于冲击压实原理的连续式冲击压实技术和工艺装备。 其原理如下图：牵引机拖动非圆形实轮滚过被压实体地表，压实轮对地表的力学行为是冲击、揉压、碾压综合作用， 压实轮转过最大至最小半径转角，对地表产生冲击；继续滚动中，非圆曲线轮廓又对地表施以揉压、碾压。 因此，就其力学行为来说压实轮作用于地表的除本身的势能外还有冲击中产生的峰值极大的力脉冲，而揉 压、碾压中，作用于被压实体的， 则基本上可认为是压实轮滚动中平动和转动的动能之和。以三边形冲击压实机来说，按计算得出的势能为25KJ，仅凭这一能量当然不足以实现压实，根据牛顿碰撞定理，压实轮轴组

39、件质量为 12t，冲击速度 v是由牵第 9页共20页土石坝工程及施工技术近况 引机行驶速度决定的， 一般为 1215KM/h ，冲击作用时间 t取0.02S，计算其冲击力 F可达 250t。这一巨 大冲击力所输出的能量密度极大，这种冲击连续作用于地表所产生的振动是高能量、大振幅、低频率的， 其振幅为 22CM，频率为 2HZ 左右。冲击之后，压实轮非圆曲线轮廓滚过地面，在揉压、碾压作用下，又对地施以130200KJ 的动能。针对冲击碾压堆石体，可以这样描述和概括其压实机理：在高能量、大振幅的冲击振动下块石棱角破 碎、在振动效应中坝料实现嵌填调整，而后非圆曲线轮的揉压、碾压又使其得以相对稳固。再

40、一次冲击、 揉压、碾压作用，重复上述过程，经过一遍又一遍冲碾作业填料被逐步压密、压实。蓝派冲击式压实机常 用两种机型的主要技术参数见下表机型机重 t压实轮重 t振幅 cm频率 击 / 秒行驶速度 km/h势能 KJ动能 KJ冲击力 tLICP32712221.7121525200250LICP52410202.6121520130200以本文第一部分公式 1，比较冲击式压实机与传统振动压路机的压实能力，替代第一项振动压路机静、 动两种总线荷载的是冲击力， 而冲击力一般为总线荷载的 810 倍；第二项振幅频率乘积与工作速度之比， 冲击式压实机是振动压路机的 1.52 倍，这就使冲击式压实机作用于

41、被压实体，具有更大的压力和更深的 振动效应范围，从而获得更好的压实效果。同时，由于其行驶速度快也就是具有更高的压实效率。根据冲 击式压路机在不同岩土应用中的经验， 它的有效作用深度可达 2M，影响深度可达 35M，压实效率每小时 可达 1000M3。1995 年，南非国蓝派公司将这种技术应用于香港新机场后又将其应用于公路、机场、工业厂房等基础工程 地基处理。 1999年初成立蓝派(北京)公司之后，其应用范围已覆盖我国 23个省市自治区， 做了近百项工 程。就其应用方法来分，相对于传统振动压路机有替代式和补强式两种。替代式即不用振动压路机而直接 用冲击式压实机压实。如填前原地基压实，特殊岩土压实

42、和粗骨粒料直接压实等。补强式作业即在振动压 路机压实的基础上再用冲击式压实机补压，在这种补压中，从所获得的沉降和沉降差异，也使原来的压实 得到检测，从而起到提前发现薄弱环节提前消缺的作用。工程实例：(1) 香港赤腊角新机场填料是风化花岗岩。用振动碾碾压完成后，用承载板测试，压实施加到 0.6MPa 时沉 降 5mm，弹性模量 38MPa。用冲碾压实机冲压 40 遍后，沉降减到 1.2mm(0.6MPa 压力)，弹性模量增长到 170MPa，几乎每冲压 20 遍模量增加一倍。(2) 贵州兴义机场填方总高度 40m，每次填方层厚 1.2m，填料为白云岩， 比重 2.62.7，石料中粒径超过 0.6

43、 的占 80、不均匀系数( d60/d10 )为 5.1，曲率系数 (d30) 2/ (d10×d60)为 1.5。总的填料性质尚可。 经用三边轮冲碾压实机冲压， 12遍时密度达到 2.25g/cm3，28 遍时达到 2.35g/cm3，个别点达到 2.5g/cm3， 空隙率 13 18。用激振力为 50t 的振动压实机做对比试验， 密度仅达到 1.92.1g/cm3，空隙率 19 22。通过工程实践，体现了蓝派冲击压实技术特点和优越性(1) 利用其高能量，可以直接压实零填方或低填方路段原地基，省去了挖掘后分层填筑工序。(2) 对常规压实机械压实后的地基可进行检测 性增强补 压，提前

44、解决工后沉降和工后差异沉降。(3) 对填石地基压实可以增大填筑层厚度，减少空隙率，提高其嵌锁紧密程度。(4) 对旧水泥砼路面高效破碎、 稳固，并将其压实为在其上加铺盖罩面层提供良好的支承。(5) 压实效率极高：压实机行驶速度 1215 公里/小时；每小时可压实 1000平方米；其最大冲击力可达 250 350 吨，压实有效深度 2米，影响深度 35米。在洪家渡面板堆石坝堆石体填筑中的应用：洪家渡面板坝设计单位于 2002年 3月 2日 6月28日在小寨弃渣场进行了包括替代式和补强式两种作共20页第 10页土石坝工程及施工技术近况业形式的 54 场试验，试验场地面积 1750m2，填筑方量约 9

45、000m3。试验用料由卡拉寨石料场供料，石料为 白云质灰岩和鲕粒灰岩。试验中冲碾压实标准及压实参数见表填料冲碾机械设计填筑要求试验值冲碾压实参数干密度（g/cm3）空隙率（%）干密度（g/cm3）空隙率（%）加水量 （%）行驶速度（km/h）铺层厚度（cm）冲碾遍数（ N ）主堆石料三边碾2.18120.022.21018.96151416027过渡料三边碾2.19019.692.23518.04151416027垫层料五边碾2.20519.142.20419.18表面湿润148027次堆石料三边碾2.12022.262.19419.55151416027在试验的全过程中，有关专家所关注的是这

46、样几个核心问题：1 由于冲击力大造成冲碾后级配变化是否满足设计要求；2 堆石层间结合是否紧密；3 冲碾对坝体埋设仪器是否有影响；4 应提出不同冲碾压实参数和被压实物料的设计干密度指标：从试验结果来看 1级配：冲碾后过渡料和主堆石料小于 5mm 和 0.075mm含量均满足规范含量要求，大于 5mm 料细料有所 增加，级配粒径从大到小还是连续分布的。过渡料不均匀系数 Cu为 7.924.7，曲率系数 Cc为 0.91.6； 主堆石料不均匀系数 Cu 为 9.573，曲率系数 Cc为 0.82.7。均属良好级配。 另外，进行了垂直渗透试验， 渗透系数为： 过渡料（2.883.23）× 1

47、0-1cm/s，主堆石料 （3.944.41）×10-1cm/s。均满足自由排水要求。2 堆石层间结合：从现场碾压结果看， 每层层面表面约 10cm较为松散， 相当于天然的表层刨毛， 在上一层的碾压中可使 位于该层底部的块石与先填筑层的结合更好，从试验堆石体用反铲挖掘出的坑槽剖面中看，各层间看不出 层间痕迹，结合紧密。3 冲碾压实对坝体埋设仪器的影响；在冲碾试验中埋设了二支土压力计和四支应变计，试验结果表明，仪器埋设深度在120cm 时，冲碾压实不会造成仪器的损坏。因此冲碾压实不会影响观测仪器的埋设。4 堆石干密度指标；过渡料在铺层厚度 1.6m 时，碾压 27 遍，干密度 2.23

48、5g/cm3（ n18.1）；主堆石料在铺层厚度 1.6m 时，碾压 27 遍，干密度 2.21g/cm3（ n 19）。以上指标均分别大于过渡料和主堆石料设计干密度2.19g/cm3（n 19.69）和 2.18g/cm3（n20.02）。试验结束后， 国家电力总公司贵阳勘测设计研究院于 2002年7月整理编写了 乌江洪家渡水电站大坝 堆石体冲碾压实技术研究报告 （专家咨询稿），报告翔实的记录了试验的背景，方法和所采集的大量数 据。有关专家从技术上采用分析和经济比较两大方面进行了认真的分析研究并提出“冲击碾压实技术在洪 家渡面板坝施工中采用的建议” 。建议指出：“洪家渡面板坝属狭窄河床高面板

49、堆石坝，提高堆石体的密实度非常重要。通过科研评 审，能采用冲击碾压实技术是比较有利的。 ”然而当时的现实条件是洪家渡坝已通过招标选定承包商，并且坝体已填筑到 1025m 高程百年渡汛水位 以上。有关方面经过商务上的协调之后认为主堆石区的填筑已不便采用。根据专家的工程咨询 ：“下游 次堆石区模量与主堆石区相差太大或填筑分期不当，都会使坝顶向下游变位而加大面板上部的拉应力，严 重时导致结构性裂缝。 ”为此，设计单位以提高次堆石料 （3C）设计干密度， 减小次堆石料沉降变形为目的， 提出了“洪家渡水电站大坝堆石冲碾压实技术应用方案” 。方案提出将次堆石料（ 3C）区设计干密度提 高到 2.181t/

50、m3，相应孔隙率 20.02，铺层厚度 160cm，应用部位为次堆石料（ 3C）区，范围与大坝结构 设计图相同的 253万m3填料。在洪家渡电站建设公司的领导和组织下，于 2003年 1月 12日开始，在大坝 次堆石料的填筑中采用了冲碾压实技术，施工场地长200m，宽 100m，场地面积比试验场地大，压实机行驶速度能提上来了，冲碾作用得以充分发挥。具体冲碾方法是，在 1.6m填层表面先用 18t 振碾碾压 8遍， 干密度基本达到 2.089t/m3，再用冲碾 22 遍达到干密度和级配要求。 作业中距边坡让出 11.5m与拐角处一 共20页第 11页土石坝工程及施工技术近况起用振碾补充压实，至

51、3月 14日总计碾压时间为 42 天，填筑高程从 1037m1055m，填筑方量约 60 万 m3。从 3月 15日以后按坝体施工分期填筑坝体上游断面，冲碾再恢复施工。在这一阶段施工中按要求进行了挖坑检测，检测项目有干密度和堆石级配。检测结果见文后所附“冲 击式压实区次堆石料( 3C)密度及级配检测试验结果”和“ 3C 次堆石料颗粒级配曲线” 。(编者注：未引用 全部检测成果)(1) 干密度：灌水法检测中对所挖 2000mm×1600mm 试坑实际体积计算考虑了因塑料布及其与坑壁未完全 密贴的修正系数，取值 1.0256。归纳干密度的检测成果表检测时间01.1501.201.3001

52、.2002.1202.1603.0103.11干密度 /g/cm32.1802.1962.1542.1082.1942.1822.1992.187从表中看出， 8个试坑中有 6个干密度达到和超过主堆石料设计干密度指标，其中第3、4 两个试坑未达到。主要因堆石料中超径石造成压实机出现跳车而影响了行走速度，使速度不足10km/h，影响了压实效果，后来分别在这两层增加冲碾遍数 5遍和 10遍，使这两层在 27遍和 32遍冲碾作用下达到了要求， 以后 再也未出现过这种现象。(2) 级配：在对冲碾压实次堆石料的级配检测看出， 400mm 以上的大粒径料略偏小，但却在次堆石料上、 下包线包容范围内，而且已基本达到了主堆石级配曲线