面板堆石坝采用冲碾压实技术的研究和探讨

面板堆石坝采用冲碾压实技术的研究和探讨
杨泽艳,文亚豪,罗光其
(国家电力公司贵阳勘测设计研究院,贵州　贵阳　550002)
摘　要:高面板堆石坝堆石体密实度是影响坝体变形的主要因素,目前的振动碾碾压技术已不能将堆石体密实度进一步提高,而冲碾压实技术可以提高堆石的密实度,并可极大地提高碾压速度。

文章对冲碾技术在面板坝施工中的采用进行了研究和探讨,提出该技术是改进面板堆石坝坝体变形和施工技术的新途径的新思路。

关键词:水利工程施工;高面板堆石坝;坝体变形;冲碾压实技术
中图分类号:TV54111 文献标识码:B 文章编号:100720133(2003)0120045203
0　概述
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中国1985年引进面板坝技术,由于其经济性的突出特点而得到飞速发展,已建成了一大批面板坝。

天生桥一级水电站面板坝的建设,标志着中国面板坝建设技术正在向200m级规模迈进。

正在建设的洪家渡(高17915m)、水布垭(高232m)、三板溪(高185m)等高面板坝将把中国面板坝筑坝技术提高到一个新的高度。

目前面板坝的设计和施工技术已经相当成熟,但是高面板坝的坝体变形问题仍不尽如人意,施工技术尚待发展,为此提出冲碾压实技术与同行共同探讨。

1　高面板堆石坝的坝体变形
坝体变形特别是沉降变形可能引起面板裂缝、周边缝张开和止水的破坏,如天生桥面板裂缝多达1200余条以上,巴西辛戈坝由于面板开裂引起较严重的漏水等。

尽管面板坝坝型的采用已很广泛,但面板坝的变形问题限制了面板坝坝高的增加(其坝高的提高始终不如混凝土坝和土坝等),因此研究面板坝的变形将是一重要课题。

111　坝体材料性质
面板坝的坝体材料最常用的有砂砾石料和爆破堆石料2种,其中砂砾石面板坝坝体沉降变形仅为堆石面板坝的1/5。

碾压堆石总体沉降量较小,但在坝高达到一定水平(200m级)后坝体沉降就变得较大,这是因为开挖的堆石料棱角突出,虽经加水碾压部分棱角破碎,但竣工后在高应力作用下块石棱角还会进一步破碎,嵌填还要不断调整。

而砂砾石料由于表面光滑无棱角,易于压实到较大的干密度和较小的孔隙率(n≤15%),变形模量E v≥300～350MPa,而碾压堆石料E v很难超过200MPa,这就是高面板堆石坝沉降变形较大的原因之一。

112　河谷形状
根据已有工程的观测资料,狭窄河谷坝体变形具有初期较小、后期由于堆石体的蠕变作用而随着时间增长而有所增加的特征。

一般宽河谷坝建成3年坝体沉降可完成,而狭窄河谷坝却需要10年以上其变形方可趋于稳定。

计算表明,因河谷狭窄,坝体变形拱效应显著,坝体变形梯度大。

为了减小坝体变形,可能的途径就是提高施工期堆石体的压实密度减小孔隙率,让发生在后期的堆石破碎、嵌填调整在坝体施工期提前大部分完成,以减小施工期和运行期的沉降量,从而对面板和周边缝的应力和变形带来极大的好处。

2　冲碾压实技术的应用研究
面板坝之所以采用广泛,其中的一个重要原因就是其施工速度快。

但对高面板坝,往往大坝施工仍然是工程关键线路上的控制性项目。

因此,在保证和提高质量的基础上加快筑坝速度以期提前整个工程工期,无疑对提高经济效益和增强水电的竞争力有很大的意义。

目前坝体堆石碾压经典的技术是振动碾碾压技术,其施工速度和碾压堆石的密实度已基本到了一个极限。

而冲击碾压机压实技术以其高冲击力和施工高速度,为面板坝堆石碾压另辟捷径,它可以提高堆石密实度和加快施工速度,是值得探讨和研究的一种碾压技术。

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第17卷第1期 贵州水力发电
GU IZHOU WA TER POWER
2003年3月
①收稿日期:2002208215
作者简介:杨泽艳(19622),男,湖北省老河口市人,一级注
册结构师,高级工程师,现任院副总工程师,从事
水电工程设计及技术管理工作;文亚豪(19402),
男,河北省邢台市人,高级工程师(教授级),原院副
总工程师,从事水电工程设计及技术管理工作。

(注:参与本文撰写的还有席灿勇、张晋秋2位同
志。

)
211　冲碾压实技术国内外应用情况
目前,在高速公路、机场等建设领域,已经比较广泛地使用了冲碾压实技术,且有许多成功的例子,其机具为南非的蓝派(LANDPAC )冲击压实机。

通常经振动碾压后的工作面,用冲击压实机检验性碾压后,沉降可再下降5～10cm 。

香港机场填海工程,经振动碾压实后,再用冲击压实机检验性碾压,效果很好,最后改用冲击压实机进行压实。

贵州兴义机场试验表明,密度约216～217t/m 3的白云质灰岩堆石料,经28遍冲碾压实后(约每分钟1遍),堆石体干密度普遍达213～214t/m 3
,个别点达215t/m 3
,空隙率仅为13%～18%。

但是该冲碾压实技术在水电界尚未有使用的例子。

212　冲击碾压原理及几种压实技术
当前,堆石压实技术主要有夯实与碾压两大类。

主要的可参予比较的压实方法有强夯、振动碾压和冲击碾压3种。

强夯是靠夯锤从高处自由落体产生的冲击力,从地表传入土中的压力波起压实作用;振动碾压是靠高频振动使土体处于运动状态,土粒间阻力大大减少,在静重和压力波的动力作用下使土体得到压实;冲击压实的碾压主体为三边至六边形的等边多边形的压实轮,其压实是靠冲击力、振动力和碾静重三者的共同作用,即:冲击力是压实轮突起块从最高点快速砸向地面的冲量、振动力是压实轮以较快速度旋转和跳动形成振动、压实轮碾静重滚动作功。

强夯击振力很大,可达10000kN 以上,由于击振力太大,对周围约束要求高、效率低,主要用于机场、填海等工程。

大坝上下游方向为临空面,无约束,强夯对块石破碎也很厉害,施工中不宜采用此项技术。

213　冲击压实技术与振动碾压技术比较
振动碾压为低幅/高频交替运动,振动频率为25～30Hz ,振幅一般仅为2mm ,激振力为其自重的2～3倍,约300～500kN ,影响范围小,通过薄层(层厚一般为014～116m )碾压6～10遍可获得较好的压实效果,这是现代面板坝使用的技术。

冲击压实为高幅/低频交替运动。

冲击压实机的碾轮由1台轮式拖拉机以8～12km/h 的速度沿地面拖拽,通过接触地面和交替地抬高碾轮上的点再向下砸落到压实表面的方式来使碾轮旋转起来。

这种方式产生了一系列高冲击、高振动的撞击力,其振幅高达22cm ,频率仅为2Hz 。

研究表明,大振幅振动使被压的物料参加振动的质量更高。

从势能转化为冲量的计算,冲击压实力会随压实机型号的不同在2000～4000kN 之间变化。

有效压实深度为115～215m ,压实度在90%～105%之间。

3　采用冲碾压实技术需解决的问题
由于冲碾压实技术在堆石坝施工中国内外尚无采用的先例,在面板坝堆石填筑中采用冲碾压实技术尚有以下技术难点需要解决:
(1)由于冲碾冲击力大造成堆石级配的改变,通过对冲碾压实前后堆石料级配变化的分析,以及对堆石体的渗透性及碾压层骨架的充填结构性状的研究,从而判断冲碾压实后的堆石体是否满足面板坝规范的要求;
(2)研究堆石层间结合性状、机理;
(3)冲碾压实对坝体埋设仪器的影响;(4)提出冲碾压实物料的设计干密度指标;(5)研究其经济效益。

4　冲碾压实施工技术分析
411　级配分析
对于堆石碾压后的级配,库克和谢腊德提出的堆石标准为:最大粒径不大于铺层厚度,平均级配中小于4176mm 的颗粒含量小于20%,小于01075mm 的颗粒含量小于10%。

在此基础上,高
面板堆石坝在设计上提出了更高的标准。

碾压堆石料良好的级配主要是为了获得较高的变形模量(低压缩性)和高抗剪强度以及良好的排水性能。

冲碾压实技术比振动碾压技术的冲击能量大,必然会对堆石产生较大的破碎作用。

这会不会造成因细粒含量太大而造成堆石缺乏骨架而降低坝体的稳定性?从试验情况看出,其破碎情况并不严重,冲碾碾压细料含量的增加,并未造成堆石料级配的根本改变,级配粒径从大到小还是连续分布的,因此并不会造成堆石体缺乏大粒径而削弱了骨架作用,也不会削弱岩块间的楔入和咬合作用。

而且现在对堆石中细料含量的认识发生了很大的变化,一定细料含量对堆石的力学性质和施工性能是有利的。

库克指出:“对于硬岩,每层堆石的卸料和摊铺方法是有意使其分离的”。

这样,层面的细料对机械操作有很大的好处,每一层堆石的强度对上层细料是其高密度,对下层块石则是通过相互间的楔入和咬合传递能量。

另外,现在的高面板坝多数是以砂卵石为主填筑的,它的力学指标是靠填筑层的密实度获得,而不具备大块物料的相互楔入和咬合,它的力学性能是优于开采石料的,主要是要解决排水问题。

同理,冲碾压实对物料的破碎不影响其力学性能,而其渗透性通过试验证明是良好的。

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64・第17卷第1期 贵州水力发电 2003年3月
412　密度分析
兴义机场的现场试验采用白云质灰岩作机场填筑层冲碾压实试验,试验层厚为80～120cm ,在碾压24遍后干密度均达到213～214t/m 3。

洪家渡的灰岩堆石料碾压试验,层厚有80,120,160,200cm ,碾压27遍后从满足设计密实度的角度出
发,过渡料和主堆石料填筑层厚从80～160cm 均可满足要求,过渡料的干密度为2123～213t/m 3,主堆石料为2121～213t/m 3,但从施工模数方便和提高效率的角度出发,以填筑层厚160cm 较好。

由于冲碾压实技术可以使碾压堆石获得较高的密度,对于高面板坝就提供了提高堆石密实度的可能
性,从而提高堆石体的变形模量和抗剪强度,以减少堆石体的变形。

413　填筑层层间结合分析
从现场碾压结果看,特别是三边碾,表层10cm 在碾压后较松散,不如振动碾压的密实度高和表面光滑。

对振动碾的光滑层面,库克认为:“先填筑层的光滑表面是有利的,大块石与此表面的接触至少有三点,细料的刨毛和去除是不必要的。

”尽管这样,冲击碾压的先填筑层的表面相当于天然的刨毛,在上一层的碾压中可使位于该层底部的大块石与先填筑层的结合更好,这可从试验堆石体的反铲挖掘出的坑槽剖面中看出这一好处,见图1。

图1　碾压堆石填筑层结构
414　冲碾压实对坝体埋设仪器的影响
在冲碾试验中埋设了2支土压力计和4支应变
计,试验结果表明,仪器埋设深度在80cm 时,冲碾压实不会造成仪器的损坏。

415　工艺分析
(1)冲碾压实技术对面板坝垫层料、过渡料、
主堆石料和次堆石料碾压均适用。

垫层料碾压由于其上游边缘对行驶振动碾比较危险,故可用振动碾碾压,但由于振动碾只承担这一部分的振压施工单一,可以与其他部分的冲碾施工速度相匹配。

(2)冲击碾压的场地长度要求要大于60m 才能达到所要求的铭牌速度;宽度要求最小18m ,以便能顺利转弯。

(3)冲击碾压的铺料与平场。

只要按前进法铺料、推土机平场,无论三边碾还是五边碾,都可直接进行碾压而不需振动碾先进行平整。

(4)边角需要辅以振动碾和夯板辅助。

一方面将这一辅助工作量减到最小,另一方面由于主体密实度大,边角部分的楔形体方量很小,在坝轴方向
一边受基础约束,另一边受碾压堆石主体的约束,其本身较密实,不可能有不利的变位产生。

416　经济分析
(1)冲碾较振碾压实层厚(为振碾碾压层厚的115～2倍)和碾压速度快(为振碾的6～10倍),其压实速度为振碾的3～5倍,可以加快堆石填筑速度,且由于可以加快堆石的沉降变形,使面板的施工时机受限少,可以提前进行面板施工,从而将加快施工进度,也有利于在施工进度滞后的情况下争抢工期;另外,冲击压实用于增强补压可以起到检测作用,同时也就起到了消缺作用。

(2)单就冲碾和振碾碾压造价比较,根据兴义机场堆石试验分析,冲击压实堆石造价为振动压实堆石造价的77%。

在面板堆石坝上采用,按公路实际单价为0125元/m 2遍计,估计堆石碾压27遍单价为412元/m 3。

就洪家渡而言,如果按设计干密度标准,表面湿润碾压27遍即可满足要求,洒水量按节约90%计,每m 3堆石可节约水量0118m 3合0132元,则碾压堆石单价为3188元/m 3。

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74・杨泽艳,等:面板堆石坝采用冲碾压实技术的研究和探讨 2003年第1期。