肯斯瓦特水利枢纽砂砾石坝料试验成果报告

目录
1、工程概况 (2)
2、坝料设计要求 (2)
3、试验目的与内容 (3)
4、试验用料的确定 (3)
5、最大、最小干密度标准的推求结果 (3)
5.1配料 (4)
5.2试验场地 (4)
5.3碾压机具 (5)
5.4碾压 (5)
5.5密度测定 (5)
5.6结果整理 (6)
6、砂砾石坝料碾压试验 (7)
6.1碾压试验场地处理及规划 (7)
6.2试验用主要设备 (8)
6.3试验场次及参数组合 (9)
6.4碾压试验工艺及现场检测方法 (9)
7、碾压试验成果整理 (10)
8、碾压试验的结论 (14)
1、工程概况
肯斯瓦特水利枢纽工程位于天山北麓的玛纳斯河上，是一座具灌溉、防洪、生态保护和发电等多功能的综合利用水利工程。

工程坝址位于清水河与玛纳斯河汇合口下游约500m处，主要建筑物有：拦河大坝、导流泄洪洞、溢洪道、引水发电洞和发电厂房等，工程规模为大（2）型一等工程，主要建筑物等级为Ⅰ级。

拟建水电站装机容量100MW,拦河大坝为混凝土面板砂砾石坝，最大坝高129.4m，坝顶高程
996.60m，坝顶长度475m,正常高蓄水位990.00，死水位955.00m，总库容1.88亿m3。

2、坝料设计要求
根据施工要求，在大坝施工前需进行碾压试验，以取得坝体填筑料的最优施工工艺参数，保证大坝填筑的施工质量。

设计坝料类别主要有：坝壳料、垫层料、排水体料、利用料，本次碾压试验需要针对以上坝壳料和排水体料两种料进行。

各种坝料的质量要求、填筑要求等，见表1。

表1 坝体填筑料主要设计指标
3、试验目的与内容
3.1试验目的
（1）验证坝体填筑设计压实标准的合理性，通过碾压试验对原设计的压实密度进行验证；
（2）检验20t拖式振动碾和25t自行式振动碾的适用性及其性能的可靠性；
（3）通过试验确保达到填筑标准的压实方法（含铺填卸料方法、振动碾行车速度及振动技术性能、免加水碾压效果等）；
(4) 通过试验确定大坝填筑时的施工碾压参数；
（5）分析比较所选填筑料碾压前后的级配变化。

3.2试验内容
（1）碾压机具选定后，通过人工合成不同细料含量的级配料进行碾压试验，绘制最大干密度、最小干密度与含砾率（P5）关系曲线，进而也可换算出在不同控制标准下（Dr=0.75、0.80、0.85、0.90）的现场碾压干密度与含砾率（P5）关系曲线，称之为标准曲线，为将来坝体填筑碾压提供可靠的密度控制依据。

（2）对坝体砂砾石料、排水体料分别进行不同铺土厚度（拟选择60cm、80cm、100cm、120cm）、不同碾压遍数（6遍、8遍、10遍）的组合碾压试验，了解不同区域的铺料方式、铺料厚度、碾压遍数、行车速度的压实效果。

（3）试验过程中应进行相应的检测项目，主要包括沉降量、干密度、渗透系数、碾压后颗粒破碎情况等试验。

4、试验用料的确定
根据设计要求，确定采用C2料场砂砾石为试验用料。

根据料场勘察的各组颗粒
分曲线进行统计分析，对每组料最大粒径Dmax、特征含量d
10、d
15
、d
60
、d
85
、d
100
及
参数Cu、Cc等进行统计，得到其均值与方差，分析料场级配的离散程度。

5、最大、最小干密度标准的推求结果
砂砾料特征的压实标准以相对密度控制，施工前先依据设计给定的填筑料关键颗分控制表，在通过试验确定特征料的最大和最小干密度。

根据《土工试验规程》（SL237-054-1999）中规定了粒径小于60mm粗粒径土的相对密度试验方法，确定本次碾压试验采用现场实测全级配砂砾石坝料的最大、最小干密度的方法开展研究工作。

设计填筑料关键颗分控制表
5.1配料
为得到较可靠的标准曲线，以设计给定的坝料上、下包线细料含量作为边界，分别选择细料含量为15%、20%、25%、30%、35%、40%、
45%进行人工掺配，每组级配料用量30m3左右。

经过现场人工掺配，通过人工掺配15%、25%、35%、45%四个级别的取样检测，这四个级别的5mm 以下含量分别为21.8%、31.0%、40.9%、51.4%。

5.2试验场地
试验场地（P5）试验选择在C2料场近旁处砂砾石地基上，经过平整后用25t 自行式振动碾进行碾压处理，地基基本不沉降后，基面平整坚实，表面平整度小于10cm ，场地布置如图1所示。

⊕：渗透沉降量观测点 Ο：干密度 级配测点
图1 标准曲线碾压场地布置图
5.3碾压机具
碾压试验碾压设备采用沃尔沃SD251DXS全液压振动压路机和拖式振动压路机，参数如表2、表3。

本次标准曲线碾压试验采用沃尔沃SD251DXS全液压振动压路机进行碾压试验。

表2 碾压设备主要技术参数表
5.4碾压
本次按拟定的100cm厚度铺设，人工掺配的砂砾料采用推土机使用后退法平整铺料。

在用自行式振动碾两遍，使掺配料表面稳固，以利于把地基基面上的控制点反射上来；然后用沃尔沃SD251DXS全液压振动压路机对人工级配料进行碾压试验，先采用强振20遍，再弱振5~10遍；在振动的过程中为防止颗粒离析现象，适当的调整了振动频率，通过用水平仪测定其沉降率为0时，认为级配料达到了最大密实度，方停止振动。

5.5密度测定
本次P5标准曲线的密度测定，为保证试验精度及准确性，全过程均有监理和业主全程监控，试验采用了灌砂法测定干密度，每个单元测定碾压密度2次，取其平均值。

对每个孔挖出的砂砾料使用固定体积法测定相应最小干密度值，样桶采用直径100cm、高 100cm的钢制圆桶，在每个单元中部设两个变形观测点，进行碾压后变形量观测及渗透试验。

5.6结果整理
在上述试验基础上绘制了最大、最小干密度-P5关系曲线，用于施工时确定相对紧密度的分析计算。

相对密度与P5曲线的控制关系和填筑前后颗粒大小分配曲线详见（兵建【2010】报告002-2号）文件：关于现场做P5试验的试验报告。

通过对人工级配砂砾料的P5碾压试验，确定了C2料场天然砂砾(Dmax=400mm)含砂率P5，与干密度对应关系，见表4
通过对人工级配砂砾料的P5碾压试验，确定了C2料场天然砂砾(Dmax=400mm)含砂率P5，与干密度对应关系，按不同碾压标准换算出相应的碾压干密度，绘制出碾压干密度与含砂率的关系曲线，可作为今后坝体填筑碾压的控制标准，见图2所示。

天然砂砾含砂率P5'最大干密度最小干密度
控制干密度（Dr=0.85）控制干密度（Dr=0.80）控制干密度（Dr=0.75）
%g/cm3g/cm3g/cm3g/cm3g/cm321.831.040.951.42.341.782.232.202.17
2.391.862.292.262.23 2.232.272.301.852.40 2.351.802.252.212.18
表4
1.70
1.801.90
2.002.102.202.302.40
2.50干密度（g/cm3）
控制干密度（Dr=0.85）控制干密度（Dr=0.80）控制干密度（Dr=0.75）
图2
6、砂砾石坝料碾压试验
6.1碾压试验场地处理及规划
坝料碾压试验场地根据实际情况项目部确定在坝基现场内进行试验，场地的处理采用推土机平整后，用25t沃尔沃SD251DXS全液压振动压路机进行碾压处理，当地基碾压至基本不沉降后（检测采用水准仪测量控制），在其上铺填厚度平均为
30cm的砂砾料（垫层料d〈80mm）,并用机械配合人工进行找平，再用振动碾碾压至水准仪测不出沉降为止。

经检测平整度起伏差小于10cm，最大高低差小于30cm。

本次砂砾石坝料碾压试验，拖式振动碾按4种铺土厚度、3种碾压遍数进行12种情况组合，共分12个碾压单元，每个单元尺寸6m*6m，周边填2~4m寛约束料。

场地布置如图3所示。

本次砂砾石坝料碾压试验，自行式振动碾的碾压试验是根据拖式振动碾碾压试验的初步成果，确定为两种铺土厚度、3种碾压遍数进行6种情况组合，共分6个碾压单元，每个单元尺寸为6m*6m，周边填2~4m寛约束料。

场地布置如图4所示。

图3 拖式振动碾碾压试验场地布置图
⊕：沉降量观测点 Ο：压实密度测点 h:铺料厚度 n：碾压遍数
（）：括号内为清除第一次排水体料试验区后，在做的第二次排水体料试验区
图4 自行式振动碾碾压试验场地布置图
⊕：沉降量观测点 Ο：压实密度测点 h:铺料厚度 n：碾压遍数
6.2试验用主要设备
为了确保碾压试验的成功，本次砂砾石坝料碾压试验，投入的机械设备主要有：装载设备、运输设备、拖式振动碾、自行式振动碾、高精度水准仪DZS3-1、称量设备、50m钢卷尺、100m直径钢环、磅秤等。

针对砂砾石坝，主要采用拖式振动碾进行施工，自行式振动碾配合施工，因此本次碾压试验，采用拖式振动碾和自行式振动碾进行碾压试验。

投入的主要机械设备见表5。

表5 碾压试验主要施工机械配置表
6.3试验场次及参数组合
根据坝料的区分，按不同铺料厚度、碾压遍数等进行试验，本次坝料碾压试验主要针对砂砾料和排水体料，其场次及参数组合见表6。

表6 坝料试验场次及参数组合
1）结合坝料的最大粒径，最大粒径的确定直接影响到料场的施工和料场的利用率，因此来铺料厚度。

2）铺料厚度与碾压机械设备的有效影响深度范围相结合。

3）碾压厚度与坝体分区填筑，确保填筑坝面平齐，均衡上升。

6.4碾压试验工艺及现场检测方法
拖式振动碾和自行式振动碾的碾压试验工艺及现场检测方法相同。

第一步测量放线：在选定的场地上，用白灰线按布置要求布设试验场地的大边框。

第二步试验场地的平整：先用推土机平整场地；在用垫层料对整个场地进行找平，场地的平整度控制在10cm以内，最大高低差小于30cm；再对整个场地进行碾压，直至场地的沉降接近0时为止。

场地的沉降采用DZS3-1水准仪进行控制。

第三步试验场地的测量放线：在碾压好的场地上，按布置要求用白灰线布设试验分区并在场外设置分区控制及技术要求标牌。

结合分区控制，在各测点上用白灰标记，并进行水准测量，获得高程基准。

第四步铺料平整：采用自卸车运料至试验场地规定点卸料，采用后退法铺料，按计划要求的铺料厚度用推土机摊铺整平，同时用带有高度标记的竹竿控制铺料厚度，厚度误差控制在±5cm范围内。

第五步 碾压前测量：用50m 钢卷尺对第三步记录的各测点对应放线，并用白灰标记各测点，然后实测并记录各点初始高程，核对铺料厚度。

第六步 碾压：采用先静碾后动碾，按前进、后退全振不错位法进行碾压作业，两条碾压带之间的搭接宽度为10~20cm ，往返一个来回为碾压两遍。

碾压中的测量：拖式振动碾进行碾压过程中，对其进行了行走速度的测定平均为2~2.3km/h ，
第七步 碾压后的测量：以此每完成碾压两遍后，对各区的标记点进行一次碾压后的高程测量，与前一次的高程对比，求出碾压后各点的沉降值，并计算试验分区内的沉降平均值，并绘制沉降值~碾压遍数关系曲线。

第八步 干密度及级配检测：达到碾压遍数后，先用灌砂法测定了一次（60cm 铺料厚度）标记点的干密度，以后全部的干密度检测均用灌水法测定，绘制干密度~碾压遍数关系曲线。

第九步 渗透试验：在碾压作业面上选取测试点，采用单环法进行渗透系数的检测，以评价坝料的透水性能。

7、碾压试验成果整理
通过上述碾压试验绘制出拖式振动碾碾压遍数与干密度关系、碾压遍数与沉降值关系，如图5-图7(0~400mm 天然砂砾料)。

2.10
4
6810122.20
2.30
2.40
铺料厚度60cm
铺料厚度80cm 铺料厚度100cm 铺料厚度120cm
干密度
碾压遍数n
图5 干密度~碾压遍数关系曲线
0.64681012
0.8
1.0铺料厚度60cm 铺料厚度80cm 铺料厚度100cm 铺料厚度120cm 相对密度
碾压遍数n
图6 相对密度~碾压遍数关系曲线
0.7
0.90.5
通过对拖式振动碾碾压试验绘制出拖式振动碾碾压遍数与干密度关系、碾压遍数与沉降值关系后；针对初步选定的铺料80cm 和100cm 厚度，再用自行式振动碾作出碾压试验，绘制出自行式振动碾碾压遍数与干密度关系、碾压遍数与沉降值关系，如图8-图10所示（0~400mm 天然砂砾料）。

通过上述碾压试验绘制出拖式振动碾对排水体料的碾压遍数与干密度关系、碾压遍数与沉降值关系，如图11-图13(5~150mm 天然砂砾料)。

146
810235铺料厚度60cm
铺料厚度80cm 铺料厚度100cm 铺料厚度120cm 沉降率/%
碾压遍数n
图7 沉降率~碾压遍数关系曲线
2406789均厚61cm
均厚101.2cm 均厚118.5cm
均厚80.7cm
相对密度
碾压遍数n
图9 相对密度~碾压遍数关系曲线0.70.90.5
2.10
6810122.20
2.30
2.40铺料厚度80cm 铺料厚度100cm
干密度碾压遍数n
图8 干密度~碾压遍数关系曲线
0.6681012
0.81.0铺料厚度80cm 铺料厚度100cm 4
12
16
81035铺料厚度80cm
铺料厚度100cm 沉降率/%
碾压遍数n
图10 沉降率~碾压遍数关系曲线240
6789
通过在碾压8遍后的碾压作业面上选取测试点，采用单环注水进行渗透系数的检测。

检测结果：渗透系数K ≥6.06*10-1cm/s 。

详见试坑单环注水试验报告：
1.85
4
6
810
12
1.95
2.05
2.15铺料厚度60cm
铺料厚度80cm 铺料厚度100cm 铺料厚度120cm 干密度
碾压遍数n
图11 干密度~碾压遍数关系曲线
0.64681012
0.8
1.0铺料厚度60cm 铺料厚度80cm 铺料厚度100cm 铺料厚度120cm 相对密度
碾压遍数n
图12 相对密度~碾压遍数关系曲线
0.7
0.90.5
146
810235
铺料厚度60cm
铺料厚度80cm
铺料厚度100cm 铺料厚度120cm
沉降率/%
碾压遍数n
图13 沉降率~碾压遍数关系曲线
24067
8
9
均厚59.5cm 均厚105cm
均厚118cm
均厚82cm
8、碾压试验的结论
通过上述碾压试验得出的数据，可以初部确定大坝施工的碾压机具为：20t拖式振动碾,坝壳料的碾压遍数为8遍、铺料厚度80cm,行车速度2~2.5Km/h,激振力
500~600KN，可以达到Dr＞0.85。

通过上述碾压试验得出的数据，可以初部确定大坝施工的碾压机具为：25t自行式振动碾,坝壳料的碾压遍数为10遍、铺料厚度80cm, 行车速度2.5~3Km/h,激振力368/137KN，可以达到Dr＞0.85。

通过上述碾压试验得出的数据，可以初部确定大坝施工的碾压机具为：20t拖式振动碾,排水体料的碾压遍数为8遍、铺料厚度80cm, 行车速度2~2.5Km/h,激振力500~600KN，可以达到Dr＞0.85。

因此初部确定大坝施工时的铺料厚度控制在80cm，可以使用20t拖式振动碾及25t自行式振动碾进行施工。

新疆生产建设兵团建设工程（集团）有限责任公司
肯斯瓦特水利枢纽工程项目部
2011年4月30日。