阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝筑坝砂砾料现场碾压试验研究

刘启旺1，2　王志坚3　杨正权1，2　孟　涛3　王查武1，2，4　王　龙1，2

（1.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所；2.水利部水工程抗震与应急支持工程技术研究中心；3.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司；4.三峡大学水利与环境学院）

摘　要：阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝大坝复合最大坝高超过250m，进行现场碾压试验和配套相对密度试验，研究坝料的压实特性，以验证和确定填筑标准，综合确定合理的大坝施工碾压参数，对于保证大坝施工质量、控制大坝变形有重要意义。开展了阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝筑坝砂砾料现场碾压试验，通过多工况对比分析，深入研究了碾压遍数、铺土厚度、洒水量等因素对坝料压实特性的影响规律，确定了筑坝砂砾料施工碾压参数，提出了指导实际施工的具体建议。

关键词：面板堆石坝；砂砾料；压实特性；碾压试验；洒水量

1　引言

阿尔塔什水利枢纽工程地处新疆喀什地区，位于塔里木河源流之一的叶尔羌河干流山区下游河段，是一座在保证向塔里木河干流生态供水目标的前提下，承担防洪、灌溉、发电等综合利用任务的大型骨干水利枢纽工程。阿尔塔什水利枢纽拦河坝采用混凝土面板坝坝型，最大坝高164.8m，面板坝直接建造于河床深厚覆盖层上，覆盖层最大厚度94m，大坝加上可压缩覆盖层深度，总高度达258.8m，大坝抗震设计烈度为9度，100年超越概率2%的设计地震动峰值加速度为320.6g。

阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝具有“高边坡、高地震烈度、深覆盖层”等特点，是一座300m级高面板堆石坝，坝体工程特性复杂，变形控制和抗震问题尤为突出。对大坝结构变形特性起关键性作用是筑坝材料的压实特性，尤其是在结构特性中起控制作用的主堆砂砾料（对于阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝而言），深入研究其工程特性及碾压标准很重要。另外，阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝主堆砂砾料采自现状河床，级配范围变化大，并且由于开采环境复杂（主要是含水量不同），加上运输等因素，造成初始含水状态不均匀，材料压实特性复杂。针对以上问题，有必要进行现场碾压试验，深入研究砂砾料压实特性，取得经济合理的碾压参数，这对确保施工顺利进行和大坝安全运行是非常重要的。

本文开展了阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝筑坝砂砾料现场碾压试验，通过多工况对比分析，深入研究了碾压遍数、铺土厚度、洒水量等因素对坝料压实特性的影响规律，并结合前期大型现场相对密度试验成果，确定了筑坝砂砾料施工碾压参数，提出了指导实际施工的具体建议，为工程建设和安全运行提供科学依据。

2　现场大型相对密度试验成果

我国现行混凝土面板堆石坝设计规范和施工规范一般都采用相对密度作为砂砾料填筑标准，史彦文、郭庆国等认为相对密度能很好地反映砂砾料的密实度，能作为砂砾料的填筑压实标准，在工程实践中也多将相对密度作为控制碾压质量的标准。阿尔塔什水利枢纽工程面板堆石坝设计中，就是以相对密度Dr=90%作为填筑控制指标的。室内试验由于受密度桶尺寸和击实功能的影响，试验测试最大干密度值偏低，基于室内相对密度试验成果，现场实际检测中经常出现有相对密度大于100%的情况。因此，为了给现场碾压试验和后期施工碾压质量检测提供可靠依据，有必要在现场进行筑坝砂砾料原级配大型相对密度试验，确定不同级配（含砾量）土料的最大最小干密度指标。

阿尔塔什水利枢纽工程筑坝砂砾料现场大型相对密度试验结果表明，含砾量为76.4%的土料最大干密度值最大，76.4%为其最优含砾量。根据不同级配（含砾量）土料的最大最小干密度指标，和相对密度定义[如式（1）]，可以得到相对密度ρd-P5-Dr三因素（见图1）。图1中体现了不同级配（含砾量）土料的最大最小干密度值和不同相对密度对应的绝对干密度值，可以作为评价砂砾料碾压质量的评价标准。

式中：Dr为相对密度；ρdmax为最大干密度，g/cm3；ρdmin为最小干密度，g/cm3；ρd为土的实际干密度，g/cm3。

3　现场碾压试验

3.1　试验场地和设备

本次碾压试验场地选定在具有较为平整宽阔的砂砾石基础的大坝下游右岸河床。试验前，采用推土机和挖掘机将试验区域按场地要求尺寸整平，并用水准仪对试验场地的平整度进行控制。整平后采用32t振动碾以不大于3km/h的速度碾压，直到碾压2遍后全场平均沉降量不大于2mm为合格。现场试验碾压机械采用32t自行式振动平碾，同时配备有挖掘机、钢环等其他辅助试验机械及设备。

3.2　试验工况设计

试验总体分为不洒水和洒水两种情况。

不洒水工况，砂砾石料按三种铺土厚度、四种碾压遍数、一种行车速度进行碾压试验，三种铺土厚度分别为60cm、80cm和100cm，四种碾压遍数分别为6遍、8遍、10遍、12遍，一种行车速度，即2.7km/h左右，控制不超过3.0km/h，开强振挡行进。试验场地长10m，宽24m，分成四个区域，每个区域长10m，宽6m，具体布置见图2。

洒水工况，砂砾石料根据不洒水试验确定的80cm铺土厚度进行碾压试验，碾压遍数分别为10遍、8遍，洒水率分别为5%、10%和15%，一种行车速度，即2.7km/h左右，控制不超过3.0km/h，开强振挡行进。试验场地分成三个不同的洒水区域，每个区域长10m，宽6m，具体布置见图3。

初步试验完成后，还进行了复核试验，对初选的碾压参数进行复核，并确定最终指导施工的建议碾压参数。

3.3　试验过程

试验砂砾料采自C3料场，该料场位于现状河床，试料级配范围较广，具有代表性，可以作为试验料。试验面碾压合格后，依次对试验场地进行分区、上料和摊铺。在摊铺过程中，通过水准仪测量和试验场地边的标杆控制试验土料的摊铺厚度，铺土厚度满足要求后用振动碾对试验区域静碾两遍，然后用白石灰标记不同试验区间界限及各种分界线。

按照试验设计，先铺土厚60cm，分别在不同区域碾压6次、8次、10次、12次，碾压完成后，采用灌水法结合含水率测试确定土的干密度，然后压实场地，再进行铺土厚度80cm、100cm以及洒水工况下试验。每个试验单元设置最少开挖四个试坑。采用筛分法进行土料颗粒分析，该项工作与干密度检测同步进行，一般从每个试验单元开挖的四个试坑中选取三个进行筛分。其中，5mm及以上的颗粒筛分在现场直接进行，筛分粒径分别为200mm、100mm、60mm、40mm、20mm、10mm和5mm，对大于200mm的粒料采用直接量测的方式，对于5mm以下土样进行取样送至实验室进行颗粒分析试验。

3.4　试验结果

由于基础试验数据较多，因此，选取两个试验工况结果作为示例展示（见表1和表2）。对整体数据进行对比，剔除离散点后（级配曲线偏离设计级配较多），对每个试验工况各个挖坑取干密度及相对密度平均值（分别见表3和表4）。从基本试验结果看，挖坑检测干密度值均位于图1中的最大最小干密度值曲线之间，表明前期现场定性相对密度试验成果可靠，可以作为碾压试验和实际施工质量控制的基础依据。受论文篇幅所限，挖坑检测土料级配曲线不予罗列。

4　相关因素对坝料压实效果影响规律分析

4.1　压实质量评价指标和坝料级配控制

图4和图5分别给出了相同铺土厚度（80cm）情况下，碾压遍数与干密度及相对密度间的关系曲线图。整体而言，随着碾压遍数的增加，干密度和相对密度都呈增长趋势。不同的是，干密度的变化规律不明显，这主要是由于级配（含砾量）对砂砾料最大最小干密度的影响造成，即便在设计级配包线范围内，不同级配（含砾量）砂砾料的实际碾压干密度也有很大差别。相较于干密度，相对密度呈现出良好的规律性，结合前文叙述，以下主要以相对密度值作为规律分析的基本参考依据。

相同试验条件时（见表1），砾石含量偏小的2号坑砂砾料相对密度并不比同等试验条件下的其他试验坑砂砾料低。类似地（见表2），4号坑砾石含量最高，与试验最优含砾量（76.4%）偏差最大，已经超出了设计控制下包线，但其相对密度最大，超过95%，远超设计填筑标准。砂砾料含砾量偏小或偏大，其抗剪强度都会降低。砾石含量偏小，砂砾石没有形成完整骨架，土料特性主要有细料特性界定，砾石含量偏大，细粒料填不满粗料空隙，并且压实作用力主要由粗料骨架承担，空隙中的细粒料得不到压实，这些都影响到砂砾料的抗剪强度。因此，尽管表2中的4号坑土料相对密度满足设计填筑标准，但是土料抗剪强却并不一定能够满足大坝变形控制这一核心要求。因此，还不能单纯以相对密度试验结果来考察大坝的压实质量，还要通过控制好上坝坝料级配来保障大坝的压实质量，确保大坝变形可控。

4.2　铺土厚度对压实特性的影响

不洒水工况下，不同的碾压遍数，砂砾料压铺土厚度与压实相对密度关系曲线见图6。图6表明，随着铺土厚度的增加，砂砾料的压实相对密度下降。这主要是由于振动碾的压实效果随料层的深度增大而减小，铺料厚度越厚，底部受到的压实效果越差，进而导致整体的干密度和相对密度值降低。不洒水时，只有在碾压12遍，铺土厚度为60cm时，砂砾料的碾压效果才能达到Dr=90%的设计要求。可以推测，在不洒水的情况下，铺土厚度薄于60cm，同样碾压12遍，是能达到相对密度90%的设计标准的，但是过多的碾压遍数，过薄的铺土厚度显然是不经济的，说明在不洒水的情况下，难以实现施工的经济性。

4.3　碾压遍数对压实特性的影响

不洒水工况下，碾压遍数与压实相对密度关系曲线见图7。

由图7可知，随着碾压遍数的增加，砂砾料的相对密度都是增加的。同一铺土厚度，碾压遍数从6遍增加到8遍时，压实相对密度显著提高，特别是铺土厚度为80cm与100cm，相对密度提高幅度大，接近10%。而从8遍增加到10遍，10遍增加到12遍，相对密度的增幅则大大降低，相对密度仅增加3%左右，说明随着碾压遍数的增加，砂砾料的相对密度趋于稳定。这主要是由于碾压遍数较少时，砂砾料堆有大量空隙，粗粒料形成的骨架空隙细粒料没有填充完全，振动碾压效果很好，随着碾压遍数的增加，砂砾料堆空隙被填充越来越密实，相对密度也将趋于稳定。

4.4　洒水对压实特性的影响

对于砂砾料，通常是当含水量为零时，干密度值较大，稍增大含水量，干密度反而减少，直至曲线谷点，谷点后，干密度值随着含水量的增大又出现有增大的趋势（见图5和图8），相对密度随着洒水率的增加呈增长趋势，洒水工况下的砂砾料相对密度远远大于不洒水，洒水对砂砾料压实质量的影响非常显著。但是，当洒水率超过10%后，相对密度的增幅已不大，说明洒水率10%时已经将砂砾料浇透而接近饱水，再增加洒水量对压实相对密度的影响非常有限。洒水碾压8遍时，砂砾料的相对密度都没有达到90%的设计标准，而碾压10遍时，相对密度都大于92%，满足设计标准。

5　大坝施工碾压参数和施工控制建议

根据筑坝砂砾料现场碾压试验基本结果和相关影响规律分析，结合前期现场大型相对密度试验成果，建议筑坝砂砾料填筑碾压施工参数为：采用32t自行式振动平碾，铺料厚度为80cm，洒水10%，强振碾压10遍，行车速度控制在3km/h以内。

根据现有的现场碾压试验和现场大型相对密度试验结果可知，洒水对保证砂砾料碾压质量具有重要影响。考虑到阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝筑坝砂砾料料场实际情况，即料场多为现状河床，土料天然含水率不均匀，完全干燥土料储量相对较少，认为充分洒水对保证砂砾料碾压质量起关键作用，建议在实际施工中控制好坝料的洒水工作。

6　结论

本研究开展了阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝筑坝砂砾料现场碾压试验，通过多工况对比分析，深入研究了碾压遍数、铺土厚度、洒水量等因素对坝料压实特性的影响规律，并结合前期大型现场相对密度试验成果，确定了筑坝砂砾料施工碾压参数，提出了指导实际施工的具体建议。

（1）前期现场相对密度试验成果可靠，可以作为碾压试验和实际施工质量控制的基础依据。

（2）随着铺土厚度的减少或者碾压遍数的增加，筑坝砂砾料碾压相对密度增加，但增加的幅度逐渐减小；随着洒水量的增加，筑坝砂砾料碾压相对密度增加，但是当洒水率超过10%后，这一提升效果已不明显。

（3）基于现场试验成果，建议筑坝砂砾料实际施工碾压参数为32t自行式振动平碾，铺料厚度为80cm，洒水率10%，强振碾压10遍，行车速度控制在3km/h以内。

（4）考虑到阿尔塔什水利枢纽工程混凝土面板坝筑坝砂砾料料场实际情况，充分洒水对保证砂砾料碾压质量起关键作用，建议在实际施工中控制好坝料的洒水工作。

参考文献

[1] 史彦文.大粒径粗粒坝料填筑标准的确定及施工控制.岩土工程学报，1982，（4）：78-93.

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[4] 吐尔洪·吐尔地.混凝土面板砂砾石坝现场碾压试验和大型相对密度试验研究.中国水能及电气化，2016，135（6）：58-63.

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[6] 郭庆国.粗粒土的工程特性及应用.郑州：黄河水利出版社，1998.