柴巧玲，孟 鵬

（榆林市黃河?xùn)|線(xiàn)引水工程有限公司,陜西 榆林 719000）

0 引言

堆石壩最早出現(xiàn)于1850年的美國(guó),到了20世紀(jì)60年代,隨著重型振平碾及薄層壓實(shí)技術(shù)的應(yīng)用,使堆石壩的應(yīng)用范圍更廣,壩殼料也從新鮮堅(jiān)硬巖石到風(fēng)化巖及軟巖慢慢過(guò)渡。但目前我國(guó)的大部分堆石壩均采用硬巖筑壩,軟巖用做壩殼填筑材料國(guó)內(nèi)也有不少成功的案例,比較有名的有小浪底、糯扎渡、雙江口等大壩,但是這幾座大壩的軟巖均采用分區(qū)布置,并沒(méi)有布置在主堆石區(qū)。

為提高堆石料的壓實(shí)效果,減少后期沉降量,一般應(yīng)適當(dāng)加水,且國(guó)內(nèi)目前大部分堆石壩的壩殼料也是采取加水碾壓的方式施工的。關(guān)于堆石料填筑過(guò)程中是否加水碾壓,郭慶國(guó)[1]對(duì)小浪底水庫(kù)硬巖堆石料在是否加水及加水量值兩種情況下巖石質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特性等進(jìn)行了研究分析,但至今國(guó)內(nèi)鮮有人針對(duì)軟巖堆石料是否加水及加水量值兩種情況下作出研究分析,因此本文針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究是非常有必要的。

1 工程概況

黃石溝沉沙調(diào)蓄水庫(kù)總庫(kù)容9870萬(wàn)m3；水庫(kù)樞紐由大壩、溢洪道和放空洞組成,主要建筑物級(jí)別為2 級(jí),次要建筑物為3級(jí)。

大壩為粘土心墻堆石壩,頂寬15.0 m,壩頂長(zhǎng)度596.70 m,最大壩高97.5 m；大壩上游坡比1∶2.2,設(shè)一級(jí)馬道；下游坡比1∶1.8,設(shè)兩級(jí)馬道,馬道均寬3.0 m。心墻軸線(xiàn)在壩軸線(xiàn)上游3.0 m處,心墻頂寬8.0 m,底寬55.5 m,兩側(cè)坡比均為1∶0.25,心墻底部設(shè)0.5 m厚的混凝土蓋板；心墻上下游與堆石間依次設(shè)兩級(jí)反濾料及過(guò)渡料,水平寬度分別為3 m、3 m、5 m,其中下游堆石區(qū)采用部分開(kāi)挖料。壩體上游采用60 cm厚的干砌石護(hù)坡,壩體下游采用12 cm厚的混凝土預(yù)制塊護(hù)坡。

本壩堆石料主要為砂巖、泥巖、泥質(zhì)頁(yè)巖、粉砂質(zhì)泥巖。據(jù)試驗(yàn)成果,中細(xì)粒砂巖干密度2.14 g/cm3～2.34 g/cm3,平均值2.20 g/cm3；飽和抗壓強(qiáng)度19.00 MPa～28.35 MPa,平均值23.33 MPa；凍融質(zhì)量損失率0～0.08%,平均值0.04%,軟化系數(shù)0.15～0.52,平均值0.33。粉砂巖干密度2.18 g/cm3～2.45 g/cm3,平均值2.34 g/cm3；飽和抗壓強(qiáng)度20.10 MPa～45.35 MPa,平均值32.04 MPa；凍融質(zhì)量損失率小于1%,軟化系數(shù)0.31～0.52,平均值0.41。屬于軟巖筑壩。

2 堆石料加水原因

2.1 填筑加水的目的

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274-2020）的規(guī)定：“堆石料碾壓時(shí)宜加水,加水量宜通過(guò)碾壓試驗(yàn)確定。對(duì)于軟化系數(shù)較高的硬巖堆石,應(yīng)通過(guò)碾壓試驗(yàn)確定是否加水”。堆石料加水的主要作用,除在顆粒間起潤(rùn)滑作用以便于壓實(shí)外,更重要的是軟化石塊接觸點(diǎn),在施工期間造成石塊尖角和邊棱破壞,使堆石體更為密實(shí),以減少壩體后期沉降量。

2.2 堆石料加水碾壓發(fā)展歷程

查閱《水利水電工程施工手冊(cè)》,書(shū)中對(duì)軟巖加水碾壓?jiǎn)栴}作以下描述：對(duì)于軟巖及風(fēng)化巖石,其填筑含水量必須大于濕陷含水量,最好充分加水,但應(yīng)視其天然含水量及降水情況而定。如加水碾壓將引起泥化現(xiàn)象時(shí),其加水量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。堆石加水量依其巖性、風(fēng)化程度而異,一般約為填筑量的10%～25%。

郭慶國(guó)[1]總結(jié)了小浪底水庫(kù)硬巖堆石料在是否加水及加水量值兩種情況下巖石質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特性等進(jìn)行了研究分析,認(rèn)為小浪底壩上游壩殼堆石料為硅質(zhì)細(xì)砂巖,平均飽和抗壓強(qiáng)度為189 MPa,飽和吸水率平均值為0.185%,軟化系數(shù)0.83,為極硬巖。曾進(jìn)行兩次加水與不加水的碾壓對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明,堆石料在填筑中加水量50%左右,比不加水時(shí)干密度增加0.006%、0.013%,影響甚微。經(jīng)過(guò)綜合比較,采用不加水方法。

3 大壩堆石料碾壓試驗(yàn)對(duì)比分析

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的《大壩壩體填筑料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)要求》,進(jìn)行了一次不加水與兩次加水碾壓試驗(yàn),三次試驗(yàn)選用的石料均為20 MPa～30 MPa軟巖。

依據(jù)《大壩壩體填筑料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)要求》,填筑料質(zhì)量壓實(shí)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 填筑料設(shè)計(jì)壓實(shí)指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

三次試驗(yàn)均在1#棄渣場(chǎng)渣頂高程1020 m平臺(tái)進(jìn)行。每塊試驗(yàn)場(chǎng)地尺寸約為40 m×40 m。碾壓設(shè)備選用26 t振動(dòng)平碾,碾壓遍數(shù)為2遍靜碾+10遍振動(dòng)碾,堆石料選定108 cm鋪料厚度,根據(jù)《大壩壩體填筑料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)要求》,加水量選用5%、8%及11%三種進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),其中第一次加水方式采用灑水車(chē)在對(duì)已鋪筑填筑料進(jìn)行灑水,第二次利用“門(mén)型加水裝置”對(duì)每車(chē)石料進(jìn)行均勻?yàn)⑺?加至規(guī)定水量后停止。

按2 m×2 m的方格網(wǎng),測(cè)量各網(wǎng)點(diǎn)鋪料前、后及加水或不加水碾壓后高程,用試坑灌水法測(cè)各塊堆石壓實(shí)后密度,用篩分法測(cè)顆粒級(jí)配等資料,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 堆石料加水與不加水壓實(shí)變形碾壓對(duì)比試驗(yàn)成果分析表

3.2 試驗(yàn)成果對(duì)比分析

3.2.1 壓實(shí)變形方面比較

由表1可以看出,實(shí)測(cè)20個(gè)點(diǎn),不加水試驗(yàn)沉降變形值為7.9 cm。第二次試驗(yàn)在壩面加水時(shí),5%、8%、11%三種加水率情況下,沉降變形值分別為9 cm、9.8 cm、8.2 cm；第三次試驗(yàn)在料車(chē)上加水時(shí),5%、8%、11%三種加水率情況下,沉降變形值分別為8.5 cm、9 cm、9.3 cm。

試驗(yàn)結(jié)果表明,加水對(duì)軟巖的壓實(shí)效果有明顯作用,更易壓實(shí),加水后沉降變形值明顯增加,但并不是加水量越大,碾壓效果就會(huì)越好,適量的加水是可以起到積極作用,便于壓實(shí),但是過(guò)量的加水并不能起到更好的作用。

3.2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)方面比較

由表3 可以看出,加水后＜5 mm粒徑含量明顯增加,雖然孔隙率變化不大,但是滲透系數(shù)明顯降低,以致不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,因此加水后對(duì)軟巖壓實(shí)產(chǎn)生了較大影響。

表3 堆石料加水與不加水設(shè)計(jì)指標(biāo)碾壓對(duì)比試驗(yàn)成果分析表

從以上兩個(gè)分析表中我們可以看出：加水確實(shí)對(duì)軟巖的壓實(shí)效果起到明顯作用,更易壓實(shí)。但是在壩面上加水或者是料車(chē)上加水,級(jí)配組成、滲透系數(shù)及孔隙率變化均不大,說(shuō)明軟巖對(duì)是否加水有一定敏感,但是加過(guò)量水容易造成浪費(fèi),并未起到明顯作用；當(dāng)在料車(chē)上加水時(shí),由于損耗嚴(yán)重、不易控制,且容易造成環(huán)境污染,無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出加水量值,因此參考意義不大。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,我們對(duì)粘土心墻堆石壩壩殼料加水碾壓上有些片面的認(rèn)識(shí),尤其要區(qū)分硬巖和軟巖。具體觀點(diǎn)如下：

1）針對(duì)硬巖,堆石料加水可以在顆粒間起潤(rùn)滑作用,便于壓實(shí)外,能減少壩體后期沉降量。但是軟巖本身容易壓實(shí),尤其是介于20 MPa～30 MPa的砂巖,軟化系數(shù)僅為0.15～0.52,在26 t碾壓設(shè)備2遍靜碾+10遍振動(dòng)碾時(shí),孔隙率、滲透系數(shù)、級(jí)配組成等指標(biāo)值均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,加水后,由于軟化了接觸點(diǎn),所以壓實(shí)更密,造成＜5 mm粒徑含量級(jí)配及滲透系數(shù)反而不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2）對(duì)于軟巖,在壩面加水,推平的過(guò)程中,由于部分巖石已被壓碎,水很難滲入到下層；在料車(chē)加水時(shí),當(dāng)加水量超過(guò)一定限度后,超過(guò)限度的部分水并未起作用,而是白白地滲流掉了,且滲入比較及時(shí),但是滲漏嚴(yán)重,能軟化巖石接觸面,因此料車(chē)加水比壩面加水更易碾壓,碾壓后滲透系數(shù)更小,但漏損嚴(yán)重不經(jīng)濟(jì),且污染環(huán)境,建議采用壩面加水會(huì)更容易控制加水量。

3）堅(jiān)硬巖石的開(kāi)挖料,新鮮,堅(jiān)硬,強(qiáng)度高,透水性強(qiáng),碾壓和浸水對(duì)顆粒性質(zhì)基本不變,不需加水填筑。軟弱巖石的開(kāi)挖料,壓實(shí)中顆粒破碎,浸水后軟化崩解,性質(zhì)變異,需加水填筑。凡是吸水率＞2%、軟化系數(shù)＜0.7～0.8,飽和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度＜30 MPa的巖石,屬軟弱巖石類(lèi),抗壓強(qiáng)度低,開(kāi)采中及壓實(shí)后細(xì)顆粒多,透水性低,顆粒易碎,受水的影響較為敏感,故填筑中應(yīng)考慮加水,尤其是軟化系數(shù)＜0.1～0.6的軟巖,更重視加水問(wèn)題,其加水量宜通過(guò)軟巖筑壩專(zhuān)題試驗(yàn)報(bào)告確定。

鑒于此,對(duì)于軟巖筑壩的堆石壩,由于軟巖有遇水軟化、崩解、失水干裂的特性,填筑中經(jīng)機(jī)械碾壓顆粒有被壓碎的特點(diǎn)等,皆使顆粒由大變小,由粗變細(xì),由強(qiáng)透水性變?yōu)槿跬杆?顆粒組成和物理力學(xué)性質(zhì)皆發(fā)生變化,它既沒(méi)有堅(jiān)固性、穩(wěn)定性,更沒(méi)有耐久性,因此在碾壓過(guò)程中應(yīng)充分考慮加水問(wèn)題,而且最好在壩面通過(guò)灑水車(chē)灑水的方式進(jìn)行,加水以潤(rùn)濕石料為原則,減少內(nèi)摩擦角,以達(dá)到最大壓實(shí)度,減少后期沉降量,如果通過(guò)碾壓試驗(yàn)?zāi)茏屍鋰姙⑺畯?qiáng)度與滲透強(qiáng)度相同,則碾壓效果最好,從而保證大壩穩(wěn)定運(yùn)行。