混凝土面板堆石坝工程大坝碾压试验技术报告.docx

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混凝土面板堆石坝工程大坝碾压试验技术报告

xxxx水电站混凝土面板堆石坝工程

大坝碾压试验技术研究报告

概述

xxxx水电站位于xx省xx县与xx县交界处的xx干流上,距xx市153km，距上游xx水电站76km，距下游xx水电站148km，距最近的xx县城25km。

xx水电站大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高139m，坝顶长度为429m，坝顶宽10m，坝体填筑总量约473.0万m3，坝顶高程为2010.0m，水库正常蓄水位2005.0m，总库容为6.2亿m3，电站装机容量为1500MW，年发电量51.4亿kW.h，属Ⅰ等大（Ⅰ）型工程。

坝体分为垫层小区（2B）、垫层区（2A）、过渡区（3A）、主堆石Ⅰ区（3BⅠ）、主堆石Ⅱ区（3BⅡ）、次堆石区（3C）以及上游铺盖等八个填筑区域，同时，坝体垫层区上游坡面在国内首次采用挤压式混凝土边墙施工工艺技术。

大坝碾压试验及混凝土挤压边墙技术研究是从2001年11月份开始至2002年7月中旬结束,历时8个月。

在咨询专家、建设公司、设计、监理、水电四局等各相关部门的指导和协作下，经过精心组织和严格细致的工作，碾压试验及挤压混凝土边墙技术取得了良好的成果。

在碾压试验过程中，严格按照监理工程师的指令，根据不同坝料储料的先后顺序，不断调整碾压试验进度计划和试验内容，考虑到xx工程坝料的岩性分布变化较大的特殊情况，碾压试验项目先按设计上提出的

碾压试验任务书进行，随后结合专家咨询小组提出的建议和碾压试验领导小组对碾压试验工作的要求等，反复多次的进行试验和论证。

先后完成了碾压机械对比试验、主堆石Ⅰ区（3BⅠ）、主堆石Ⅱ区（3BⅡ）、次堆石区（3C）碾压试验及校核试验、加水与不加水对比试验、主堆石Ⅱ区（3BⅡ）砂砾石料的“密度桶法”现场相对密度试验,结合现场混凝土挤压式档墙的施工参数和工艺方法试验,进行了垫层料（2A）、过渡料（3A）碾压试验。

1．试验的主要依据

1.1《碾压式土石坝施工规范》DL5129-2001

1.2《混凝土面板堆石坝施工规范》SL49-94

1.3《混凝土面板堆石坝施工规范》DL5128-2001

1.4《土工试验规程》SL237-1999

1.5国家电力公司西北勘测设计研究院《xxxx水电站面板堆石坝现场填筑碾压试验任务书》（初稿）及我部《坝体填筑碾压试验计划》要求。

1.6《第二阶段挤压式混凝土边墙试验大纲》等要求。

2．各料区设计技术要求和试验用料以及碾压机械技术性能。

2.1大坝各区料的原设计技术指标和要求见表2-1

2.2根据业主、设计、监理等相关部门提供的各料场的有关资料和意见，碾压试验用料的来源见表2-2

原设计技术指标和压实要求

表2-1

部位

项目

垫层小区（2B）

垫层区（2A）

过渡料区（3A）

主堆I石区（3BI）

主堆石II区（3BII）

次堆石区（3C）

岩性

微、弱风化花岗岩（或超径卵石）人工轧制而成

同垫层小区

微、弱风化花岗岩，由石料场直接开采

微、弱风化花岗岩和云母片岩。

云母片岩占30%，花岗岩占70%，云母片岩不集中

占卜乎砂石料场和砂砾石料

强风化花岗岩和弱风化云母片岩。

花岗岩占30%，云母片岩占70%

比重

2.65

2.65

2.65

2.69

2.70

2.73

孔隙率（%）

≤17

≤16

≤18

≤20

相对密度≥0.8

≤17

干密度（g/cm3）

≥2.20

≥2.23

≥2.17

≥2.15

/

≥2.28

铺层厚度（cm）

20

40

40

80

60

100

洒水量（%）

适量洒水

适量洒水

25

25

10

10～15

碾压机械

装在反铲上的平板振动器

YZT-9型13.5t振动碾

YZT-9型13.5t振动碾

YZT-18型18t振动碾

YZT-18型18t振动碾

YZT-18型18t振动碾

碾压遍数

6～10

6～10

6～10

6～10

6～10

最大粒径（mm）

≤40

≤100

≤300

≤800

≤450

≤1000

＜5mm含量

45%

35%～45%

＜17%

＜8%

15%～40%

＜35%

＜0.1mm含量

＜7%

＜7%

＜7%

＜5%

5%～7%

＜8%

试验用料一览表表2-2

坝料种类

坝料来源

垫层区（2A）

上游坝料加工系统

过渡料区（3A）

药水沟料场

主堆石Ⅰ区（3BⅠ）

开关站堆料场

主堆石Ⅱ区（3BⅡ）

石头沟堆料场

次堆石区（3C）

左岸桥头堆料场

2.3主要碾压机械的技术性能参数见表2-3

3．试验工艺流程

主要碾压机械技术性能表

表2-3

机械类别

英格索兰自行式振动碾

拖式振动碾

型号

SD-175D

YZT-16

工作质量（kg）

18097

/

行进速度（km/h）

高

13.2

2.25-10.34（前进）

低

6.6

2.7-8.91（后退）

爬坡度

30o

30o

振动频率（Hz）

高

30.4

30

低

21.7

振幅（mm）

高

1.66

1.46

低

0.83

激振力（kN）

高

360

345

低

180

钢轮静质量（kg）

11276

16000

钢轮宽度（mm）

2134

2000

钢轮直径（mm）

1600

1800

转向角度

30

/

摆动角度

17

/

牵引功率（kW）

/

120

备注

　/

4．碾压试验方法及步骤

4.1基础处理：

先对原基础找平并碾压10～18遍使基础不沉降为止。

4.2场地布置：

试验场地基础找平后，在监理认可、平整好的场地上，用白灰放出试验平面布置区，布置2.0m×2.0m的方格网点，并将20㎝×20㎝钢板按放在各取样点上,采用18t自行式振动碾碾压4遍将钢板直接压入地下,使钢板与基础面水平。

用全站仪测出几个坐标点并引出试验场外标识，用三等水准仪测量各点基础高程，以控制铺料厚度。

4.3坝料铺筑：

在监理、设计等有关部门共同确定的储料场和取料范围，装载机立面开采，20t自卸汽车运输，除垫层（2A）、过渡料（3A）（还未做）采用后退法上料外，主堆石Ⅰ区（3BⅠ），主堆石Ⅱ区（3BⅡ），次堆石区（3C）均采用进占法上料，320HP推土机平料。

铺料过程中用带刻度的尺杆，初步控制铺料厚度，随后用水准仪测量虚铺厚度，人工配合机械整平，厚度误差控制在±5㎝以内。

4.4铺料厚度验收合格后，用振动碾先静压一遍，用全站仪放出坐标点，用灰线撒出测点及碾压区域，最后用精密水准仪按方格网点测得虚铺厚度。

4.5碾压前测试压前级配。

4.6碾压：

用选定的铺料厚度、碾压遍数、加水量分区前进后退法整轮错位碾压，碾轮之间搭接10㎝，一来一回碾压两遍。

碾压机械为SD175D自行式振动碾，垫层料（2A）振动频率控制在26.5Hz左右，振幅保持在1.2㎜,行进速度控制在2.5km/h～3.0km/h；其余坝料行走速度控制在3km/h左右,振动频率保持在26.5Hz～28.5Hz左右,振幅保持在1.3㎜～1.4㎜左右。

4.7碾压后通过测量压实厚度计算沉降量并在原级配试验点上（回填时级配试验试坑用塑料薄膜铺垫）测试碾压后级配。

4.8干密度测试：

在各区所布置试验点取样，坑径按最大粒径的3～5倍控制，用灌水法测得干密度。

（灌水用塑料薄膜厚度为0.1㎜～0.05㎜，校正水平面钢环直径为1.2m～2.0m，钢环高度为8㎝～10㎝，级配筛分试验用的标准圆孔筛，孔径从0.1㎜～100㎜，共13个级配筛）取样结束后再测得基础钢板沉降量。

4.9渗透试验：

密度试验结束后进行现场原位渗透试验。

4.10对于校核试验、加水与不加水对比试验在碾压前一次性加完所需的加水量（按体积比计量）。

加水量大时，采用1.45m3水箱校核加水管出水量,按加水时间控制水量,加水量少时,采用水表控制加水量。

5自行式SD175D振动碾与YZT16拖式振动碾的碾压机械对比试验

试验过程为：

基础面找平后布置试验场并测量基础高程，采用20t自卸汽车后退法定点卸料，320HP推土机按60㎝厚度平料，两种碾压机械按6、8、10三种不同遍数碾压，试验结果见表5-1。

从试验结果可以看出:

行走速度2km/h～3km/h，振动频率28Hz左右，振幅1.3㎜左右，两种机械的压实效果相当。

6垫层区（2A）料碾压试验

垫层区（2A）料碾压试验结合挤压式混凝土边墙试验同时进行。

第一次在碾压试现场进行挤压式混凝土边墙演示试验过程中，所用的（2A）垫层料为开关站主堆石3BⅠ料加工而成的，第二次采用的垫层料系经过调整后合格的垫层料。

6.1垫层料碾压试验步骤：

（1）基础布置：

混凝土挤压墙施工完成后，布置2.0m×2.0m方格网点，安放钢板,测量基础高程,场地布置。

（见图6-1、图6-2、图6-3）

（2）坝料铺筑：

待混凝土挤压墙完成2小时后，采用后退法铺料，考虑到垫层碾压后与混凝土边墙齐平，铺料厚度控制在43㎝左右。

对于混凝土挤压墙边角及挤压机行走部分，人工配合机械找平后测量虚铺厚度。

（3）测试碾压前级配后，采用SD175D自行式振动碾碾压。

（5）碾压后，测量碾压后厚度及压后级配变化，并采用灌水法取样，坑径控制在最大粒径的4倍。

（6）渗透试验：

采用内环直径50㎝，高60㎝的钢环，水表控制水量，进行垫层料现场原位渗透试验。

6.2碾压试验、加水与不加水对比试验成果。

6.2.1第一次垫层料试验结果（见表6-1～表6-4、图6-4～图6-5）

（1）碾压前后级配

碾压6遍时，压后比压前小于5㎜含量增加0.1%；碾压8遍时，压后比压前小于5㎜含量增加1.0%～1.7%,变化不大。

压前、压后级配和试坑取样级配均超出设计上、下包线，并且区间较宽，超出范围较多，粗细料变化较大。

其中试坑内全料级配：

小于5㎜含量为24.9%～53.5%，小于0.1㎜含量为2.1%～4.7%，最大粒径68㎜～100㎜，详见表6-1。

（2）干密度、孔隙率、沉降量试验结果。

碾压6遍时：

干密度为1.96g/cm3～2.18g/cm3,平均2.11g/cm3,孔隙率为17.7%～26.0%，平均为20.4%，沉降量平均2.9㎝。

碾压8遍时：

干密度为2.12g/cm3～2.25g/cm3，平均2.21g/cm3，孔隙率为15.1%～20.0%，平均为16.6%，沉降量平均3.0㎝。

其中有42.8%试样,达不到设计要求，但现场试坑剖面密实、无架空现象，主要原因是垫层料级配曲线超出设计上、下包线点较多，级配变化较大造成的结果。

6.2.2第二次垫层料试验结果。

（见表6-5～表6-15、图6-6～图6-10）

本次试验一共做了三层垫层料，第一层不加水，碾压8遍；第二层加水，碾压8遍；第三层靠混凝土挤压边墙部位碾压10遍，其余碾压8遍,加水量为0%、5%、10%。

（1）碾压前后级配。

（见表6-11、图6-6）

从碾压前后级配曲线变化来看，碾压后的级配向细粒径方向移动，说明粒径比原来有所变细，即产生了破碎。

碾压后小于5㎜的含量增加了1.0%～2.8%，小于0.1㎜含量增加了0.4%，虽有破碎但级配曲线仍在设计要求的包线内，说明此破碎量对级配不会构成不利影响，反之有适量破碎更有利于提高压实密度。

总的来看，大部分在设计包线内，垫层料级配中小于5㎜含量平均为36.0%（只有第二层2A05#、2A12#，第三层2A10-06#试坑均超出设计包线，小于5㎜含量低于35%的标准），小于0.1㎜含量平均为3.1%，并在5㎜处出现平缓段，说明此段粒径含量偏低，从整体看细颗粒偏少，粗粒径在20㎜以上曲线下移，说明此段料变粗，不均匀系数33.8～74.0，曲率系数为1.5～6.8，最大粒径135㎜，大于100㎜含量平均占3.0%，83.0%的试坑有超径料。

基本能满足设计对级配的要求。

（2）垫层（2A）料干密度、孔隙率、沉降量、渗透系数试验结果

不洒水：

碾压8遍时,干密度2.09g/cm3～2.21g/cm3,平均2.17g/cm3,孔隙率为15.8%～21.1%,平均为17.9%，沉降量平均3.0㎝。

洒水5%：

碾压8遍时,干密度为2.16g/cm3～2.29g/cm3，平均为2.24g/cm3，孔隙率为13.6%～18.5%,平均15.6%，沉降量平均3.6㎝。

洒水10%：

碾压8遍时,干密度为2.18g/cm3～2.27g/cm3,平均为2.24g/cm3,孔隙率为14.3%～17.7%,平均15.6%,沉降量平均4.1㎝。

试坑除2A07、2A11局部粗料集中有空隙外，其它试坑均无架空现象。

加水5%时，实测垫层料含水量2.6%；加水10%时，实测含水量3.1%；不加水时，实测含水量为1.4%。

从现场表面看，加水后垫层料表面短时间积水，停止加水后积水消失较慢，在加水10%时，局部均出现了不同程度的弹簧现象，因此垫层料加水量不易过大。

不洒水：

碾压10遍时，干密度为2.20g/cm3～2.26g/cm3,孔隙率为17.0%～14.7%。

洒水5%：

碾压10遍时，干密度为2.23g/cm3，孔隙率为15.8%。

洒水10%：

碾压10遍时，干密度为2.24g/cm3～2.27g/cm3,孔隙率为15.5%～14.3%。

（3）混凝土挤压边墙结合部干密度试验

碾压8遍时，干密度为1.96g/cm3～2.00g/cm3，碾压10遍时干密度为2.09g/cm3～2.14g/cm3。

6.3结果分析

1）干密度、孔隙率

在相同铺料厚度下,不洒水碾压8～10遍时,达不到设计指标2.23g/cm3要求；就是在洒水5%的情况下，满足设计指标的合格率仅能达到83.0%左右；加水10%时，满足设计指标的合格率只有66.6%左右，还有所降低。

从试坑剖面观测，粗细料较密实，无架空和较明显的空隙，因此造成干密度值小的原因主要是岩性和级配。

2）现场垫层料原位渗透系数

不加水区测试渗透系数为2.32×10-3㎝/s,在加水5%时渗透系数为3.38×10-3㎝/s，满足设计渗透系数的要求。

6.4结论和建议

1）通过碾压试验分析，今后生产加工的垫层料，应增加5㎜以下粒径的含量，降低超径料的含量。

2）从碾压试验干密度结果看,施工中很难达到设计干密度2.23g/cm3,孔隙率≤16%的指标。

因此建议垫层料采用相对密度控制，更符合实际压实效果。

根据目前的垫层料试验结果，当加水5%时，干密度最大，建议施工时控制的干密度为2.20g/cm3,孔隙率小于17%；冬季不加水时，碾压10遍控制。

3）靠混凝土挤压边墙部位，碾压10遍，距边墙5～10㎝，此段碾压可放慢速度以勉损坏混凝土边墙。

4）从试验结果看，使用SD175D自行式振动碾，按上述碾压参数在挤压墙完成2小时后，可进行垫层料施工。

6.5试验所选定的施工碾压参数：

（2A）碾压试验成果表

铺料厚度

碾压遍数

加水量0%

加水量5%

加水量10%

渗透系数（cm/s）

干密度（g/cm3）

空隙率（%）

干密度（g/cm3）

空隙率（%）

干密度（g/cm3）

空隙率（%）

44cm

8

2.20

17.0

2.24

15.6

2.24

15.6

2.85×10-3

（2A）建议选用的施工碾压参数

碾压

机具

铺料

厚度（㎝）

碾压

遍数（遍）

行进速度（km/h）

振动频率（Hz）

振幅（㎜）

洒水量

（%）

干密度（g/cm3）

孔隙率（%）

上料方式

SD175D自行式振动碾

44

8

2.5-3.0

26.5-28.0

1.3左右

5

≥2.20

≤17.0

后退法

注：

冬季不洒水铺料厚度44㎝,碾压10遍,干密度控制≥2.20g/cm3,孔隙率≤17.0%。

6.6垫层料（2A）大坝实际填筑料复核试验（补充）

按照监理要求对药水沟垫层加工系统加工的实际填筑用料进行复核，铺料厚度40cm,不洒水碾压8遍。

6.6.1试验成果（见表6-16、表6-17、图6-11）

试验级配均在设计包线内，最大粒径140mm,干密度2.18g/cm3～2.26g/cm3,平均2.22g/cm3，孔隙率14.7%～17.7%，平均16.3%。

通过复核试验与前期所做垫层料各项指标相同，但仍存在超径现象。

7．主堆石区（3BⅠ）碾压试验

现场碾压试验采用铺料厚度80cm、100cm、120cm，碾压6、8、10遍，场地布置见图7-1。

校核试验、加水与不加水对比试验，按选定的铺料厚度80cm，碾压8遍，加水量按15%、20%计算，场地布置见图7-2。

7.1（3BⅠ）碾压试验、校核试验加水与不加水对比试验成果

7.1.1碾压前后级配变化试验结果（见表7-1、表7-2、图7-3）

铺料厚度100cm，碾压6、8、10遍，碾压前后级配曲线变化不大，碾压比碾压前小于5mm含量增加0.4%、0.65%、0.95%。

7.1.2主堆石（3BⅠ）区碾压试验、校核试验加水与不加水对比试验级配成果

7.1.3主堆石（3BⅠ）区碾压试验级配成果。

（见表7-3、表7-4、表7-5、图7-4、图7-5、图7-6）

小于5mm含量11.1%～23.7%，平均15.4%（设计小于8%，专家咨询意见小于20%）,大于20%的含量占总数的1.1%。

小于0.1mm含量1.4%～3.2%（设计小于5%），最大粒径850mm（设计小于800mm）占总数的1.03%，上下包线均超出设计上下包线，整体上移，坝料偏细。

不均匀系数48～183，曲率系数2.1～6.6。

从现场36个试坑剖面检测，花岗岩约占50%～80%，两种岩石分布不均，见表7-6～表7-8描述，碾压表面破碎不大。

7.1.4校核试验及加水与不加水对比试验级配成果。

（见表7-9、表7-10、图7-7）

小于5㎜含量为7.0%-29.1%，平均17.2%，大于20%含量占总数的1.15%。

小于0.1mm含量0.9%，最大粒径650mm，花岗岩占80%以上，不均匀系数41.7～67.7，上下包线超出设计包线，整体上移，并出现两处平缓段，下包线呈上下波动状态，说明级配不均连续缺乏中间粒径。

两次试验级配变化范围较大，细粒含量较大：

（<5mm含量平均为15%～17%），料场岩性级配很不规律，变化较大。

7.2主堆石（3BⅠ）干密度、孔隙率、沉降量、渗透系数试验成果。

7.2.1碾压试验干密度、孔隙率、沉降量成果（见表7-11～表7-13、图7-8、图7-9）

铺料80㎝时：

碾压6、8、10遍，干密度分别为2.08g/cm3、2.19g/cm3、2.19g/cm3；孔隙率22.8%、18.7%、18.5%；沉降量为1.4㎝、2.3㎝、4.1㎝。

铺料100㎝时：

碾压6、8、10遍，干密度分别为1.94g/cm3、2.05g/cm3、2.09g/cm3；孔隙率为27.7%、27.0%、23.2%；沉降量为2.3㎝、3.4㎝、3.5㎝。

铺料120㎝时：

碾压10遍，干密度为1.96g/cm3，孔隙率为27.2%。

因此铺料80㎝时,碾压8、10遍基本满足设计干密度2.15g/cm3和孔隙率≤20%的要求。

铺料厚度100㎝、120㎝时，碾压10遍也达不到设计标准。

在同一碾压机具、不同铺料厚度、不同碾压遍数条件下，其干密度随碾压遍数增多而提高，随层厚增加而降低，符合规律。

7.2.2校核试验、加水与不加水对比试验干密度、孔隙率、沉降量、渗透系数成果。

（见表7-14、表7-15、表7-16、图7-10、图7-11）

1）铺料厚度80㎝、碾压8遍，不洒水：

干密度为2.16g/cm3～2.25g/cm3，

平均2.20g/cm3；孔隙率为16.4%～19.7%,平均18.1%，沉降量平均2.3㎝。

洒水15%时：

干密度为2.17g/cm3～2.25g/cm3，平均2.21g/cm3；孔隙率为16.4%～19.3%，平均17.7%；沉降量平均2.0㎝。

洒水20%时：

干密度为2.16g/cm3～2.23g/cm3，平均2.20g/cm3；孔隙率为17.1%～19.7%，平均18.3%，沉降量平均3.0㎝。

洒水与不洒水都能满足设计要求（设计标准干密度为2.15g/cm3，孔隙率小于20%）。

2）从表中可以看出不加水与加水15%，干密度相差0.01g/cm3,当加水量在20%时,干密度无任何变化并呈下降趋势。

虽然加水20%碾压8遍沉降量有所增加，但干密度并未增加，主要是碾压时表面软弱颗粒左右移动所致。

3）从现场试坑剖面观察加水后，入渗深度只有30㎝～40㎝左右，分离架空现象基本没有。

现场加水时表面形成积水，停止注水时，积水入渗很慢，碾压后表面形成4㎝左右的细粒层透水性较低。

因此针对（3BⅠ）料的岩性、级配特征，加水与不加水时，干密度和孔隙率变化不明显的情况下，施工时可采用不加水填筑碾压。

7.2.3校核试验现场原位渗透试验和载荷试验区渗透试验成果。

采用内环直径100㎝，高60㎝的钢环，水表控制水量。

在加水15%校核试验区，测渗透系数为2.6×10-3㎝/s，加水20%区，测渗透系数为8.05×10-2㎝/s，在载荷试验区，测渗透三组（此料花岗岩占90%左右）分别为3.08×10-2㎝/s、1.8×10-3㎝/s、6.7×10-4㎝/s，从以上渗透试验数据不难看出，在同一料区渗透系数的变化幅度较大，充分说明了坝料岩性不均和细颗粒含量过多。

7.3结论和意见

7.3.1从碾压级配分析看，对于（3BⅠ）料小于5㎜含量，在今后爆破试验中还应加强控制。

7.3.2渗透系数由8.05×10-2㎝/s～6.710-4㎝/s，变化范围较宽，今后上坝在开采方法及机械种类选择上应采取分层立采,以解决坝料分离不均的问题。

7.3.3铺料80㎝，碾压8遍时，干密度为2.15g/cm3～2.25g/cm3,孔隙率为17.8%～18.7%，勉强达到设计指标，但富余量很小，对于今后施工的干密度、合格率、控制较为困难。

当然今后在（3BⅠ）区料生产时适当控制好小于5㎜含量，保证其足够的压实效果和排水性能。

7.3.4因坝料岩性不一、级配变化较大,经过多次的沉降量测试仍找不出一个规律的曲线关系。

7.3.5对主堆石（3BⅠ）区在混凝土面板堆石坝体中所起的举足轻重的作用（主应力支承作用）,为此对级配密度要求较高。

只有满足级配要求的情况下，才能是粗细料相互交错，充填空隙，这样才能发挥级配功能，达到高密度高变形模量，低孔隙率的要求，以减小堆石体和面板变形的目的。

7.3.6主堆石（3BⅠ）试验用料,从级配、岩性要求上只能满足（3BⅠ2）的指标,（设计指标主堆石（3BⅠ2）料,干密度≥2.15g/cm3,孔隙率≤20%,小于5㎜颗粒含量小于20%，小于0.1mm颗粒含量小于8%，最大粒径800mm）。

7.4碾压试验所选定的施工碾压参数

（3BⅠ）碾压试验成果表

铺料

厚度（㎝）

碾压遍数（遍）

加水量（0%）

加水量（15%）

加水量（20%）

渗透

系数

（㎝/s）

干密度（g/cm3）

孔隙率（%）

干密度（g/cm3）

孔隙率（%）

干密度（g/cm3）

孔隙率（%）

80

8

2.20

18.4

2.21

17.7

2.20

18.3