重型振動碾碾壓堆石壩沉降量研究與分析

劉俊宏，王吉朝

（1.廣西水利電力職業技術學院，南寧 530023；2.中國水利水電第三工程局有限公司勘測設計研究院，西安 710024）

1 工程概況

老撾南公1水電站位于老撾南部阿速坡省南公河上，是老撾、越南、柬埔寨三國交界區域，該工程是以發電為主，兼顧旅游、防洪及灌溉為一體的綜合性水利樞紐，正常蓄水位320.00 m，庫容6.33×108m3，具有多年調節能力。工程為二等大（2）型工程。電站裝機容量為160 MW，保證出力為55.17 MW，多年平均發電量為6.33×108kW·h。壩軸線全長409.946 m，最大壩高90 m，壩頂寬度8.8 m，大壩面板厚度為0.3～0.62 m。上游壩坡1∶1.4，在270.00m高程以下設計蓋重，壓重體邊坡1∶1.75、1∶2.5；下游壩坡1∶1.35，共設二級馬道，馬道高差30.0 m，馬道寬度均為4.0 m。

2 監測儀器布置及沉降分析

2.1 監測儀器布置情況

根據《土石壩監測技術規范》（DL/T 5259-2010）要求，結合南公1水電站的結構特點，在壩體內部共計布置3 個垂直、水平位移監測斷面（壩0+227.659 m、壩0+143.659m 及0+323.659 m），在監測斷面內分層（270.85 m 高程、300.85 m 高程）布置水管式沉降儀，引張線式水平位移計，監測內部垂直、水平位移計壩體沉降，測點數為：270.85 m 高程布置1 套5測點式，300.85 m 高程各斷面布置1 套3 測點式，在下游壩坡修建壩后觀測房，將儀器引入觀測房內，并在觀測房頂部位設置觀測沉降變形觀測點（如圖1所示）。

圖1 南公1水電站大壩沉降監測B-B斷面布置圖

2.2 壩體最大沉降量監測資料分析

填筑施工期，隨著大壩填筑的不斷升高，壩體自重增加，累計沉降變形也逐漸加大，且前期發展較為迅速，后期緩慢增長；并且填筑速率越高，沉降速率越快，在此期間的累計壓縮率也較大，說明大壩變形過程明顯，流紋巖堆石體處于變形壓縮狀態[1]。大壩于2019年11月27日填筑完成，2020年4月3日開始大壩面板混凝土施工。期間270 m高程的最大沉降為87.70 mm，300 m高程最大沉降28.30 mm，壓縮率分別為0.29%，0.09%。

大壩填筑完成后，不再增加外界負荷，自重保持恒定，壩體開始處于平穩沉降階段，沉降速度和變形趨勢減緩且變化減小，后期壓縮率最大為0.31%，大壩已逐漸趨于穩定。最大沉降量位于壩體中部，這是由于大壩底部堆石體承受的荷載最大，但承受的可壓層厚度較小。相反，堆石體上部承受的荷載相對下部要小，但承受的可壓層厚度較大；這種組合關系使得大壩在中部的荷載與可壓層厚度相對適中，最大沉降在壩體中部表現明顯。壩體內部最大累計沉降為87.70 mm，且在大壩軸線上，沉降量為整個壩高的0.09%。典型斷面壩體沉降隨時間變化關系曲線見圖2。

圖2 沉降隨時間變化關系曲線

3 壩體碾壓振動監測試驗

3.1 碾壓振動監測目的

（1）研究達到設計填筑標準的壓實方法，通過試驗和比較確定合適的碾壓施工參數，包括機械參數、鋪料厚度、碾壓遍數等。

（2）優化土、石料填筑施工工藝，研究土、石料壓實質量控制措施及質量檢測的有效方法。

（3）對壩體的各填筑分區石料的鋪料方式、鋪料厚度、振動碾的類型及碾壓方式、碾壓遍數、碾壓速度、鋪料過程中的最優加水量、壓實層的孔隙率、干密度、沉降量、壓實后級配等進行試驗。結合現場堆石料的碾壓施工，現場初步擬定了監測方案。上游主堆石區已填筑至EL.301.7 m，下游次堆石區已填筑至EL.297.3 m，上下游高差3 m。其中在上下游接合的部位存在寬度為1.3 m 左右的碾壓區域，碾壓薄弱區域主要依靠下游次堆石區在臨近上游坡面位置處振動碾的碾壓來實現密實。

3.2 碾壓振動監測試驗原理

碾壓振動在散體介質中的傳播及衰減規律受其孔隙率、密度、彈模等參數控制，為此可通過對比正常碾壓區和薄弱區在相同豎直向衰減距離處的碾壓振動峰值，以此來評價薄弱區的碾壓質量。

3.3 碾壓振動監測試驗方案

為保證碾壓振動監測數據的準確性，設計平行于壩軸和垂直于壩軸線2種振動監測方案。

（1）振動碾平行于壩軸線工作，振動監測點見圖3。

圖3 振動監測儀器布置示意圖

（2）振動碾垂直于壩軸線工作。振動碾垂直于壩軸線工作，振動監測點及振動碾工作路線布置見圖4。

圖4 測點及振動碾工作路線示意圖

（3）對比分析。通過對上述兩種方案進行分析對比，得出兩種振動碾工作方案優缺點比較，如表1所示。

表1 兩種振動碾工作方案優缺點比較

通過上述兩種碾壓方案的優缺點分析對比，最終監測方案確定如下：以碾壓方案1碾壓完成后，再以碾壓方案2即垂直于壩軸線碾壓振動一次。在布置測點和確定振動碾試驗作用范圍時，利用RTK、白石灰等做好定點工作。

3.4 振動監測試驗方案的實施

3.4.1 試驗場地

試驗場地結合大壩施工進度，選在大壩300.0 m高程右岸側（如圖5 所示）。因觀測房施工，壩體需上下游分階段填筑，上游側不間斷填筑上升，下游側需要觀測房建造完成后開始填筑，其產生的臨時邊坡可以為本實驗創造合適的試驗條件。

圖5 試驗區域示意圖

3.4.2 試驗步驟

由于振動測試探頭需要埋設在碾壓區域內，為保護探頭、保證監測方向、結合緊密等，將探頭預制到混凝土試件中?；炷猎嚰?5 cm×15 cm×15 cm，標號為C50，在混凝土達到強度后對探頭進行功能測試，可以有效對振動進行監測。

試驗方案將鋪料及碾壓區域分成I1、I2、II1、II2、III、IV 和V，其鋪料及碾壓順序為：I1→II1→I2→II2→III→IV→V；測點布置1#～5#共5 個，每個測點監測3個方向，其中1#、2#和3#布置在I1區域，4#和5#布置在II1區域。

3.4.3 振動碾及堆石料主要參數

振動碾型號為YZ32D，其主要工作參數見表2，試驗區域碾壓遍數均為10 遍，行駛速度不超過0.8 m/s。

表2 振動碾主要工作參數

試驗區域填筑料均為堆石料，主要為流紋巖，根據室內物理力學性試驗，干密度為2.25～2.40 g/cm3，比重為2.58～2.62，孔隙率為8.40%～12.79%，自然吸水率為2.93%～4.87%，飽和吸水率為2.95%～5.01%，濕抗壓強度為52.5 MPa～126.2 MPa，平均為106.2 MPa，軟化系數為0.62～0.94，平均為0.82，屬硬質巖。

堆石料填筑設計要求如下：最大粒徑不超過800 mm，小于5 mm的顆粒含量不宜超過20%，小于0.075 mm 的顆粒含量≤5%，含泥量≤5%，孔隙率≤22%，壓實干密度≥2.12 g/cm3。不均勻系數≥15，曲率系數為1～3。其填筑主要參數見表3。

表3 堆石料填筑主要參數

3.5 碾壓振動試驗

3.5.1 常規區碾壓試驗

根據試驗方案與現場施工進度，在常規區埋設了1#～3#測點的探頭，并進行鋪料及碾壓，測點及鋪料碾壓示意圖見圖6。

圖6 1#～3#碾壓試驗區示意圖

將各測點各碾壓遍數下的碾壓振動峰值進行統計?？煽吹?，1#測點振動峰值明顯大于2#、3#測點，1#測點主要在10～20 cm/s，2#、3#測點主要在2～4 cm/s；且對于1#測點，Z方向振動速度峰值大于X、Y方向，但對于2#、3#測點，X方向振動速度峰值大于Y、Z方向。表明對于碾壓振動，正下方和斜下方振動有很大區別，不僅峰值大小相差較大，正下方比斜下方峰值要大得多；最大峰值方向也不相同，正下方上豎直向振動最大，斜下方上以垂直于振動碾行駛方向振動最大。

隨碾壓遍數的增加，各測點振動峰值波動較大，分析其主要原因，一是堆石料最大顆粒粒徑達80 cm，并不是均勻材料，即便密實度增加，對監測點的振動峰值影響也較小，需要接著監測更多數據；二是32 t 振動碾，在碾壓過程中，振動幅值并不穩定，相對于碾壓層本身激勵荷載波動較大。

但在Z方向上，隨著碾壓遍數的增加，振動峰值呈先波動上升再趨于穩定，正下方1#測點Z方向上當碾壓遍數增加到6遍時，振動峰值從10 cm/s逐漸增加到17 cm/s，之后在17 cm/s上下波動；同樣的斜下方2#測點Z方向振動峰值從2.8 cm/s 增加到3.0 cm/s并趨于穩定，3#測點Z方向振動峰值從2.5 cm/s增加到3.0 cm/s并趨于穩定。

3.5.2 薄弱區碾壓試驗

薄弱區將在II2 層進行鋪料碾壓時產生，在II2層碾壓時，利用測點2#和5#測點可監測薄弱區的碾壓振動。根據施工進度，進行碾壓振動監測。測點布置及碾壓區域范圍見圖7。

圖7 碾壓試驗區示意圖

試驗碾壓區為2.1×10.0 m，其中測點右岸側4.0 m，左岸側6.0 m，振動碾首次從左岸側出發，時速大約在0.25 m/s。

將各測點各碾壓遍數下的碾壓振動峰值進行統計?？傮w上5#測點峰值大于2#和3#測點，2#和3#測點峰值相近。5#相比于2#和3#測點波動較大，尤其是X方向和Y方向。其中2#測點代表薄弱區2層處碾壓振動，5#測點代表薄弱區1層處碾壓振動。

在Z方向上，2#測點峰值在9.05～10.48 cm/s，3#測點峰值在10.65～14.26 cm/s，5#測點峰值在22.64～31.40 cm/s。其中2#和3#測點峰值有隨碾壓遍數增加先上升再趨于穩定的態勢，而對于5#測點這種規律不明顯。

3.5.3 碾壓質量評價

將常規區與薄弱區分別在1層和2層的碾壓振動匯總，（見圖8）?？梢钥吹綗o論常規區還是薄弱區，1層下的碾壓振動均波動較大，且3條記錄之間均相差較大，常規1 層I1-1 的振動峰值均值為15.31 cm/s，而II1-4 振動峰值均值為20.76 cm/s；薄弱1 層峰值均值為27.69 cm/s。這表明1 層下碾壓振動峰值的影響因素較為復雜，隨機性大。相比于1.0 m 的鋪料厚度，最大顆粒粒徑為0.8 m 的堆石料填筑，將難以保證1層中堆石體的均勻性，對振動峰值影響較大。

圖8 常規區與薄弱區碾壓振動峰值對比

對于2 層處振動峰值，可以看到常規2 層和薄弱2層均表現良好的規律性，當碾壓遍數達6遍后，振動峰值趨于穩定，且兩者相差不大，常規2 層7-10遍的振動峰值均值為9.35 cm/s，薄弱2層7-10遍的振動峰值均值為9.85 cm/s。那么從振動峰值的角度來說，薄弱區的碾壓質量與常規區一致，是滿足質量要求的。

3.6 碾壓振動監測成果分析

（1）考慮到堆石料最大顆粒粒徑可達0.8 m，相對于1層的鋪料厚度1.0 m而言過大，難以假定1層堆石料材料均勻性，使1 層碾壓振動峰值規律較為復雜。且采用32 t振動碾，振動激振力大，在1層相對較薄的介質中，其激振力偏差的影響也難以消除。故用1層下的碾壓振動不足以評價碾壓質量的好壞。

（2）根據對比常規區和薄弱區2 層處的碾壓振動峰值，隨著碾壓遍數的增加，兩者之間的差值減小。常規2層7-10遍的振動峰值均值為9.35 cm/s，薄弱2 層7-10 遍的振動峰值均值為9.85 cm/s。那么從振動峰值的角度來說，薄弱區的碾壓質量與常規區一致，是滿足質量要求的。

4 壩體沉降量綜合分析

根據實際情況對壩體沉降量進行監測分析，得出如下結論：

（1）按照壩體內部埋設的14套水管式沉降儀所測的的壩體沉降量來看，最大沉降量為87.70 mm，最大沉降率0.31%，在同等壩高壩中屬于壩體沉降量最小的面板堆石壩。

（2）通過碾壓振動監測試驗成果表明，振動碾激振力越大，壩體堆石料碾壓密實性效果越好，故32 t 振動碾碾壓效果比26 t 振動碾碾壓密實度好，從而使壩體堆石間隙小，沉降量降低。

（3）通過碾壓振動監測試驗表明：在高強度振動碾的碾壓條件下，隨著碾壓遍數的增加，振動頻率逐漸趨于穩定值，說明32 t 振動碾激振力穿透性好，在深度為4.5 m 的情況下，振動峰值保持在4.66 cm/s。

上述三點表明，南公1水電站大壩壩體采用32t振動碾碾壓，提高了壩體碾壓密實度，降低了壩體填筑期間因施工造成的不均勻沉降，進一步提高了填筑質量。

5 結語

本文通過兩種不同方式的的壩體施工期沉降監測，及對兩種監測成果的方法分析與研究，得出了在重型振動碾條件下，碾壓如流紋巖等硬質巖后、較低強度振動碾進一步提高了壩體的碾壓密實度，提高了筑壩質量。從結果分析來看，南公1水電站面板堆石壩整體沉降的沉降符合一般的變化規律，經過與國內外相近壩高的堆石壩沉降量相比，南公1 水電站堆石體碾壓質量好，沉降量小。目前水庫已運行，壩體在水壓力、壩體堆石蠕動的共同作用較小，需根據后期的監測資料及時加以分析，確保大壩安全穩定運行。