碾压机械对土石坝压实质量的影响

汤洪洁，王传菲，柳 莹，杨玉生，王中良，杨孝攀

(1.水利部水利水电规划设计总院，北京 100120；2.江河水利水电咨询中心有限公司，北京 100120；3.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；4.中国水利水电科学研究院，北京 100048；5.巴中市红鱼洞水库运行保护中心，四川 巴中 636600)

1 碾压机械对筑坝方式演变的影响

土石坝具有就地取材、对地形条件和环境因素适应性强且较为经济的优点，是世界范围内普遍应用的坝型。全世界已建15m以上大坝中，土石坝占比约78%[1]。中国已建大坝中，土石坝比例达93%[2]；已建大型工程中，土石坝比例达到50%[3]。在坝工发展史上，20世纪初期已出现100m以上的混凝土拱坝(1910年建成)和重力坝(1915年建成)，而直到20世纪30年代，100m以上的土石坝才出现[4]。在100m以上高坝中，直至20世纪50年代末，土石坝占比仅31%；60年代开始，土石坝占比逐步增大，到1974年时，土石坝占比达到50%，此后土石坝比重逐步超越混凝土坝；到1980年，土石坝占比已达到62%，且坝高越大，土石坝的比重越大[4]。中国各坝型中土石坝占有绝对优势，近年来在建和拟建的300m级特高坝，大部分也是土石坝。

20世纪20年代末之前建造的土石坝坝高一般不超过50m，大多为抛投或码砌方式建设、采用木面板或混凝土面板防渗的堆石坝[4]。20世纪30年代时，在山区采用抛投方式建造有坝高达100m的混凝土面板堆石坝，但因堆石体变形可达坝高的1%～2%，导致面板都有裂缝发生[4]。在平原或丘陵区主要采用水力冲填或半水力冲填方式筑坝，坝体填筑密实度较小，施工期容易发生滑坡事故。40年代及50年代，转而修建粘土心墙或斜心墙堆石坝，堆石仍然是抛投法施工，坝体变形较大易产生裂缝[4]。50年代以后，随着大型运输车辆和重型碾压设备的出现，土石坝填筑方式逐步由抛填方式过渡到静碾，再到振动碾压。60年代以后，由于重型振动碾压设备的使用，高土石坝发展迅速，尤其是面板堆石坝重新获得生命力，60年代各国建成100m以上的土石坝50余座，70年代土石坝高度达到240m，80年代达到325m，这些坝都是粘土心墙或斜心墙砂砾石坝/堆石坝，孔隙率减小到25%甚至20%，变形较小少有裂缝发生[4]。碾压机械的吨位由开始时的5t逐步到10t和13.5t，再到后来的16、20、26、32t，土石坝的坝高也逐步由最初的中低坝发展到100m以上的高坝，直至200m以上或300m级的特高坝[5]。

在振动碾压机械发明之前的20世纪30—40年代，高土石坝主要采用混凝土面板抛投式堆石坝，由于抛投式堆石坝没有经过压实，其孔隙率只能达到31%～36%，会发生堆石体变形太大导致面板裂缝[4]；到五六十年代，抛投式面板堆石坝就已不再采用，土石坝在所有坝型中比重较大的原因主要在于其经济性和对地质地形条件的良好适应性，尤其是岩土力学、计算技术的进步以及生产力水平的提高，使得大型施工机械和施工技术在土石坝建设中得到普遍应用，使得有条件提高大坝设计填筑标准，坝体的碾压越来越密实，坝体变形控制效果越来越显著[4- 5]。本文主要结合室内和现场试验以及相关研究成果，结合已建工程大坝沉降监测资料，分析碾压机械特性对压实质量的影响及其相互关系，为土石坝设计和施工提供参考。

2 碾压机械特性对压实质量的影响

2.1 振动时间的影响

朱俊高等[6]采用表面振动压实仪(电源电压为380V，功率1kW，振动频率50Hz，激振力5kN)，在表面压重为8.609kPa的条件下，研究了激振时间和表面压重对砂砾料干密度的影响规律。所采用的试验材料为长河坝心墙土石坝砂卵砾石料(岩性较硬，最大粒径60mm)和江苏六合某地的砂卵石料(最大粒径为60mm和20mm，岩性较软，易破碎)。根据文中试验数据，绘图整理得到振动时间对干密度的影响，如图1所示。

图1 振动时间对干密度的影响

由图1可知，对于岩性相同的砂砾料，最大粒径对干密度有明显的影响，在相同的激振时间和激振力条件下，最大粒径dmax=60mm的干密度明显大于dmax=20mm的干密度，且干密度随振动时间的变化曲线几乎平行。随激振时间的增长，六合料干密度的增大速度明显大于长河坝砂砾料。原因在于两者岩性不同，六合砂砾料岩性较软，容易破碎，破碎后细粒含量增多，细粒能够填充粗粒形成的骨架孔隙，从而能够达到更高的干密度。长河坝砂砾料岩性较硬，振动引起的破碎率较小，干密度随振动时间的增大速率明显较缓慢。

王星照等[7]在湖南龙背湾工程现场采用密度桶法研究了定点振动碾压试验对砂砾料干密度的影响。试验时首先进行行驶振动碾压，随着碾压遍数增加，干密度值增大，碾压到12遍时干密度趋于平稳，因此选择单纯碾压至12遍后，再进行不同时间的定点碾压试验，试验结果如图2所示。由图2可知，定点振动15min与定点碾压20min，砂卵石料的最大干密度值增长0.01 ～0.02g/cm3，变化很小。

图2 定点振动试验对干密度的影响[7]

2.2 压重的影响

压重是影响表面振动压实法试验结果的另一个重要因素。DL/T 5356—2019《水电水利工程粗粒土试验规程》和JTJ 051—1993《公路土工试验规程》规定的压重分别为13.8、14kPa，并说明，压重从7kPa增至13.8kPa时，干密度显著增加，此后再增加压重至21kPa时，干密度则无显著增加，趋于稳定。

冯冠庆等[8]采用振动台法试验研究表明，附加荷重越大，试验干密度越大，当荷重从7kPa增加到14kPa时，干密度显著增大，继续增大压重到21kPa时，干密度则无显著增大。采用表面振动法时，压重从7kPa增加到14kPa时，干密度随之增大，继续增大压重到21kPa时，干密度反而减小。可见，仅靠增加压重，所获得的压实效果并不显著。朱俊高[9]对砂砾料进行了3种压重(6.387、8.609、10.831kPa)的表面振动试验，振动时间6min，试验结果如图3所示。由图3可知，当压重由6.387kPa增大至8.609kPa时，砂砾料压实干密度(相对密度)显著增大，而压重再增大至10.831kPa时，压实干密度增大很小，已趋于稳定。张胜利[10]采用振动台法测试了砂砾料在压重2～18kPa范围内压实干密度随压重的变化情况，结果表明，在压重小于14kPa时，随压重的增加，压实干密度增大较快。当压重达到14kPa后，再增大压重对干密度的压实作用已较小。这些试验表明，DL/T 5356—2019和JTJ 05—1993规定的压重值是基本合适的。

图3 压重对干密度(相对密度)的影响

由此带来的启示是，当土石坝实际施工采用的振动碾吨位增大到一定程度后，继续增大振动碾吨位对压实效果的意义可能是比较小的。

2.3 压实功能的影响

郭庆国[11]根据昌马(73组)、碧口(2组)和毛家村(15组)3座工程砂砾石试验资料，分析了压实功能与干密度的关系，如图4所示。从图4看出，干密度随压实功能增大而增大，当压实功能较小(小于400kJ/m3)时，干密度随压实功能增大迅速增大，但当压实功能增至某值(400 ～600kJ/cm3)以后，干密度的增长率减小，增大压实功能带来的压实效果降低。根据压实功能对砂砾料干密度的影响规律，可选出经济合理的最优压实功能为500kJ/m3左右。

图4 压实功能对砂砾料压实干密度的影响[11]

2.4 振幅、频率和振动加速度的影响

振动碾的振动参数如振幅、频率、加速度等直接影响压实效果，根据压实材料的特性，合理选择碾压振动参数十分重要。图5—7分别给出了振动频率、振幅和振动加速度对压实干密度的影响[12- 15]。由图5可知，压实干密度随振动频率的增大而显著增加。频率在25～50Hz间有一个最优值，当振动频率低于振动碾和土系统的自振频率时，压实效果降低较多。但振动碾和土系统的自振频率较难测定，表1给出了常见地基土大致的自振频率范围，可供应用参考[12- 13]。

表1 地基土自振频率经验范围

图5 振动频率对压实干密度的影响

以往工程实践表明，堆石常采用的频率为30～42Hz，压实粘性土采用23～29Hz[13]。由图6—7可知，频率相同时，压实干密度随振幅、振动加速度的增大而显著增加，当振幅增至最优振幅时，干密度达到最大，继续再增加振幅，干密度反而减小。即在同一振动频率下，存在一个最优振幅及相应的振动加速度值。

图6 振幅对压实干密度的影响

图7 振动加速度对压实干密度的影响

谷本喜一曾研究振动频率对砂土压实的影响，认为存在一个最优压实频率，该频率随碾压遍数增加而增大，与砂土的自振频率接近。认为用振动碾压实厚层、大体积的土方和堆石，振动碾的设计振幅应在1.5～2.0mm范围内，响应适宜的频率为25～30Hz。

2.5 压实方法的影响

土体由于外力的作用，克服颗粒间摩阻力，颗粒互相填充而变得密实。压实方法不同，施加于土体上的作用力的大小以及作用原理不同，压实效果也不同。采用夯实法时，土体承受的是冲击力；当采用平碾碾压时，土体承受的是碾磙的重力；当采用振动碾时，土体不但承受碾的重力，还要承受振动力。图8给出了不同压实方法对干压实效果的影响，试验和工程实践证明，对无粘性粗粒土，振动法压实效果最好，而且工效高，故在土石坝施工中，重型振动碾被广为应用。

图8 不同压实方法的影响[11]

3 碾压机械对压实质量控制的影响

3.1 碾压机械对堆石坝设计的影响

考察土石坝发展的历史，可以看出碾压施工机械的应用对土石坝发展的重要作用。在重型振动碾压机械发明之前，高坝建设对填筑标准要求较高，原有的抛填式筑坝由于缺乏对填筑层的有效压实，坝体变形较大导致发生严重渗漏，修建更高的堆石坝，则发生更严重的渗漏问题。因此，抛投式筑坝难以适应高坝建设对变形控制的要求。20世纪40年代，为应对抛填式面板堆石坝由于变形过大导致的渗漏问题，开始采用带有反滤层的土质心墙堆石坝，以适应抛填式堆石坝变形，延长抛填式堆石坝寿命[14]。1940—1965年期间，伴随着修建更高堆石坝的需求，以及重型振动平碾的出现，抛填式堆石坝逐步向碾压式堆石坝过渡。而当重型振动碾压机械普遍应用之后，对填筑标准要求更高的高坝发展迅速，尤其是面板堆石坝重获生命力。

柳莹等[15]对新疆已建百米以上混凝土面板堆石坝施工碾压参数进行了总结，发现目前的16～18t以上振动碾压施工条件下，碾压层厚度基本上为80cm，碾压遍数大致为6—8遍，基本能满足大坝达到设计压实指标的要求。图9给出了2000年以来新疆土石坝施工振动碾吨位的发展情况[15]。由图9可知，近20年来，新疆百米级面板坝施工采用的振动碾吨位普遍在16～18t以上；2018年之后，伴随着强震区、深厚覆盖层上高面板坝的建设，更大吨位的振动碾开始使用，这为土石坝采用更高的设计填筑标准进行更严格的变形控制提供了基础，对堆石坝变形控制意义重大。以砂砾石坝为例，目前强震区土质心墙砂砾石坝和混凝土面板坝，其填筑标准相对密度大多采用0.85和0.90，从建设高度上，土质心墙堆石坝已达到300m级，面板堆石坝已达250m级。

图9 新疆土石坝施工振动碾吨位的发展[17]

3.2 碾压机械对堆石坝变形控制水平的影响

堆石坝沉降受坝料性质、填筑标准、施工碾压参数等诸多因素的影响。当振动碾压机械出现之前，抛投式面板堆石坝孔隙率可达31%～36%，随着重型振动碾压机械的使用，压实后坝体孔隙率大幅度减小。目前规范中对土质心墙防渗体分区坝和沥青混凝土心墙坝，规定堆石料的孔隙率宜为20%～28%，对面板堆石坝主堆石区，坝高H<150m和150m≤坝高H≤200m，孔隙率分别不应大于20%～25%和18%～21%。结合新疆已建100m级面板坝沉降监测资料，图10给出了不同振动碾吨位对竣工沉降量和沉降率的影响[15]。

图10 振动碾吨位对堆石坝竣工沉降量和沉降率的影响

由图10可知，随振动碾吨位的增大，面板堆石坝竣工期沉降量和沉降率逐渐减小。当筑坝材料为砂砾料时，新疆100m级(90～165m)大坝竣工沉降率基本上能控制在0.3%左右，竣工后沉降率基本上能控制在0.2%以内，运行稳定后总沉降率基本能控制在0.3%～0.5%以内。当筑坝材料为爆破堆石料时，大坝竣工沉降率都在0.3%以上，大多为0.5%左右，个别达到了0.69%，竣工后沉降量大多在400mm以上，2015年建成的某混凝土面板堆石坝运行4年后沉降率达到0.89%，已接近混凝土面板堆石坝设计经验沉降控制界限值，说明坝体采用爆破堆石料填筑时，变形控制难度较大。对于强震区150m级以上的高堆石坝建设，从变形控制的角度而言，当坝址附近有丰富的砂砾石资源时，坝体选择采用砂砾石填筑是较优选择。在现有的碾压机械水平下，26～32t振动碾基本能满足100 ～200m级堆石坝变形控制要求。对于150m级以上高坝，建议采用26t以上的振动碾施工。

3.3 碾压机械对压实质量的边际作用递减效应

杨大伟[16]对不同振动碾吨位下，砂砾石料干密度随碾压遍数的变化进行了研究，如图11所示，为了更清晰地表示碾压机械对压实干密度的影响，以振动碾吨位为横轴重新整理，可得图12。由图11—12可知：①当碾压遍数较少时，压实干密度对振动碾吨位十分敏感，振动碾吨位越大， 第一次碾压时达到的压实干密度越大，如20t振动碾碾压一遍达到的压实效果与14t振动碾碾压2—3遍达到的压实效果相当，26t振动碾碾压1遍与14t振动碾碾压4—5遍达到的压实效果相当；②在碾压遍数不超过4遍时，随着振动碾吨位增大，相同碾压遍数下压实干密度越大，两者大致呈线性关系；③当碾压遍数达到5遍后，继续增大碾压遍数对压实的效果有限，压实干密度甚至可能会减小，随碾压遍数变化呈现一定的起伏。如采用14t振动碾碾压5遍与8遍的干密度分别为2.07、2.091g/cm3，采用20t振动碾碾压5遍与8遍的干密度分别为2.114 、2.137 g/cm3，其差值均在0.03g/cm3试验误差控制范围内；④进行第5遍以上碾压时，若振动碾吨位t≤20t，压实干密度随振动碾吨位增大而增大，振动碾吨位达到20t后，继续增大增动碾吨位对压实效果的提升有限，压实干密度甚至可能会减小，随振动碾吨位增加呈现一定的起伏。

图11 振动碾吨位对压实干密度的影响

图12 碾压机械对压实干密度的影响

压实干密度随振动碾吨位和碾压遍数的变化规律，对土石坝填筑施工振动碾选择和碾压参数的确定可以获得以下启发：①在一定的振动碾吨位下，碾压遍数的增大，不一定能改善压实效果，存在一个经济高效的碾压遍数，在施工参数选择时应通过试验确定该碾压遍数；②碾压机械吨位对压实效果具有边际作用递减的效应，振动碾吨位由14t增大到20t对压实效果的提升显著，但由20t继续增大时，对压实效果的提升减小，原因在于大吨位振动碾在强震条件下更容易导致砂砾料粗、细颗粒分离，影响压实效果。

碾压机械对压实质量的边际作用递减效应，在坝体沉降变形的规律中也有体现。柳莹[15]等对新疆已建100m级以上已建面板堆石坝碾压施工参数和沉降监测的分析表明，当振动碾吨位由16t增大到20t及由20t增大到26t时，堆石坝的沉降率显著减小，而振动碾吨位由26t增大到32t时，依据有限的资料分析发现沉降率减少的幅度很小。振动碾由26t提高到32t对变形控制的效果尚需要结合更多的案例进行分析。

总的来看，包括碾压机械吨位和碾压遍数对压实质量存在边际作用递减效应，在确定施工碾压参数时，应结合坝体设计填筑标准，考虑边际作用递减效应，选择合适的振动碾吨位和合适的碾压遍数，以经济高效地达到设计填筑压实要求，避免因碾压参数不合适达不到设计填筑质量要求。振动碾吨位过小时，靠增大碾压遍数难以达到设计填筑要求。振动碾吨位过大时，若碾压遍数选择不当，遍数过多时容易导致坝体材料粗、细颗粒分离，对压实质量控制不利。

4 结论

(1)碾压机械与土石坝的发展有密切关系，随着大型振动碾压机械的使用，对变形控制要求严格的面板坝在重型碾压机械普遍应用后发展迅速。重型碾压机械的使用，使得有条件修建高标准的高坝，可以从设计层面提出高的设计填筑标准，保证坝体碾压密实，取得良好的堆石体沉降控制效果。

(2)碾压机械逐步由静碾发展到动碾，由较小的5t，逐步发展到20、26、32t，目前20t以上振动碾在土石坝工程中已得到普遍广泛的应用，近年来强震区高坝建设大多采用26t或32t振动碾碾压密实，这对提高大坝压实密实度很关键，26～32t振动碾基本能满足目前的高坝建设需要。对于150m级以上的高混凝土面板堆石坝，推荐采用26t以上的振动碾进行碾压施工。

(3)振动碾吨位由16t提高到20t及由20t提高到26t时，面板砂砾石坝和面板堆石坝的沉降率显著减小，目前的振动碾压条件下，对于砂砾石坝和堆石坝，其竣工沉降控制分别可控制在0.3%和0.5%以内，大坝碾压后密实度很高。

(4)提高碾压机械吨位，增加其压实功能，可有效提高坝料的压实效果，但碾压机械对压实质量存在边际效应递减现象，在确定施工碾压参数时，应结合坝体设计填筑标准，考虑边际效应递减现象，选择合适的振动碾吨位和合适的碾压遍数。