面板堆石坝采用冲碾压实技术的研究和探讨
我国1985年引进面板坝技术，由于其经济性的突出特点而得到飞速发展，已建成了一大批面板坝。天生桥一级面板坝的建设，标志着我国面板坝建设技术正在向200 m级规模迈进。正在建设的洪家渡（高179.5 m）、水布垭（高232 m）、三板溪（高185 m）等高面板坝将把我国面板坝筑坝技术提高到一个新的高度。现在面板坝的设计和施工技术已经相当成熟，但是高面板坝的坝体变形问题仍不尽如人意，施工技术尚待发展，为此提出冲碾压实技术与同行共同探讨。
1 高面板堆石坝的坝体变形
坝体变形特别是沉降变形可能引起面板裂缝和周边缝张开和止水的破坏，这方面的例子较多，如天生桥面板裂缝多达1 200余条以上，巴西辛戈坝由于面板开裂引起较严重的漏水等。尽管面板坝坝型的采用已很广泛，但面板坝的变形问题限制了面板坝坝高的增加，其坝高的提高始终不如混凝土坝和土坝等，因此研究面板坝的变形将是一重要课题。
对于高面板坝，影响变形有以下二个重要因素：
1.1 坝体材料性质
面板坝的坝体材料最常用的有砂砾石料和爆破堆石料两种。砂砾石面板坝其坝体沉降变形仅为堆石面板坝的1/5。碾压堆石总体沉降量较小，但在坝高达到一定水平（200 m级）后坝体沉降就变得较大，这是因为开挖堆石料棱角突出，虽经加水碾压，部分棱角破碎，但竣工后在高应力作用下块石棱角还会进一步破碎，嵌填还要不断调整。而砂砾石料由于表面光滑无棱角，易于压实到较大的干密度和较小的孔隙率（n≤15 %），而变形模量Ev≥300~350 MPa），而碾压堆石料Ev很难超过200 MPa。这就是高面板堆石坝沉降变形较大的原因之一。
1.2 河谷形状
根据已有工程观测资料，狭窄河谷坝其变形具有初期较小、后期由于堆石体的蠕变作用而随时间增长将有所增加的特征，一般宽河谷坝建成三年坝体沉降可完成，而狭窄河谷坝却需要10年以上其变形方可趋于稳定。计算表明，因河谷狭窄，坝体变形拱效应显著，坝体变形梯度大。
因此为了减小坝体变形，可能的途径就是提高施工期堆石体的压实密度，减小其孔隙率，让发生在后期的堆石破碎、嵌填调整在坝体施工期提前大部分完成，才能减小施工期和运行期的沉降量，从而对面板和周边缝的应力和变形带来极大的好处。
2 筑坝速度
面板坝之所以采用广泛，其中的一个重要原因就是其施工速度快。水电建设目前工期长的沉疴已有很大的起色，其中面板坝的优势功不可没。但对高面板坝，往往大坝施工仍然是工程关键线路上的控制项目。在保证和提高质量的基础上加快筑坝速度以期提前整个工程工期，无疑对提高经济效益和增强水电的竞争力有很大的意义。
3 冲碾压实技术的应用研究
现在坝体堆石碾压经典的技术是振动碾碾压技术，但其施工速度和碾压堆石的密实度已基本到了一个极限。冲击碾压机压实技术以其高冲击力和施工高速度为面板坝堆石碾压另辟捷径，它可以提高堆石密实度和加快施工速度，是值得探讨和研究的一种碾压技术。
3.1 冲碾技术国内外应用情况
目前，在高速公路、机场等建设领域，已经比较广泛地使用冲碾压实技术，且有许多成功的例子，其机具为南非的蓝派（LANDPAC）冲击压实机。通常经振动碾压后的工作面，用冲击压实机检验性碾压后，沉降可再下降5～10 cm。香港机场填海工程，经振动碾压实后，再用冲击压实机检验性碾压，效果很好，最后改用冲击压实机进行压实。兴义机场试验表明，密度约2.6～2.7 t/m3的白云质灰岩堆石料，经28遍压实后（约每分钟1遍），堆石体干密度普遍达2.3～2.4 t/m3，个别点达2.5 t/m3，空隙率仅为13 %～18 %。但是该冲碾压实技术在水电界尚未有使用的例子。
3.2 冲击碾压原理及几种压实技术
当前，堆石压实技术主要有夯实与碾压两大类。主要的可参予比较的压实方法有强夯、振动碾压和冲击碾压三种。强夯是靠夯锤从高处自由落体产生的冲击力，从地表传入土中的压力波起压实作用。振动碾压是靠高频振动使土体处于运动状态，土粒间阻力大大减少，在静重和压力波的动力作用下使土体得到压实。冲击压实的碾压主体为三～六边形的等边多边形的压实轮，其压实是靠冲击力、振动力和碾静重三者的共同作用，即：冲击力是压实轮突起块从最高点快速砸向地面的冲量、振动力是压实轮以较快速度旋转和跳动形成振动、压实轮碾静重滚动作功。
强夯击振力很大，可达10 000 kN以上，由于击振力太大，对周围约束要求高、效率低，主要用于机场、填海等领域。大坝上下游方向为临空面，无约束，强夯对块石破碎也很厉害，施工中不宜采用此项技术。
3.3 冲击压实技术与振动碾压技术比较
振动碾压为低幅/高频交替运动，其振动频率为25~30 hz，振幅一般仅为2 mm。其激振力为其自重的2~3倍，约300～500 kN，影响范围小，通过薄层（层厚一般为0.4～1.6 m）碾压6～10遍可获得较好的压实效果，这是现代面板坝使用的技术。
冲击压实为高幅/低频交替运动。冲击压实机的碾轮由一台轮式拖拉机以8～12 km/h的速度沿地面拖拽，通过接触地面和交替地抬高碾轮上的点再向下砸落到压实表面的方式来使碾轮旋转起来，这种方式产生了一系列高冲击、高振动的撞击力，其振幅高达22 cm，频率仅为2 hz。研究表明，大振幅振动使被压的物料参加振动的质量更多。从势能转化为冲量的计算，冲击压实力会随压实机型号的不同在2 000～4 000 kN之间变化。有效压实深度为1.5～2.5 m，压实度在90 %～105 %之间。
现将强夯、振动碾压、冲击压实三种性能参数比较如表1。从表1可见冲击压实技术是一种介于强夯与振动碾压之间的技术，填补了之间的空白。
4 采用冲碾压实技术需解决的问题
由于冲碾压实技术在堆石坝施工中国内外尚无采用的先例，在面板坝堆石填筑中采用冲碾压实技术尚有以下技术难点需要解决：
表1 强夯、振动碾压、冲击压实三种性能参数比较表