大渡河龙头石水电站坝体填筑施工技术

2015-02-20王道光

四川水利 2015年3期

关键词：铺料心墙砂砾

王道光，梁勇

(中国水利水电第五工程局五分局，成都，610066)

大渡河龙头石水电站坝体填筑施工技术

王道光，梁勇

(中国水利水电第五工程局五分局，成都，610066)

本文以大渡河龙头石水电站沥青混凝土心墙堆石坝的坝体填筑施工为研究对象，主要从坝体填筑碾压试验结合各部位填筑施工，研究探讨了沥青混凝土心墙堆石坝坝体填筑施工工艺。

堆石坝碾压试验坝体填筑施工工艺龙头石水电站

1 工程概况

大渡河龙头石水电站位于大渡河中游石棉县境内，坝址位于安顺场上游约10km处，上游与大岗山水电站衔接，下游与老鹰岩水电站衔接，为大渡河干流调整规划推荐的22级开发方案的第15级电站。坝址下游距石棉县城约23km，距上游泸定县城约93km，坝区左岸现有省道S211线通过，经过甘谷地与国道G318线、石棉与国道G108线相接，距成昆铁路乌斯河车站约112km，对外交通较为方便。龙头石水电站枢纽工程由沥青混凝土心墙堆石坝、左岸引水发电系统和左岸三条泄洪洞等建筑物组成。

沥青混凝土心墙堆石坝坝顶高程960.00m，坝顶宽10m，最大坝高58.5m。上游坝坡1∶1.8，下游坝坡1∶1.8，上游在930.00m高程、下游在940.00m高程各设置1条马道，马道宽度均为3.0m。在下游坝脚处增设土石压重体，压重体顶高程915.00m。坝体结构见图1。

图1 龙头石水电站坝体结构

大坝堆石料采用弱风化或新鲜细粒花岗岩，要求石质坚硬，石料饱和受压强度≥45MPa，堆石颗粒级配连续，最大粒径不大于800mm，小于5mm的颗粒含量不大于15%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%，压实后堆石的孔隙率n≤22%。

大坝心墙过渡Ⅰ料采用砂砾石料，颗粒级配要求连续，最大粒径不大于80mm，小于5mm的颗粒含量≥20%且≤45%，小于0.075mm的颗粒含量≤10%，过渡I料与沥青混凝土心墙同时铺设碾压，压实后相对密度不低于0.85。

大坝心墙过渡Ⅱ料采用砂砾石料，颗粒级配要求连续，最大粒径不大于150mm，小于5mm的颗粒含量≥10%且≤30%，小于0.075mm的颗粒含量≤5%，压实后相对密度不低于0.85。

大坝下游覆盖层建基面与堆石之间的水平反滤料采用砂砾石料，要求级配良好，最大粒径不大于80mm，2mm≤D15≤15mm，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%，压实后相对密度不低于0.8。

2 大坝填筑碾压试验

2.1 试验概述

大坝堆石料分为堆石Ⅰ料、堆石Ⅱ料二种填料，其中堆石Ⅰ料为块石料，堆石Ⅱ料为砂砾石料。根据要求，Ⅰ料从2#渣场取料，Ⅱ料从出路沟料场取料。根据堆石料不同的料源，分别做不同的碾压试验。本次堆石料碾压试验共安排8场试验。其中确定施工参数的试验6场，砂砾石料和大块石料试验各3场；确定设计干容重值的复核试验2场，砂砾石料和大块石料试验各1场。

试验场地选址在大坝基础砂层处理换填区10区，布置高程900m。试验场地布置见图2所示。

2.2 试验说明

在砂层处理换填区10区布置8个试验区，依次编号为A1区、A2区、A3区、A4区、B1区、B2区、B3区、B4区。安排A1区做铺料厚度为80cm的砂砾石料试验，A2区做铺料厚度为100cm的砂砾石料试验，A3区铺料厚度为60cm的砂砾石料试验，A4区做复核砾石料试验；B1区做铺料厚度为80cm的块石料试验，B2区做铺料厚度为100cm的块石料试验，B3区铺料厚度为60cm的块石料试验，B4区做块石料复核试验。各试验区段洒水量均为10%～15%。试验过程中业主、监理要求取消A3区铺料厚度为60cm的砂砾石料试验，同时将块石料试验调整为B1区做铺料厚度80cm、洒水10%的块石料试验，B2区做铺料厚度80cm、洒水15%的块石料试验，B3区做铺料厚度100cm、洒水10%的块石料试验。

大坝碾压试验从2007年2月15日开始，于2007年3月1日结束，历时15天。

2.3 试验设备

本次试验主要是选择碾压设备，摊铺设备暂不列为试验设备考核项目。碾压试验采用的碾压设备为YZTY22振动拖碾，其设备性能见表1。

表1 YZTY22振动拖碾性能参数

2.4 试验方法

2.4.1 确定碾压遍数

碾压试验前，在场地内布置25个测量基点，铺料后采用振动辗静碾2遍，在将25个基点一一映射到铺完料的面上，在点上埋设10cm×10cm得钢板并测定25个点的高程，由此得出25个铺料厚度值，取其平均值作为铺料厚度值。铺完料后，每碾压2遍测定一次沉降值，直至碾压完10遍，由此得出2、4、6、8遍对应的沉降值。碾压完10遍后挖6个坑，分别测定干容重和颗分曲线，由10遍值推算2、4、6、8遍干容重值和孔隙率，再进行比较分析，并确定同一铺料厚度时合理的碾压遍数。

2.4.2 确定铺料厚度

在相近的干容重值下，对不同铺料厚度和不同的碾压遍数进行经济比较，确定铺料厚度。

将确定的铺料厚度、碾压遍数作为推荐的复核试验参数再进行复核试验，最后根据复核试验的成果确定设计参数。

2.4.3 确定振动辗行进速度

在每试验区试验过程中，在振动辗碾压2遍、6遍和10遍时，采用秒表计时，进行实测。在5场试验中振动碾的行驶速度均在1.8km/h～2.2km/h范围内。

2.5 试验成果

2.5.1 砂砾石料

A1砂砾石料试验区设计铺料厚度80cm，25个测量基点测得平均铺料厚度为83.6cm。A2砂砾石料试验区设计铺料厚度100cm，25个测量基点测得平均铺料厚度为95.3cm。

A1、A2两个试验区各取样坑取样成果对照见表2。砂砾石料碾压遍数与干容重值关系曲线见图3，A1、A2区各碾压遍数下对应平均干容重值对照见表3。

表2 A1、A2试验区各取样坑取样成果对照干容重单位：g/cm3

图3 砂砾石料碾压遍数～干容重值曲线

表3 A1、A2区各碾压遍数下对应平均干容重值对照单位：g/cm3

根据以上数据分析，采用砂砾石料铺料厚度为80cm时，推荐的碾压遍数为6遍；铺料厚度为100m时，推荐的碾压遍数为8遍。

2.5.2 块石料

B1块石料试验区设计铺料厚度80cm，洒水量10%,25个测量基点测得平均铺料厚度为83.3cm。B2块石料试验区设计铺料厚度80cm，洒水量15%,25个测量基点测得平均铺料厚度为79.9cm。B3块石料试验区设计铺料厚度100cm，洒水量10%,25个测量基点测得平均铺料厚度为90.9cm。

B1、B2两个试验区各取样坑取样成果对照见表4，B3试验区各取样坑取样成果见表5，石渣料碾压遍数与干容重值关系曲线见图4，B1、B2、B3区各碾压遍数下对应平均干容重对照见表6。

表5 B3试验区各取样坑取样成果干容重单位：g/cm3

图4 石渣料碾压遍数～干容重曲线

B1、B2、B3区各碾压遍数下对应平均干容重对照见表6。

表6 B1、B2、B3区各碾压遍数下对应平均干容重对照单位：g/cm3

根据以上数据分析，采用石渣料，铺料厚度为80cm、洒水量为10%～15%时，推荐的碾压遍数为8遍；铺料厚度为100m、洒水量为10%～15%时，推荐的碾压遍数为8遍。

2.5.3 推荐的复核试验参数

2.5.3.1 砂砾石料复核试验参数

砂砾石料在试验过程中，摊铺厚度80cm、碾压6遍时，干容重值达到了2.237kg/cm3；摊铺厚度100cm、碾压8遍时，干容重值同样达到了2.236kg/cm3。虽然两者差值很小，但是在挖坑取样过程，可能存在诸如坑壁不够光滑存在尖角或大块石突出、灌水不够饱满等现象，抑或是挖坑时未挖到设计深度，从而产生一定的试验误差。同时，从经济效益和机械效率等综合因素考虑，因此推荐的砂砾石料复核试验参数为铺料厚度80cm，YZTY22碾压6遍，振动碾行驶速度为(2～3)km/h。同时，砂砾石料需满足≤5mm粒径的含量不大于25%的要求。

2.5.3.2 石渣料复核试验参数

石渣料在试验过程中，摊铺厚度80cm、碾压8遍时，干容重值达到了2.22g/cm3～2.23g/cm3，摊铺厚度100cm、碾压8遍时，干容重值达到了2.24g/cm3。从颗分资料可以看出，在B3试验区细粒比B1区少，孔隙率较B1、B2区小，这是造成干容重值反而稍高的原因。其次可能还受人为因素干扰和试验误差的影响。需要指出的是，本次试验采用的是YZTY22振动碾。由于YZTY22振动碾采用的是液压传动方式，较机械传动的振动碾效果差，铺厚1m时，碾压8遍同样达到了较大的干容重值。

因此，试验推荐的石渣料复核试验参数为铺料厚度80cm，YZTY22碾压8遍，振动碾行驶速度为(2～3)km/h。同时，石渣料需满足≤5mm粒径的含量控制在15%～20%，孔隙率不大于22%的要求。

3 大坝填筑施工

3.1 坝面施工

坝面施工为适应机械化高强度施工要求，减少坝面填筑施工的相互干扰，保证各个工序的紧密衔接，在填筑时做到统一管理、合理安排、分段流水作业，使填筑层次分明、作业面平整，均衡上升，对坝面进行分区工作段划分和流水作业设计。在进行工作段划分和流水作业设计时，主要是综合考虑各种坝料分层厚度、相互间的填筑上升关系、坝料含水量等因素。同时，应强调的一个重点原则是：上坝料在每一个流水作业段应保证连续运输上坝。

对于不同的坝体填筑料，根据设计特点采用不同的流水作业和划分不同的工作段。过渡料因宽度较小，且沥青混凝土心墙要求与过渡料平起填筑，所以主要采用平行坝轴线布置流水作业。

对于坝壳料，分别在上下游区根据坝面面积不同划分工作面，每个工作面内划分作业段，并根据填筑高程不同确定流水作业方向。

大坝填筑采用20t自卸汽车上坝，22t自行式振动碾碾压(不包括心墙及过渡料)的填筑方法。

考虑不同坝料及施工顺序的因素，按照上述的划分原则和特点，将填筑面沿坝长≥80m划为若干个施工坝段，按铺料(包括铺料厚度检查)、平料、碾压和质量检验四道主要工序进行流水作业，同时确定工作段最小宽度为30m。工作段的划分，在冬天和夏天将根据现场气候、降雨等因素的变化随时调整，原则是在冬天工作块要划分得适当大一些，在夏天工作块要划分得稍小一些。

坝面各种填筑料的施工程序。为保证坝体填筑平起施工，按四层沥青混凝土心墙、四层过渡料，一层堆石料填筑厚度相同控制。填筑层厚控制标准，沥青混凝土心墙22cm(压实)，过渡料22cm(压实)，堆石料100cm，砂砾石料100cm。

沥青混凝土心墙及两侧过渡料填筑，每填筑一层后(沥青混凝土心墙及两侧1.0m～1.2m宽的过渡料的填筑，采取改装后的沥青混凝土摊铺机一次摊铺完成，并进行碾压的施工方法)，补充填筑两侧过渡料至设计宽度并进行碾压，之后重复上述工序。在沥青混凝土心墙及过渡料填筑5层后，填筑一层堆石料1.0m厚，并对堆石料进行碾压，对于过渡料与堆石料的交接处，根据碾压试验相关参数进行骑缝碾压，确保填筑施工质量。

3.2 各坝料填筑施工

3.2.1 垫层料

采用20t自卸汽车运输上坝，进占法铺料，TY220推土机平料，洒水车洒水，22t自行式振动碾顺坝轴线方向碾压，不同填筑料间的接合部位骑缝碾压，和岸坡的接坡部位垂直坝轴线方向碾压。

3.2.2 过渡料

过渡料运输采用20t自卸汽车运输上坝。沥青混凝土心墙及两侧1.0m～1.5m宽的过渡料的填筑，采取改装后的沥青混凝土摊铺机一次摊铺完成并进行碾压，然后用PC400液压反铲补充填筑两侧过渡料至设计宽度并进行碾压。和岸坡的接坡部位垂直坝轴线方向碾压。碾压设备选用BW120AD-3自行式振动碾。

3.2.3 堆石料

采用20t自卸汽车运输上坝，根据监理工程师批复的碾压试验成果进行填筑。填筑采用进占法铺料，TY-320B或TY220推土机散料，洒水车洒水，22t自行式振动平碾顺坝轴线方向碾压，与过渡层料的接合部位骑缝碾压。和岸坡的接坡部位垂直坝轴线方向碾压，然后采用小型的振动碾振捣密实。

每层坝肩边坡部位填筑时，为避免大块石相对集中，应选用较细的石料并先填筑接坡部位。上下游堆石料的填筑保持平衡同步上升。

3.3 土工格栅施工

土工格栅在厂家按每层制成一定长度的定型产品，为便于运输，宽度为4.0m左右。铺填前基础面应碾压密实，测量放线后铺设一层5cm厚砂砾石，振动碾静压密实，再铺土工格栅。土工格栅可在加工场加工好运至现场拼接，也可直接在现场拼接。

铺设时，测量放线控制边线及高程起伏差，要求起伏差小于10cm/2m。在阳光下施工时，施工期不应超过48h。应按坝高和材料的受力方向，确定铺设方向，符合施工图的要求，铺设与坝体同步。按受力方向铺设，纵向垂直坝轴向，纵向两端在铺设后按设计图纸要求锚固。

土工格栅2m一层，施工时堆石料填筑层厚100cm，由于材料本身具有抗折抗冲击能力要求，其上的堆石按正常填筑施工。

3.4 大坝不合格料源处理

针对料场料源存在的质量不均衡现象，我部在料场回采渣料时，采取分区域布置挖装设备，在回采渣料时剔除大于800mm的大块石和风化砂，将分区所取渣料在坝面上混合后摊铺碾压，并按规范要求在坝面上挖坑进行颗粒分析试验，以确保上坝料级配满足设计要求。

3.5 大坝填筑缺陷处理

大坝填筑缺陷主要体现在块石料集中现象上，而最常见部位是坝体与岸坡交接部位，由于施工设备原因，常造成岸坡部位大块石集中。我部根据现场实际情况采用以下措施处理：(1)在岸坡填筑时，在料场选择大块石较少的渣料填筑，从而确保渣料的级配满足设计要求；(2)对岸坡大块石集中部位，采取挖除、重新填筑的方式保证渣料的级配满足设计要求。

4 大坝填筑质量控制

4.1 大坝填筑石料抗压强度

根据设计要求，堆石料采用弱风化或新鲜细粒花岗岩，要求石质坚硬，石料饱和受压强度≥45MPa。2007年5月13日，我部委托检验龙头石料场砂岩饱和抗压强度平均值为64MPa，满足设计要求。

4.2 质量检测次数

根据碾压式土石坝施工规范，坝体压实检查次数如表7所示。

表7 坝体压实检查次数

4.3 大坝铺料控制及压实度控制

大坝堆石料铺料厚度采用现场检测控制，施工期间检测堆石料铺料厚度最大偏差为+7cm，最小偏差为+3.5cm，过渡料最大偏差为+4cm，最小偏差为+2.5cm。

压实度设计要求，堆石料压实后堆石的孔隙率n≤22%，过渡料按相对密度控制不低于0.85，反滤料相对密度不低于0.8。经现场施工检测，堆石料压实后孔隙率最大值为20.1%，最小值为14.8%；过渡料相对密度最大值为1.0，最小值为0.86；反滤料检测相对密度最大值0.98，最小值为0.87。施工质量满足设计要求。

4.4 大坝填筑颗粒分析

4.4.1 堆石料

设计要求，堆石颗粒级配要求连续，最大粒径不大于800mm，小于5mm的颗粒含量不大于15%，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%。施工期间堆石料颗粒分析试验53组，检测成果见表8。

表8 堆石料颗粒分析成果

4.4.2 反滤料

设计要求，大坝下游覆盖层建基面与堆石之间的水平反滤料采用砂砾石料，要求级配良好，最大粒径不大于80mm，2mm≤D15≤15mm，小于0.075mm的颗粒含量不大于5%。施工期间反滤料采用4#渣场筛分系统成品砂石料掺配而成，颗粒分析检测18组，其成果见表9。

表9 反滤料颗粒分析成果

4.4.3 过渡I料

设计要求，大坝心墙过渡Ⅰ料采用砂砾石料，颗粒级配要求连续，最大粒径不大于80mm，小于5mm的颗粒含量≥20%且≤45%，小于0.075mm的颗粒含量≤10%。施工期间过渡I料采用4#渣场筛分系统成品砂石料掺配而成，颗粒分析检测123组，其成果见表10。

表10 过滤Ⅰ颗粒分析成果

4.4.4 过渡II料

设计要求，大坝心墙过渡Ⅱ料采用砂砾石料，颗粒级配要求连续，最大粒径不大于150mm，小于5mm的颗粒含量≥10%且≤30%，小于0.075mm的颗粒含量≤5%。施工期间过渡II料颗粒分析检测57组，其成果见表11。

表11 过滤Ⅱ料颗粒分析成果

5 关键技术问题

5.1 料源质量控制措施

5.1.1 堆石料

(1)料场在填筑前先勘探检测，超过施工控制含水量的土料不得使用；

(2)含水率的控制，对堆石料的含水率控制一般在料场进行：①加强料源的勘测调查，室内试验及现场施工试验，进行现场的碾压施工试验，以确定最优的施工参数；②低含水率的洒水处理，当堆石料的含水率比施工填筑最优含水率低的较多时，在取土场用雾状给堆石料加水，然后将堆石料堆置在另一处，搁置一般时间，使含水率均匀，再用于填筑。当堆石料含水量低于施工含水量1%～3%时，可在坝面喷雾洒水湿润调节；

(3)控制好砾石土的颗粒级配。当砾石土超径材料含量较多，超过允许的上下限时，要事先进行格筛处理或坝面上安排人工挑检控制，或在料场内采用堆料混合法进行掺配，以满足施工技术参数的要求。

5.1.2 反滤料

根据技术规范要求的级配曲线及各项指数要求，确定砂砾石料场的加工设备和工艺流程。做好料场四周的排水设施，各料堆场堆放在干净、平整的场地上，通过不同掺配比例和碾压试验确定填筑施工参数。

5.2 反滤料与过渡料的填筑

5.2.1 施工过程中严防颗粒分离，严格控制各层厚度。

5.2.2 反滤料与心墙、过渡料结合部位采用“先砂后土法”施工。

5.2.3 分段铺筑时，在平面上铺筑，将各层铺筑成阶梯形的接头，即后一层比前一层缩进必要的宽度，在斜面上的横向接缝，收成坡度不陡于1∶2的斜坡，各层料在接缝处亦铺成台阶的接头，使层次分明，不致错乱。

5.2.4 对已铺压实的填筑层，禁止行人践踏，车辆通行，防止污水浸入，以免污染施工作业面。

5.2.5 在不能用振动碾压实的部位用小型压实机具夯打压实，夯打前适当洒水。

5.2.6 严防产生反滤料漏铺现象，特别是进料道路压住反滤料的地方，在改造时要清至原反滤料，保证反滤层上下左右的连续性。

5.3 堆石料的填筑

5.3.1 填筑时充分洒水，碾压开始之前均匀洒水一次，然后边洒边压实。