長(zhǎng)河壩水電站大壩填筑快速施工措施探討

楊 偉

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 611130)

0 前 言

長(zhǎng)河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，為大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)的第10級(jí)電站。電站總裝機(jī)容量2 600 MW，攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240.0 m(EL 1 457-1 697 m)，在同類型壩中壩高僅次于雙江口、兩河口、糯扎渡水電站大壩，名列國(guó)內(nèi)第四。大壩填筑工程量約為3 400萬(wàn)m3，主要工程量為上下游堆石料約2 273.9萬(wàn)m3，礫石土心墻防滲料約428.3萬(wàn)m3，高塑性黏土20.46萬(wàn)m3，反濾料1、2、3、4約為168.19萬(wàn)m3，上下游過渡料及岸邊過渡料約為290.97萬(wàn)m3，上下游壓重體約為206.55萬(wàn)m3。

招投標(biāo)文件顯示：本標(biāo)計(jì)劃2010年9月1日開工，2016年12月31日完工，從開工到大壩填筑完成工期為76個(gè)月。其中，2012年3月1日下基坑，2013年5月1日開始心墻填筑，至2014年5月31日大壩填筑至1 545 m，滿足壩體攔擋200年一遇洪水要求；2016年10月31日大壩填筑至1 677 m，2016年12月31日壩體填筑到1 697.00 m。

實(shí)際施工情況為：2011年1月1日正式開工，2012年5月28日開始下游堆石體先期斷面填筑，2012年10月底開始上游堆石區(qū)先期斷面填筑，2013年7月23日開始大壩心墻區(qū)填筑，2014年5月31日大壩填筑至1 536 m，2016年9月10日大壩填筑至1 697 m。從實(shí)際開工到填筑到頂工期為69.3個(gè)月。

大壩工程填筑工程在晚開工4個(gè)月，且大壩填筑工程量不變情況下，提前3.7個(gè)月完成填筑。在施工過程中，經(jīng)參建各方共同努力情況下，結(jié)合該工程實(shí)際情況，采取了快速施工方法或措施。

1 快速施工總體措施

要實(shí)現(xiàn)該工程的快速施工，需要整個(gè)施工過程的各個(gè)環(huán)節(jié)相互配合、進(jìn)度均衡，并滿足施工安全和質(zhì)量要求。

需要由各方面的措施加以保證，一般包括技術(shù)措施、經(jīng)濟(jì)措施和合同措施。

技術(shù)措施包括：心墻土料質(zhì)量快速檢測(cè)；心墻土料分區(qū)流水施工；整體填筑斷面平起施工和堆石料先期斷面填筑；壩料跨心墻運(yùn)輸技術(shù)；在滿足設(shè)計(jì)壩料要求上，利用各種開挖料進(jìn)行填筑，并進(jìn)行土石方調(diào)度優(yōu)化，在大壩料場(chǎng)前期開挖強(qiáng)度較低，而大壩底部填筑面大情況下，利用開挖渣料直接上壩進(jìn)行堆石料填筑可加快施工進(jìn)度；采用GPS大壩壩面填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等措施；冬雨季施工措施；組織大型設(shè)備進(jìn)行施工。

經(jīng)濟(jì)措施包括：對(duì)心墻料、反濾料進(jìn)行備料儲(chǔ)存等措施。

合同措施包括：對(duì)業(yè)主要求的趕工措施費(fèi)用進(jìn)行及時(shí)結(jié)算等措施。

按保證措施分類可以分為：質(zhì)量保證措施、進(jìn)度保證措施、造價(jià)保證措施等。

質(zhì)量保證措施：采用GPS大壩壩面填筑質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)管大壩填筑管理方法，提高現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓質(zhì)量的保證率，減少因質(zhì)量不合格返工的情況，進(jìn)而加快工程進(jìn)度。

進(jìn)度保證措施：心墻土料質(zhì)量快速檢測(cè)、分區(qū)流水作業(yè)，整體填筑斷面平起施工和堆石料先期斷面填筑，壩料跨心墻運(yùn)輸技術(shù)，組織大型設(shè)備進(jìn)行施工，各種壩料的備料、設(shè)置節(jié)點(diǎn)目標(biāo)和搶工措施費(fèi)用。

造價(jià)保證措施：在滿足設(shè)計(jì)壩料要求上，利用各種開挖料進(jìn)行填筑，并進(jìn)行土石方調(diào)度優(yōu)化，如利用開挖渣料直接上壩進(jìn)行堆石料填筑。采用該措施后，與直接采用料場(chǎng)開挖爆破料相比，可節(jié)省大量費(fèi)用。

本文僅就其中部分措施進(jìn)行簡(jiǎn)述。

2 礫石土心墻土料質(zhì)量快速檢測(cè)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，碾壓后的礫石土心墻料質(zhì)量以全料壓實(shí)度和細(xì)料(小于5 mm料)壓實(shí)度進(jìn)行雙控制，全料壓實(shí)度=挖坑灌水法得到的全料干密度/室內(nèi)大型擊實(shí)試驗(yàn)所得全料最大干密度；細(xì)料壓實(shí)度檢測(cè)宜采用三點(diǎn)擊實(shí)法。心墻防滲土料每填筑一層(鋪料厚度為30 cm)取2～3組試樣測(cè)定土料全料和細(xì)料的干密度、含水率和顆粒級(jí)配，得到全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，防滲土料填筑時(shí)，每層壓實(shí)經(jīng)取樣檢測(cè)合格后，方可繼續(xù)鋪土填筑。由于心墻土料填筑厚度在壩料填筑中厚度最薄(鋪料厚度為30 cm)，并且受到降雨、負(fù)溫等因素影響，心墻填筑處于大壩填筑關(guān)鍵線路上，其進(jìn)度決定大壩上升速度。

根據(jù)現(xiàn)行常規(guī)試驗(yàn)規(guī)范，得到全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度需要工作時(shí)間約為14 h。其中測(cè)出全料含水率時(shí)間8 h以上。

結(jié)合本工程碾壓試驗(yàn)和工程初期情況，經(jīng)過大量試驗(yàn)論證基礎(chǔ)上，采用心墻土料快速質(zhì)量檢測(cè)方法。

采用湯壩土料成份單一，為含礫石土層。礫石成份以灰?guī)r、大理巖、片巖以及石英為主，多呈棱角狀～次棱角狀。土料天然密度2.07 g/cm3，干密度1.87 g/cm3，天然含水率一般5%～14%，最高19.0%，平均值為9.8%。

2.1 全料含水率快速檢測(cè)

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)，由于土料的料源固定(本工程只有一個(gè)土料場(chǎng))，為加快施工進(jìn)度，可事先測(cè)定P5(粒徑大于5 mm)吸著含水率平均值，試驗(yàn)時(shí)可只用酒精燃燒法檢測(cè)細(xì)料(粒徑小于5 mm)的含水率和P5含量，可計(jì)算出全料含水率，即：快速檢測(cè)的全料含水率=(1-P5含量)×細(xì)料含水率+P5含量×P5吸著含水率平均值。

由于P5其表面黏附泥土，很難用干法擦干凈，難于保證P5吸著含水率的檢測(cè)精度，操作上相當(dāng)費(fèi)工費(fèi)時(shí)。當(dāng)P5吸著含水率變化不大時(shí)，吸著含水率可通過水洗后測(cè)出，經(jīng)比較分析可用P5洗后含水率平均值代替P5吸著含水率平均值，對(duì)全料含水率計(jì)算結(jié)果影響較小?？焖贆z測(cè)的全料含水率=(1-P5含量)×細(xì)料含水率+P5含量×P5洗后吸水率平均值。

在施工單位、業(yè)主中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了172組試驗(yàn)后，P5洗后吸水率在1.8%～2.9%之間，平均為2.3%，P5洗后吸水率變化幅度在-0.5%～+0.6%之間，屬于吸水率較小范圍。建議使用2.3%作為P5洗后吸水率代表值，計(jì)算全料含水率和P5含量。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，P5宜控制在30%～50%之間。當(dāng)P5含量為30%和50%時(shí)，分別采用P5洗后吸水率為最低值1.8%和最大值2.9%計(jì)算的加權(quán)含水率和采用P5飽和面干吸水率平均值2.3%加權(quán)計(jì)算含水率，兩者的加權(quán)含水率差，在試驗(yàn)規(guī)程的允許范圍之內(nèi)。

2.2 P5含量計(jì)算方法

根據(jù)常規(guī)試驗(yàn)得到細(xì)料的濕重量和P5的濕重量，根據(jù)規(guī)程公式可計(jì)算出細(xì)料干質(zhì)量和P5干質(zhì)量，再根據(jù)公式P5含量=P5干質(zhì)量/(細(xì)料干質(zhì)量+P5干質(zhì)量)×100%，可快速得到P5含量。

2.3 細(xì)料壓實(shí)度的快速檢測(cè)方法

施工單位、業(yè)主中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行172試驗(yàn)后，P5飽和面干視比重在2.62～2.69 g/cm3之間，平均值2.65 g/cm3，最小值和最大值偏差為-0.03～0.04 g/cm3。建議使用平均值2.65 g/cm3作為P5視比重代表值。

采用P5視比重2.62 g/cm3、2.69 g/cm3和平均值2.65 g/cm3為計(jì)算的細(xì)料濕密度和細(xì)料干密度差值在試驗(yàn)規(guī)程的允許范圍之內(nèi)。

2.4 快速質(zhì)量檢測(cè)方法的復(fù)核

采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法172組得到的全料壓實(shí)度范圍為97.9%～101.7%，采用快速檢測(cè)方法172組得到的全料壓實(shí)度為98.0%～101.6%，兩者差值范圍為-0.1%和+0.1%，差值非常小。細(xì)料壓實(shí)度完全一致。說明用快速檢測(cè)法是可靠的，能滿足大壩填筑全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度質(zhì)量檢測(cè)要求。

在大壩填筑期間，業(yè)主試驗(yàn)室和施工單位實(shí)驗(yàn)室同時(shí)每月預(yù)留一定數(shù)量的試樣，按試驗(yàn)規(guī)程中質(zhì)量檢測(cè)方法，復(fù)核細(xì)料的含水率、P5的洗后干吸水率及P5視比重，得到全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度。使用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法和快速檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，其誤差在試驗(yàn)規(guī)程允許范圍之內(nèi)。

2.5 小 結(jié)

快速檢測(cè)方法可在2 h內(nèi)得到全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度，而標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法需要14 h，可節(jié)省12 h。適用于礫石較堅(jiān)硬，礫石吸水率較小且變化不大時(shí)，可供其他類似工程進(jìn)行參考使用。采用快速檢測(cè)方法，減少了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)次數(shù)，并且減少了大壩心墻工作面設(shè)備和人員等待質(zhì)量檢測(cè)時(shí)間，加快了施工進(jìn)度，不增加業(yè)主投資。

3 心墻土料分區(qū)流水施工

本工程心墻土料的最大填筑面積超過了2.2萬(wàn)m2，參照其他類似工程的分區(qū)施工思路，投標(biāo)文件中采用的施工設(shè)計(jì)為左中右三個(gè)分區(qū)，順?biāo)鞣较蜻M(jìn)料，順壩軸線碾壓。實(shí)施過程中出現(xiàn)組織流水施工不順暢，碾壓或質(zhì)量檢驗(yàn)中某一個(gè)流水作業(yè)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致人員窩工和設(shè)備閑置情況，現(xiàn)場(chǎng)需要一個(gè)備用區(qū)域進(jìn)行調(diào)節(jié)，以避免人員窩工和設(shè)備閑置。并且在心墻上游側(cè)三個(gè)進(jìn)料口位置附近未鋪筑鋼板的區(qū)域，已填筑完成并經(jīng)質(zhì)量檢測(cè)合格的土料在重車反復(fù)碾壓下，存在超碾和剪切破壞問題。此外，上壩填筑運(yùn)輸?shù)缆分挥幸粭l，車輛存在相互干擾，車速較慢，效率降低。

3.1 分成4區(qū)流水施工條件

在1 499～1 588 m高程之間，心墻的填筑總面積大于20 000 m2，最大填筑面積為22 158 m2。平均分成4區(qū)，每區(qū)的最大填筑面積為5 540 m2，并且均大于5 000 m2，具備增加布置碾壓設(shè)備的條件。經(jīng)參建各方討論，決定在1 499～1 588 m高程分成4區(qū)進(jìn)行流水施工。

3.2 4個(gè)區(qū)的施工方法

以壩軸線為上下分界線，上游兩個(gè)區(qū)，下游兩個(gè)區(qū)。按鋪料、碾壓、檢測(cè)組織流水作業(yè)。為了防止路面土料超壓破壞，要求上下游各設(shè)兩個(gè)路口，并分別從上下游方向進(jìn)料，即上游兩個(gè)作業(yè)區(qū)從上游進(jìn)料，下游兩個(gè)作業(yè)區(qū)從下游進(jìn)料。另外，為防止沿左右岸分段碾壓形成貫通上下游的搭接條帶，上游兩區(qū)碾壓分界線與下游兩區(qū)的碾壓分界線必須錯(cuò)位，沿壩軸線錯(cuò)開距離約0.2L(L為沿作業(yè)面壩軸線的鋪料總長(zhǎng)度)。

3.3 1 588 m高程不能分成4區(qū)原因

隨著壩面填筑上升，心墻填筑區(qū)沿壩軸線方向長(zhǎng)度會(huì)逐漸變大，而垂直壩軸線方向距離逐漸變小，當(dāng)壩面上升至1 588 m高程時(shí)，整個(gè)心墻區(qū)域?qū)挾燃s為60 m，向上填寬度逐步縮窄，如再按照上述分區(qū)作業(yè)，壩軸線上下游側(cè)各分區(qū)太窄，不利于組織機(jī)械成龍配套施工。故此時(shí)不應(yīng)再依照壩軸線上下游側(cè)進(jìn)行劃分，而改為僅沿壩軸線方向布置碾壓搭接縫。由于此時(shí)沿作業(yè)面壩軸線的鋪料總長(zhǎng)度較大(330 m以上)，故考慮按80～120 m分段布置，此時(shí)進(jìn)料按從上游進(jìn)料。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)效果圖

4個(gè)區(qū)按鋪料、碾壓、質(zhì)量檢查、待碾組織流水作業(yè)效果參見圖1。

圖1 四區(qū)域流水作業(yè)示意

3.5 小 結(jié)

本工程1 499～1 588 m心墻填筑由3區(qū)改為4區(qū)，按相同鋪料填筑面積，計(jì)算的每天上升強(qiáng)度由0.26 m上升到0.325 m，提高效率25%。高程1 588 m壩頂部分由于受到上下游心墻寬度影響，采用3區(qū)進(jìn)行施工。

心墻部位采用流水施工，不管是分成3區(qū)或4區(qū)，對(duì)于流水作業(yè)中鋪料工序搭接部位，需注意要超過分區(qū)的分界線1～2 m，以避免人為分界，造成碾壓時(shí)漏碾或超碾，在現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)中，需重點(diǎn)加強(qiáng)該處的檢查頻率。否則，質(zhì)量一旦出現(xiàn)缺陷，易在該局部區(qū)域形成順?biāo)鞣较虻臐B漏通道，對(duì)大壩安全運(yùn)行造成影響。

4 經(jīng)濟(jì)措施

主要是指對(duì)心墻土料進(jìn)行備料儲(chǔ)存。

本工程的土料場(chǎng)在湯壩料場(chǎng)位于壩區(qū)上游金湯河左岸與湯壩溝之間的邊坡上，距壩址22 km。土料通過土料場(chǎng)公路、1號(hào)公路、5號(hào)公路、13號(hào)公路運(yùn)輸上壩。

4.1 備料原因

礫石土料施工中因增加過篩、摻配、含水率調(diào)整工序；受征地或遇當(dāng)?shù)卮迕褡韫さ炔豢深A(yù)見的事件；冬雨季對(duì)心墻進(jìn)行施工時(shí)或應(yīng)急時(shí)，業(yè)主要求的搶工等；土料運(yùn)輸受冬季道路結(jié)冰等制約，運(yùn)輸強(qiáng)度降低，影響土料供應(yīng)強(qiáng)度。

4.2 備料情況

大壩填筑土料從2013年8月至2016年5月，共計(jì)備料約139萬(wàn)堆方。備料場(chǎng)分別在大壩上游側(cè)響水溝渣場(chǎng)、大壩上游壓重體和大壩下游壓重體。增加費(fèi)用約1 932萬(wàn)元。

4.3 備料使用效果

2015年10月20日10時(shí)，湯壩土料場(chǎng)公路硅廠對(duì)面山體發(fā)生崩塌，導(dǎo)致土料場(chǎng)公路交通中斷，湯壩礫石土料無(wú)法運(yùn)輸上壩。為解決沿線村民道路出行問題以及大壩標(biāo)土料料源運(yùn)輸問題，在地方政府的統(tǒng)一指揮下，由業(yè)主安排施工單位進(jìn)行棚洞防護(hù)。棚洞防護(hù)2015年10月30日開始施工，11月15日施工完成，經(jīng)地方政府和業(yè)主驗(yàn)收后，同意對(duì)該處路段實(shí)行交通管制后通行。當(dāng)采用在上游壓重體的備料施工15天后，由于沒有填筑料源，大壩心墻部位停工，直到棚洞防護(hù)驗(yàn)收，道路恢復(fù)通行。在此期間，心墻填筑工作面停工10天。

根據(jù)招標(biāo)文件，電站裝機(jī)為260萬(wàn)kW，年平均發(fā)電量為3.069 69×10-5kW·h。按發(fā)電后每度上網(wǎng)發(fā)電平均電價(jià)為0.25元計(jì)算，1年的發(fā)電帶來(lái)收益約為27.625億元。推遲10天發(fā)電將給業(yè)主造成27.625億元÷365天/年×10天=7 568萬(wàn)元的直接損失。若計(jì)算上土料場(chǎng)和大壩填筑工作面的人員和設(shè)備窩停工費(fèi)用，損失更大。

由于心墻填筑處于大壩填筑關(guān)鍵線路上，其進(jìn)度決定大壩上升速度，而大壩填筑處于長(zhǎng)河壩工程的關(guān)鍵線路上，因此，由于備料15天的填筑所需工程量給業(yè)主帶來(lái)直接收益為27.625億元÷365天/年×15天=1.135 2億元。備料費(fèi)用所占費(fèi)用比例為0.193 2億元÷(直接損失0.756 8億元+直接收益1.135 2億元)=10.21%。

4.5 小 結(jié)

2015年10月20日土料場(chǎng)運(yùn)輸中斷事件，如果通過備料措施加以避免，給業(yè)主帶來(lái)的收益將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大壩工程所有備料費(fèi)用。因此，合理選擇備料措施是必須的，也是科學(xué)的。

建議在后續(xù)高礫石土心墻堆石壩中，若土料場(chǎng)距離大壩較遠(yuǎn)，可考慮大壩正常填筑工程量所需15 d的土料備料，作為突發(fā)事件的應(yīng)對(duì)措施。

5 快速施工注意問題

(1)快速施工可能造成本應(yīng)在施工期完成的大壩沉降變形留在了運(yùn)行期來(lái)完成，如果壩體沉降變形過大，將給工程后期運(yùn)行帶來(lái)隱患。

(2)由于大壩防滲土料填筑較快，造成土料孔隙水壓力消散較慢，產(chǎn)生超孔隙水壓力問題，若超孔隙水壓力一直存在，易形成低應(yīng)力區(qū)，造成拱效應(yīng)，給防滲心墻帶來(lái)潛在的開裂隱患。

(3)快速施工造成現(xiàn)場(chǎng)投入人員和設(shè)備不均衡，使施工單位組織施工難度增大。

快速施工需要綜合考慮各種因素，不能一味追求工期，務(wù)必在保證大壩質(zhì)量和安全前提下，確保大壩填筑上升速度在合理范圍。

6 結(jié) 語(yǔ)

在保證質(zhì)量、安全情況下采取快速施工，大壩心墻月最大上升高度從投標(biāo)時(shí)9 m提升至12 m。

長(zhǎng)河壩大壩蓄水后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：礫石土心墻堆石壩的應(yīng)力變形、滲流和滲壓滿足設(shè)計(jì)要求。說明該工程采用快速施工方法或措施是安全和可靠的。

采用快速施工雖然會(huì)加大成本，增加投資，但該費(fèi)用和業(yè)主提前發(fā)電產(chǎn)生的巨大效益相比，所占比例較小。實(shí)現(xiàn)參建各方共贏，并有力推動(dòng)堆石壩施工技術(shù)的發(fā)展。