去學水電站瀝青混凝土心墻堆石壩施工關鍵技術研究

婁彩紅

(中國水利水電第七工程局有限公司，成都，611730)

1 工程概況

去學水電站位于四川省甘孜藏族自治州得榮縣境內(nèi)的碩曲河干流上，電站裝機容量246MW。大壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，壩高164.20m，壩頂高程2334.20m，壩基高程2170.00m；壩頂長219.85m，壩頂寬15.00m。瀝青混凝土心墻高132.00m，為中央直墻形式，頂高程2333.00m，底高程2201.00m；頂寬0.60m，底寬3.00m。壩址區(qū)屬深切割的高山峽谷地形，斷面呈不對稱的“V”字形。左岸為近直立峻坡陡崖，在高差約300m范圍內(nèi)總體岸坡平均坡度在65°以上；右岸壩軸線附近及其下游側(cè)為陡緩相間的折線形變坡，上部為高達300m的峻坡陡崖[1]。

去學水電站瀝青混凝土心墻壩是目前世界上最高的瀝青混凝土心墻堆石壩，壩高超150m，無適用施工規(guī)范，壩體變形協(xié)調(diào)問題突出，防滲質(zhì)量要求高，施工進度要求高，心墻與基座接縫施工技術難度高，開展深切河谷200m級特高瀝青混凝土心墻堆石壩施工技術研究具有重要的工程實際意義和推廣應用價值。

2 深切河谷特高瀝青混凝土心墻堆石壩變形協(xié)調(diào)與控制

2.1 瀝青混凝土心墻堆石壩變形協(xié)調(diào)分析

采用FLAC3D的M-C模型，基于瀝青三軸試驗獲得的大壩不同分區(qū)內(nèi)壩料的物理力學參數(shù)，進行二維和三維數(shù)值模擬計算分析[2]，研究了不同壓實密度條件下各填筑料對壩體應力變形的影響，并對干密度變化對碾壓質(zhì)量的影響進行了敏感性分析，確定了不同區(qū)域的壩料碾壓質(zhì)量控制指標與工藝參數(shù)。

計算結(jié)果分析顯示，壩體最大豎向位移分布于距壩頂1/2～1/3壩高處的心墻位置，分布特征符合堆石壩豎向沉降峰值分布規(guī)律，壩體和壩基整體應力水平及位移量不大，無剪切破壞區(qū)，壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。二維模型和三維模型下竣工期的最大豎向位移分別為1.03m、1.25m，分別占最大壩高的0.78%、0.95%，沉降值較小，滿足設計沉降要求，同時說明施工中填筑料干密度控制指標是合理的。干密度敏感性分析表明，隨著填筑料干密度的提高，壩體豎向最大位移、順流向最大位移、最大軸向位移均不斷降低，線性關系良好。

2.2 大壩高硬巖填筑料重型壓實技術

基于系統(tǒng)碾壓試驗成果統(tǒng)計分析，通過量化加水濕化高硬巖填筑料，并輔以33t重型碾壓設備進行壓實，同時采用碾壓質(zhì)量數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)進行實時控制，實現(xiàn)了超高瀝青混凝土心墻壩高硬巖填筑料的快速、高質(zhì)量碾壓成型。

根據(jù)現(xiàn)場填筑需要，結(jié)合設計技術指標要求，開展了洞挖料、河床料、心墻Ⅰ、Ⅱ區(qū)過渡料、堆石Ⅰ、Ⅱ區(qū)填筑料、碾壓增模Ⅰ、Ⅱ區(qū)填筑料和反濾料等，在不同鋪筑厚度、不同振動碾下的不加水和加水(5%、10%)試驗，主要達到檢驗設計填筑標準的合理性，確定壩體各區(qū)料鋪料厚度、碾壓遍數(shù)和配套使用的施工機械，確定壩體填筑所需各種物料的施工參數(shù)[3]，指導壩體填筑施工。

大壩堆石料比重2.93g/cm3～2.99g/cm3，巖石飽和抗壓強度128MPa，軟化系數(shù)0.88；過渡料I區(qū)最大粒徑不大于60mm，碾壓12遍時，滲透系數(shù)檢測結(jié)果為1.2×10-2cm/s～1.8×10-2cm/s；過渡料II區(qū)最大粒徑不大于150mm，碾壓10遍時，滲透系數(shù)檢測結(jié)果為1.3×10-2cm/s～2.3×10-2cm/s；反濾料最大粒徑不大于60mm，碾壓10遍時，滲透系數(shù)為4.9×10-2cm/s～6.3×10-2cm/s；壩基過渡料最大粒徑不大于150mm，碾壓10遍時，滲透系數(shù)1.8×10-1cm/s，幾種壩料的相關指標均滿足設計要求。

3 瀝青混凝土心墻與岸坡混凝土基座接縫施工技術

3.1 Z型止水銅片及其快速加工裝置

研究采用了一種“Z”型銅止水及其快速加工裝置，應用于岸坡混凝土基座和瀝青混凝土心墻的接縫施工，提高了大變形條件下防滲結(jié)構(gòu)的變形適應能力。

Z型止水銅片采用退火紫銅片，由上錨固區(qū)、下錨固區(qū)及連接二者的自由延展區(qū)組成。施工時將上錨固區(qū)錨固在瀝青混凝土內(nèi)，下錨固區(qū)錨固于水泥混凝土內(nèi)，自由延展區(qū)設置在瀝青混凝土與水泥混凝土之間，見圖1。該止水銅片彎角較多、自由伸展度更大、能夠更好地適應結(jié)構(gòu)變形，其抗變形能力比其他類型的止水銅片更強，更適應高壩的變形和沉降，有利于結(jié)構(gòu)的防滲和抗震，從而避免岸坡混凝土基座與瀝青混凝土心墻接縫部位形成繞滲。

Z型止水銅片快速加工裝置包括底部支座、豎向支架、上層模具、下層模具、液壓臂、油泵和限位器，見圖2。豎向支架固定在底部支座上，豎向支架包括上梁、立柱和下梁；下層模具安裝在豎向支架的下梁上；上層模具頂部安裝液壓臂，液壓臂上端與豎向支架的上梁連接，液壓臂通過油管與油泵相連；立柱上設置限位器；液壓臂采用單液壓臂形式。該快速加工裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊、安全可靠，操作簡單、方便，投資較少，能有效地加快Z型止水銅片加工速度，成型質(zhì)量好，并且可以一次性加工多片，提高了生產(chǎn)效率，降低了人力成本。

圖1 Z型銅止水施工示意

圖2 Z型銅止水快速加工裝置

3.2 SBS瀝青瑪蹄脂預制塊岸坡接頭技術

對瀝青瑪蹄脂涂刷接縫施工工藝進行了改進，研究采用岸坡接頭瀝青瑪蹄脂薄層涂刷和接頭瀝青混凝土立模鋪筑、人工夯實的技術，解決了陡峻岸坡接頭瀝青混凝土表面返油、振動輪陷輪問題。SBS瀝青瑪蹄脂預制塊岸坡接頭技術，施工方便，且接頭質(zhì)量好，提高了岸坡與心墻的接合質(zhì)量。

SBS瀝青瑪蹄脂預制塊可在施工現(xiàn)場外進行預制施工，配合比為：瀝青∶填料∶人工砂=20%∶35%∶45%。瀝青中添加SBS材料，添加量為瀝青質(zhì)量的4%。預制塊尺寸為：長、寬300mm，厚度為20mm/30mm。

施工時先在水泥混凝土岸坡基座表面涂抹冷底子油，待冷底子油中的汽油揮發(fā)完全后，再將預制好的SBS瀝青瑪蹄脂預制塊鋪貼在岸坡基座上，然后再進行瀝青混凝土心墻的施工，見圖3。

圖3 SBS瀝青瑪蹄脂預制塊岸坡接頭結(jié)構(gòu)

3.3 瀝青瑪蹄脂涂刷接縫施工工藝改進

對瀝青瑪蹄脂涂刷接縫施工工藝進行了改進，研究采用岸坡接頭瀝青瑪蹄脂薄層涂刷和接頭瀝青混凝土立模鋪筑、人工夯實的技術，解決了陡峻岸坡接頭瀝青混凝土表面返油、振動輪陷輪問題。

去學水電站大壩左岸水泥混凝土基座邊坡陡峻(1∶0.33)，坡腳位置振動碾碾壓不到。通過一系列接頭性能試驗，提出了瀝青瑪蹄脂涂刷接縫改進工藝，即：兩岸岸坡接頭50cm范圍內(nèi)，采取立模后人工夯實的施工方法，外側(cè)模板坡比不陡于1∶3，以保證心墻與基座的結(jié)合質(zhì)量，確保接頭與心墻的可靠連接，見圖4。

圖4 岸坡接頭立模澆筑示意

4 瀝青混凝土心墻高質(zhì)、高效施工技術

4.1 瀝青混凝土心墻施工質(zhì)量控制指標和方法

開展了瀝青混合料材料性能、配合比、現(xiàn)場攤鋪以及室內(nèi)靜三軸等系列試驗[4]，確定了瀝青混合料最佳油石比，即：心墻瀝青混合料油石比取6.8%，靠近岸坡處油石比提高至7%?，F(xiàn)場施工時瀝青混凝土出機口溫度控制在150℃～170℃，初碾溫度控制在140℃～160℃，鋪料厚度為28cm，碾壓遍數(shù)為靜2+振8+靜2。瀝青混凝土心墻現(xiàn)場施工質(zhì)量控制采用防滲參數(shù)為主、模量數(shù)為輔的方式。

4.2 瀝青混合料的連續(xù)供料保障

設計采用了一種瀝青混合料快速自動保溫儲存的裝置，提高了瀝青混合料生產(chǎn)的連續(xù)性，保障了連續(xù)生產(chǎn)瀝青混合料的自動保溫儲存。瀝青混合料快速自動保溫儲存裝置見圖5。

圖5 瀝青混合料快速自動保溫儲存裝置

該裝置包括底部基礎、支架系統(tǒng)和提升系統(tǒng)，支架系統(tǒng)固定在底部基礎上。瀝青混合料由保溫儲存罐和保溫吊罐儲存保溫，由提升系統(tǒng)輸送，能夠快速保溫、儲存瀝青混合料，而且可以自動卸料，提高了瀝青混合料供應的連續(xù)性，保證了瀝青混合料的入倉溫度。從而加快了瀝青混凝土心墻的施工進度，保證了工程的施工質(zhì)量。

4.3 瀝青混凝土心墻與過渡料的輪式雙料攤鋪

對瀝青混凝土心墻、過渡料雙料攤鋪機進行了改進，研發(fā)了大功率輪式驅(qū)動雙料攤鋪機，見圖6，解決了雙料攤鋪機平衡度不好的問題，同時增加了驅(qū)動力，提高了攤鋪效率和質(zhì)量。

輪式驅(qū)動設備采用三角形平衡梁，使得攤鋪機能夠更好地保持穩(wěn)定；前后輪同時驅(qū)動，前輪補壓過渡料，后輪增加驅(qū)動力，解決打滑問題的同時提高了攤鋪機的動力和載重力。攤鋪時速可控制在0.5m/min～8m/min，退場準備可達2m/min～20m/min。鋪料速度更快，均勻度更好。

圖6 雙料攤鋪機輪式驅(qū)動設備

4.4 瀝青混凝土心墻層間不加熱工藝

開展了加熱方式和溫度對心墻結(jié)合面性能影響規(guī)律的對比分析[5]，提出了常溫條件下層間不加熱的施工工藝。

主要通過不同溫度和加載速率斜剪試驗、結(jié)合面的加熱方式、結(jié)合面溫度不同工況的性能試驗，研究不同溫度和加載速率、不同工況對瀝青混凝土材料性能的影響規(guī)律，進一步驗證快速施工的可行性。結(jié)果表明：不同加熱方式、不同加熱溫度對瀝青混凝土心墻結(jié)合面的性能無明顯影響。因此，瀝青混凝土心墻施工過程中可取消層間加熱環(huán)節(jié)，以提高心墻的施工效率。

4.5 瀝青混凝土心墻施工溫度控制

開展了施工現(xiàn)場降溫歷時統(tǒng)計分析，確定了不同季節(jié)環(huán)境條件下瀝青混合料出機口控制溫度，保證了最佳溫度碾壓，縮短了工作面等待降溫時間。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計分析，瀝青混合料生產(chǎn)時出機口溫度控制：冬季宜在155℃，夏季宜在150℃，以此來有效地減少等待時長，甚至無需等待，剛好達到最佳碾壓溫度直接碾壓。

5 瀝青混凝土心墻堆石壩施工數(shù)字化監(jiān)控技術

構(gòu)建并實施了去學水電站瀝青混凝土心墻堆石壩填筑碾壓施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了碾壓機械運行軌跡和振動狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)測以及大壩各區(qū)各層堆石料壓實厚度和壓實后高程的動態(tài)測量，形成了現(xiàn)場填筑碾壓過程“在線監(jiān)控-及時反饋-指導施工”三位一體的施工質(zhì)量管理控制體系。

去學水電站大壩首次采用陣列式位移計進行變形監(jiān)測，提高了大壩沉降、位移監(jiān)測的準確性和精度。陣列式位移計具有3D測量、精度高、可重復利用、自動實時采集等特點，可自由彎曲，可豎直、水平安裝，分辨率為0.005°(每節(jié))，輸出系統(tǒng)全剖面絕對誤差為±1.5mm/32m，使用溫度范圍為-20℃至60℃，防水能力為100m水頭。

6 工程應用情況

研究成果在去學水電站瀝青混凝土心墻堆石壩工程得以成功應用，加快了施工進度，保證了施工質(zhì)量，節(jié)約了施工成本，大壩填筑施工強度突破40萬m3/月，瀝青混凝土心墻施工實現(xiàn)單日鋪筑3層、月上升最大高度達13.2m，較投標工期提前3個多月完工，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。大壩于2017年2月12日開始蓄水，2017年7月30日投產(chǎn)發(fā)電。

根據(jù)中國水利水電科學研究院2020年3月出具的竣工安全鑒定報告，去學水電站大壩總沉降量為857.05mm，壩高與沉降比僅為1∶0.0052，大壩變形、應力較小，填筑施工質(zhì)量較好；滲流量值為48.2L/s，防滲體系施工質(zhì)量良好。

7 結(jié)語

隨著水工瀝青混凝土防滲技術的發(fā)展，瀝青混凝土心墻堆石壩在水電站攔河壩工程中的應用更趨廣泛。目前瀝青混凝土心墻高壩的建壩經(jīng)驗還不夠完善，作為世界上最高的瀝青混凝土心墻堆石壩，去學水電站大壩的順利完建可為其他同條件下的水電開發(fā)提供技術借鑒，并對同類型水電站大壩工程施工具有重要指導意義。