馬洪琪

（華能瀾滄江水電有限公司，云南 昆明 650214）

0 引言

糯扎渡水電站位于云南省普洱市瀾滄江中下游河段，樞紐工程由心墻堆石壩、岸邊溢洪道、泄洪隧洞、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)等綜合利用效益。糯扎渡水庫正常蓄水位812.00 m，總庫容237.03億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。電站總裝機(jī)容量5 850 MW（9×650 MW），多年平均年發(fā)電量239.12億kW·h，加入聯(lián)合補(bǔ)償調(diào)節(jié)后，可使云南省水電站群的電能質(zhì)量得到顯著改善。

糯扎渡心墻堆石壩壩頂高程821.50 m，最低建基面高程560.00 m，最大壩高261.50 m，為目前國內(nèi)在建的同類壩型中的最高壩[1]。壩體中央為直立心墻防滲體，心墻上下游坡度均為1∶0.2，采用摻礫粘土料分層碾壓填筑形成。壩體總填筑量約3 400萬m3，其中，摻礫粘土心墻防滲體填筑量達(dá)464萬m3。

目前，國內(nèi)超過200 m的高心墻堆石壩設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少，壩料特別是摻礫心墻防滲土料的性能及適應(yīng)性、相應(yīng)的摻礫及填筑施工工藝、壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)等是糯扎渡水電站心墻堆石壩工程建設(shè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 土料特性

糯扎渡水電站心墻堆石壩防滲土料料場位于壩址右岸上游的農(nóng)場土料場，自地表向下第一層為以紅褐-黃褐色粘土為主的坡積料，第二層為以T2m1-3構(gòu)造殘積層為主的土狀和碎塊狀全風(fēng)化料，第三層為以砂巖、泥巖、含礫粗砂巖為主的T2m1-3強(qiáng)風(fēng)化料[2]。坡積層料主要為含砂高液限粘土，可采厚度0.6～2.5 m，液限大于50%、塑性指數(shù)大于27，大于5 mm的礫石含量僅占1%，小于0.075 mm細(xì)粒含量占71%。坡積層土料具有中等壓縮性，塑性和防滲性能較好，可作壩基接觸粘土料使用，但顆粒偏細(xì)不宜單獨(dú)開采用作高心墻壩的防滲土料，宜與下部的全、強(qiáng)風(fēng)化料立采混勻后使用。

農(nóng)場土料場混合料是取深度10 m范圍內(nèi)的坡積層料和下部的全、強(qiáng)風(fēng)化層料立采混合獲得的礫質(zhì)土料。農(nóng)場土料場全、強(qiáng)風(fēng)化料和混合料的顆粒組成、抗剪強(qiáng)度、壓縮及防滲性能等物理力學(xué)參數(shù)均相差不大，小于0.075 mm細(xì)粒含量超過30%，滲透系數(shù)i×10-7，同屬中等壓縮性的礫質(zhì)土，主要技術(shù)參數(shù)滿足防滲土料的基本要求，均可作高心墻壩的防滲土料用?；旌狭现写笥? mm的礫石含量占34%，壓縮系數(shù)0.16 MPa-1；全、強(qiáng)風(fēng)化層料主要為粘土質(zhì)砂、卵石混合土和粘土質(zhì)礫，可采厚度3.5～21.6 m，大于5 mm的礫石含量占35%～37%。根據(jù)勘探成果，全風(fēng)化層可見原巖的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，巖塊的濕抗壓強(qiáng)度一般低于2 MPa；強(qiáng)風(fēng)化層巖層結(jié)構(gòu)、構(gòu)造清晰，巖質(zhì)較軟，在重型壓實(shí)機(jī)械碾壓后，巖塊易破碎。全、強(qiáng)風(fēng)化層厚度不均勻，且下部開采受地下水的影響，因此混合開采獲得的風(fēng)化料質(zhì)量難以保證[3]。

在1 470 kJ/m3擊實(shí)功能下，混合料擊實(shí)后大于5 mm的礫石含量平均值從34%降至13.9%，摻35%人工級(jí)配碎石獲得的摻礫土料擊實(shí)后其大于5 mm的礫石含量平均值為38.5%[3]，這表明混合料中的粗顆粒巖性較軟，易于破碎?；旌狭辖?jīng)重型壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)后，細(xì)顆粒含量的增加對(duì)提高其防滲性能有利，但同時(shí)也削弱了粗顆粒的骨架作用，導(dǎo)致土體沉降變形偏大。

2 土料摻礫

礫質(zhì)土料填筑形成的土石壩防滲體，當(dāng)小于0.1 mm細(xì)料含量為30%～50%時(shí)，裂縫的自愈能力較強(qiáng)[4]；防滲體開裂時(shí)，土體中的粗顆?？筛纳屏芽p的形態(tài)，抑制裂縫的開展，減弱沿裂縫的滲流沖蝕，增強(qiáng)其抵抗?jié)B透破壞的能力。另一方面，從高心墻壩的筑壩經(jīng)驗(yàn)看，心墻防滲體應(yīng)具備強(qiáng)度高、壓縮性低的特點(diǎn)，以縮小與壩殼間的變形差，有效降低壩殼堆石體對(duì)心墻的拱效應(yīng)，改善心墻的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，減少心墻裂縫的發(fā)生幾率。試驗(yàn)和計(jì)算分析表明，糯扎渡水電站261.5 m高的心墻堆石壩采用農(nóng)場土料場天然土料填筑時(shí)，竣工后心墻區(qū)沉降量達(dá)2 957 mm，不能滿足 “壩體后期沉降量與壩高，之比小于1%”的規(guī)范要求。與其他高心墻堆石壩相比，糯扎渡農(nóng)場土料場土料顆粒級(jí)配明顯偏細(xì)，即使開采并加入部分強(qiáng)風(fēng)化料，經(jīng)重型壓實(shí)機(jī)械碾壓后，其礫石含量也不會(huì)增加太多[3]，因此開展了在農(nóng)場土料場混合料中摻加人工級(jí)配碎石的摻礫土料研究。

礫質(zhì)土料中的礫石開始起骨架作用的含礫量P5I約為30%～40%，礫石含量小于P5I時(shí)，礫質(zhì)土全料的干密度隨礫石含量成比例增加，細(xì)料可以得到充分壓實(shí)。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，糯扎渡農(nóng)場土料場混合料摻礫35%后的土料抗變形和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較混合料均有較大提高，在強(qiáng)度和變形性能以及細(xì)粒料的滲透穩(wěn)定性等方面均較優(yōu)，滲透系數(shù)i×10-6，并未因礫石含量增大而發(fā)生本質(zhì)改變[3]，因此最終選定的摻礫比例為35% （質(zhì)量比）。

土料摻礫的主要工序是：在土料摻和場將最大粒徑≤120 mm的人工級(jí)配碎石料攤鋪成厚約50 cm的碎石層→將農(nóng)場土料場立采獲得的混合料裝運(yùn)至摻合場并壓鋪在礫石層上 （鋪層厚度約110 cm）→攤鋪第二層厚度約50 cm的碎石層→壓鋪第二層厚度約110 cm的土層，如此循環(huán)攤鋪3個(gè)互層，形成堆高約5 m的土牛，然后采用4 m3正鏟立采，摻混相對(duì)均勻后裝車上壩。試坑和挖槽檢測(cè)結(jié)果表明，上述工藝獲得的摻礫土料礫石分布均勻，鋪層之間無顯見接縫，是一種簡單而有效的土料摻配工藝。

3 壓實(shí)質(zhì)量控制及檢測(cè)

3.1 壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)選擇

對(duì)于粘性土料填筑體，工程實(shí)踐中通常根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)成果，用統(tǒng)計(jì)得到的最大干密度平均值乘以設(shè)計(jì)規(guī)定的壓實(shí)度，得到填土壓實(shí)干密度的下限值作為控制指標(biāo)，施工時(shí)若按此選擇碾壓參數(shù)，遇到壓實(shí)性能好的土料，可能出現(xiàn)干密度滿足要求而其壓實(shí)度不滿足要求的欠壓實(shí)現(xiàn)象；遇到壓實(shí)性能差的土料，則可能出現(xiàn)壓實(shí)度已滿足要求而其干密度不滿足要求、無論怎樣補(bǔ)碾干密度仍不能滿足要求的超壓實(shí)現(xiàn)象。工程界曾有過 “依賴提高擊實(shí)功能片面追求過高的壓實(shí)干密度”的深刻教訓(xùn)[5]。

糯扎渡農(nóng)場土料場的坡積料顆粒偏細(xì)，粘粒含量和天然含水率較高，在各種擊實(shí)功能下，其干密度相對(duì)較低、最優(yōu)含水率較高。從其他性能指標(biāo)看，這種干密度較低的填土卻有足夠的防滲性、低壓縮性和必要的抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，當(dāng)干密度達(dá)到一定值之后，即使壓實(shí)功能繼續(xù)增大，干密度增加值相對(duì)較小，而且由于在高壓實(shí)功能下其最優(yōu)含水率較低導(dǎo)致飽和度相對(duì)增大，碾壓時(shí)發(fā)生剪切破壞的機(jī)率隨之增大。因此，糯扎渡水電站大壩墊層混凝土基礎(chǔ)和摻礫粘土心墻之間的高塑性接觸粘土層采用農(nóng)場土料場的坡積料填筑，壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)按 “595 kJ/m3擊實(shí)功能下壓實(shí)度不低于95%”控制，避免了 “依賴提高擊實(shí)功片面追求過高的壓實(shí)干密度”。

DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定[6]：粘性土的填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水率為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，設(shè)計(jì)干密度以擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度乘以壓實(shí)度求得。通常，粘性土料的最大干密度隨其壓實(shí)性能的不同而浮動(dòng)，土料的設(shè)計(jì)干密度也應(yīng)隨其壓實(shí)性能不同而浮動(dòng)，壓實(shí)度作為填筑體壓實(shí)質(zhì)量的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)為確定的值。另外，同一擊實(shí)功能下，同一種土料擊實(shí)試驗(yàn)得到的最大干密度與最優(yōu)含水率存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，如檢測(cè)得到的填筑體壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)控制要求，其填筑含水率自然也能滿足設(shè)計(jì)要求，因此可僅以壓實(shí)度作為土料壓實(shí)質(zhì)量設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，填筑含水率作為施工過程中的控制指標(biāo)，設(shè)計(jì)可不做硬性要求。

3.2 壓實(shí)質(zhì)量快速檢測(cè)

摻礫粘土心墻礫石最大粒徑達(dá)120 mm，現(xiàn)行規(guī)范要求檢測(cè)全料的壓實(shí)度，至少需用300 mm直徑的大型擊實(shí)儀，通常采用最大粒徑小于60 mm的替代料通過大型擊實(shí)試驗(yàn)確定其最大干密度，試驗(yàn)工作量大、時(shí)間長，加上現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)頻次多，導(dǎo)致填筑體現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定與施工進(jìn)度產(chǎn)生矛盾。糯扎渡水電站心墻堆石壩施工填筑強(qiáng)度較高，急需研究一種可靠而便捷的壓實(shí)度檢測(cè)儀器并找到摻礫粘土心墻現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)評(píng)定方法。

原級(jí)配摻礫土料與其替代料的擊實(shí)特性有所不同。試驗(yàn)研究表明，在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下，當(dāng)?shù)[石含量為0～30%時(shí)，糯扎渡摻礫土料原級(jí)配料的最大干密度略小于替代料的最大干密度；當(dāng)?shù)[石含量為40%～50%時(shí)，原級(jí)配料的最大干密度與替代料的最大干密度差異不大；當(dāng)?shù)[石含量為60%～100%時(shí)，原級(jí)配料的最大干密度則略大于替代料的最大干密度 （見圖1）。因此，礫石含量小于50%時(shí)，用300 mm直徑的大型擊實(shí)儀在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下通過替代料擊實(shí)試驗(yàn)確定摻礫土料的最大干密度，進(jìn)而對(duì)填筑體進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量控制是合適的[7]（標(biāo)準(zhǔn)略偏嚴(yán)）。

圖1 糯扎渡摻礫粘土心墻原級(jí)配料和替代料最大干密度對(duì)比

土體的防滲及抗?jié)B透變形特性主要取決于細(xì)顆粒的含量及性質(zhì)，礫質(zhì)土料中的細(xì)料填滿了粗料孔隙而且得到充分壓實(shí)后，在滲透水流的作用下不易產(chǎn)生滲透破壞。試驗(yàn)研究表明，糯扎渡水電站摻礫粘土心墻的摻礫量為25%～45%、2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下全料壓實(shí)度為95%時(shí)，現(xiàn)場挖坑填筑體中小于20 mm的細(xì)料在595 kJ/m3擊實(shí)功能下的平均壓實(shí)度為96.2%～98%。因此，為實(shí)現(xiàn)糯扎渡水電站摻礫粘土心墻現(xiàn)場壓實(shí)質(zhì)量的快速檢測(cè)評(píng)定，按規(guī)程規(guī)范規(guī)定的頻次，現(xiàn)場取填筑體試坑中小于20 mm的細(xì)料，用直徑為152 mm的電動(dòng)擊實(shí)儀通過三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)檢測(cè)其壓實(shí)度，要求細(xì)料在595 kJ/m3擊實(shí)功能下壓實(shí)度≥96%，并且細(xì)料壓實(shí)度≥98%的保證率不低于90%。

糯扎渡水電站心墻堆石壩工程建設(shè)過程中，對(duì)于摻礫粘土心墻料，除了按規(guī)程規(guī)范規(guī)定的頻次現(xiàn)場取填筑體試坑中小于20 mm的細(xì)料進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)外，每周堅(jiān)持用直徑為300 mm的大型擊實(shí)儀，取小于60 mm的替代料在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下開展大型擊實(shí)試驗(yàn)，進(jìn)行全料壓實(shí)度≥95%復(fù)核檢測(cè)。同時(shí)，研制了直徑為600 mm的超大型電動(dòng)擊實(shí)儀，每月現(xiàn)場挖坑取填筑體全級(jí)配料開展在2 690 kJ/m3擊實(shí)功能下的超大型擊實(shí)試驗(yàn)，對(duì)全料壓實(shí)度≥95%進(jìn)行校核。

隨著新型大功率的碾壓施工設(shè)備不斷地投入應(yīng)用，采用普氏擊實(shí)功能確定的填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場檢測(cè)得到的礫質(zhì)土填筑體壓實(shí)度往往大于100%。由于糯扎渡摻礫粘土心墻防滲土料鋪層厚度按27 cm控制，采用20 t自行式振動(dòng)凸塊碾進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓10遍，激振力大于300 kN，行駛速度不大于3 km/h，砂質(zhì)土料中的粗顆粒在大功率的現(xiàn)場碾壓施工設(shè)備作用下發(fā)生了破碎擠密現(xiàn)象，填筑體因此獲得了較高的密實(shí)度，故現(xiàn)場挖試坑檢測(cè)得到的小于20 mm細(xì)料在595 kJ/m3擊實(shí)功能下的壓實(shí)度大于100%的結(jié)果是正常的，也是可信的。

4 施工質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控

糯扎渡水電站心墻堆石壩壩體8種填筑料分12個(gè)區(qū)、Ⅸ期填筑，施工程序復(fù)雜，質(zhì)量要求高。針對(duì)常規(guī)質(zhì)量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放、難以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程質(zhì)量進(jìn)行精準(zhǔn)控制的問題，華能瀾滄江水電有限公司會(huì)同天津大學(xué)、昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等單位產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，融合水利水電工程、計(jì)算機(jī)及通信工程等多個(gè)交叉學(xué)科的先進(jìn)理論和技術(shù)，研發(fā)建設(shè)了具有實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)、高精度等特點(diǎn)的高心墻堆石壩施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有10個(gè)功能模塊，集成了質(zhì)量、安全、進(jìn)度、地質(zhì)、灌漿及滲控工程等動(dòng)態(tài)綜合信息，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控碾壓機(jī)械的運(yùn)行軌跡，自動(dòng)監(jiān)測(cè)記錄碾壓機(jī)械的行車速度、碾壓遍數(shù)、激振力、壓實(shí)厚度，通過GPS、GPRS和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將施工信息輸入現(xiàn)場分控站和控制中心，當(dāng)填筑施工過程中鋪料厚度超過規(guī)定，或有漏碾、超速、激振力不達(dá)標(biāo)時(shí)，PDA即報(bào)警提示有關(guān)管理人員，以便及時(shí)糾偏。

糯扎渡施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)解決了高心墻堆石壩施工具有數(shù)據(jù)量大、類型多樣、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)的工程動(dòng)態(tài)信息集成的難題，為工程決策與管理、大壩安全運(yùn)行與健康診斷等提供全方位的信息支撐和分析平臺(tái)[7]。

5 結(jié)語

糯扎渡水電站心墻堆石壩防洪標(biāo)準(zhǔn)高、水庫庫容大，加上樞紐區(qū)地震烈度較高，如何保證壩體特別是心墻防滲體的施工質(zhì)量是維系工程安全的關(guān)鍵性工作。工程建設(shè)過程中，采用在天然土料中摻35%的人工級(jí)配碎石，并提出簡單而有效的摻配工藝；采用壓實(shí)度為摻礫粘土心墻壓實(shí)質(zhì)量的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，并研究制定嚴(yán)格的施工工法；針對(duì)碾壓施工機(jī)械的行駛軌跡、碾壓遍數(shù)、激振力、壩料的鋪層厚度等施工參數(shù)采用常規(guī)控制手段難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制的問題，研究建設(shè)開發(fā)具有實(shí)時(shí)、在線、自動(dòng)、高精度等特點(diǎn)的施工過程質(zhì)量GPS監(jiān)控系統(tǒng)，最終保證了工程優(yōu)質(zhì)并長期安全運(yùn)行。

原位檢測(cè)成果表明[8]，心墻摻礫粘土料填筑體碾壓后大于20 mm顆粒含量在12.2%～43.6%之間，平均28.1%；大于5 mm顆粒含量在26.2%～52.5%之間，平均37.3%；小于0.074 mm顆粒含量在20.6%～49.1%之間，平均34.5%，是一種級(jí)配較優(yōu)的礫質(zhì)防滲土料?，F(xiàn)場取填筑體試坑中小于20 mm的細(xì)料，采用三點(diǎn)擊實(shí)法進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，在595 kJ/m3擊實(shí)功能下，其壓實(shí)度在96.4%～103.8%之間，平均99.4%； 填筑體滲透系數(shù)在 i×10-6～i×10-7cm/s 之間；平均壓縮模量為35.33～64.00 MPa，壓實(shí)度、滲透系數(shù)和抗剪強(qiáng)度等參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，大壩填筑施工質(zhì)量控制良好。

［1］ 張宗亮，袁友仁，馮業(yè)林.糯扎渡水電站高心墻堆石壩關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水力發(fā)電， 2006（11）:5-8.

［2］ 宋加升，張四和.糯扎渡水電站心墻防滲土料工程地質(zhì)特性研究［J］.水力發(fā)電， 2005（5）:35-36.

［3］ 馮業(yè)林，孫君實(shí)，劉強(qiáng).糯扎渡心墻堆石壩防滲土料研究［J］.水力發(fā)電， 2005（5）:43-45.

［4］ 劉杰，繆良娟.風(fēng)化料在魯布革土石壩防滲體中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)， 1987（11）:2-7.

［5］ 侯峮.云南兩座高土石壩防滲料的技術(shù)突破回顧與思考［J］.四川水力發(fā)電， 2004（3）:62-68.

［6］ DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［7］ 馬洪琪.糯扎渡高心墻堆石壩壩料特性研究及填筑質(zhì)量檢測(cè)方法和實(shí)時(shí)監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國工程科學(xué)，2011（12）:9-14.

［8］ 張宗亮.糯扎渡心墻堆石壩防滲料的設(shè)計(jì)、研究與實(shí)踐［C］//高堆石壩筑壩與工程安全技術(shù)研討會(huì)論文集，2011.