張小春

(四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定626001)

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長河壩水電站深厚覆蓋層超高礫石土心墻堆石壩關(guān)鍵筑壩技術(shù)應(yīng)用

張小春

(四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川康定626001)

長河壩水電站礫石土心墻堆石壩建造于高山峽谷、高地震烈度及深厚覆蓋層上，為深厚覆蓋層上世界第一高壩，大壩設(shè)計及施工可供借鑒的經(jīng)驗不多。為此，該工程開展了大量的特殊科研并成功應(yīng)用，其在大壩設(shè)計、筑壩技術(shù)及管理等方面的先進(jìn)成果為300 m級大壩設(shè)計和施工積累了大量工程經(jīng)驗。

深厚覆蓋層；超高；礫石土心墻堆石壩；筑壩技術(shù)；長河壩水電站

1 工程概況

長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“3庫22級”開發(fā)的第10級，采用水庫大壩、首部式地下引水發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)，為一等大(1)型工程，工程場地地震基本烈度Ⅷ度。攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，天然壩基河床覆蓋層最深79.3 m，心墻下部覆蓋層利用深度53 m。長河壩是目前世界上唯一一座建于深厚覆蓋層上的200 m級以上的大壩，具有“河谷狹窄、岸坡高陡、壩體超高、覆蓋層深厚、設(shè)防烈度高”等特點。其工程規(guī)模、技術(shù)難度均超出了我國現(xiàn)行規(guī)范的適用范圍，設(shè)計和施工可供借鑒的經(jīng)驗不多，工程面臨著巨大考驗，在工程設(shè)計論證和建設(shè)過程中，開展了大量的特殊筑壩技術(shù)科研和施工技術(shù)探索工作，并成功應(yīng)用于工程實踐。

2 大壩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

長河壩大壩設(shè)計面臨的主要技術(shù)問題有：壩體與基礎(chǔ)防滲體之間安全、可靠的連接問題；壩殼堆石體在不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力變形協(xié)調(diào)問題、濕化變形問題、蠕變問題；水庫蓄水速率過快問題；防滲心墻的抗水力劈裂問題；大壩防震抗震問題等。

針對工程大壩處于強震區(qū)、深厚覆蓋層及超高壩3個突出特點，對以上關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了研究，研究成果全面應(yīng)用于超高土石壩防滲土料勘察，壩體材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計、壩基防滲布置與結(jié)構(gòu)設(shè)計、大壩抗震設(shè)計、壩體壩基監(jiān)測設(shè)計以及大壩心墻料的實際生產(chǎn)過程，保證了大壩的順利設(shè)計和建設(shè)。

2.1 壩基深厚覆蓋層問題處理

若將覆蓋層全部挖除對心墻應(yīng)力及變形有利，同時也有利于基礎(chǔ)防滲，但工程量大，且基坑排水難度大，施工工期長且不經(jīng)濟(jì)。經(jīng)反復(fù)比對，最終決定利用覆蓋層。但深厚覆蓋層帶來的的壩基不均勻變形問題、壩基抗滑穩(wěn)定問題、壩基滲漏及滲透穩(wěn)定問題、以及砂層液化等問題處理難度較大，研究確定采取了以下措施：

(1)挖除②-c砂層。河床覆蓋層中分布較廣的②-c砂層厚0.75～12.5 m，埋藏深度3.3～25.7 m，厚度較大，為飽水的少粘性砂土。開展大量室內(nèi)試驗的同時，進(jìn)行了現(xiàn)場大剪試驗，查明了其力學(xué)性能。該砂層存在力學(xué)強度較低、承載能力不足、不能滿足壩基抗滑穩(wěn)定要求、不利均勻變形問題，且在Ⅷ度地震工況下為可能液化砂層。經(jīng)方案比選后采取了全面挖除處理措施。挖除②-c砂層后，基本消除了壩基不均勻沉降變形影響，壩體變形較平順。采用極限平衡法圓弧滑動分析壩坡穩(wěn)定性，結(jié)果表明各種工況下其穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求且最危險滑弧均不經(jīng)過壩基覆蓋層，說明挖除壩基砂層后，壩基覆蓋層能夠滿足堆石壩壩基抗滑穩(wěn)定要求。

(2)覆蓋層表面清理、整平及固結(jié)灌漿。為提高壩基覆蓋層的承載力和土體密實度，增加壓縮模量，減小壩基的不均勻變形和沉降，對未分布砂層部位的覆蓋層表層淤泥質(zhì)、松散堆積物、腐植土等進(jìn)行挖除，將陡坎、出露較大孤石等挖除。心墻底部的覆蓋層壩基開挖面在心墻填筑前應(yīng)進(jìn)行精細(xì)平整，并用振動平碾靜碾4遍。對心墻建基面底部的覆蓋層壩基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，固結(jié)灌漿深5 m，灌漿孔采用梅花形布置，間、排距均為2.5 m。

(3)覆蓋層防滲處理。壩基覆蓋層除砂層外均具強至極強透水性，抗?jié)B性能差，存在壩基滲漏及滲透穩(wěn)定問題。兩岸巖體及河床覆蓋層下的基巖強卸荷巖體一般具強～極強透水性；弱卸荷巖體具中等～強透水性；微新巖體具弱微透水性，沿兩岸及河床下的基巖存在繞滲問題。經(jīng)研究，壩基覆蓋層防滲采用一主一副兩道全封閉混凝土防滲墻，墻厚分別為1.4 m和1.2 m，兩墻之間凈距14 m，最大墻深53 m，防滲墻深入基層1 m。通過滲流計算分析，壩基內(nèi)的各層覆蓋層滲透坡降均小于0.1，小于其允許滲透坡降，滲漏量也小于規(guī)范允許值。

(4)覆蓋層基坑涌水問題研究。施工中基坑涌水較大，最大值達(dá)12 000 m3/h。為此進(jìn)行了大壩基坑涌水滲流場專題研究，查清了基坑涌水無關(guān)壩基防滲墻的來源，認(rèn)為在防滲體系完成的情況下覆蓋層施工期涌水對大壩永久運行影響不大。

2.3 大壩斷面

(1)防滲心墻及心墻與壩基防滲墻連接設(shè)計。大壩心墻頂高程1 696.40 m，頂寬6 m，心墻上下游坡度均為1∶0.25，底高程1 457.00 m，底寬125.70 m，約為水頭的1/2。在最大橫剖面的基礎(chǔ)上，心墻左右壩肩從1 457～1 696.4 m高程順河流向上下游加寬10～0 m，各高程在垂直河流向以1∶5的坡度向河床中心方向收縮。主防滲墻布置于壩軸線平面內(nèi)，通過頂部設(shè)置的灌漿廊道與防滲心墻連接，防滲墻與廊道之間采用剛性連接，防滲墻底以下及兩岸基巖防滲均采用灌漿帷幕，防滲要求按透水率q≤3Lu控制；副防滲墻布置于壩軸線上游，與心墻間采用插入式連接，插入心墻內(nèi)高度9 m。

(2)反濾設(shè)計。心墻上下游側(cè)均設(shè)反濾層?？紤]心墻流向上游的水力坡降較小，設(shè)計簡化了心墻上游反濾，上游為反濾層3，厚度8 m，降低了工程造價并便于施工；下游設(shè)2層反濾，分別為反濾層1和2，厚度均為6 m。心墻底部在壩基防滲墻下游亦設(shè)厚度各1 m的2層水平反濾層，與心墻下游反濾層相接。心墻下游過渡層及堆石與河床覆蓋層之間設(shè)置反濾層4，厚度為1 m。上、下游反濾層與壩殼堆石間均設(shè)置過渡層，水平厚度均為20 m。堆石與兩岸巖坡之間設(shè)置3 m厚的水平過渡層。

2.4 筑壩材料

壩體填筑總量約3 400萬m3，其中堆石料2 500萬m3，礫石土心墻料430 m3。主要筑壩材料有礫石土心墻料、高塑性粘土料、心墻下游側(cè)第一層及心墻底部的反濾料1、心墻下游側(cè)第二層及心墻底部的反濾料2、心墻上游側(cè)的反濾料3、下游覆蓋層建基面的反濾料4、過渡料、堆石料、護(hù)坡料、上下游壓重料、土工格柵和土工膜。限于篇幅，結(jié)合長河壩工程的特點，本文重點介紹心墻料及過渡料的控制。

2.4.1 心墻料

考慮到超高壩心墻防滲抗?jié)B性能及強度要求，對心墻的細(xì)粒含量、P5含量及壓實參數(shù)進(jìn)行了嚴(yán)格控制。原設(shè)計最大粒徑不大于200 mm，后考慮到防滲性能的極端重要性，經(jīng)項目審批機(jī)構(gòu)技術(shù)評審，設(shè)計將心墻料的最大粒徑調(diào)整為不大于150 mm，增設(shè)篩分系統(tǒng)剔除大于150 mm粗粒料的同時，進(jìn)一步改善了土料的均勻性。P5含量不低于30%，不超過50%；小于0.005 mm的顆粒含量不少于8%，小于0.075 mm的顆粒含量不少于15%，顆粒應(yīng)連續(xù)。心墻料鋪料厚度為30 cm，采用26t凸塊碾靜碾2遍后振碾12遍。碾后壓實度“雙指標(biāo)”控制，即全料壓實度不小于97%，細(xì)料壓實度要求達(dá)到100%；滲透系數(shù)應(yīng)不大于1×10-5cm/s，抗?jié)B透變形的破壞坡降應(yīng)大于5，其滲透破壞形式應(yīng)為流土?？裳须A段規(guī)劃了大壩上游距壩址約22 km的湯壩和新蓮兩個土料場，兩個料場土料均具有較好的防滲性能和力學(xué)強度。施工階段，在開采過程中湯壩土料場采區(qū)及后邊坡發(fā)生較大變形，結(jié)合已變形的后邊坡治理，經(jīng)擴(kuò)大范圍查勘，擴(kuò)大范圍后的土料儲量和質(zhì)量均能滿足大壩心墻填筑指標(biāo)及用料需求，研究決定擴(kuò)大該料場開采，最終一個料場即全部滿足了大壩心墻填筑，未再啟用新蓮料場。擴(kuò)大范圍開采后，少部分料品質(zhì)存在偏粗或偏細(xì)、含水不均等問題，采取了篩分、翻曬、摻配等專項處理工藝。其中，摻配工藝選定的“平鋪立采法”屬行業(yè)先進(jìn)工藝，該工藝的成功應(yīng)用使料場從兩個優(yōu)化為一個成為可能。

2.4.2 過渡料

過渡料采用石料場開采料，原設(shè)計要求為：最大粒徑300 mm，小于0.075 mm的顆粒含量不宜超過5%，小于5 mm的顆粒含量不大于30%、不小于10%，D15≤8 mm。

響水溝料場料源為花崗巖，飽和濕抗壓強度94.5～120 MPa，江咀料場料源為閃長巖、飽和濕抗壓強度76.4～131 MPa。由于巖體致密堅硬、強度高，根據(jù)施工期多次過渡料爆破試驗，爆破難以生產(chǎn)出滿足設(shè)計要求的過渡料。

為降低過渡料爆破開采難度，設(shè)計通過研究將過渡料適當(dāng)調(diào)粗，調(diào)整后，過渡料D15≤20 mm、最大粒徑400 mm。試驗和計算成果表明，過渡料級配調(diào)整后的滲透性、抗剪強度和壓縮特性均變化不大，對大壩應(yīng)力變形的影響也較小。但直接爆破仍難以滿足大壩過渡料填筑要求為此，采用了“強爆破和機(jī)械加工料”生產(chǎn)工藝混合上壩。

2.5 抗震設(shè)計

由于本工程攔河大壩按Ⅸ度地震設(shè)防，抗震措施主要是選擇了抗震性能較好的土質(zhì)直心墻堆石壩，同時采用了寬心墻，加大了反濾層和過渡層的厚度。壩頂超高考慮了地震工況下壩體和壩基產(chǎn)生的附加深陷和水庫地震涌浪。為防止大壩上部壩坡的地震破壞，在壩體上部1 645.00 m高程以上，壩坡表面內(nèi)最大50 m深度范圍過渡料和堆石料區(qū)域內(nèi)，每隔2 m設(shè)置一層土工格柵。設(shè)置了放空洞，在地震預(yù)報時提前放低水庫水位或大壩發(fā)生震害時，可及時放空庫水，避免或減小對大壩下游的安全威脅。

2.6 大壩監(jiān)測設(shè)計

本礫石土心墻堆石壩主要監(jiān)測項目包括變形、滲流、應(yīng)力、地震反應(yīng)、環(huán)境量監(jiān)測等。防滲墻及心墻內(nèi)部水平變形監(jiān)測以測斜儀為主，垂直變形監(jiān)測使用了弦式沉降儀、電位器式位移計和電磁沉降環(huán)3種形式，其中，電位器式位移計用于心墻沉降監(jiān)測為業(yè)內(nèi)首例，位移計量程為1 200 mm；下游堆石區(qū)內(nèi)部水平變形采用引張線水平位移計，垂直變形采用水管式沉降儀；壩坡水平變形、垂直變形及廊道垂直變形主要采用外觀測量手段進(jìn)行。心墻與混凝土墊層間的相對變形以位錯計及土體位移計串為主要監(jiān)測手段。覆蓋層及壩體滲流滲壓采用滲壓計和測壓管兩種手段進(jìn)行監(jiān)測，繞壩滲流監(jiān)測采用繞滲孔。堆石壩應(yīng)力監(jiān)測主要包括廊道內(nèi)鋼筋應(yīng)力及心墻區(qū)填土壓力，分別采用鋼筋計及土壓力計進(jìn)行。地震反應(yīng)監(jiān)測以強震儀為主要監(jiān)測手段，監(jiān)測資料與樞紐區(qū)地震臺網(wǎng)共享。

3 數(shù)字化大壩施工監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用及改進(jìn)情況

長河壩數(shù)字大壩系統(tǒng)采用了堆石壩填筑碾壓施工過程實時監(jiān)控技術(shù)、壩料上壩運輸過程實時監(jiān)控技術(shù)、堆石料運輸車加水自動控制技術(shù)、灌漿施工實時監(jiān)控技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了大壩填筑碾壓參數(shù)、料源與卸料分區(qū)的匹配情況、堆石料單車壩外加水量、灌漿施工過程參數(shù)的全面、全過程、精細(xì)化在線監(jiān)控，克服了常規(guī)質(zhì)量控制受人為因素影響、管理難度大等難題，有效保證和提高了施工質(zhì)量。

數(shù)字化大壩技術(shù)在糯扎渡工程中首次應(yīng)用，與之相比，本工程在技術(shù)與內(nèi)容方面實現(xiàn)了進(jìn)一步的發(fā)展，新增了灌漿施工過程實時監(jiān)控技術(shù)、堆石料運輸車加水自動控制技術(shù)，改進(jìn)了信號傳輸途徑，采用雙星定位技術(shù)(美國GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS衛(wèi)星系統(tǒng))改進(jìn)了在糯扎渡成果中使用的GPS技術(shù)，進(jìn)一步擺脫了復(fù)雜地理條件下衛(wèi)星定位受限的局面，使系統(tǒng)在施工車輛定位準(zhǔn)確性和可靠性方面得到了大幅提升。

4 施工技術(shù)及質(zhì)量管理

長河壩礫石土心墻堆石壩自2013年7月心墻開始填筑，至2016年9月份填筑至壩頂，大壩填筑施工歷時3年零2個月。施工期平均強度82.2萬m3/月，高峰強度134.8萬m3/月。2014年1月～2015年9月，大壩填筑連續(xù)21個月實現(xiàn)了月平均填筑強度超過100萬m3。

高強度、高標(biāo)準(zhǔn)的填筑施工，保證施工質(zhì)量是關(guān)鍵。結(jié)合工程需求，在壩料開采、快速檢測、礫石土摻配、重車過心墻、無人駕駛振動碾等方面開展了有益的創(chuàng)新與探索，為大壩填筑快速高效、保質(zhì)保量施工提供技術(shù)保障。

質(zhì)量管理方面，除數(shù)字化大壩監(jiān)控系統(tǒng)外，施工單位和業(yè)主的試驗檢測中心對每個填筑單元均進(jìn)行抽樣試驗檢測；第三方檢測單位每季度開展原位抗剪、原位滲透、大三軸等指標(biāo)檢測；質(zhì)量監(jiān)督總站每年不少于3次開展質(zhì)量巡檢；業(yè)主專門成立了參建四方聯(lián)合的質(zhì)量小組，重點對上壩各類料質(zhì)量、攤鋪料分界、碾壓質(zhì)量、雨后復(fù)工等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格管控，保證了大壩填筑質(zhì)量。

5 結(jié) 語

長河壩礫石土心墻堆石壩作為目前深厚覆蓋層世界第一高壩，在工程設(shè)計及建設(shè)無成熟經(jīng)驗可借鑒的情況下，開展了很多前沿性的筑壩技術(shù)研究和探索，為后續(xù)高土石壩向300 m級跨越積累了大量的設(shè)計和施工經(jīng)驗。

(1)深入研究筑壩材料性能，優(yōu)化了壩體各材料的設(shè)計級配和控制指標(biāo)，論證并提高了大壩的安全性和可行性，同時為應(yīng)力變形、滲流及抗震分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(2)對防滲系統(tǒng)布置及結(jié)構(gòu)研究進(jìn)行了多方案比較，最終確定將副防滲墻從下游優(yōu)化調(diào)整至上游。在對兩道防滲墻共同分擔(dān)水頭的機(jī)理和敏感因素深入研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了副防滲墻平面的帷幕設(shè)置及兩道防滲墻之間的帷幕設(shè)置。在對兩道防滲墻與土心墻連接的詳細(xì)深入研究的基礎(chǔ)上，解決了240 m高土心墻堆石壩廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計難題，節(jié)約了工期，方便了運行。

(3)多方案的抗震措施優(yōu)選使工程的抗震設(shè)計更適宜、可靠。

(4)研究引入的新型大量程電位器式位移計，有效地滿足了基礎(chǔ)覆蓋層沉降監(jiān)測的要求。心墻分層實現(xiàn)水平沉降監(jiān)測、增加水平沉降條帶坡比等創(chuàng)新設(shè)計方法的使用，解決了常規(guī)監(jiān)測方法無法適應(yīng)本項目大變形量監(jiān)測的問題。

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(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Key Technologies and Its Application in the Construction of Super-high Gravel Soil Core Wall Rockfill Dam on Deep Overburden in Changheba Hydropower Station

ZHANG Xiaochun

(Sichuan Datang International Ganzi Hydropower Development Co., Ltd., Kangding 626001, Sichuan, China)

The gravel soil core wall rockfill dam of Changheba Hydropower Station is built on deep overburden with a highest height of dam on deep overburden in the world. The dam site locates in mountain valley with high seismic intensity. The design and construction of dam cannot learn more experiences from other projects. For this reason, a large number of special scientific research are carried out and the results have been successfully applied in the design and construction of project. The research achievements on dam design, dam construction technology and project management will provide a lot of experiences for the design and construction of 300-meter level rockfill dam．

deep overburden; super high; gravel soil core wall rockfill dam; dam construction technology; Changheba Hydropower Station

2016- 06- 15

張小春(1976—)，男，湖南瀏陽人，高級工程師，主要從事水電建設(shè)管理工作．

TV641.41(271)

B

0559- 9342(2016)10- 0005- 04