李 鵬

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

心墻堆石壩具有地基適用性良好、能就地取材和充分利用建筑物開挖料、造價較低及抗震性能好等優(yōu)點，在水利水電工程建設(shè)歷程中占有重要地位，已成為世界各國廣泛采用的壩型。雙江口水電站采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高312 m，已超過世界已建最高的大壩——塔吉克斯坦的努列克心墻堆石壩(壩高300 m)，以及我國已建的最高心墻堆石壩——糯扎渡大壩(壩高261.5 m)，不僅是我國西南高山峽谷地區(qū)、深厚覆蓋層河道上修建的特高壩工程，也是世界已建在建的第一高壩。

雙江口水電站地處高海拔、高寒地區(qū)，工程區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，壩體高度大，在施工期面臨壩體及壩基變形穩(wěn)定、防滲排水、防震抗震等技術(shù)問題，國內(nèi)外也較為缺乏300 m級心墻堆石壩的工程經(jīng)驗，雙江口水電站特高心墻堆石壩工程建設(shè)面臨的技術(shù)問題復(fù)雜，技術(shù)難度較大。

在水電站建設(shè)可研階段，開展了長期科技攻關(guān)工作，這些工作為雙江口水電站特高心墻堆石壩建設(shè)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。本文重點介紹300 m級高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究成果，并對施工期需要深化研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 工程概況及地質(zhì)條件

雙江口水電站是大渡河干流上游控制性水庫，位于四川省阿壩州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)大渡河上游足木足河、綽斯甲河匯口以下約2 km河段。電站設(shè)計裝機容量200萬kW，多年平均發(fā)電量77億kW·h，具有年調(diào)節(jié)能力。電站樞紐工程由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪建筑物等組成。攔河大壩采用碎石土心墻堆石壩，最大壩高312 m，壩頂長度699 m，壩體填筑總量約4 400萬m3。

雙江口庫壩工程區(qū)位于青藏高原中部地震亞區(qū)巴顏喀拉山地震帶的東南方向，地震基本烈度為Ⅶ度。壩址區(qū)出露地層巖性主要為燕山期鉀長花崗巖和二云二長花崗巖，無區(qū)域性斷裂切割，構(gòu)造變形微弱，水庫封閉條件好。壩址區(qū)兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，除右岸F1斷層規(guī)模相對較大外，主要由一系列低序次、低級別的小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面組成。河床覆蓋層一般厚48～57 m，最大厚度達(dá)76 m，具多層結(jié)構(gòu)，上、下部為漂卵礫石或含漂卵礫石層，中部為砂卵礫石層。

2 大壩結(jié)構(gòu)布置及分區(qū)方案

雙江口水電站礫石土心墻堆石壩采用直心墻型式，壩頂高程2 510.00 m，河床部位心墻底高程2 198.00 m。壩基設(shè)2 m厚混凝土基座，橫河向?qū)?6.10 m，順河向?qū)?28.00 m，基座內(nèi)設(shè)置基巖帷幕灌漿廊道(3.0 m×3.5 m)。壩頂寬度為16 m，上游壩坡為1∶2.0，2 430.00 m高程處設(shè)5 m寬的馬道；下游壩坡1∶1.90，壩坡上設(shè)置上壩公路。

左岸壩肩心墻均置于弱卸荷巖體內(nèi)，右岸壩肩心墻基礎(chǔ)局部強卸荷未挖除，大壩與兩岸壩肩接觸部位的岸坡表面設(shè)垂直厚度0.5 m的混凝土蓋板，心墻與蓋板連接處鋪設(shè)水平厚度3.00 m的粘性土，以協(xié)調(diào)心墻變形。為提高心墻與岸坡接觸部位的滲透穩(wěn)定性，在心墻標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上，左右岸壩肩部位向上下游方向局部加寬，左右壩肩底部上下游各增加12 m寬，頂部上下游各增加2 m寬，加寬寬度沿高度方向從底部至心墻頂2 508.00 m高程按三角形遞減。

為保護心墻土料，心墻兩側(cè)設(shè)置了Ⅰ、Ⅱ兩層反濾層，上游兩層反濾層水平厚度各4 m，下游兩層反濾層水平厚度各6 m，上、下游坡均為1∶0.2。上、下游反濾層Ⅱ與壩體堆石之間粒徑相差較大，在其間設(shè)置過渡層，以加強變形協(xié)調(diào)，保護反濾層。過渡層頂高程2 494.00 m，頂寬10 m，上、下游坡度均為1∶0.3。為防止帷幕局部失效引起下游壩基漂卵礫石和含泥砂卵礫石層發(fā)生滲透破壞，在心墻后的覆蓋層壩基與過渡料和堆石料之間設(shè)置一層2 m厚的水平反濾排水層。

在壩頂2 440.00 m高程以上(約占壩高的1/5)，上下游壩坡采用壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋進(jìn)行加固，加筋層距3 m，間距1 m，鋼筋深入壩面水平深度為30 m。為提高大壩的抗震穩(wěn)定性，在上、下游堆石體壩腳之上增加壓重。下游壓重區(qū)頂高程2 330.00 m，頂寬90 m。上游壓重區(qū)與上游圍堰連為一體，頂高程為2 330.00 m，頂寬190 m，坡度為1∶2.2。壩體典型斷面見圖1。

圖1 雙江口大壩壩體典型斷面圖

3 已開展的300 m級高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究

雙江口水電站是世界上在建的第一高壩，施工技術(shù)難度大，為安全、有效、經(jīng)濟地建設(shè)雙江口特高心墻堆石壩，在水電站建設(shè)可研階段，圍繞300 m級高土石壩關(guān)鍵技術(shù)開展了一系列專題研究和科技攻關(guān)。

3.1 壩基覆蓋層及筑壩材料特性研究

對于深厚河床覆蓋層特性的試驗研究，主要難點有：①覆蓋層成因復(fù)雜、層次多、軟硬相間，同時具有架空層、相變大、透水性強等特征，直接測定深厚覆蓋層的天然狀態(tài)指標(biāo)非常困難。②對深厚覆蓋層進(jìn)行鉆探，覆蓋層的原狀樣很難取得，采用重型動力觸探試驗和旁壓試驗等方法間接反映土層的物理狀態(tài)是一個相對可行的方法，但如何建立觸探和旁壓試驗指標(biāo)與土層密度、級配之間的相關(guān)關(guān)系，是需要研究的問題。③由于深厚覆蓋層的密度和級配難確定，使得其強度、變形等力學(xué)參數(shù)也難以確定。如果能夠通過動探和旁壓等試驗間接確定密度和級配，則可以通過室內(nèi)備樣試驗測試其力學(xué)特性。

針對上述問題，可研階段首先通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗確定深厚覆蓋層的密度、級配，然后在此基礎(chǔ)上確定覆蓋層的各項設(shè)計參數(shù)，具體研究方法為：①根據(jù)河床覆蓋層的分層，在現(xiàn)場對表部和中淺部覆蓋層進(jìn)行大型載荷、滲透變形、動探擊數(shù)和旁壓模量等力學(xué)試驗，并根據(jù)覆蓋層的物理性指標(biāo)，取樣在室內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的土力學(xué)系列試驗。②對于較深部和深部的覆蓋層，根據(jù)室內(nèi)模型試驗研究覆蓋層料的動探擊數(shù)、旁壓模量與上覆壓力、密度和級配的關(guān)系，比較現(xiàn)場與室內(nèi)模型動探和旁壓試驗成果，推斷河床覆蓋層深層的物理指標(biāo)。③根據(jù)較深部和深部覆蓋層的物理性質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)性試驗，提出了河床覆蓋層的設(shè)計參數(shù)。

根據(jù)本工程覆蓋層的基本地質(zhì)條件，各層物理力學(xué)參數(shù)選取的總原則是以現(xiàn)場和室內(nèi)試驗成果為依據(jù)，結(jié)合已建工程經(jīng)驗進(jìn)行工程地質(zhì)類比分析綜合確定。按照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范的規(guī)定，本工程各層覆蓋層的物理性質(zhì)參數(shù)以試驗的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；滲透系數(shù)以現(xiàn)場抽、注水試驗的大值～大值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；允許坡降采用現(xiàn)場管涌試驗的臨界坡降除以安全系數(shù)(1.5～2)作為標(biāo)準(zhǔn)值；抗剪強度φ值采用現(xiàn)場大剪試驗并參照室內(nèi)直剪試驗的指標(biāo)，以試驗平均值或乘以0.8～0.85作為標(biāo)準(zhǔn)值；允許承載力和變形模量以現(xiàn)場載荷試驗指標(biāo)為基本值參照鉆孔動力觸探和標(biāo)貫試驗成果給出標(biāo)準(zhǔn)值；穩(wěn)定坡比根據(jù)工程地質(zhì)類比給定。部分壩址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值如表1所示。

表1 壩址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

3.2 防滲土料改性研究

雙江口特高心墻堆石壩對防滲土料的要求很高，除滿足防滲性能外，還需有較好的力學(xué)性能。本工程土料場土料級配偏細(xì)，難適應(yīng)高壩變形，且難滿足高壩強度穩(wěn)定要求。類似高壩工程的經(jīng)驗表明，對于粗粒含量偏低的土料需要摻合礫(碎石)料進(jìn)行級配調(diào)整改性，在保證摻合土料的防滲、抗?jié)B性能滿足設(shè)計要求的前提下，能改善防滲土料的力學(xué)指標(biāo)及抗變形能力。因此，先在室內(nèi)進(jìn)行大量系列摻比研究，優(yōu)選出既滿足防滲又滿足強度和變形要求的摻比；繼而按此進(jìn)行力學(xué)試驗研究，并開展了大型現(xiàn)場碾壓試驗，對摻合工藝及摻合參數(shù)進(jìn)行了研究；再采用碾壓體原狀樣在現(xiàn)場進(jìn)行了大型滲透、強度和變形試驗研究，為防滲料的設(shè)計和數(shù)值分析提供重要的依據(jù)。

經(jīng)過對心墻防滲料的摻合方案(75%∶25%、65%∶35%、55%∶45%)及摻合料特性試驗研究，并結(jié)合現(xiàn)場碾壓試驗對摻合工藝、摻合參數(shù)以及摻合料特性的分析，可研階段當(dāng)卡料場土料推薦摻合比例(干重量比)為粘土∶花崗巖破碎料=50%∶50%。室內(nèi)及現(xiàn)場碾壓試驗研究成果表明，當(dāng)卡料場上部粘土與花崗巖破碎料摻合后具有較好的力學(xué)性質(zhì)，摻礫對強度的提高非常明顯，摻礫料工程特性能滿足防滲土料的設(shè)計要求。同時，為提高摻礫料質(zhì)量保證率，技施階段采用的摻合比例(干重量比)為粘土∶花崗巖破碎料=55%∶45%。當(dāng)卡摻礫料級配曲線見圖2。

圖2 當(dāng)卡摻礫料級配曲線圖(當(dāng)卡土料∶花崗巖破碎料=50%∶50%)

3.3 壩體結(jié)構(gòu)型式及分區(qū)方案比選

1)對直心墻壩方案心墻底部設(shè)置防滲墻和心墻底部全部挖出覆蓋層兩種情況。從工程經(jīng)驗、關(guān)鍵技術(shù)、壩坡穩(wěn)定性、滲流特性、應(yīng)力變形特性及施工組織等方面綜合比較，為穩(wěn)妥起見，不設(shè)置防滲墻，將心墻底部覆蓋層全部挖出的方案。

2)直心墻方案、斜心墻方案和弧形心墻方案三個心墻結(jié)構(gòu)布置方案在地形地質(zhì)條件的適宜性、樞紐建筑物布置條件、施工特性和施工條件等方面基本沒有大的差異，均有在同規(guī)模的大壩中采用的設(shè)計和建設(shè)經(jīng)驗。滲流、壩坡穩(wěn)定、壩體壩基的靜力與動力計算等分析表明，三個方案均符合心墻堆石壩的一般規(guī)律，各量值相差不大，防滲心墻仍有較大的安全裕度。由于三個方案的基礎(chǔ)處理范圍、壩體填筑工程量等方面的差異，導(dǎo)致三個方案的投資略有差異，直心墻方案投資最省。綜合比較，各方案總體差異不大，直心墻方案略優(yōu)，推薦采用直心墻堆石壩方案。

3)采用5套計算參數(shù)，對不同的壩體填筑技術(shù)指標(biāo)對壩體應(yīng)力和變形特性的影響開展了研究，其計算結(jié)果見表2。壩體二維及三維靜力有限元應(yīng)力變形分析表明，從壩體位移、堆石體應(yīng)力以及心墻應(yīng)力角度來分析，雙江口心墻壩直心墻方案的壩體材料和分區(qū)設(shè)計是合理的。

4)現(xiàn)場試驗表明，上游河口石料場的砂巖料相對飛水巖石料場的花崗巖料強度較低，且砂巖料濕化以及流變特性相對花崗巖料稍差，濕化變形以及流變變形稍大。為進(jìn)一步研究壩體上游堆石區(qū)材料分區(qū)對壩體應(yīng)力及變形的影響，進(jìn)一步研究優(yōu)化堆石分區(qū)的可能性，對上游堆石區(qū)進(jìn)行了三種方案比選，并進(jìn)行了數(shù)值分析研究。壩體二維及三維靜力有限元應(yīng)力變形分析成果(見表3)表明，壩體材料和分區(qū)設(shè)計從應(yīng)力和位移的角度看是合理的，大壩上游堆石區(qū)在上部是否采用花崗巖料對于大壩的應(yīng)力及變形影響極小。

3.4 壩體及壩基變形與穩(wěn)定研究

1)粘性土抗裂機理研究。在雙江口高心墻堆石壩常規(guī)靜力三維有限元計算的基礎(chǔ)上，在可能的開裂區(qū)域布置無單元結(jié)點并適當(dāng)加密，應(yīng)用粘性土張拉裂縫模擬計算的無單元法，針對筑壩材料不同的流變和濕化參數(shù)組合開展了壩體發(fā)生橫向張拉裂縫可能性的三維數(shù)值分析?？紤]粘性土抗裂機理的大壩數(shù)值分析表明，在壩體岸坡頂部發(fā)生的壩體橫向張拉裂縫主要由壩體后期變形所致的壩頂不均勻沉降所致。因此，盡量減小壩體的后期變形是預(yù)防壩頂發(fā)生橫向張拉裂縫的主要措施。

2)考慮濕化和流變效應(yīng)的大壩穩(wěn)定分析。根據(jù)壩體填料濕化變形特性試驗研究成果，結(jié)合工程經(jīng)驗，對大壩進(jìn)行三維濕化變形分析，研究大壩初次蓄水時上游壩體濕化對大壩應(yīng)力變形特征的影響；根據(jù)壩體填料流變特性試驗研究提出的流變模型及其參數(shù)，模擬壩體填筑分區(qū)、填筑過程、蓄放水過程，對大壩進(jìn)行三維流變分析，研究考慮壩體填料流變后壩體與心墻的長期應(yīng)力變形特征；對壩體濕化以及流變效應(yīng)進(jìn)行綜合分析，充分論證考慮兩種效應(yīng)共同作用下壩體的應(yīng)力變形對心墻的影響。壩體濕化和流變綜合分析表明，壩軸向位移增量總體表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央變形；上下游壩坡附近順河向位移增量總體表現(xiàn)為向上游側(cè)變形；上游壩殼料沉降大于下游壩殼料變形，最大沉降值也略微偏向上游。考慮上游壩體濕化后心墻各主應(yīng)力極值均有所增加，可減小心墻的拱效應(yīng)；而流變對壩體的應(yīng)力狀態(tài)影響很小。

表2 直心墻壩三維應(yīng)力及變形分析主要計算成果表(鄧肯-張EB模型)

表3 調(diào)整上游堆石區(qū)分區(qū)的有限元計算主要成果表 m

3)考慮流固耦合的大壩穩(wěn)定分析。采用流固耦合理論，通過有限元計算，系統(tǒng)分析了不同參數(shù)組合下雙江口心墻堆石壩的應(yīng)力變形特性，在研究大壩應(yīng)力變形特性的同時考慮了孔隙壓力分布、孔隙流體與骨架的相互作用，以及大壩內(nèi)各時刻的瞬態(tài)滲流分布。有限元計算成果表明，由于壩體填期歷時較長，心墻料排水固結(jié)性能較好，壩體填筑期間已基本完成固結(jié)，僅心墻中部有少量超靜孔隙壓力。滿蓄期，庫水位上升至正常蓄水位后，心墻上下游之間的穩(wěn)定滲流很快建立，心墻內(nèi)的滲透力沒有導(dǎo)致心墻發(fā)生大的變形，滲透穩(wěn)定性可滿足要求?？紤]裂縫愈合效應(yīng)，壩體粘性土料壩軸線上的垂直向應(yīng)力及孔隙水壓力基本上都呈線性分布，且孔隙水壓力的量值絕大部分小于垂直向應(yīng)力。心墻的滲透穩(wěn)定性可以得到保障，心墻、帷幕等滲控體系起到了很好的防滲作用。

4)考慮心墻水力劈裂的大壩穩(wěn)定分析。水力劈裂被普遍認(rèn)為是土石壩蓄水初期產(chǎn)生集中滲漏的主要原因之一，也是導(dǎo)致壩體破壞(產(chǎn)生內(nèi)部侵蝕或管涌現(xiàn)象)的重要因素之一。本工程基于土石壩水力劈裂發(fā)生機理的分析，采用所建立和發(fā)展的可模擬水力劈裂發(fā)生和擴展過程的分析方法和程序系統(tǒng)，開展了雙江口高心墻堆石壩水力劈裂問題的二維和三維有限元-無單元耦合計算分析，研究了工程蓄水期的抗水力劈裂安全性，探討了滲透弱面水壓楔劈效應(yīng)作用的大小，分析了蓄水速度對發(fā)生水力劈裂可能性的影響。心墻水力劈裂數(shù)值分析表明，雙江口心墻堆石壩設(shè)計擬定方案以及水庫蓄水方案(包括蓄水速度)是合理的，大壩具有較大的抗水力劈裂安全度，心墻不會發(fā)生水力劈裂破壞。

3.5 大壩抗震安全評價及抗震措施研究

本工程采用不同的計算參數(shù)、不同的地震反應(yīng)譜進(jìn)行模擬計算，大壩永久變形規(guī)律在定性上基本一致。壩體永久變形的變化規(guī)律與壩體加速度動響應(yīng)的規(guī)律基本相同，壩體響應(yīng)越大，其產(chǎn)生的永久變形越大。壩體在地震中的沉陷比水平位移大，地震變形形式主要是震陷，表明堆石體在高固結(jié)應(yīng)力和循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)棱角破碎。

1)在設(shè)計地震輸入下，三維永久變形分析采用整體變形計算方法，參數(shù)采用南科院的試驗成果，大連理工大學(xué)計算的壩體豎向最大永久位移為264.4 cm，發(fā)生在河床中部壩頂附近，占壩高的0.84%；河海大學(xué)計算的壩體的豎直方向永久變形最大值為110.0 cm，位于壩頂上游坡附近。兩家單位的計算成果表明，壩體永久變形均小于壩頂超高計算采用的地震附加沉陷，即壩高的1%(3.12 m)，說明壩頂高程可以滿足設(shè)計要求。

2)由于地震持續(xù)時間較短，不考慮地震過程中的孔壓消散，壩體心墻料、反濾料和壩基砂層的動孔壓比都不高。在設(shè)計地震各種計算情況下，算得反濾層內(nèi)的動孔壓比小于0.8，壩基砂層動孔壓比最大值為0.45。因此，壩體、壩基不存在地震液化問題。

3)以震后永久位移突變作為壩坡失穩(wěn)的評判標(biāo)準(zhǔn)，特征點位移突變時對應(yīng)的強度折減系數(shù)作為邊坡的動力穩(wěn)定安全系數(shù)，以基于廣義塑性力學(xué)理論的PZ模型分析應(yīng)力應(yīng)孌為基礎(chǔ)，進(jìn)行了二維和三維的強度折減法壩坡動力穩(wěn)定分析。二維分析得出上游壩坡的動力安全系數(shù)為1.136，下游壩坡的動力安全系數(shù)為1.205。三維分析得出上游壩坡的動力安全系數(shù)為1.190，下游壩坡的動力安全系數(shù)為1.299。因此，壩坡是穩(wěn)定的。

4)基于已建土石壩實際震害的ANN模型預(yù)測分析表明，雙江口大壩在8度烈度地震條件下，震害等級為4級，不會發(fā)生嚴(yán)重的震害現(xiàn)象。

5)在計算分析、模型試驗、大壩震害及常用抗震措施調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程特點，提出雙江口大壩抗震措施。主要包括：在大壩頂部1/5范圍內(nèi)采用加筋處理；壩頂預(yù)留較大超高裕度；對可能液化砂層大部分挖除或壓重處理；提高壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)；上、下游壩面設(shè)置干砌石及大塊石護坡；分層分散設(shè)置樞紐泄水建筑物等。對土工格柵和鋼筋抗震措施進(jìn)行了試驗和計算分析，對其抗震有效性進(jìn)行研究。無論是土工格柵或是鋼筋，在設(shè)計地震情況下加筋后壩坡動力安全系數(shù)至少提高15%，在核核地震情況下動力安全系數(shù)提高得更多。

3.6 防滲土料開采、運輸和摻和系統(tǒng)研究

雙江口大壩防滲土料采用天然土料摻和砂礫石后形成的礫石土，填筑總量約476萬m3。原可研設(shè)計方案，大壩防滲心墻土料采用下游的當(dāng)卡土料場(壩下游右岸約9 km)和上游的木爾宗料場(壩上游左岸約40 km)聯(lián)合供料。兩料場均采用挖掘機開采，公路汽車運輸方案，在下游的根扎村、上游的大石當(dāng)分別設(shè)置采用平鋪立采工藝的土料摻合場。該方案土料運輸距離長，占用場地多，環(huán)保水保問題突出，安全風(fēng)險大，投資高。

招標(biāo)設(shè)計階段開展了當(dāng)卡土料場開采運輸摻合科研攻關(guān)，研制了自動化、智能化土料制備系統(tǒng)，采用了“料場鏟運機開采+大傾角下運皮帶機運輸+智能化機械摻合和含水率調(diào)整+數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)控”的全封閉土料制備方案。該方案提升土料利用率，降低了土料綜合損耗系數(shù)，優(yōu)化取消了上游木爾宗料場，心墻土料供應(yīng)以當(dāng)卡土料為主，熱馬都料場為備用料場。該方案主要技術(shù)優(yōu)點：①料場精細(xì)化薄層開采。采用主動式鏟運機，以30 cm為一層進(jìn)行平層開采，較好的適應(yīng)料場自然坡度大、有用層薄的特點，盡可能開采料場的有用料。②大傾角皮帶機下運土料。采用了3 km長的“深槽U型夾帶式皮帶機，專用剎車技術(shù)、限載移動上料控制技術(shù)”等多項專利技術(shù)，實現(xiàn)當(dāng)卡土料場的土料下運，避免了大量修建公路(15 km以上)占用有用料和交通運輸帶來的安全、環(huán)境影響問題。③土料全封閉運輸及精細(xì)化摻合，可實現(xiàn)系統(tǒng)計量誤差控制在0.5%以內(nèi)。通過智能化控制技術(shù)，提高摻合料(礫石土)的計量精度和成品料質(zhì)量，全封閉系統(tǒng)可以減少土料運輸和加工過程中的損失，摻合精度的提高為優(yōu)化利用土料，減少土料用量創(chuàng)造條件。④自動化機械摻合技術(shù)。利用對螺旋輸送機改造，配合皮帶機連續(xù)供料系統(tǒng)，可實現(xiàn)土料和礫石料的連續(xù)機械強制拌合，并通過智能化補水系統(tǒng)調(diào)節(jié)混合料含水率。⑤采用數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，可控制土料、礫石料、混合料質(zhì)量和系統(tǒng)運行情況，實現(xiàn)機械化和規(guī)?；a(chǎn)。

3.7 智能大壩管控系統(tǒng)研究

信息技術(shù)對現(xiàn)代人類社會的發(fā)展起到巨大的推動作用，快速發(fā)展的信息技術(shù)為智慧工程實施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前國內(nèi)水電工程領(lǐng)域信息化、系統(tǒng)化建設(shè)與應(yīng)用已取得一定成果，但是相關(guān)研究成果仍主要側(cè)重于解決工程建設(shè)中的某個局部問題，尚未形成完整的解決方案，缺乏對工程建設(shè)全階段、各部位、多專業(yè)的協(xié)同管理和全生命周期管理的應(yīng)用，也尚未形成“智慧化”管理的高度和水平。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，基于國電大渡河公司的智慧企業(yè)總體構(gòu)架下，雙江口水電站工程按照“業(yè)務(wù)量化、統(tǒng)一平臺、集成集中、智能協(xié)同” 建設(shè)的思路，全面打造“智慧工程”，實現(xiàn)工程管理自動監(jiān)測、自動預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)和閉環(huán)管理，實現(xiàn)實時分析、預(yù)警、決策，全面提升大渡河流域工程建設(shè)風(fēng)險管控能力。

智能大壩是雙江口智慧工程的重要組成部分，通過綜合運用4S技術(shù)(地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、遙感RS技術(shù)、移動平臺MS)、大數(shù)據(jù)存儲與挖掘、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，對雙江口水電站心墻堆石壩設(shè)計、建設(shè)和運行過程中涉及的施工資源、施工質(zhì)量、工程進(jìn)度等信息進(jìn)行動態(tài)采集、自動分析、智能管控，與工程管理等系統(tǒng)實現(xiàn)信息整合與共享，并在工程整個生命周期里，實現(xiàn)綜合信息的動態(tài)更新與維護，實現(xiàn)工程信息統(tǒng)一管理和三維展示，對施工質(zhì)量、工程進(jìn)度等“五控制”目標(biāo)實現(xiàn)自動預(yù)警，并為工程管控提供智能決策支持。雙江口智能大壩系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

相比于傳統(tǒng)已建立的數(shù)字大壩系統(tǒng)，雙江口智能大壩系統(tǒng)實現(xiàn)了心墻堆石壩施工全過程在線實時監(jiān)控，并對料源開采運輸、心墻料摻和、料源上壩、壩面施工、質(zhì)量驗評、灌漿過程等全過程進(jìn)行跟蹤。該系統(tǒng)主要特點如下：

1)基于三維激光掃描技術(shù)及無線通訊技術(shù)，通過對料場開采量的實景復(fù)制，實現(xiàn)了料場開采體型的實時獲取及及壩料上壩運輸量的實時監(jiān)控。

2)基于含水率快速檢測裝置及自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)大壩填筑土料含水率快速檢測及實時預(yù)警分析。

圖3 雙江口智能大壩系統(tǒng)架構(gòu)圖

3)基于圖像識別及及識別分析技術(shù)，實現(xiàn)對摻礫土料均勻度實時分析監(jiān)控與壩面填筑施工現(xiàn)場料界污染實時監(jiān)控。

4)集合環(huán)境感知、信息融合、智能控制、無線通訊等眾多高新技術(shù)，構(gòu)建感知-決策-執(zhí)行三層結(jié)構(gòu)的碾壓機自動駕駛系統(tǒng)，實現(xiàn)壩面碾壓過程的自主控制。

4 施工期需要深化研究的關(guān)鍵技術(shù)

雖然已開展的300 m級高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究為雙江口特高壩建設(shè)提供了一定的技術(shù)支撐，但隨著現(xiàn)場施工進(jìn)一步實施，將獲取到更加豐富的地質(zhì)條件、材料特性資料，這些實際資料在下一步施工工作中有重要的參考意義。為有針對性提出設(shè)計施工方案和技術(shù)管理要求，實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計、科學(xué)管理和質(zhì)量控制，擬從以下幾方面開展深化研究工作。

4.1 河床覆蓋層建基條件深化研究與評價

現(xiàn)有勘探揭示壩區(qū)河床覆蓋層深厚，夾有多個砂層透鏡體，覆蓋層一般厚度48～57 m，最大厚度達(dá)76 m，具有多層結(jié)構(gòu)，各層厚度變化較大，大壩地基在施工期存在變形不均勻、砂層液化等問題?？裳蟹桨竿扑]將心墻及反濾層下的覆蓋層全部挖除，但上、下游堆石區(qū)的基礎(chǔ)覆蓋層大部予以保留。如何根據(jù)現(xiàn)場條件對材料進(jìn)行評價，是一個必須解決的問題。

在基坑施工作業(yè)中，壩基覆蓋層能夠得到充分揭露，使得有條件進(jìn)一步研究壩基深厚覆蓋層的組成結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性，復(fù)核河床壩基開挖范圍和深度，復(fù)核論證覆蓋層作為堆石體壩基的適應(yīng)性，并對壩基覆蓋層的優(yōu)化利用與處理提出建議。

4.2 壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)及壩料特性深化與優(yōu)化

本工程填筑強度大，上、下游堆石料料源物理力學(xué)特性不同，且料場剝采比高，施工場地狹窄，施工期土石方平衡及管理難度大?？紤]到經(jīng)濟性以及料源開采和填筑施工的匹配性，為了更加科學(xué)合理的利用各種可能的料源，有必要依據(jù)現(xiàn)場實際，在壩料爆破、碾壓試驗成果及壩體數(shù)值分析成果的基礎(chǔ)上，對壩殼堆石料分區(qū)方案進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和優(yōu)化設(shè)計，在保證大壩安全的前提下，提高開采料的利用率。同時，現(xiàn)階段心墻摻礫土料采用當(dāng)卡土料與花崗巖破碎料按55%∶45%(質(zhì)量比)進(jìn)行摻合。依據(jù)現(xiàn)有勘察成果，當(dāng)卡土料可開采儲量較為緊張，為了盡量合理利用當(dāng)卡土料，減少征地移民等成本，有必要在技施階段繼續(xù)研究心墻摻礫土料的摻合比例及優(yōu)化心墻結(jié)構(gòu)分區(qū)的可行性。

4.3 特高土石壩長期變形特性深化研究

變形控制是高土石壩設(shè)計與施工中的核心問題。大量的工程實踐已經(jīng)證明，長期變形對于堆石壩的工后沉降及安全運行具有重要影響。雙江口300 m級高土石壩的壩體最大豎向應(yīng)力達(dá)6 MPa左右，最大橫向應(yīng)力也達(dá)3 MPa。雖然可研階段對堆石料進(jìn)行了流變及濕化研究，但從目前現(xiàn)場實際情況看，實施階段堆石料的利用和選擇可能與可研階段有些不同，極可能會加大對洞挖料、料場剝離料、渣場回采料的研究和利用。因此，有必要對長期復(fù)雜高應(yīng)力條件下顆粒破碎可能較突出的堆石體開展相應(yīng)的級配跟蹤和研究，并對上游河口石料場及下游飛水巖石料場的開采料進(jìn)行性能復(fù)核。

4.4 高海拔冬季土料凍融規(guī)律及大壩防滲土料施工措施研究

雙江口水電站壩址以上的大渡河流域?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū)，具有明顯的大陸性高原季風(fēng)氣候特征。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計，壩址區(qū)多年平均氣溫8.6℃，極端最高氣溫34.8℃，極端最低氣溫-17.5℃，且夜間氣溫低，晝夜溫差大，屬于淺季節(jié)凍土～短時凍土區(qū)。冬季施工會出現(xiàn)土料凍結(jié)問題，其凍融規(guī)律、判斷指標(biāo)、施工防控措施等可供借鑒的工程經(jīng)驗不多。根據(jù)壩址區(qū)氣候條件，如何準(zhǔn)確掌握土料凍融規(guī)律，制定詳細(xì)、系統(tǒng)的冬季土料施工防控措施，以確保大壩施工質(zhì)量及施工進(jìn)度是施工中應(yīng)研究的重要課題。

4.5 特高土石壩安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

大壩監(jiān)測是指導(dǎo)設(shè)計和施工、保證大壩運行安全的重要手段。目前常用的土石壩變形監(jiān)測手段主要有監(jiān)測表面垂直位移的水準(zhǔn)點、監(jiān)測壩體內(nèi)部分層垂直位移的水管式沉降儀和電磁式沉降儀、監(jiān)測表面水平位移的觀測墩、監(jiān)測壩體內(nèi)部分層水平位移的引張線式位移計和測斜管。受限于高壩大變形、儀器使用條件和現(xiàn)場施工條件限制，測斜管和電磁式沉降儀在超過150 m以上時其應(yīng)用效果難以保證，且心墻壩上游堆石區(qū)變形監(jiān)測是目前大壩監(jiān)測的“盲區(qū)”，尚無有效手段進(jìn)行監(jiān)測。因此，有必要開展特高土石壩安全監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)的研究，應(yīng)用安全監(jiān)測新技術(shù)解決上游堆石區(qū)的變形監(jiān)測問題，并提高特高土石壩心墻變形監(jiān)測儀器的存活率。

5 結(jié) 語

雙江口水電站心墻堆石壩是世界在建的第一高壩，其地處高海拔、高寒地區(qū)，工程區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工期面臨壩體及壩基變形穩(wěn)定、防滲排水、防震抗震等技術(shù)問題，工程建設(shè)面臨的技術(shù)問題復(fù)雜，建設(shè)難度較大。

在水建站建設(shè)可研階段，圍繞300m級心墻堆石壩設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，開展了壩基覆蓋層及筑壩材料特性、防滲土料改性、壩體結(jié)構(gòu)型式及分區(qū)方案、抗震安全評價及抗震措施、防滲土料開采、運輸和摻和系統(tǒng)、智能大壩管控系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了豐富的研究成果，為雙江口水電站特高心墻堆石壩建設(shè)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著雙江口工程建設(shè)的深入推進(jìn)和工程技術(shù)的不斷發(fā)展，還需在河床覆蓋層建基條件、壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)及壩料特性、特高土石壩壩長期變形特性、高海拔冬季土料凍融規(guī)律及大壩防滲土料施工措施、特高壩安全監(jiān)測等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，保證雙江口特高心墻堆石壩科學(xué)建設(shè)。同時，大量的創(chuàng)新性研究成果實現(xiàn)了300 m級心墻堆石壩筑壩技術(shù)突破，推動了世界特高土石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，為土石壩工程建設(shè)提供了豐富、寶貴的經(jīng)驗。