丁 龍

(中國水利水電第十工程局有限公司國際公司，四川 成都 610072)

1 概 述

維尼撒烏勒烏水電站大壩加高項(xiàng)目(WWRP)位于斐濟(jì)主島維提島正中部，東經(jīng)178°，南緯17.8°，地處斐濟(jì)海拔最高的區(qū)域。該工程是對原樞紐結(jié)構(gòu)加高以增加其最大庫容，增長年發(fā)電時(shí)間以及對下游水庫補(bǔ)水，是繼南德瑞瓦圖項(xiàng)目后電建集團(tuán)在斐濟(jì)實(shí)施的第二個(gè)項(xiàng)目。工程主要由黏土心墻堆石壩、混凝土溢流堰、上壩公路等組成。該項(xiàng)目為FIDIC紅皮書條款下的國際性競標(biāo)項(xiàng)目，合同模式為單價(jià)承包合同。業(yè)主為斐濟(jì)國家電力局(FEA),設(shè)計(jì)方及監(jiān)理方為美華新西蘭公司(MWH)。

該項(xiàng)目地處干濕氣流交匯區(qū)，日均氣溫32 ℃，年均降雨4 800 mm。項(xiàng)目所在區(qū)域基本上全年有雨，無明顯旱季，月降雨量變化不明顯，月晴天數(shù)少于7 d。特殊的氣候條件要求施工團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行心墻填筑施工時(shí)一定要充分利用天氣變化和資源的靈活調(diào)動；同時(shí)，該地區(qū)土壤為超高含水率黏性土，取料場土料源的平均含水率高達(dá)74%，其承載力差，不適宜中大型機(jī)械作業(yè)，故將這種超高含水率的黏土作為心墻的填筑料并成功施工是該項(xiàng)目具有的特點(diǎn)與難點(diǎn)。對超高含水率黏土在斐濟(jì)維尼撒烏勒烏水電站心墻堆石壩中的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

2 料源選擇

2.1 心墻的設(shè)計(jì)要求

(1)心墻填土材料的粒度分布應(yīng)完全位于級配限制表中的規(guī)定線之間，級配限制情況見表1；

表1 心墻填土材料級配限制表 /%

(2)少量有機(jī)質(zhì)、細(xì)石占填料體積的比例小于5%且分布均勻；

(3)黏土料壓實(shí)后應(yīng)確保其達(dá)到30 kPa的最小不排水抗剪強(qiáng)度；

(4)填筑料含水率的允許范圍由工程師根據(jù)壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)果確定。壓實(shí)應(yīng)確保所鋪設(shè)的每一層干密度為標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)試驗(yàn)(NZS4402:1986第4.1節(jié))中確定的相同材料在相同含水量下的干密度的98%；

(5)滲透系數(shù)不大于1×10-6cm/s；

(6)水溶鹽含量不大于3%。

2.2 心墻土料場的選擇

預(yù)選土料場為風(fēng)化的多水高嶺土為主的殘積黏土料，連續(xù)分布且厚度適合機(jī)械開采，儲量豐富，但其含水率過高。對土料場取樣并進(jìn)行檢測的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 土料物理力學(xué)性能指標(biāo)

除土料天然含水率遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的最優(yōu)含水率和塑性指數(shù)較高外，其他各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范對土料的質(zhì)量要求。鑒于有采用類似黏土材料填筑土壩的先例，且現(xiàn)場附近30 km以內(nèi)無含水率合適的黏土料源，經(jīng)地質(zhì)專家分析認(rèn)為：可選用該超高含水率的黏土作為心墻填筑料。但施工前須經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)論證以確定其填筑強(qiáng)度、厚度、施工機(jī)械等參數(shù)及各項(xiàng)力學(xué)性能。

地形分析和采樣試驗(yàn)確定了兩處黏土取料場，位于右岸壩肩旁的土坡及左岸運(yùn)輸?shù)缆放缘耐疗?。這兩處山坡面積大、坡度緩、靠近壩區(qū)、無山遮擋、臨近上壩道路，能夠滿足易裝載、易運(yùn)輸?shù)葪l件；但料場排水快，大暴雨僅能濕潤其表層黏土，下部黏土依然保持合適的含水率，可提供穩(wěn)定的心墻填筑料。

3 填筑前的碾壓試驗(yàn)

3.1 碾壓設(shè)備的選擇

正式填筑施工前，根據(jù)已選定的施工機(jī)械明細(xì)表和料源情況初步確定各種試驗(yàn)參數(shù)[1]并進(jìn)行填筑適應(yīng)性試驗(yàn)。

一般采用震動凸塊碾碾壓土料。但對使用凸塊碾碾壓超高含水的黏土是否可行存在疑問。經(jīng)查閱斐濟(jì)蒙加拉水電站土石壩的黏土斜墻填筑資料發(fā)現(xiàn)其實(shí)施過程中有采用推土機(jī)碾壓黏土的先例[2]。而前期臨建施工中采用寬履帶推土機(jī)進(jìn)行堆土和壓實(shí)土層的過程中未深陷松散黏土中，其V型履帶板可有效切碎黏土，行走碾壓過程中不與黏土發(fā)生黏結(jié)，行走振動又給予黏土以振動壓實(shí)?？紤]到該項(xiàng)目黏土的高含水，最終選定振動凸塊碾和SD16濕地推土機(jī)進(jìn)行土料碾壓對比試驗(yàn)。

3.2 振動凸塊碾碾壓試驗(yàn)

在晴天于料場清理出一塊原狀黏土平臺進(jìn)行輪胎式凸塊碾碾壓試驗(yàn)。采用反鏟挖掘機(jī)取料、攤鋪，16 t凸塊碾碾壓，全站儀測量填筑厚度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于黏土含水率太高，黏土成塊黏附在凸塊碾間隙，凸塊碾變?yōu)楣饷婺胧チ送箟K的作用，且凸塊碾輪胎沾上高含水的黏土后打滑而無法有效行進(jìn)。反復(fù)試驗(yàn)失敗后，技術(shù)人員分析認(rèn)為：傳統(tǒng)凸塊碾作為該項(xiàng)目黏土心墻碾壓機(jī)械在該特殊條件下不可行。

3.3 SD16推土機(jī)碾壓試驗(yàn)

在料場清理了一塊原狀黏土平臺進(jìn)行SD16推土機(jī)攤鋪、碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)料源的黏土含水率高，因而試驗(yàn)需要準(zhǔn)確地確定各種試驗(yàn)參數(shù)以獲得最好的壓實(shí)度、穩(wěn)定性及防滲效果。

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。在料場挖出一塊10 m×8 m的平坦場地，基礎(chǔ)為原狀黏土，采用反挖攤鋪，測量校核找平，將高差控制在10 cm以內(nèi)；試驗(yàn)土料取自右岸料場(主料場)；試驗(yàn)設(shè)備有平口反鏟、推土機(jī)、全站儀、十字剪等。

(2)試驗(yàn)內(nèi)容。①通過不同的攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)測量其抗剪強(qiáng)度，比較抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)，選取符合要求的數(shù)值；②抗剪強(qiáng)度：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，黏土填筑料碾壓試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度[3]達(dá)到30 kPa即可。進(jìn)行試驗(yàn)后，對于超過30 kPa的數(shù)值選取較大值；③干密度：根據(jù)不同的攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)，采用灌砂法測出對應(yīng)的干密度，每層攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)、抗剪強(qiáng)度確定后，選取對應(yīng)的干密度數(shù)值。

在側(cè)斷面觀察碾壓后的土料均勻、密實(shí)，十字剪測得其抗剪強(qiáng)度大于30 kPa，V型履帶推土機(jī)進(jìn)行高含水率土料碾壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求。最終選擇了滿足要求和利于施工的一組數(shù)據(jù)作為心墻施工的技術(shù)參數(shù)，當(dāng)填筑厚度為15 cm、碾壓遍數(shù)為6遍時(shí)，填筑料獲得最好的密實(shí)完整性和最大的抗剪強(qiáng)度。

4 黏土心墻的施工

該項(xiàng)目的心墻施工開始于2013年4月。最初的施工方法由填筑試驗(yàn)及圍堰施工經(jīng)驗(yàn)演變而來，針對不同高程、不同部位的心墻進(jìn)行因地制宜的施工。

4.1 取料場開采方案

在料場清除其表層的有機(jī)質(zhì)和腐殖土后對土料取樣進(jìn)行檢測(如土樣顆粒粒徑、含水量、塑限等)直至出現(xiàn)符合要求的黏土[4]。對料場靠山坡高側(cè)挖截水溝，采用無齒反挖后退法將料場表面清理干凈。根據(jù)土料的層狀分布以及高程情況確定取土厚度，考慮合并兩種開采方案。方案一：采用反鏟垂直式取料，使層與層之間土料混合，保持土料的均勻性。反挖直接取料混合后裝車運(yùn)輸。方案二：晴天過后，由推土機(jī)在水平斜坡面上順坡開采，將開挖料推運(yùn)到裝運(yùn)區(qū)域裝車。該方案提高了集料的效率，保證了填筑需求量，能提供高質(zhì)量、均勻、合適含水率的填筑料。最終決定：優(yōu)先選用方案一，隨著斜坡高度的增加以及填筑強(qiáng)度的增高，合并方案二開采。

4.2 存料及運(yùn)輸卸料方案

(1)存料方案：對于施工初期開采的黏土，適宜遮蓋后堆存。但因該項(xiàng)目區(qū)域夜晚常被水汽籠罩，空氣濕度太高，堆存料吸收空氣中的水汽而使其含水率大增，土料性能變差，導(dǎo)致堆存土料方案不可行。最終考慮采用現(xiàn)挖現(xiàn)用、提前集料的方案，不考慮土料堆存。

(2)運(yùn)輸卸料方案：心墻料采用15 t自卸汽車運(yùn)輸上壩壓實(shí)，但因土料強(qiáng)度低，無法承受重車壓載，為防止已壓實(shí)的填土遭受過壓破壞和污染過渡層，采用鋼框架和木板組合的墊板鋪設(shè)在過渡層和心墻面上，卡車倒退開行卸料。自卸車上壩前保持車輪清潔，卸料前將過渡料表面用鐵皮遮蓋，由專人指揮卸料。

4.3 心墻壓實(shí)的施工

卸料和鋪料以進(jìn)占法為主，輔以后退法和綜合法；采用進(jìn)退錯(cuò)距法的一站式施工方式；心墻填筑高程比堆石區(qū)低50 cm或以上；施工執(zhí)行分段分區(qū)、流水作業(yè)。

(1)攤鋪：填筑料運(yùn)至現(xiàn)場后，采用推土機(jī)和無齒反鏟進(jìn)行攤鋪，攤鋪厚度應(yīng)符合試驗(yàn)要求的既定厚度，攤鋪時(shí)沿壩軸線方向保持3%～5%的坡度。采用全站儀測量放線后，在填筑邊界設(shè)填筑厚度標(biāo)尺桿，在標(biāo)尺桿之間拉線控制攤鋪厚度，將其嚴(yán)格控制為15 cm一層。

(2)碾壓：采用SD16L濕地推土機(jī)碾壓心墻填筑料。推土沿心墻軸線方向進(jìn)行，連續(xù)兩次推運(yùn)料時(shí)盡量避免V型履帶對心墻料的重復(fù)碾壓，避免高含水心墻料碾壓次數(shù)過多導(dǎo)致的膨脹破壞；推土機(jī)行走履帶板碾壓搭接寬度約為20 cm，必須保證心墻填筑層面的搭接并避免形成斷裂，推土機(jī)履帶板的V型齒使松散的黏土呈齒型槽陷進(jìn)下層已碾壓的土層中，使新舊填筑層間形成了較好的結(jié)合(必須避免層間分隔)。當(dāng)填筑厚度為15 cm時(shí)，推土機(jī)碾壓過后的厚度約為7.5 cm。推土機(jī)行走碾壓過程中，在已壓土料與松散料之間形成了高差，當(dāng)履帶板錯(cuò)距碾壓一遍后開始進(jìn)行第二遍碾壓，碾壓采用前進(jìn)后退法，每次前進(jìn)后退中錯(cuò)開壓實(shí)，并保證每一層黏土碾壓6遍。在后幾遍的碾壓過程中，由于推土機(jī)兩塊履帶板之間有間隔，加上推土機(jī)的重量，V型履帶板碾壓區(qū)域與旁邊已碾壓的區(qū)域會出現(xiàn)輕微的顫動和擠壓膨脹，對此，應(yīng)在后退時(shí)注意碾壓膨脹區(qū)域使土層回歸平整。

(3)與接觸結(jié)構(gòu)部位的碾壓及處理。

①對于與混凝土及過渡料接觸部位的碾壓：采用蛙式振動夯沿心墻軸線方向振動碾壓2遍即可滿足壓實(shí)要求，碾壓后采用十字剪檢測壓實(shí)抗剪強(qiáng)度。

②對于與細(xì)過濾料接觸部位的碾壓：采用30 cm高的木板將黏土與過濾料分隔，預(yù)先填筑一定厚度的過濾料做支撐，推土機(jī)緩行碾壓，碾壓密實(shí)后移除木板，回填過濾料并用平板振動夯做壓實(shí)處理，確保心墻邊界與過濾料緊密結(jié)合。

4.4 心墻的遮蓋與排水

區(qū)域強(qiáng)降雨導(dǎo)致已壓實(shí)的心墻表面形成沖刷溝。填筑前需清理心墻表層10～20 cm的污染料。鑒于降雨頻繁導(dǎo)致清理工作量大，應(yīng)考慮對整個(gè)心墻進(jìn)行大篷布遮蓋用于防雨。

(1)遮蓋：碾壓完畢或降雨來臨前及時(shí)對心墻進(jìn)行遮蓋。施工前預(yù)備篷布，篷布應(yīng)密閉、防水，篷布之間的搭接須保證向上游面排水、不滲漏到心墻，篷布破壞后應(yīng)及時(shí)更換。

(2)排水：心墻填筑后不能被雨水或地表水浸泡[5]，心墻填筑縱向斷面沿壩軸線方向保持3%～5%的坡度，橫向斷面呈微向上游傾斜，同時(shí)在上游過渡料與心墻接觸位置預(yù)留缺口排水，該缺口略低于心墻高程，局部設(shè)集水坑、布置水泵輔助排水。

4.5 心墻填筑的進(jìn)度、質(zhì)量與SHE控制

(1)進(jìn)度控制。設(shè)置專人進(jìn)行水文和氣象資料的收集和預(yù)報(bào)，將工作細(xì)分到面到點(diǎn)到人，實(shí)行長鏈、細(xì)鏈的網(wǎng)絡(luò)，使各處的施工進(jìn)度從預(yù)計(jì)到實(shí)施誤差極小，以確保多雨環(huán)境下的突擊填筑。

(2)質(zhì)量控制。心墻填筑采用英國(BS)和新西蘭(NZ)土石壩規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量控制，主要為料源質(zhì)量控制、現(xiàn)場填筑控制與填筑后控制。一定要重視料源黏土的含水和塑性程度，以源頭控制、過程控制為主，在每倉填筑前，均需先確定預(yù)開采的料場的料源質(zhì)量是否符合相關(guān)技術(shù)要求。

在心墻施工過程中，技術(shù)人員對質(zhì)量進(jìn)行了全程監(jiān)督、指導(dǎo)和控制?，F(xiàn)場填筑材料嚴(yán)格按照澳新標(biāo)準(zhǔn)要求每倉填筑前現(xiàn)場填寫?zhàn)ね列膲μ钪S可證，許可證內(nèi)容包含：①基本信息；②填筑準(zhǔn)備檢查記錄；③填筑工程量；④咨詢工程師意見及簽字。

對每一層碾壓完成的土料進(jìn)行十字剪抗剪強(qiáng)度檢查。當(dāng)局部不合格時(shí)，應(yīng)進(jìn)行周邊多數(shù)據(jù)檢查并測算平均值，輔以挖坑觀察填土結(jié)構(gòu)是否良好，采用環(huán)刀法對壓實(shí)層進(jìn)行取樣試驗(yàn)，通過試驗(yàn)成果驗(yàn)證設(shè)計(jì)參數(shù)的取值并了解填土狀態(tài)。

(3)SHE管理控制。建立切合斐濟(jì)實(shí)際情況的安全、健康、環(huán)境管理體系；重視勞工的生活、福利、管理的控制；依據(jù)斐濟(jì)環(huán)境法規(guī)從計(jì)劃報(bào)批到規(guī)劃實(shí)施進(jìn)行施工現(xiàn)場和開采料場的環(huán)境管理，達(dá)到環(huán)境和施工的良好結(jié)合。

5 結(jié) 語

斐濟(jì)維尼撒烏勒烏水電站大壩加高項(xiàng)目于2012年1月開工，2014年11月提前竣工。施工期及后續(xù)一年的心墻堆石壩變形監(jiān)測及滲流監(jiān)測結(jié)果證明：心墻防滲達(dá)到設(shè)計(jì)防滲要求，防滲效果良好，心墻堆石壩穩(wěn)定安全。

采用自然含水量高達(dá)74%的黏土在每月僅有5～6 d晴天的極端天氣下施工大壩心墻，現(xiàn)場控制從以往項(xiàng)目的一般壓實(shí)度、含水率的控制轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)場測定抗剪強(qiáng)度的控制，體現(xiàn)了對特殊項(xiàng)目特殊材料施工的變通，證明了直接運(yùn)用超高含水率的黏土在極端氣候環(huán)境下施工心墻是可行、經(jīng)濟(jì)、值得被廣泛采用和推廣的，為類似環(huán)境和條件下施工類似的工程提供了依據(jù)和借鑒。