磽磧水電站礫石土心墻施工及運行分析

李浩偉, 楊 靖

(四川華能寶興河電力股份有限公司,四川 雅安 625000)

0 引 言

受到地質、地形條件及建筑成本的影響,近幾十來年,土質心墻堆石壩已逐漸成為世界高壩建設的主流壩型之一。尤其是新型土石方機械的大量投入、填筑施工工藝水平不斷提高、及筑壩材料試驗研究的深入,極大地拓寬了土石壩心墻部位的用料范圍和用料模式,為土質、礫石土心墻更廣泛地應用提供了有利條件。由于磽磧咔日溝礫石土料天然含水量接近最優含水量,級配比較合理,且具有良好的壓實及防滲性能,磽磧水電站大壩采用礫石土直心墻壩,壩高 125.5m。

1 磽磧礫石土料的特性

用礫石土做高土石壩心墻防滲料在國內屬首次,這種土料級配范圍寬、均勻性差,需要經過室內試驗及現場碾壓試驗來確定礫石土料的具體特性。通過物理力學實驗(12組)、物性試驗(237組)、含水率試驗(216組)、擊實試驗(16組)及現場大型原位試驗(24組)的比較研究,磽磧礫石土料特性如下:

1.1 磽磧礫石土料顆粒級配

選用磽磧礫石土料為剔除大于 150 mm粗料后的咔日溝料場土料,通過對磽磧礫石土料顆粒進行篩分、統計、分析,得出顆粒級配組成及級配表如下(見表 1)。

表1 磽磧礫石土料級配表

磽磧水電站大壩平均級配的特征值為大于 5 mm粒徑含量 P5為39.83%,小于 0.075mm粒徑的含量 P≤0.075為 17.95%,小于 0.005 mm的顆粒含量 P≤0.005為 7.97%。通過采用 862.5k J/m3標準擊實功能對咔日溝礫石土料進行壓實試驗得出:當粗料含量 P5的上限控制在 50%、壓實系數取 0.99,全料干密度 ρd為 2.047,滿足設計要求。

1.2 磽磧礫石土料滲透特性

磽磧礫石土料由于粒徑尺寸分布較寬,顆粒組成具有一定的不均勻性,滲透性變化較大。通過研究礫石土粗粒含量 P5與滲透系數 k、細粒含量 P≤0.075與滲透系數 k的關系發現:當 P5＜50%、P0.075＞15%時,k＜1×10-5cm/s,滿足防滲要求。

磽磧礫石土天然含水率為 11.2%,最優含水率 Wop為 10.5%,當含水率 wf小于最優含水率Wop兩個百分點時,滲透系數 k大于 1×10-5cm/s,不滿足防滲要求,故要求 Wf＞W op-2%。

1.3 磽磧礫石土滲透穩定性

圖1 磽磧礫石土級配曲線

現場滲透試驗表明,磽磧礫石土的平均破壞坡降為 6.91～12.95,心墻料與反濾料的聯合抗滲的破壞坡降 31.00～51.25,其滲透破壞型式為流土。

1.4 磽磧礫石土料的破碎率

據料場及輾壓試驗資料,礫石土輾壓前的平均含礫量約為 53.32%,輾壓鋪土厚度為 40 cm,碾壓后平均含礫量為 34.27%,表明磽磧礫石土料有較高的破碎率,大大改良礫石土料的級配。

2 礫石土心墻的施工

2.1 心墻施工參數

礫石土防滲土料采用進占法鋪筑,利用 20.4t(2005PDW型)振動凸塊碾進退錯距法碾壓,振動碾行進中速度為 2～3 km/h,碾壓帶重疊部分為30～50 cm,鋪土厚度為40 cm,碾壓遍數靜壓4遍+動壓 16遍(單邊算一遍)的壓實參數。

2.2 心墻施工方法

根據心墻寬度均分鋪料區、碾壓區、待檢區、準備區,在每層填筑面上放出各區及防滲料與反濾料填區的分界線,并用石灰放線,作出明顯的標記。

自卸汽車運料至填筑工作面的前沿(離端點2～3 m處)卸料,采用進占法鋪料,TY220(162kW)型推土機推料攤鋪,使倉面基本平整,起伏高差不超過 5 cm,層厚采用標尺控制,標尺放在離卸料端前 2～4 m。礫石土料與基礎及兩側反濾料相接時,確保材料界限分明,并做好接縫處的連接,避免層間產生過大的錯動或混雜現象,在斜面上的縱向接縫收成 1∶2的鋸齒狀斜坡。心墻本身鋪土面盡量平起,以免造成過多的接縫。由于施工需要進行分區填筑時,其橫向接縫坡度不得陡于 1∶3。

大面采用W 2005PD(20 t)自行式凸塊振動碾碾壓,左右端與岸坡接頭處等局部邊角部位采用BW75S型手扶式振動碾碾壓。禁止無振碾壓、欠碾和漏碾,工作面之間交接處進行搭接碾壓,搭接寬度為 0.5m。振動碾的行駛方向以及鋪料方向平行大壩軸線,大面碾壓采用錯距法碾壓,前進錯距后退不錯距,且在進退方向上依次延伸至每個單元,保證連續施工。

2.3 特殊施工措施

2.3.1 雨雪季施工

壩上已填筑的礫石土,下雨之前,先用平碾將已填筑的防滲料壓成光面(以減小表面材料的吸水率),再用防水棚布將其覆蓋,同時加強周圍的排水。已壓實的填筑層,恢復填筑前,先用反鏟清除表面不合格濕土,對于符合質量要求的并對填筑面進行刨毛后上料填筑。壩上未壓實的填筑層,恢復填筑前,先用反鏟鏟除表面不合格土料后,檢測含水量,待其合格后進行翻松、平整、碾壓。

施工經驗表明,若日降雨量不大于 5mm,可不通過處理進行施工。若日降雨量不大于 10 mm,可通過上述施工方法簡易處理后進行施工。若日降雨量大于 10 mm,將需要進行必要的翻曬,礫石土施工對氣候的適應性較強。

下雪前及時將已經填好的料平整碾壓完畢。下雪后在壩體填筑前,采用推土機或人工將層面上泥水、積雪清除,繼續進行填筑。夜間溫度降至0度以下時,停止填筑,碾壓后采用蓬布覆蓋,防止結冰。

2.3.2 高溫多風施工方法

磽磧水電站地處高海拔地區,當壩面土層表面干燥時,在填筑土料層面(結合部位)采取灑水車灑水,加水量根據碾壓含水率要求控制,以水和壓縮空氣混合以霧狀噴出進行處理。

2.4 心墻施工質量控制

心墻接觸左右岸坡基巖及監測廊道混凝土層表面處,鋪填高塑性粘土前清洗干凈,并涂刷一層厚 2～3mm的濃粘土漿。

心墻的每一填土層施工完畢后,在繼續鋪筑上層新土之前,對壓實層表面殘留的、被碾子凸塊翻松的半壓實土層進行處理(包括含水量的調整),以免形成土層間結合不良的現象。壓實土體避免出現漏壓虛土層、干松土、彈簧土、剪力破壞和光面等不良影響現象。心墻本身鋪土面盡量平起,以免造成過多的接縫。在接合的坡面上,配合填筑的上升速度,將表面松土鏟除至已壓實合格的土層為止。坡面須經刨毛處理,并使含水量控制在規定的范圍內,然后繼續鋪填新土進行壓實。

2.5 試驗檢測措施

現場試驗主要為密度試驗、原位滲透試驗。密度試驗采用挖坑灌水法,試坑直徑不小于壩料最大粒徑(150mm)的 3倍,試坑深度為碾壓層厚度(40 cm);原位滲透試驗采用同心套環法,內環直徑為 25 cm,外環直徑為 50 cm,并用精密水位測針測定水位變化量。

室內試驗主要為全料含水率試驗、級配試驗,擊實試驗,液塑限試驗,比重試驗,粘粒含量試驗。含水率試驗用烘干法;級配試驗用水洗后,＞0.075mm顆粒用篩析法,＜0.075mm顆粒用比重計法;擊實試驗依照大于 5 mm含量不同并結合設計級配進行配料,采用 862.5 kJ擊實功進行試驗;液塑限試驗采用液塑限聯合測定儀測試;比重試驗 ＞5 mm顆粒采用浮稱法,＜5 mm顆粒采用比重瓶法。從而得出級配、最大干密度、最優含水量與大于 5 mm含量對應關系、壓實度、滲透系數、液塑限、粘粒含量等成果。磽磧水電站心墻礫石土試驗檢測成果見表 2。

表2 磽磧水電站心墻礫石土試驗檢測成果

3 心墻運行情況

3.1 心墻防滲情況

根據 2008年及 2009年最高庫水位運行時監測數據分析,心墻的滲流梯度分別為 3.408、4.012,均小于心墻料的平均破壞坡降 6.91～12.95,或心墻料與反濾料的聯合抗滲的破壞坡降31.00～51.25,心墻料滲流梯度滿足要求,不會出現滲透破壞。

3.2 心墻變形情況

心墻土體水平位移受庫水位影響,庫水位上升向下游方向位移,庫水位下降向上游方向位移。2124 m高程 IN1向下游位移量最大,為 86.40 mm。心墻左右岸坡的錯動量隨心墻土體沉降速率減小而趨于穩定。左岸坡順坡向位錯最大4.28mm(J3),右岸坡順坡向位錯最大 8.04mm(J6)。

從壩體變形方面看,無論是從外部觀測還是內部觀測所獲取的垂直位移及水平位移數值,依據同類工程經驗分析,均在常規的范圍之內,也與設計單位計算得出的變形分析數值接近。

3.3 心墻應力應變

根據土壓力計監測成果,心墻上游面部位的豎向應力大于相應部位的庫水壓力,如 E5實測土壓力為 1.085MPa,此時埋設高程以上水頭 96.94m,折算成壓力為 0.950 MPa。心墻上游面不會發生水力劈裂。由于心墻上下游側過渡料、堆石料豎向位移相對心墻較小,心墻土體受到兩側摩擦力的影響,實測土壓力均小于其上部土層重。

4 結 語

(1)磽磧水電站礫石土心墻料施工方法簡單,使用的機械、試驗檢驗設備普通,施工快捷,質量易控制。

(2)作為土心墻,磽磧水電站的礫石土展現了良好的氣候適應性。在日降雨量小于 5 mm情況下可持續施工、不大于 10mm時簡單處理即可施工、在 0°以上可正常施工。

(3)在礫石土心墻施工過程中,通過直接采用大型振動凸塊碾,有效的提高了礫石破碎率,優化了礫石土料的物料特性,使礫石土料的礫石含量范圍增大,增加了料場的利用率,減少了棄料的開采,同時也改善了設計指標,平均壓實系數超過100%。

(4)在礫石土心墻與河床監測廊道及兩岸貼坡混凝土部位采用高塑粘土進行銜接,發揮了礫石土與粘土的雙重特性,協調了礫石土產生的變形。

(5)磽磧水電站大壩經過了近三年的運行及“5·12”汶川大地震的考驗,至今礫石土心墻的滲透、變形、應力應變等指標均在設計指標之內,并趨向于收斂,能確保安全、正常運行。

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