復(fù)雜地質(zhì)條件下高面板堆石壩工程質(zhì)量控制措施研究

向景山

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程295 m，壩頂寬10 m，壩高165 m(壩軸線處)，壩高在國內(nèi)已建、在建水電工程同類壩型中排列第七，在抽水蓄能電站中位居第一，屬200 m級(jí)高面板堆石壩。主壩壩頂長1 113.198 m，上游面坡比1∶1.4，下游面綜合坡比1∶1.45，總填筑量約1 538萬m3。上水庫主壩填筑料源全部利用工程開挖料，以下水庫開挖的有用石料為主，輔以少量上水庫及輸水發(fā)電系統(tǒng)開挖的有用石料。

2 面板堆石壩工程質(zhì)量控制難點(diǎn)

(1)壩基地形條件復(fù)雜，沿壩軸線方向呈“W”形，溝谷地形相對(duì)高差達(dá)30～50 m；沿垂直壩軸線方向，壩基以約17°傾向下游，上下高差約60 m，不均勻沉降變形問題突出。壩基不利地形對(duì)壩體的整體和局部變形都有較大影響，需在壩基開挖、壩體填筑等方面采取針對(duì)性措施。

(2)壩體填筑全部利用工程自身開挖料，主要采用下水庫開挖料，還有少量上水庫開挖料和輸水發(fā)電系統(tǒng)洞挖料。既有下水庫軟化系數(shù)大于0.64的下水庫弱風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r、安山斑巖及花崗斑巖等中硬巖，以及軟化系數(shù)較低的強(qiáng)風(fēng)化晶屑凝灰?guī)r、安山斑巖、花崗斑巖等軟巖，又有上水庫強(qiáng)風(fēng)化巖屑石英砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖，壩料性質(zhì)復(fù)雜，須在壩料選擇、壩體分區(qū)、填筑要求等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在料源環(huán)節(jié)加強(qiáng)管理，同時(shí)為節(jié)約工程投資，還需盡量做到挖填平衡。

(3)壩體填筑量大，填筑強(qiáng)度高。上水庫主壩高165 m(壩軸線處)，壩體填筑量約1 538萬m3，月填筑強(qiáng)度達(dá)100萬m3，須在施工過程中保證填筑質(zhì)量，并預(yù)留足夠的施工沉降期，方可有效控制壩體變形。

3 面板堆石壩工程質(zhì)量控制措施

3.1 壩基開挖和處理

上水庫主壩壩基為兩溝一山脊“W”地形，且溝和山脊均以約17°傾向下游，對(duì)壩體穩(wěn)定和不均勻變形很不利。對(duì)壩基地形進(jìn)行改造的措施包括：①對(duì)中部山梁凸起部位進(jìn)行削坡開挖，形成185 m高程平臺(tái)，減少壩體在平行壩軸線方向的不均勻沉降。②結(jié)合壩基開挖，對(duì)中部山梁陡峻基巖坡面進(jìn)行臺(tái)階開挖，在170 m高程形成寬10 m平臺(tái)，減少堆石體沿基巖面的下滑力。

3.2 壩體分區(qū)

上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線中間為直線段、兩端為弧線方式布置，全長1 113.198 m。壩頂高程295 m，壩頂寬10 m，高165 m(壩軸線處)，上游面坡比1∶1.4，下游面綜合坡比1∶1.45。

施工階段，設(shè)計(jì)方根據(jù)料源情況、現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)、壩體應(yīng)力變形計(jì)算等資料對(duì)壩體分區(qū)進(jìn)行了優(yōu)化，壩體從上游至下游分墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)、頂部增模區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)(干燥區(qū))、底部增模區(qū)、反濾區(qū)(厚1.6 m)、壩后混凝土網(wǎng)格梁及梁內(nèi)覆土綠化。

通過合理設(shè)置增模區(qū)，調(diào)整主次堆石區(qū)范圍，減小了“W”地形和斜坡地形對(duì)主壩堆石體不均勻變形的影響。

3.3 壩料要求及填筑碾壓指標(biāo)

上水庫主壩填筑料源全部利用工程開挖料，以下水庫開挖的有用石料為主，輔以少量上水庫及輸水發(fā)電系統(tǒng)開挖的有用石料。在上水庫主壩各填筑區(qū)進(jìn)行填筑碾壓施工前，施工方均按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)，設(shè)計(jì)方根據(jù)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)成果，最終確定上水庫主壩各區(qū)填筑碾壓參數(shù)。主要控制參數(shù)有滲透系數(shù)、空隙率、壓實(shí)層厚、粒徑<5 mm含量、碾壓遍數(shù)等。

3.4 料源管理

要保證上水庫主壩填筑質(zhì)量，最基本前提是要保證堆石壩料源質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。如前所述，作為工程上水庫主壩填筑主要料源點(diǎn)，下水庫開挖料巖石風(fēng)化程度不一，且夾雜巖脈較多，挑揀難度大，如直接上壩肯定會(huì)影響大壩填筑施工質(zhì)量，如直接棄掉則會(huì)造成浪費(fèi)，導(dǎo)致大壩填筑料源不足，料源管理難度較大。針對(duì)此工程難點(diǎn)，江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司(以下簡稱“溧電公司”)帶領(lǐng)設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工三方多次深入現(xiàn)場查看下水庫開挖料情況，多次開會(huì)討論解決方案，通過在現(xiàn)場實(shí)踐中不斷完善，最終采取以下措施：

(1)施工方在爆破前盡可能清除開挖掌子面巖脈、蝕變帶及頂部浮渣，保證爆破后盡可能少混入無用料。

(2)施工方成立料源管理隊(duì)，主要職責(zé)是根據(jù)料源情況確定開挖料去向，指揮開挖掌子面裝車，保證可用料和棄料分類裝車運(yùn)至各自目的地，并安排人員利用數(shù)字大壩系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸車輛進(jìn)行全程監(jiān)控。

(3)業(yè)主、監(jiān)理、施工三方每天開展日常料源管理活動(dòng)，設(shè)計(jì)方每周參加1～2次，活動(dòng)的主要內(nèi)容包括鑒別有用料、檢查料源質(zhì)量、裝運(yùn)方法等，及時(shí)指出現(xiàn)場存在的問題。

(4)要求施工方對(duì)現(xiàn)場人員進(jìn)行合理調(diào)度，在料源復(fù)雜處安排技術(shù)較好的挖掘機(jī)司機(jī)，將有用料和棄料盡量分選。

(5)上水庫主壩填筑區(qū)監(jiān)理人員及施工人員隨時(shí)檢查上壩料質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)不合格料立即指揮車輛運(yùn)走，并告知下水庫監(jiān)理及施工人員。

(6)施工方每天巡視棄渣場，發(fā)現(xiàn)有用料立即安排車輛轉(zhuǎn)運(yùn)至主壩。

采取以上措施后，上水庫主壩填筑料源質(zhì)量得到了有效管控，基本實(shí)現(xiàn)了有用料全部上壩、無用強(qiáng)風(fēng)化料及巖脈棄除，既保證了料源質(zhì)量，又使下水庫開挖料得到了最大程度利用，實(shí)現(xiàn)了上水庫主壩填筑料源挖填平衡。

3.5 數(shù)字大壩系統(tǒng)

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩填筑工程量大，施工條件復(fù)雜，如果仍然采用常規(guī)的依靠人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)的方法來控制填筑施工質(zhì)量，很難達(dá)到高堆石壩施工質(zhì)量控制要求。針對(duì)該問題，溧電公司經(jīng)咨詢水電行業(yè)的院士及專家，決定采用已經(jīng)使用成熟且技術(shù)先進(jìn)的堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制技術(shù)(該項(xiàng)技術(shù)由天津大學(xué)、華能瀾滄江水電股份有限公司、中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司等單位共同完成)，委托天津大學(xué)負(fù)責(zé)研發(fā)建立堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(數(shù)字大壩系統(tǒng))，根據(jù)工程實(shí)際情況，采用堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制技術(shù)中的4項(xiàng)子技術(shù)：①堆石壩填筑碾壓質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)；②壩料上壩運(yùn)輸過程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)；③堆石壩施工信息PDA采集與調(diào)度技術(shù)；④“數(shù)字大壩”綜合信息集成技術(shù)。這是堆石壩施工質(zhì)量實(shí)時(shí)控制技術(shù)在國內(nèi)也是在世界范圍內(nèi)，第六次應(yīng)用于水電工程建設(shè)，第二次應(yīng)用于面板堆石壩工程建設(shè)，首次應(yīng)用于抽水蓄能電站工程建設(shè)。

大壩填筑碾壓過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)保證了倉面碾壓遍數(shù)均符合“碾壓標(biāo)準(zhǔn)遍數(shù)及以上區(qū)域面積比率不低于90%，標(biāo)準(zhǔn)遍數(shù)減兩遍及以上區(qū)域面積比率不低于95%，且無明顯的欠碾、漏碾?yún)^(qū)域”的控制準(zhǔn)則，振動(dòng)碾4 km/h以下速度比例達(dá)到98.40%，大壩各填筑區(qū)每填筑層平均壓實(shí)厚度均控制在設(shè)計(jì)厚度的±10%以內(nèi)。上壩運(yùn)輸過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)保證了運(yùn)輸車輛在壩面正確卸料比例達(dá)到98.57%。“數(shù)字大壩”綜合信息集成系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)施工過程中涉及的壩面碾壓質(zhì)量監(jiān)控信息、料場料源及運(yùn)輸上壩監(jiān)控信息、安全監(jiān)測信息等海量信息的三維可視化集成和高效管理，為大壩安全運(yùn)行與健康診斷提供了信息支撐。

通過在電站上水庫主壩使用數(shù)字大壩系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壩料從運(yùn)輸?shù)缴蠅翁钪澳雺喝^程、全天候、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與控制，確保了大壩填筑碾壓施工過程始終處于真實(shí)受控狀態(tài)，為上水庫主壩工程建設(shè)實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

3.6 施工程序及后續(xù)安排

上水庫主壩按全斷面平齊進(jìn)行各填筑區(qū)土石方填筑施工，填筑施工完成后預(yù)留合理的沉降時(shí)間，盡量減少壩體后期沉降。主壩面板混凝土須在壩體填筑完成后沉降不少于6個(gè)月、壩體沉降速率不大于5 mm/月后才能施工。

4 試驗(yàn)檢測情況

大壩填筑過程中，各填筑區(qū)現(xiàn)場檢驗(yàn)試驗(yàn)工作及時(shí)跟進(jìn)。現(xiàn)場檢驗(yàn)試驗(yàn)成果顯示，各區(qū)料干密度、孔隙率、滲透系數(shù)、粒徑<5 mm的含量等主控參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，一次試驗(yàn)合格率均達(dá)90%以上。對(duì)于一次試驗(yàn)不合格的試坑，采取挖除不合格料、補(bǔ)碾等技術(shù)措施后重新進(jìn)行現(xiàn)場檢驗(yàn)試驗(yàn)，直至試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果說明，上水庫主壩填筑碾壓指標(biāo)合理，填筑碾壓施工質(zhì)量處于受控狀態(tài)，也說明上述針對(duì)上水庫主壩填筑采取的質(zhì)量控制措施是有效的。

5 大壩實(shí)際沉降及后續(xù)施工情況

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩于2011年6月15日開始進(jìn)行填筑施工，2014年3月17日全部填筑完成。填筑過程中，沉降及變形監(jiān)測及時(shí)跟進(jìn)。根據(jù)監(jiān)測資料顯示，上水庫主壩在填筑過程中及填筑完畢后，其沉降速率一直較均衡。2014年9月下旬，主壩沉降超過6個(gè)月，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測資料顯示，主壩沉降速率滿足設(shè)計(jì)要求(<5 mm/月)，具備面板混凝土施工條件。2014年10月3日，第1塊主壩面板混凝土入倉澆筑；2015年1月9日，主壩面板混凝土施工完成，滿足工程施工總進(jìn)度計(jì)劃要求，為上水庫主壩后續(xù)施工及按期蓄水創(chuàng)造了有利條件。

6 結(jié) 語

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩土石方填筑工程量大，壩址地形條件較復(fù)雜，下水庫地質(zhì)條件較復(fù)雜，作為主壩填筑料源，其開采及挑揀難度較大，導(dǎo)致上水庫主壩土石方填筑質(zhì)量控制難度較大。設(shè)計(jì)方中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司對(duì)主壩壩基進(jìn)行了合理的開挖設(shè)計(jì)，根據(jù)生產(chǎn)性碾壓試驗(yàn)結(jié)果，確定了合理的填筑碾壓指標(biāo)體系，提出了能有效控制土石方填筑質(zhì)量的設(shè)計(jì)方案；溧電公司通過組織日常料源管理活動(dòng)，保證了填筑料源質(zhì)量；通過采用天津大學(xué)研發(fā)的數(shù)字大壩系統(tǒng)，使主壩土石方填筑過程始終處于受控狀態(tài)，填筑結(jié)束并經(jīng)過充分沉降后才開始施工主壩面板混凝土。以上措施最終保證了上水庫主壩土石方填筑質(zhì)量，有效控制了壩體變形，為后續(xù)施工創(chuàng)造了有利條件，為上水庫按期蓄水奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為國內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)條件下高面板堆石壩工程建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。