長河壩水電站大壩填筑快速施工措施探討

楊 偉

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川 成都 611130)

0 前 言

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級電站。電站總裝機容量2 600 MW，攔河大壩為礫石土心墻堆石壩，最大壩高240.0 m(EL 1 457-1 697 m)，在同類型壩中壩高僅次于雙江口、兩河口、糯扎渡水電站大壩，名列國內第四。大壩填筑工程量約為3 400萬m3，主要工程量為上下游堆石料約2 273.9萬m3，礫石土心墻防滲料約428.3萬m3，高塑性黏土20.46萬m3，反濾料1、2、3、4約為168.19萬m3，上下游過渡料及岸邊過渡料約為290.97萬m3，上下游壓重體約為206.55萬m3。

招投標文件顯示：本標計劃2010年9月1日開工，2016年12月31日完工，從開工到大壩填筑完成工期為76個月。其中，2012年3月1日下基坑，2013年5月1日開始心墻填筑，至2014年5月31日大壩填筑至1 545 m，滿足壩體攔擋200年一遇洪水要求；2016年10月31日大壩填筑至1 677 m，2016年12月31日壩體填筑到1 697.00 m。

實際施工情況為：2011年1月1日正式開工，2012年5月28日開始下游堆石體先期斷面填筑，2012年10月底開始上游堆石區先期斷面填筑，2013年7月23日開始大壩心墻區填筑，2014年5月31日大壩填筑至1 536 m，2016年9月10日大壩填筑至1 697 m。從實際開工到填筑到頂工期為69.3個月。

大壩工程填筑工程在晚開工4個月，且大壩填筑工程量不變情況下，提前3.7個月完成填筑。在施工過程中，經參建各方共同努力情況下，結合該工程實際情況，采取了快速施工方法或措施。

1 快速施工總體措施

要實現該工程的快速施工，需要整個施工過程的各個環節相互配合、進度均衡，并滿足施工安全和質量要求。

需要由各方面的措施加以保證，一般包括技術措施、經濟措施和合同措施。

技術措施包括：心墻土料質量快速檢測；心墻土料分區流水施工；整體填筑斷面平起施工和堆石料先期斷面填筑；壩料跨心墻運輸技術；在滿足設計壩料要求上，利用各種開挖料進行填筑，并進行土石方調度優化，在大壩料場前期開挖強度較低，而大壩底部填筑面大情況下，利用開挖渣料直接上壩進行堆石料填筑可加快施工進度；采用GPS大壩壩面填筑質量實時監控系統等措施；冬雨季施工措施；組織大型設備進行施工。

經濟措施包括：對心墻料、反濾料進行備料儲存等措施。

合同措施包括：對業主要求的趕工措施費用進行及時結算等措施。

按保證措施分類可以分為：質量保證措施、進度保證措施、造價保證措施等。

質量保證措施：采用GPS大壩壩面填筑質量實時監控系統，代替傳統管大壩填筑管理方法，提高現場填筑碾壓質量的保證率，減少因質量不合格返工的情況，進而加快工程進度。

進度保證措施：心墻土料質量快速檢測、分區流水作業，整體填筑斷面平起施工和堆石料先期斷面填筑，壩料跨心墻運輸技術，組織大型設備進行施工，各種壩料的備料、設置節點目標和搶工措施費用。

造價保證措施：在滿足設計壩料要求上，利用各種開挖料進行填筑，并進行土石方調度優化，如利用開挖渣料直接上壩進行堆石料填筑。采用該措施后，與直接采用料場開挖爆破料相比，可節省大量費用。

本文僅就其中部分措施進行簡述。

2 礫石土心墻土料質量快速檢測

根據設計要求，碾壓后的礫石土心墻料質量以全料壓實度和細料(小于5 mm料)壓實度進行雙控制，全料壓實度=挖坑灌水法得到的全料干密度/室內大型擊實試驗所得全料最大干密度；細料壓實度檢測宜采用三點擊實法。心墻防滲土料每填筑一層(鋪料厚度為30 cm)取2～3組試樣測定土料全料和細料的干密度、含水率和顆粒級配，得到全料壓實度和細料壓實度。

根據設計要求，防滲土料填筑時，每層壓實經取樣檢測合格后，方可繼續鋪土填筑。由于心墻土料填筑厚度在壩料填筑中厚度最薄(鋪料厚度為30 cm)，并且受到降雨、負溫等因素影響，心墻填筑處于大壩填筑關鍵線路上，其進度決定大壩上升速度。

根據現行常規試驗規范，得到全料壓實度和細料壓實度需要工作時間約為14 h。其中測出全料含水率時間8 h以上。

結合本工程碾壓試驗和工程初期情況，經過大量試驗論證基礎上，采用心墻土料快速質量檢測方法。

采用湯壩土料成份單一，為含礫石土層。礫石成份以灰巖、大理巖、片巖以及石英為主，多呈棱角狀～次棱角狀。土料天然密度2.07 g/cm3，干密度1.87 g/cm3，天然含水率一般5%～14%，最高19.0%，平均值為9.8%。

2.1 全料含水率快速檢測

根據《土工試驗規程》(SL237-1999)，由于土料的料源固定(本工程只有一個土料場)，為加快施工進度，可事先測定P5(粒徑大于5 mm)吸著含水率平均值，試驗時可只用酒精燃燒法檢測細料(粒徑小于5 mm)的含水率和P5含量，可計算出全料含水率，即：快速檢測的全料含水率=(1-P5含量)×細料含水率+P5含量×P5吸著含水率平均值。

由于P5其表面黏附泥土，很難用干法擦干凈，難于保證P5吸著含水率的檢測精度，操作上相當費工費時。當P5吸著含水率變化不大時，吸著含水率可通過水洗后測出，經比較分析可用P5洗后含水率平均值代替P5吸著含水率平均值，對全料含水率計算結果影響較小。快速檢測的全料含水率=(1-P5含量)×細料含水率+P5含量×P5洗后吸水率平均值。

在施工單位、業主中心實驗室進行了172組試驗后，P5洗后吸水率在1.8%～2.9%之間，平均為2.3%，P5洗后吸水率變化幅度在-0.5%～+0.6%之間，屬于吸水率較小范圍。建議使用2.3%作為P5洗后吸水率代表值，計算全料含水率和P5含量。

根據設計要求，P5宜控制在30%～50%之間。當P5含量為30%和50%時，分別采用P5洗后吸水率為最低值1.8%和最大值2.9%計算的加權含水率和采用P5飽和面干吸水率平均值2.3%加權計算含水率，兩者的加權含水率差，在試驗規程的允許范圍之內。

2.2 P5含量計算方法

根據常規試驗得到細料的濕重量和P5的濕重量，根據規程公式可計算出細料干質量和P5干質量，再根據公式P5含量=P5干質量/(細料干質量+P5干質量)×100%，可快速得到P5含量。

2.3 細料壓實度的快速檢測方法

施工單位、業主中心實驗室進行172試驗后，P5飽和面干視比重在2.62～2.69 g/cm3之間，平均值2.65 g/cm3，最小值和最大值偏差為-0.03～0.04 g/cm3。建議使用平均值2.65 g/cm3作為P5視比重代表值。

采用P5視比重2.62 g/cm3、2.69 g/cm3和平均值2.65 g/cm3為計算的細料濕密度和細料干密度差值在試驗規程的允許范圍之內。

2.4 快速質量檢測方法的復核

采用標準試驗方法172組得到的全料壓實度范圍為97.9%～101.7%，采用快速檢測方法172組得到的全料壓實度為98.0%～101.6%，兩者差值范圍為-0.1%和+0.1%，差值非常小。細料壓實度完全一致。說明用快速檢測法是可靠的，能滿足大壩填筑全料壓實度和細料壓實度質量檢測要求。

在大壩填筑期間，業主試驗室和施工單位實驗室同時每月預留一定數量的試樣，按試驗規程中質量檢測方法，復核細料的含水率、P5的洗后干吸水率及P5視比重，得到全料壓實度和細料壓實度。使用標準試驗方法和快速檢測方法進行對比，其誤差在試驗規程允許范圍之內。

2.5 小 結

快速檢測方法可在2 h內得到全料壓實度和細料壓實度，而標準試驗方法需要14 h，可節省12 h。適用于礫石較堅硬，礫石吸水率較小且變化不大時，可供其他類似工程進行參考使用。采用快速檢測方法，減少了標準試驗次數，并且減少了大壩心墻工作面設備和人員等待質量檢測時間，加快了施工進度，不增加業主投資。

3 心墻土料分區流水施工

本工程心墻土料的最大填筑面積超過了2.2萬m2，參照其他類似工程的分區施工思路，投標文件中采用的施工設計為左中右三個分區，順水流方向進料，順壩軸線碾壓。實施過程中出現組織流水施工不順暢，碾壓或質量檢驗中某一個流水作業出現問題，導致人員窩工和設備閑置情況，現場需要一個備用區域進行調節，以避免人員窩工和設備閑置。并且在心墻上游側三個進料口位置附近未鋪筑鋼板的區域，已填筑完成并經質量檢測合格的土料在重車反復碾壓下，存在超碾和剪切破壞問題。此外，上壩填筑運輸道路只有一條，車輛存在相互干擾，車速較慢，效率降低。

3.1 分成4區流水施工條件

在1 499～1 588 m高程之間，心墻的填筑總面積大于20 000 m2，最大填筑面積為22 158 m2。平均分成4區，每區的最大填筑面積為5 540 m2，并且均大于5 000 m2，具備增加布置碾壓設備的條件。經參建各方討論，決定在1 499～1 588 m高程分成4區進行流水施工。

3.2 4個區的施工方法

以壩軸線為上下分界線，上游兩個區，下游兩個區。按鋪料、碾壓、檢測組織流水作業。為了防止路面土料超壓破壞，要求上下游各設兩個路口，并分別從上下游方向進料，即上游兩個作業區從上游進料，下游兩個作業區從下游進料。另外，為防止沿左右岸分段碾壓形成貫通上下游的搭接條帶，上游兩區碾壓分界線與下游兩區的碾壓分界線必須錯位，沿壩軸線錯開距離約0.2L(L為沿作業面壩軸線的鋪料總長度)。

3.3 1 588 m高程不能分成4區原因

隨著壩面填筑上升，心墻填筑區沿壩軸線方向長度會逐漸變大，而垂直壩軸線方向距離逐漸變小，當壩面上升至1 588 m高程時，整個心墻區域寬度約為60 m，向上填寬度逐步縮窄，如再按照上述分區作業，壩軸線上下游側各分區太窄，不利于組織機械成龍配套施工。故此時不應再依照壩軸線上下游側進行劃分，而改為僅沿壩軸線方向布置碾壓搭接縫。由于此時沿作業面壩軸線的鋪料總長度較大(330 m以上)，故考慮按80～120 m分段布置，此時進料按從上游進料。

3.4 現場效果圖

4個區按鋪料、碾壓、質量檢查、待碾組織流水作業效果參見圖1。

圖1 四區域流水作業示意

3.5 小 結

本工程1 499～1 588 m心墻填筑由3區改為4區，按相同鋪料填筑面積，計算的每天上升強度由0.26 m上升到0.325 m，提高效率25%。高程1 588 m壩頂部分由于受到上下游心墻寬度影響，采用3區進行施工。

心墻部位采用流水施工，不管是分成3區或4區，對于流水作業中鋪料工序搭接部位，需注意要超過分區的分界線1～2 m，以避免人為分界，造成碾壓時漏碾或超碾，在現場質量檢測中，需重點加強該處的檢查頻率。否則，質量一旦出現缺陷，易在該局部區域形成順水流方向的滲漏通道，對大壩安全運行造成影響。

4 經濟措施

主要是指對心墻土料進行備料儲存。

本工程的土料場在湯壩料場位于壩區上游金湯河左岸與湯壩溝之間的邊坡上，距壩址22 km。土料通過土料場公路、1號公路、5號公路、13號公路運輸上壩。

4.1 備料原因

礫石土料施工中因增加過篩、摻配、含水率調整工序；受征地或遇當地村民阻工等不可預見的事件；冬雨季對心墻進行施工時或應急時，業主要求的搶工等；土料運輸受冬季道路結冰等制約，運輸強度降低，影響土料供應強度。

4.2 備料情況

大壩填筑土料從2013年8月至2016年5月，共計備料約139萬堆方。備料場分別在大壩上游側響水溝渣場、大壩上游壓重體和大壩下游壓重體。增加費用約1 932萬元。

4.3 備料使用效果

2015年10月20日10時，湯壩土料場公路硅廠對面山體發生崩塌，導致土料場公路交通中斷，湯壩礫石土料無法運輸上壩。為解決沿線村民道路出行問題以及大壩標土料料源運輸問題，在地方政府的統一指揮下，由業主安排施工單位進行棚洞防護。棚洞防護2015年10月30日開始施工，11月15日施工完成，經地方政府和業主驗收后，同意對該處路段實行交通管制后通行。當采用在上游壓重體的備料施工15天后，由于沒有填筑料源，大壩心墻部位停工，直到棚洞防護驗收，道路恢復通行。在此期間，心墻填筑工作面停工10天。

根據招標文件，電站裝機為260萬kW，年平均發電量為3.069 69×10-5kW·h。按發電后每度上網發電平均電價為0.25元計算，1年的發電帶來收益約為27.625億元。推遲10天發電將給業主造成27.625億元÷365天/年×10天=7 568萬元的直接損失。若計算上土料場和大壩填筑工作面的人員和設備窩停工費用，損失更大。

由于心墻填筑處于大壩填筑關鍵線路上，其進度決定大壩上升速度，而大壩填筑處于長河壩工程的關鍵線路上，因此，由于備料15天的填筑所需工程量給業主帶來直接收益為27.625億元÷365天/年×15天=1.135 2億元。備料費用所占費用比例為0.193 2億元÷(直接損失0.756 8億元+直接收益1.135 2億元)=10.21%。

4.5 小 結

2015年10月20日土料場運輸中斷事件，如果通過備料措施加以避免，給業主帶來的收益將遠遠超過大壩工程所有備料費用。因此，合理選擇備料措施是必須的，也是科學的。

建議在后續高礫石土心墻堆石壩中，若土料場距離大壩較遠，可考慮大壩正常填筑工程量所需15 d的土料備料，作為突發事件的應對措施。

5 快速施工注意問題

(1)快速施工可能造成本應在施工期完成的大壩沉降變形留在了運行期來完成，如果壩體沉降變形過大，將給工程后期運行帶來隱患。

(2)由于大壩防滲土料填筑較快，造成土料孔隙水壓力消散較慢，產生超孔隙水壓力問題，若超孔隙水壓力一直存在，易形成低應力區，造成拱效應，給防滲心墻帶來潛在的開裂隱患。

(3)快速施工造成現場投入人員和設備不均衡，使施工單位組織施工難度增大。

快速施工需要綜合考慮各種因素，不能一味追求工期，務必在保證大壩質量和安全前提下，確保大壩填筑上升速度在合理范圍。

6 結 語

在保證質量、安全情況下采取快速施工，大壩心墻月最大上升高度從投標時9 m提升至12 m。

長河壩大壩蓄水后的監測數據表明：礫石土心墻堆石壩的應力變形、滲流和滲壓滿足設計要求。說明該工程采用快速施工方法或措施是安全和可靠的。

采用快速施工雖然會加大成本，增加投資，但該費用和業主提前發電產生的巨大效益相比，所占比例較小。實現參建各方共贏，并有力推動堆石壩施工技術的發展。