水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工技術分析

劉振路 李 臻

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

在水利工程中，面板堆石壩由于能夠通過就地取材減少廢棄材料，可以節省水泥、鋼筋等大量消耗性材料，降低施工成本，并縮短施工工期，因此應用廣泛。而實際進行面板堆石壩施工，想要保證施工質量，還要做好壩體填筑施工。加強水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工技術研究，把握施工關鍵工序和技術要點，能夠得到結構穩固的壩體，為水利工程的可持續發展提供保障。

1 水利工程中面板堆石壩結構及施工特點

在面板堆石壩中，壩體為主要構件。如圖1所示，依靠堆石填料顆粒間的相互咬合與銜接產生骨架作用，在保證壩體結構穩固的同時，為面板提供支撐力。在壩體填筑材料不能做到碾壓密實的情況下，使填筑體變形模量減小，整體壓縮變形增加。發生較大的沉降變形，將導致面板和止水結構失效，結構整體功能被破壞，出現大量的滲水問題，使大壩運行面臨安全威脅。壩體帶有穩固性和自由排水的功效，不會出現剪切破壞等常見失效現象，出現損壞時以面板開裂、止水結構失效等為主，暫未發生整體失穩事件[1]。堆石壩對地質、地形等條件適用性強，建設在堅硬巖基或砂礫層上可以獲得較強的抗滑性，采用的堆石為非沖蝕材料，推流穩定性較好，且整個堆石體干燥，抗震性良好。堆石壩施工可以保持各工序獨立，減少相互干擾，滿足機械化施工作業要求，可以提高施工效率。在未澆筑面板的情況下，壩體已經可以擋水或過水，能夠為施工導流等操作提供便利，保障堆石壩施工安全，因此在水利工程中應用廣泛。

圖1 面板堆石壩結構

2 水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工關鍵

2.1 施工準備

在面板堆石壩壩體填筑施工前，首先需要做好準備工作，通過有序組織和科學管理為壩體填筑質量提供保障。壩體使用的材料以堆石填筑材料為主，多為不具黏結力的級配碎石，依靠碾壓力獲得密實度與變形模量。石料松散，經過碾壓后才能保證微粒緊密結合，避免產生過大壓縮變形。遵循就地、就近取材原則，需要找到合格料源，合理安排開采工作。從結構功能上來看，填料劃分為堆石體、墊層、過渡3種類型，用于墊層施工的材料通常為砂石加工材料，其他材料通常由石料場爆破獲取。按照材料級配開展爆破試驗，然后通過規范作業加強料源質量控制，并根據儲量安排施工進度，這樣才能保證施工順利地開展。其次，需要保證不同的壩料順利上壩，做好交通組織工作，保證填筑作業的連續性。通過現場勘查掌握場地情況，根據工程量需求、上壩強度等要素修建臨時施工道路[2]。由于不同填筑區的施工進度和強度存在差異，一般需要分區、分期將道路布置在壓實合格的壩段坡面上，呈“之”字形，縱坡不超10%，禁止通過趾板和墊層區，必要時加鋪臨時加厚路基。

2.2 填料作業

在分區進行填料攤鋪時，需要按照“先粗后細”的原則作業，先攤鋪主堆石區的過渡層、墊石層等粗粒徑料，將界面料清理干凈后增加細料。

針對上、下游的主次堆石區料，通過進占法攤鋪，利用自卸車卸料，使堆與堆保持60 mm間隙。利用推土機平倉，使粗石料滾落底層，面層保留細石料，能夠為后續碾壓操作提供方便。在料場進行石料粗細搭配，運輸到作業面卸料時應用白石灰線標識分界線，提醒人員按界線卸料，用機械攤鋪均勻。

攤鋪過渡層粒料，需要將上游坡面超30 cm塊石清理干凈。按照要求，過渡層粒料最大直徑為30 cm，超出這一要求的石料需要在料場處理，分解成小粒徑石料。通過自卸車將石料堆至工作面時，需要采用后退法，先從兩邊卸料，然后向中間靠近，為流水作業提供方便。在利用機械設備推平時，由人員輔助作業，確保鋪層厚度達到要求，誤差不超層厚10%，且接縫位置超標石料被清除干凈[3]。發現主堆石料侵占過渡層位置，利用反鏟方式清理干凈。

在攤鋪墊層料時，應將上游坡面超8 cm石料清除，攤鋪黃砂和級配碎石料拌制的粒徑不超8 cm的填料。在卸料時同樣采用后退法，需要輔助人員對填料進行整平，確保上游邊線超寬在20 cm～30 cm。在堆石區填筑一層時，墊層和過渡層均需要填筑二層，用激光儀等設備加強層厚測量，發現超欠問題立即人工整平，保證與堆石區同步填筑，如圖2所示。

圖2 不同攤鋪方法比較

2.3 壩體碾壓

在壩體碾壓階段，考慮到不同區域的填料不同，結構受力也存在差異，需要分區碾壓，通過開展碾壓試驗獲得碾壓遍數、灑水量以及碾壓速度等參數的最優值。做好壩料灑水工作，能夠保證填料濕潤，在強力震動下降低縫隙率，提高結構密實度。

在主、次堆石料碾壓期間，通常采用進退錯距方式。在分區、分段作業期間，依靠振動碾子寬和碾壓遍數加強錯距控制。如在碾子寬達到2 m時，碾壓8次的錯距通常達到25 cm。沿著壩軸線進行碾壓，速度通常為1.5 km/h～2 km/h，各段搭接至少1 m。區分碾壓層次，嚴格落實平起平升要求，避免出現漏碾欠碾問題。靠近山坡位置分布較多大塊石，需用粒徑小石料進行過渡填筑，碾壓時應盡量靠近岸坡[4]。針對大碾壓設備無法達到的接觸帶等區域，利用手扶式設備碾壓。碾壓期間應加強壓力控制，避免混凝土結構損壞，一般壓力值見表1。

表1 混凝土加壓應力標準

在過渡層和墊層碾壓時，通常采用自行式或拖式振動碾壓方式，沿著壩軸線來回碾壓，碾距與上游邊緣距離不超40 cm。按規定灑水后，可以開始碾壓，確保與同層堆石區一同碾壓。在碾壓過程中，應確保碾距離與擠壓邊墻內側保持在約20 cm的距離。采用壓實干密度檢測等方法，能夠確定壓實度質量是否達標。

2.4 測量控制

在壩體填筑施工期間，需要加強各層測量控制。按要求對各區界限進行測量，利用吊竹樁加強墊層上部邊線控制，在兩岸巖坡上做好各層高程及樁點樁號標記。對各界限進行放樣測量，應該確保主、次石碓區交界線和下游邊界線完成2～3層放樣，加強沉降量預估。綜合分析沉降后高程、外形等參數，將設計高當成是最終沉降高，可以設定沉降安全值，通常為壩高的0.5%～1.0%。

3 水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工技術實踐應用

3.1 工程概況

某水利樞紐工程需要建造攔河壩，發揮防洪、灌溉、發電等作用，建成后總庫容為22.5 億m3，蓄水位高程為1820 m。工程采用混凝土面板堆石壩，長為795 m，頂部寬為12 m，上、下游壩坡分別為1∶1.7和1∶1.89，壩高最大為165 m。壩體采用砂礫石基礎，厚度為93 m，壩體填筑施工難度較大。

3.2 分區規劃

結合壩體填筑施工要求，填筑方量約2500 萬m3，經現場勘查后分別在上、下游設置料場獲取天然砂礫石料供應主堆石區，儲量達到2520 萬m3。次堆石區和其他區域料源來自上游爆破料場，儲量大于3000 萬m3，能夠滿足施工要求。結合填筑分區情況，鋪蓋區采用泄水構筑物出口挖掘低液限粉土，自然壓實不需要碾壓。壓重區采用開挖棄渣，填筑方法同覆蓋區。墊層區劃分為一般區和特殊區，前者粒徑不超過60 mm，30%～45%為粒徑不超過5 mm的填料，另外，8%粒徑不超過0.075%，滲透密系數為10-3cm/s～10-4cm/s，相對密度至少為0.9，為砂礫石料場篩分篩分料，向下游延伸20 m。特殊區為粒徑不超過20 mm篩分料，相對密度至少為0.9，碾壓層厚0.2 m。過渡區為粒徑≤15 cm的砂礫料，同樣通過篩分得到，保證級配連續。主堆石料從天然砂礫料場獲得，上壩填筑，相對密度至少為0.9。次堆石料為爆破開采料或開挖利用料，粒徑≤60 mm，粒徑≤0.075%的石料含量＜5%，孔隙率≤19%。此外，需要從爆破料場獲得排水料，粒徑≤5 mm的石料≤15%，0.1 mm以下含量≤5%。

3.3 填料開采運輸

在工程截流后，上游汛期易產淤砂，下游因河水網狀分布水位較淺，但是汛期將迅速發生漲幅。結合填料供應需求，汛前優先進行上游料場開采，確保下游先鋒槽成型后緊隨其后開采。砂礫料場在采用1.6 m3液壓反鏟進行原料開采的同時，需要配置振動篩、給料機等多種設備，通過篩分獲得不同級配碎石料。按照不同的粒徑進行成品料堆存后，利用20 m3自卸車運輸。

在爆破料場采運石料，巖石邊坡傾角為1∶0.5，決定采用深孔臺階爆破法逐級采挖，臺階高為13 m～15 m。配合采用大孔距預裂爆破方式進行邊坡處理，需要預先按照壩料級配要求開展爆破試驗。結合分區、分期填筑需求，需要準備5臺液壓反鏟和45臺自卸車。在上游左岸、下游左岸位置分別布置上壩道路，起點高程分別為1702 m和1690 m，終點高程分別為1715 m和1690 m，路寬均為9 m，采用砂石結構。

3.4 壩體填筑施工

在壩體填筑施工階段，按照分段分區施工要求，需要通過碾壓試驗確定各層碾壓參數，壩體填筑施工參數見表2，各層均采用激振碾壓的方式。

表2 壩體填筑施工參數

坡面通過擠壓邊墻混凝土施工達到固坡目標，對墊層料進行垂直碾壓。從工藝流程來看，先利用擠壓機構筑高40 cm半透水邊墻，頂寬10 cm，底寬83 cm，達到1∶1的內破比。設計強度為C3～C5，達到1/2后可以填筑內側墊層料，碾壓后重復上述工序，得到臨時壩面。集中拌制混凝土，利用攪拌罐車運輸至作業面，做到同步施工，在墊層料鋪填成型后可以進行碾壓施工。

在墊層和過渡層施工期間，需要做好特殊位置處理，如各區交接、壩體與岸坡結合部位等。周邊縫以下為特殊墊層，擠壓施工質量直接關系到面板受力是否均勻，選用大型機械容易造成邊墻接縫位置因過度擠壓出現結構脫落問題，采用小型機械將導致單層填筑效率過低。為了避免由于上游邊墻移位出現表面混凝土脫落的問題，同時保證施工效率，需要采用機械+人工方式攤鋪。具體來講，就是利用40 t自卸車將料源運輸至填筑面，然后反鏟攤鋪，并安排人員配合進行邊角攤鋪。在振動碾壓期間，配合使用平板夯對靠近變遷0 m～0.2 m的位置進行夯實，時間至少為90 s。針對邊墻至下游0.2 m～1.5 m的位置，利用3.5 t振動碾完成自行式碾壓。針對墊層到過渡層交接位置1.5 m～1.7m的范圍，利用26 t振動碾碾壓8遍。

在堆石料填筑施工過程中，針對堆石區和過渡層交接位置，應先填鋪主堆石料，鋪設過渡層前完成上、下游清理工作，使第二層過渡料與一層堆石料同時碾壓，做到平順過渡。堆石區采用32 t振動碾加快施工速度，在石料上壩后同時采用進占法和后退法，實施綜合卸料。配合使用推土機攤鋪后，同時采用壩內、外加水方式。考慮到砂礫吸水性不佳，為了避免水分大量蒸發，在灑水后立即碾壓。碾壓時將振動頻率控制在0 Hz～28 Hz，振幅達到1.8 mm，碾寬為2.2 m。針對岸坡位置，利用小振動碾和平板夯加強夯實。

3.5 施工質量管控

采用數字化監控系統實時監控碾壓參數，發現參數超限立即報警，提醒人員及時處理，達到提高碾壓合格率的目標。對填筑干密度和壩體沉降變形進行實時監測，有效地控制填筑施工質量。采用現場級配相對密度實驗法，對墊層、過渡層等各層石料進行取樣，能夠得到墊層干容重為2.07 g/cm3～2.38 g/cm3，過渡層和主堆石區為2.35 g/cm3～2.42 g/cm3，滲透系數等指標能夠達到要求，次堆石區孔隙率為16.1%～18.7%，同樣符合要求。從沉降變形監測結果來看，總沉降量最大為621 mm，大部分為壩基沉降，壩體沉降最大約260 mm，占填筑高度的0.17%，沉降量能夠達到控制要求。

4 結語

面板堆石壩壩體填筑強度較高，想要使壩體結構穩固、可靠，需要提高填筑施工技術水平。根據以往的施工經驗，可知壩體填筑施工應該做好施工準備，做好填料開采、運輸等各道銜接工序的基礎上，對填料作業、壩體碾壓和測量控制等關鍵工序進行把控。應結合實際情況制定科學施工方案，掌握材料開采、壩體填筑等施工環節的技術要點，控制施工質量。