西藏直孔水電站粘土心墻堆石壩施工設(shè)計優(yōu)化淺析

李 廣

(成都水電建設(shè)工程有限公司,四川成都 611130)

1 工程簡介

直孔水電站位于西藏墨竹工卡縣拉薩河上,是西藏已建成的最大的水電站,直孔水電站是以發(fā)電為主,兼顧防洪和灌溉的二等工程,電站裝機4×25MW。樞紐由混凝土閘壩、堆石壩、引水系統(tǒng)及岸邊廠房系統(tǒng)組成。堆石壩為碎石土心墻壩,壩殼料為砂礫石;壩頂寬 6m,最大壩高 56m,上游壩坡 1∶2.1,下游壩坡 1∶1.9。

工程區(qū)域?qū)儆诟咴瓬貛Ъ撅L(fēng)氣候區(qū),干濕季節(jié)分明,具有氣溫低、日溫差大、年溫差小、降水少、蒸發(fā)大的高原氣候特征。多年平均氣溫 5.6℃,極端最低氣溫 -23.1℃,極端最高氣溫 26.7℃。壩址區(qū)拉薩河河段河谷寬闊,由巖石孤島將河床分為左右兩支,左支為主河床,最深部位約28m。

2 堆石壩施工

2.1 工程概況

碎石土心墻頂高程為 3892.00m,頂寬 3m,上、下游邊坡均為 1∶0.25,心墻與大壩壩殼料之間設(shè)反濾層。主要工程量:土方明挖 192400m3;碎石土填筑 111913m3;高塑粘土填筑 13104 m3;反濾料填筑 94941m3;壩殼砂卵石填筑658600m3;干砌塊石 26418m3。計劃工期為2004年 4月開工,2006年 11月完工。

2.2 填筑施工

(1)料場規(guī)劃及壩料制備。碎石土心墻防滲料、壩殼堆筑料位于壩區(qū)附近,高塑性粘土扎西崗料場距壩址 40km,需自行組織開采。砂石料和反濾料的供應(yīng)均由業(yè)主在壩區(qū)提供。各種壩料開采采用常規(guī)方法,分層剝離,自上而下分臺階開挖,主要設(shè)備為液壓反鏟、TY220推土機和 15t自卸汽車。高塑性粘土設(shè)計參數(shù)由于粒徑較小,含水率控制較嚴(yán),故設(shè)置了專門料場庫房生產(chǎn)儲存,粘土料運到加工場地后進(jìn)行攤曬,破碎機破碎至設(shè)計粒徑后運至庫房分層撒水堆放養(yǎng)護(hù),嚴(yán)格控制含水率,檢測合格后上壩填筑。

(2)碾壓試驗。壩料室內(nèi)及現(xiàn)場碾壓試驗非常重要,其對大壩的填筑質(zhì)量、設(shè)備選型、施工進(jìn)度都起著關(guān)鍵性作用。通過壩體填筑料的現(xiàn)場碾壓試驗復(fù)核室內(nèi)試驗所測定、確定的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)、參數(shù)。壩料填筑試驗?zāi)雺菏┕?shù)見表 1。

(3)施工方法。由于本工程地處高寒地區(qū),為了保證施工質(zhì)量,冬季停止施工,每年 4～11月施工。填料順序一般為高塑性粘土——碎石土心墻料——反濾料——壩殼料,但根據(jù)供料情況和設(shè)備配置情況填料順序也進(jìn)行了變換。

表1 壩料填筑試驗?zāi)雺菏┕?shù)表

高塑性粘土填筑范圍為混凝土防滲墻周圍上下游側(cè)各 1.5m,總高度 6m,將防滲墻嵌入壩體的部分包裹在其中。填筑時,同一層高塑性粘土先于碎石土心墻料進(jìn)行填筑,人工分層鋪料,蛙式打夯機夯實。

防滲心墻采用碎石土料,總高度為 37m,底部最大寬度為 20.5m,頂部寬度為 30m。根據(jù)施工圖紙在填筑面上逐層放出各區(qū)的分界線,立桿架線,標(biāo)注各區(qū)填筑的厚度。每次鋪料前灑水車灑水一遍,再用推土機履帶或反鏟在填筑面上勻速開行一遍,將前一層已填筑壓實的碎石土心墻表面刨毛,采用進(jìn)占法鋪料,推土機推料攤鋪。

反濾料的鋪設(shè)位置為壩體碎石土心墻上下游側(cè) 3m的范圍,反濾料緊靠心墻填筑。填筑時采用 10t自卸汽車運輸上壩,液壓反鏟配合人工攤鋪反濾料,平碾震動壓實,應(yīng)特別注意反濾層與心墻料或壩殼料接縫處的碾壓,以保證壓實度。

大壩上下游壩殼料主要由砂卵礫石料構(gòu)成。壩殼卵礫石料底部填筑寬度為 6～189m,采用進(jìn)占法鋪料,T220推土機推料攤鋪平倉。為保證邊緣壓實度、預(yù)留斜坡碾壓沉陷量,其水平寬度向外超填 60～80cm,以便填筑完成后進(jìn)行削坡。大面采用 21t振動凸塊碾碾壓,平碾收面。

2.3 質(zhì)量控制

(1)填筑工作面管理。首先采用全站儀測放點線,嚴(yán)格控制填筑邊線和壩體的輪廓尺寸。壩體填筑時保證上壩料源不含雜物,嚴(yán)格控制各種壩體填料的級配并檢測分層鋪料厚度、含水率、碾壓遍數(shù)及干容重等碾壓參數(shù),碾壓施工過程中要嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)定進(jìn)行分組取樣試驗分析,其下面一層施工未達(dá)到技術(shù)質(zhì)量要求不得進(jìn)行上面一層料物的施工,施工后的壩面平整、順直、潔凈美觀。

(2)冬、雨季施工。鑒于壩址地處高寒地區(qū),為了保證填筑質(zhì)量,碎石土心墻料和高塑性粘土料盡量安排在白天施工,凍土料一律不準(zhǔn)上壩填筑;氣溫低于 4℃時,對施工完的土心墻填筑面采用棉被進(jìn)行覆蓋保溫;氣溫低于規(guī)范規(guī)定范圍時,停止進(jìn)行碎石土心墻料施工。冬季施工采用快速連續(xù)作業(yè),協(xié)調(diào)好各個施工環(huán)節(jié),盡量縮短鋪料、碾壓等工序之間的間歇時間。雨季填筑施工中,根據(jù)現(xiàn)場的施工條件采取防雨措施,下雨時停止碎石土心墻料、高塑性粘土等的填筑施工。雨前用振動碾快速壓實表層松土,并注意保持填筑面平整,以防積水和雨水下滲,鋪設(shè)防雨塑料彩條布等;雨后填筑面進(jìn)行晾曬處理,挖除表面彈簧土層,經(jīng)檢查合格后進(jìn)行下一工序施工。

(3)主要技術(shù)指標(biāo)的控制。對于填筑料的質(zhì)量控制,含水率和壓實度及干密度是幾個重要指標(biāo)。通過抽檢的 9個單元得知,壩殼料區(qū)合格率100%,優(yōu)良率 89%,其中最小值 2.3g/cm3,最大值 2.39g/cm3。反濾料區(qū)合格率 100%,優(yōu)良率92.5%,其中最小值 2.15g/cm3,最大值 2.2g/cm3。碎石土心墻料區(qū)合格率 100%,優(yōu)良率91.2%,其中最小值 1.89/g/cm3,最大值 1.92g/cm3,壓實度達(dá) 98%。滿足設(shè)計要求。

3 導(dǎo)截流施工

本工程共進(jìn)行了兩次導(dǎo)截流,第二次導(dǎo)截流成功。簡單論述了第一次導(dǎo)截流失敗的經(jīng)過。

直孔電站采用兩期導(dǎo)截流,本工程為二期導(dǎo)截流。據(jù)進(jìn)度要求,2005年 10月下旬實現(xiàn)主河床截流,2006年 10月 30日壩體具備擋水條件。

第一次導(dǎo)截流施工計劃于 2005年 9月 25日開始,2005年10月 11日完成河床截流。在10月11日實施過程中沒有成功的主要原因有以下幾個方面:

(1)對導(dǎo)截流工程的復(fù)雜和風(fēng)險性認(rèn)識不足,材料準(zhǔn)備工作不到位。截流材料準(zhǔn)備嚴(yán)重不足,由于拉薩河水流急且水量變化較大,上圍堰距龍口合龍十幾米時,截流大塊材料已用完。按以往截流經(jīng)驗,截流材料準(zhǔn)備量應(yīng)是理論計算的 2～3倍,但實際儲備量沒有達(dá)到。

(2)右岸 30m長戧堤的裹頭沒有加固好,即將合龍時,造成水流沖毀。

(3)左岸戧堤進(jìn)占時,戧堤面離水面過高,造成戧堤填筑量大,嚴(yán)重影響戧堤進(jìn)占速度;同時,戧堤端頭回車場太小,影響了汽車運輸卸料速度。

(4)河道分流不暢通,沒有采取有效措施。

通過對以上幾方面進(jìn)行改進(jìn),總結(jié)經(jīng)驗,在進(jìn)一步完善技術(shù)方案,充分作好各項準(zhǔn)備工作的前提下,第二次導(dǎo)截流于 2005年 10月 19日成功。

4 設(shè)計優(yōu)化

二期導(dǎo)截流成功后,堆石壩填筑到設(shè)計蓄水位高程是直孔電站確保 2006年底首臺機組發(fā)電的重要環(huán)節(jié),工期非常緊迫。通過建設(shè)方、設(shè)計、施工等單位的密切協(xié)作,采取了以下幾個方面的設(shè)計方案優(yōu)化,簡化了施工程序,縮短了工期,提高了效率:

(1)基坑開挖:原設(shè)計截流圍堰形成閉氣后進(jìn)行基坑排水,然后進(jìn)行基坑覆蓋層的開挖,開挖量約 5萬 m3。由于壩基防滲結(jié)構(gòu)為混凝土防滲墻及帷幕灌漿,防滲墻頂設(shè)計高程為 3859.00m,碎石土心墻底高程為 3855.00m,基坑水位高程為 3851.00m,通過對河床地質(zhì)條件的分析研究,取消壩基開挖,采用水下拋填石料填至水面以上再進(jìn)行分層碾壓填筑,滿足防滲墻施工高程,節(jié)約工期約兩個月。

(2)填筑料優(yōu)化:主要是高塑性粘土料的優(yōu)化。設(shè)計技術(shù)要求為 Dmax≤2mm;＜0.075mm粒徑的顆粒含量≥92%;塑性指標(biāo) Ip≥15;壓實后滲透系數(shù) K≤1×10-6cm/s。在實際施工中,開采的土料含水率較大,成塊狀。加工生產(chǎn)過程中,粒徑很難控制在 2mm以內(nèi),同時,塑性指標(biāo)也無法達(dá)到要求。經(jīng)過設(shè)計修改,Dmax≤10mm以下,加快了施工進(jìn)度,技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到了要求。

(3)壩面修改:干砌塊石護(hù)坡用于堆石壩工程上、下游填筑坡面,其設(shè)計平均厚度為 50cm,總面積達(dá) 78750m2,技施設(shè)計工程量 37866.90 m3。塊石料選用壩下游左岸榮朵村塊石料場,但存在以下幾個方面問題:①破壞山地生態(tài)植被,對環(huán)境保護(hù)不利,恢復(fù)非常困難,造成投資增加;②料場左側(cè)是當(dāng)?shù)卮迕竦木幼〉?且距料場直線最近距離為 50m,料場開采存在較大安全隱患;③在料場的下方是電站的進(jìn)場永久公路,施工爆破易造成對公路的損壞,危及車輛和行人的安全;④開采的石料粒徑不規(guī)則,塊石護(hù)坡面存在縫隙,對壩面填筑細(xì)料的保護(hù)較差,外觀質(zhì)量也不能充分得到保證;⑤制約施工進(jìn)度。

經(jīng)施工單位建議,業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理研究確定壩體上游坡面采用 C20干砌混凝土預(yù)制塊護(hù)坡,下游坡面采用 C20干砌混凝土預(yù)制塊網(wǎng)格內(nèi)填充卵石的護(hù)坡方案,預(yù)制塊采用正六面體,邊長30cm,厚 15cm,相比工程投資增加了 20%,但遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恢復(fù)生態(tài)增加的投資。通過該方案的實施,加快了堆石壩施工進(jìn)度,提高了壩面整體的內(nèi)在和外觀質(zhì)量,保護(hù)了生態(tài)平衡,為直孔水電站下閘蓄水、發(fā)電創(chuàng)造了有利條件。

5 結(jié) 語

(1)在西藏高原地區(qū)施工要明確各種氣候條件下的施工時段,尤其對心墻土料及反濾料在低溫施工時要采取有效的保溫措施,對暴雨的防范措施也非常重要。

(2)根據(jù)現(xiàn)場實際情況,設(shè)計優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用,尤其是在環(huán)境保護(hù)、安全方面,加快了工程進(jìn)度,提高了工程質(zhì)量。施工前,現(xiàn)場碾壓試驗參數(shù)的確定非常重要,其直接影響到大壩的填筑質(zhì)量和檢測方法。碎石土心墻料采用干密度作為控制指標(biāo),受土料礫石含量影響很大,不易控制填筑質(zhì)量,而采用壓實度控制即可有效地控制碎石土心墻的填筑質(zhì)量。

(3)對于各種填筑料攤鋪選用設(shè)備非常關(guān)鍵,它直接影響施工速度和質(zhì)量。本項目在碎石土心墻料和反濾料及壩坡面處理施工中主要采用反鏟設(shè)備,取得了很好的效果。