碎石土心墻堆石壩快速施工技術

范林文，唐世明，蒲洪

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072;2.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 概述

獅子坪水電站攔河壩為碎石土心墻堆石壩，壩頂高程 2544.00m，壩頂寬 12.00m，壩頂長309.40m，最大高度136.00m。上游壩坡1∶2.0，在高程2475.00m處設5.0m寬馬道;下游壩坡1∶1.8，在高程 2500.00、2460.00m 處各設 5.0 m寬馬道，壩腳與下游圍堰結(jié)合。壩基采用1道厚1.20m的混凝土防滲墻全封閉防滲，防滲墻底嵌入基巖0.8～1.0m，墻頂設觀測、檢修、灌漿廊道并與兩岸帷幕灌漿平洞相連，在心墻基底的覆蓋層中進行深15m的固結(jié)灌漿。在大壩兩岸邊坡的2544.00、2475.00、2410.5m 高程處各設3條灌漿平洞進行帷幕灌漿防滲處理。碎石土心墻堆石壩的主要工程量見表1。

表1 主要工程量表

2 快速施工的必要性

2.1 快速施工可以使大壩提前發(fā)揮經(jīng)濟效益，對建設單位來說至關重要

隨著水電站建設投資多元化的發(fā)展，工程投資逐漸以企業(yè)為主，從企業(yè)追求利潤最大化及提高內(nèi)部收益率考慮，大壩加快施工進度、縮短建設周期、提前發(fā)揮效益是每個業(yè)主考慮的重點。

因此，在招標文件中對工期的要求極為嚴格，要求承包方在施工進度方面提出嚴密而詳細的措施;而在工程開工后，業(yè)主對施工單位在工期上提出了更高的要求。作為施工單位，從滿足業(yè)主需要角度出發(fā)，往往承諾比招投標文件更短的工期，因此，如何提高施工強度、快速施工成為施工單位為贏得市場從而生存的法寶之一。

2.2 基礎處理的不確定性也需要采用加快施工進度等措施

獅子坪水電站大壩基礎防滲墻厚1.2m，單孔最深為101.80m，單槽最大深度為100.23m，在同厚度的防滲墻中，該防滲墻深度大，在當時堪稱“亞洲第一防滲墻”。其在施工過程中所遇到的難度，在防滲墻施工中也較少見:覆蓋層深厚，地質(zhì)情況復雜，成槽非常困難;“V”型河谷，坡度大，入巖極為困難;槽孔深，預埋件多，加之還要進行帷幕灌漿、固結(jié)灌漿等對地基進行綜合處理，處理難度大、檢查復雜，基礎處理完工及交面時間往往較開工時所制定的計劃時間滯后，從而造成大壩填筑開工時間拖延，而下閘蓄水或竣工期往往卻不予調(diào)整，進而造成有效填筑時間縮短。

2.3 水文氣象的影響對填筑強度提出新的標準

碎石土心墻堆石壩對水文氣象因素極為敏感。在雨季，土料的含水率影響極大，直接制約著大壩填筑，施工強度將受到影響;冬季，土料上凍，如不采取積極措施也無法進行填筑，且冬、雨季填筑施工存在高投入、低產(chǎn)出的窘境，往往是施工單位不愿意承擔的。因此，充分利用填筑的“黃金季節(jié)”，盡量避免冬、雨季施工(或減少冬、雨季填筑量)，快速施工是碎石土心墻堆石壩填筑的首選。

2.4 度汛的施工特點也需要采用快速施工等措施

由于碎石土心墻堆石壩不允許漫頂過流，故碎石土心墻堆石壩“施工高峰期”一般發(fā)生在工程實施截流后第一個汛前達到攔洪度汛斷面前，截流后均需加快施工進度，務必在汛前將壩體全斷面或度汛小斷面填筑至攔洪度汛高程。然而，獅子坪水電站碎石土心墻堆石壩位于山區(qū)，而山區(qū)的洪水具有來水大、時間短、陡漲陡落的特點，為確保工程安全，需在汛期來臨前將圍堰或壩體的一部分快速填筑至攔水高程。

2.5 新型施工設備的大量投入和材料適用范圍的拓展是快速施工的基礎

隨著機械化程度的提高，大容量的土石方設備在施工中提高了工效，從而為快速施工打下了必要的物質(zhì)基礎;填筑材料適用范圍的拓展，使原來不適合作壩料的材料也可作為填筑料，也為碎石土心墻堆石壩快速填筑提供了新的支撐點。

3 快速施工的主要方法

碎石土心墻堆石壩如需快速施工，一方面需重視設備及人力資源的投入;另一方面，對正式填筑前的準備工作及壩面填筑質(zhì)量控制方面也要引起高度重視，才能達到快速施工的目的，否則容易造成欲速則不達的不良后果。

3.1 快速施工需作的準備工作

(1)設計前期應充分詳查各料場品質(zhì)和儲量。料場對碎石土心墻堆石壩的重要性不言而喻，卻也是最容易影響大壩順利填筑的軟肋。根據(jù)工程實踐，一般而言，料場的地質(zhì)勘探工作深度遠不如壩址，特別是填筑量最大的堆石料前期的地質(zhì)勘探工作若不夠詳實，進場后與招標文件不符的可能性很大，或地質(zhì)條件發(fā)生重大變化，招標文件中的有用料變成無用料;或開采面積變小，無法形成大規(guī)模開采(或臺階開采)條件，不利于大規(guī)模機械開采，直接制約大壩能否按期填筑;同時，級配是否良好也是影響大壩能否快速填筑的關鍵。

(2)做好各個料場的復查、復勘及規(guī)劃工作尤為重要。承包商進場后，應對各個料場進行復查、復勘及規(guī)劃，搞好料場復查和儲量計算以及規(guī)劃，做到心中有數(shù)并做好上、下游料場與大壩上、下游填筑料的平衡;如具備條件，最好在大壩填筑前儲備一部分成品料來削峰平谷，對大壩的填筑強度、質(zhì)量和投資控制都有好處。因此，料場的工作應早重視、早研究，是解決快速施工、降低工程造價不可忽視的因素。

(3)料場的開采。料場的開采是采用“平采”，還是“立采”，料場如何分區(qū)、開采道路如何布置也是大壩能否快速填筑的關鍵。

(4)施工道路。為滿足快速施工的需要，大量機械設備的投入是不可避免的，而目前運輸車輛越來越向大噸位發(fā)展，運輸車輛的數(shù)量也要求相應增多，對道路的要求越來越高。工程實踐證明，道路越好，運輸車輛出勤率越高，填筑效率也相應提高。俗話說:“磨刀不誤砍柴工”就是這個道理。但一般工程均采用泥結(jié)石路面，如果具備條件，在局部車流量大的地段采用混凝土路面，將會極大的提高運輸效率;在道路布置上，應盡量根據(jù)實際情況布置成環(huán)行雙車道，可避免車輛的相互干擾，從而提高單車效率。

(5)碾壓試驗工作。對碎石土心墻堆石壩而言，碾壓試驗是填筑前最為重要的技術參數(shù)論證工作，也是確定大壩能否順利填筑及確保大壩安全的重要環(huán)節(jié)。一般而言，在招標文件中或填筑技術要求中提出的指標是建議性的，均要求在碾壓試驗中進行復核和驗證。碾壓試驗應對根據(jù)工程類比法擬定的施工參數(shù)進行試驗，試驗得出的參數(shù)是控制大壩能否快速填筑的重要因素，如指標定的過高，在正式填筑中不易達到，將造成增加補壓次數(shù)過多及采取更重型碾壓設備進行施工，效率會降低;指標定的低，為確保大壩安全，可能將增加許多工程量，也不利于工程快速施工;碾壓試驗工作不細致，有可能在填筑過程中不得不暫停施工而重新進行碾壓試驗，從而直接影響壩體的填筑。

3.2 編制切實可行的進度計劃

對于碎石土心墻堆石壩，存在著一系列相互干擾、相互影響的工作，必須編制切實可行的進度計劃。如只憑經(jīng)驗或簡單的分析，則對施工中出現(xiàn)的新情況、新干擾、計劃完成評價、關鍵線路的判斷無法進行科學的判斷和分析。而計算機的運用，極大的提高了計劃編制水平和計劃的智能性，其能夠自動進行工期分析、關鍵線路的分析，在發(fā)生干擾事件后，也能迅速進行調(diào)整和輔助決策，從而避免出現(xiàn)手足無措及盲目施工的現(xiàn)象。

3.3 抓好壩面作業(yè)

在完成各項準備工作、具備填筑條件后，對施工單位而言，應按計劃進行壩體填筑。加強各工序的銜接、減少中間環(huán)節(jié)是快速施工的重中之重。

(1)合理的壩面分區(qū)流水作業(yè)是填筑工作快速施工的關鍵。由于碎石土心墻堆石壩體型較大，為壩面分區(qū)流水作業(yè)提供了必要的作業(yè)面。一般將填筑工序分為鋪料、攤鋪、灑水、壓實、質(zhì)檢等工作，如防滲土料還需增加表面刨毛處理工序。根據(jù)實際情況，將壩面作業(yè)分為工段數(shù)與工序數(shù)，如果工段數(shù)與工序數(shù)相等，人、機、作業(yè)面不閑;如果工段數(shù)大于工序數(shù)，人、機不閑，作業(yè)面閑;如果工段數(shù)小于工序數(shù)，人、機閑，作業(yè)面不閑，流水作業(yè)不能正常進行。進行工段數(shù)及工序數(shù)的確定和劃分有很多種方法。在填筑前，由于施工情況并不很明朗，一般采用先按現(xiàn)有設備進行理論計算后，按流水作業(yè)的要求和注意事項初步擬出工序數(shù)目、工作段面積及工段數(shù)目，再根據(jù)前期填筑對設備及運行時間的統(tǒng)計進一步進行修正，從而確保施工有序進行。

在壩面分區(qū)流水作業(yè)中，特別強調(diào)的是防滲土料的施工。受多方面因素影響，防滲土料直接制約大壩整體的上升，在防滲土料填筑流水作業(yè)中，根據(jù)填筑的需要，應根據(jù)實際情況合理劃分填筑區(qū)域和進行流水作業(yè)分析，并根據(jù)機械設備及填筑情況及時進行調(diào)整。根據(jù)工程實踐，采用在防滲土料上鋪填石渣及土工布的施工方法，較采用鋪設鋼板、墊枋木具有施工簡便的特點，在快速施工中處理跨心墻道路中顯得極為有效。

(2)整體填筑與臨時斷面填筑。為加快施工進度，一般采用整體填筑施工。整體施工具有以下幾個優(yōu)點:首先減少了接縫、接坡、削坡等工序，保證了填筑質(zhì)量和盡可能大的堆石填筑面，有利于在繼續(xù)填筑時布置進入防滲料區(qū)的施工道路，運輸反濾料及過渡料的大型自卸汽車不橫穿防滲料區(qū)，同時也有利于減小料界偏差和相鄰料平起填筑時的跨縫碾壓。

雖然整體填筑施工具有上述優(yōu)點，但在越來越多的工程實踐中，為滿足度汛和分期蓄水提前發(fā)揮效益的要求，均要求施工單位在短時間內(nèi)將大壩上升到某一高程而受多方面的制約，全斷面填筑不具備可能性，故一般均采用臨時擋水斷面填筑的施工方法，在冬、雨季心墻部位不能進行填筑的情況下，只能進行堆石料臨時斷面的填筑。臨時斷面的設計應考慮多方面的因素并通過穩(wěn)定性復核，在臨時斷面填筑至設計高度后，再進行其他斷面壩料的填筑。為加快施工進度，在臨時斷面填筑中，應正確分析臨時斷面尺寸與壩體填筑的需要，不可一味減少臨時斷面填筑量而影響到大型機械的正常施工，其反而達不到經(jīng)濟、快速的目的。在后期填筑中，接縫、接坡、削坡工作將增加很多工程量，為保證施工質(zhì)量，這也是必須要確保施工到位的項目，同時也是填筑臨時斷面必須多付出的代價。

(3)大型設備的投入。在壩體填筑量一定的情況下，要縮短填筑時間，必然要增大填筑強度，因此，設備的投入是極為重要的。雖然目前新型設備、大型設備不斷地投入到工程中，但目前水電建設整體處于惡性競爭、低價中標的大環(huán)境下，要在一個工程中投入大量新型設備、大型設備進行高強度的施工也比較困難，因此，在許多工程中，使用中小型工程的設備去完成大型工程的修建較為常見，實踐證明，這種小馬拉大車的情況并不能保證大壩快速、正常的施工，比如使用先進的碾壓設備，堆石料的鋪料厚度就可以達到1.5m甚至2m，而往常使用的16t平面碾僅能 碾 壓0.8～1.0m左右，可以明顯地看出設備對填筑進度的影響。

在這種情況下，施工單位已進行了積極的探討，其中一個最重要的方面就是充分發(fā)揮社會資源，組織社會上的設備進場，實踐證明:這是解決施工單位自身設備不足的良好辦法。通過社會引進的設備新、數(shù)量多，可挑選的余地大，能夠最大限度地滿足施工需要;同時，利用當?shù)卦O備，可以減少很多不必要的麻煩和協(xié)調(diào)工作。但引進社會上的設備，對施工單位的管理水平提出了更高的要求:搞好了，可以節(jié)省投資、加快施工進度，如管理不好，將施工寄希望于協(xié)作單位，如果協(xié)作單位不能按有關要求進行作業(yè)則欲速則不達，反而影響了快速施工。因此，施工單位應吸取經(jīng)驗教訓，逐步完善管理機制，才能達到快速施工、節(jié)約費用的目的。

(4)快速進行現(xiàn)場試驗。獅子坪水電站攔河壩為碎石土心墻堆石壩，共有五種填筑料，分別為:心墻高塑性粘土、心墻碎石土、上游反濾料、下游反濾料及壩殼堆石料。為確保碎石土心墻堆石壩的填筑質(zhì)量，一般均要求對各種料的物理力學指標和填筑質(zhì)量進行試驗，只有在填筑面碾壓合格并通過驗收后方可進行上一層填筑，故現(xiàn)場試驗能否快速得出碾壓結(jié)果也是影響快速施工的因素，因此，試驗人員和試驗設備的配置就顯得尤為重要，特別是防滲土料，按傳統(tǒng)的酒精燃燒法、干炒法、烘箱烘、紅外線燈烘烤等方法，含水量測定時間長，至少需要1個多小時;如果采用微波爐烘取試樣，確定干容重僅需要30min;如果采用核子密度儀進行防滲土料取樣，結(jié)果當場即可出來，平均時間不足10min，可以大大縮短取樣時間，為快速填筑提供依據(jù)。

(5)加強冬季施工方法的研究和組織，是加快壩體填筑的一個方向。由于受冬季的影響，大壩(特別是防滲土料部位)往往在該階段不能填筑或填筑強度極低，致使壩體填筑受到影響。在獅子坪水電站，冬季施工影響期為2～3個月。如何在冬季保持正常施工是加快壩體填筑的一個方向性問題，如果該問題得到突破性進展，將對碎石土心墻堆石壩快速填筑帶來質(zhì)的飛躍。

碎石土心墻堆石壩的冬季施工原則要求進行保溫，一般均搭設暖棚進行施工。實踐證明:搭設暖棚準備期長、投入大、效率低，不在萬不得已的情況下，施工單位是不會搭設暖棚進行冬季施工的。

根據(jù)目前的技術發(fā)展，逐漸取消了費用昂貴的暖棚，而采取簡單易行的施工措施，利用土壤自身保溫性能進行冬季施工。獅子坪水電站冬季施工的月份為每年的12月至翌年的2月份，冬季日氣溫變化較大，夜間周圍氣溫均在0℃以下，最低氣溫達到－15℃左右，其冬季施工采取的主要措施為:①在料場，應優(yōu)先在向陽、背風處取土。開采前應清除表面的凍土，以保證裝料時的土料為正溫。②含水量應符合規(guī)定要求，上壩土料的含水量應在規(guī)范允許范圍內(nèi)，并且不大于塑限含水量的90%。③對表面風干凍土必須進行剔除處理。含水量應適合無風干的輕微凍土，迅速翻耙、整平，并用凸塊碾擊碎后快速鋪料，在任何情況下其不允許含有冰雪。④施工溫度應符合規(guī)定.碾壓前的松土溫度不得低于－1°C。⑤搞好流水作業(yè)，做到快鋪、快壓、快檢。⑥做好雪后復工，復工前須將壩面積雪、不合格土層清理干凈，待檢查合格后方可復工。⑦注意防寒防凍.隨時掌握氣溫變化，作好寒潮預報，在寒潮到來之前，作好壓實土的防凍工作。

(6)成立強有力的協(xié)調(diào)機構是保證快速施工的重要方面。歸根到底，能不能保證快速施工，主要還是取決于人的能動性和創(chuàng)造力。由于碎石土心墻堆石壩具有填筑壩料多、工序銜接多、機械設備投入多等特點，壩面(包括料場)協(xié)調(diào)范圍廣、事情繁瑣，成立強有力的協(xié)調(diào)機構，能夠根據(jù)壩體填筑的需要從整體上把握全局，合理進行設備調(diào)配和場面調(diào)配，可以做到事半功倍，節(jié)約很多時間，否則，快速填筑難以實現(xiàn)。

3.4 充分考慮其它因素的影響

為確保碎石土心墻堆石壩快速施工，須充分考慮外部施工環(huán)境。沒有一個良好的外部環(huán)境，也無法進行快速施工。從多個工程實例看，大壩施工存在著極為復雜的外部環(huán)境，治安環(huán)境、移民征地均可能制約工程施工。因此，需提前作好各項協(xié)調(diào)工作，及時化解風險，為正常施工創(chuàng)造一個相對寬松的作業(yè)環(huán)境。另一方面，工程能否達到預期目標，是業(yè)主、監(jiān)理單位、設計單位及施工單位共同努力的結(jié)果。多個工程實例表明:各單位如果配合的好、群策群力，工程就能順利施工，遇見困難也能較順利的解決;相反，則可能陷入漫長的解決問題的困境，工程自然是想快都快不起來。

4 快速施工需認真對待的幾個問題

雖然碎石土心墻堆石壩快速施工已成為潮流，也是未來發(fā)展的方向，但從多個已施工或完建工程的情況看，碎石土心墻堆石壩快速施工的水平主要依據(jù)壩高、填筑工程量、實際施工工期、平均月升高速度及平均月上壩強度等施工技術指標來進行綜合分析、評價，而不是簡單一味的求快及追求上升速度?？焖偈┕⒃诳茖W論證及安全評審的基礎上，否則將有可能帶來不可預料的后果。

4.1 快速施工對壩體的影響

如果碎石土心墻堆石壩施工速度過快，壩體碾壓完成或投入運行后，將造成本應在施工期完成的沉降而留在運行期完成，大壩蓄水后增加的附加沉降量及附加水平位移量亦較大，各種料在沉降速率與時間方面均不同步;同時，空隙水壓力消散較慢，在防滲土料中易形成低應力區(qū)并可能形成拱效應，從而造成心墻開裂等潛在的安全隱患。

4.2 短期的快速施工不利于均衡施工，給施工單位造成巨大的壓力

由于短時間內(nèi)追求過高的施工強度，一味將填筑量和大壩上升速度指標作為施工單位的考核目標，從而給施工單位帶來了巨大的壓力和不便，特別是在為度汛及分期蓄水填筑上表現(xiàn)的更為明顯。一般情況下，施工單位考慮進場施工設備時多從施工高峰期著手，以該階段的施工強度配備機械數(shù)量，故設備數(shù)量較大。這樣的考慮易造成兩種情況:一方面，施工高峰期(度汛斷面填筑等臨時斷面)一過，易造成設備的閑置，從而使富余的施工機械不能完全發(fā)揮其經(jīng)濟效益，造成浪費;另一方面，由于施工高峰期出現(xiàn)在整個工程施工的前期，施工單位要在很短的時間內(nèi)調(diào)配大量的設備進場，無論從人力、物力和財力上都給施工單位造成巨大的壓力。

5 結(jié)語

業(yè)主及施工單位應正確看待碎石土心墻堆石壩快速施工的利和弊。一方面作好各項準備工作，采用大型、重型振動碾壓機具等措施，提高壓實度、降低孔隙率，做到均衡施工，從科學的角度，全面、正確的分析工期，以實現(xiàn)資源利用最大化的目標;另一方面重視壩料級配和碾壓參數(shù)的控制。良好的級配和最優(yōu)的碾壓參數(shù)能夠在施工期降低運行期的沉降和變形;最后，應及時消除不利影響，如沉降及拱效應等問題?？梢圆捎糜邢拊治?、埋設原型觀測儀器等進行實際量測，監(jiān)控大壩應力及變形情況，以達到快速施工、業(yè)主及施工單位“雙贏”的目標。