糯扎渡高心墻堆石壩壩料特性研究及填筑質(zhì)量檢測方法和實時監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)

馬洪琪

(華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214)

1 前言

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃“二庫八級”電站的第五級，樞紐位于云南省普洱市和瀾滄縣境內(nèi)。工程以發(fā)電為主，兼有防洪和改善下游航運等綜合利用任務。工程樞紐由攔河大壩、左岸開敞式溢洪道、左右岸泄洪洞及左岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成。水庫正常蓄水位812 m，總庫容237.03億 m3，具有多年調(diào)節(jié)特性。電站裝機容量為5 850 MW(9×650 MW)。保證出力2 406 MW，多年平均發(fā)電量239.12億kW·h。

心墻堆石壩壩頂長627.87 m，壩頂寬18 m，最大壩高為261.5 m，在同類壩型中居國內(nèi)之首、世界第三。

2 壩料特性及壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[1]

2.1 土料試驗

高心墻堆石壩對防滲土料的要求除防滲外，還必須有較好的力學性能，與壩殼堆石的變形能較為協(xié)調(diào)，減小壩殼對心墻的拱效應，以改善心墻的應力應變，減少心墻裂縫的發(fā)生機率。糯扎渡大壩采用農(nóng)場土料作心墻料，大量地質(zhì)勘探資料及試驗成果表明，天然土料的粗粒含量少，細粒及粘粒含量偏高，對于最大壩高達261.5 m的特高壩來說，其壓縮性偏大，力學指標偏低，為此決定往天然土料中摻加35%(重量比)的人工碎石，以改變土料性質(zhì)。大量試驗研究表明，土料擊實后﹥5 mm的含量超過30%，力學性能得到了明顯改善，室內(nèi)試驗滲透系數(shù)為10-6cm/s量級。壓實試驗成果表明，不同壓實功能對最大干密度、最優(yōu)含水率及細料壓實密度有顯著影響，2 690 kJ/m3擊實功能與1 470 kJ/m3擊實功能成果相比，提高擊實功能對提高摻礫土料的干密度和細料壓實密度效果明顯，壓縮變形明顯減少，滲透參數(shù)減少了一個量級，抗剪強度和應力變形指標有顯著提高，因此對高壩而言，宜采用2 690 kJ/m3擊實功能試驗干密度作為土料的壓實控制標準。

2.2 壩體結(jié)構(gòu)優(yōu)化

壩殼堆石料的主要料源為工程開挖料，不足部分從料場開采。根據(jù)原巖的物理力學試驗成果，建筑物開挖的弱風化及其以下角礫巖和花崗巖，其干、濕抗壓強度均較高，為優(yōu)質(zhì)堆石料，適用于對石料要求較高的壩頂部位、壩殼外部及下游壩殼底部等壩體抗震和壩坡穩(wěn)定的關(guān)鍵部位，稱之為Ⅰ區(qū)堆石料;而建筑物開挖的強風化花崗巖、微風化T2m砂泥巖，為軟巖、中硬巖及硬巖的混合料，其強度稍低，可利用于壩殼內(nèi)部，稱之為Ⅱ區(qū)堆石料。具體分區(qū)為上游堆石壩殼615.0～656.0 m高程靠心墻側(cè)內(nèi)部區(qū)域設置堆石料Ⅱ區(qū)，656.0～750.0 m高程靠心墻內(nèi)側(cè)，視料源平衡設置堆石料Ⅱ區(qū)或堆石料Ⅰ區(qū)調(diào)節(jié)區(qū)，其外部為堆石料Ⅰ區(qū);下游堆石壩殼631.0～760.0 m高程范圍靠心墻側(cè)內(nèi)部區(qū)域設置堆石料Ⅱ區(qū)，其外部為水平寬度22.6 m的堆石料Ⅰ區(qū)。大壩的典型剖面見圖1。

圖1 大壩典型剖面Fig.1 A classical section map of dam

利用理論研究成果和創(chuàng)新，以大量試驗研究和技術(shù)分析為依據(jù)，論證了上游壩殼內(nèi)部適當部位采用部分軟巖堆石料是可行的;論證了壩體上游邊坡采用1∶1.9，下游邊坡采用1∶1.8 是合理的。并將可靠度分析理論引入土石壩穩(wěn)定分析中，首次采用確定性方法、可靠度分析方法及基于強度拆減有限元法綜合評價壩坡穩(wěn)定安全性，使評價更為客觀、可靠。在高心墻堆石壩上游區(qū)域選用部分軟巖堆石料，是糯扎渡高心墻堆石壩的創(chuàng)新，大大提高了開挖料的利用率，降低了成本，具有較高的推廣應用價值。

2.3 土石料靜動力本構(gòu)模型

2.3.1 靜力本構(gòu)模型

目前國內(nèi)土石壩應力變形的計算分析中，得到較為廣泛應用的本構(gòu)模型主要有鄧肯-張非線性彈性模型、沈珠江雙屈服面彈塑性模型、清華非線性解耦KG模型。3種模型各具特色，可互為驗證，在對3種計算模型進行總結(jié)、分析、對比的基礎上，首次提出了堆石體修正Rowe剪脹方程，從而改進了沈珠江雙屈服面彈塑性模型體積變形的表示方法，使計算成果更為可靠。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.2 A comparison between calculation result＆testing result

2.3.2 動力本構(gòu)模型

提出了量化記憶(sm)模型中參數(shù)隨應變和圍壓變化的規(guī)律:

提出了采用非線性最小二乘法擬合動力三軸試驗結(jié)果以確定模型參數(shù)的方法:

將一維量化記憶模型中的“記憶點對”擴展為偏平面上的“記憶面”，從而構(gòu)筑了多維量化記憶模型:

2.4 水力劈裂發(fā)生的物理機制

提出了在心墻中可能存在的滲水弱面以及快速蓄水過程中產(chǎn)生的滲透弱面為水力劈力發(fā)生的重要條件的論點，并通過模型試驗加以驗證。將彌散裂縫理論引入水力劈裂問題的研究中，與比奧固結(jié)理論相結(jié)合，推導和建立了用于描述水力劈裂發(fā)生和擴展過程的有限元分析方法(見圖3)。

圖3 水力劈裂發(fā)生形成的張開裂縫Fig.3 Opening cracks caused by hydraulic fracturing

3 摻礫土料填筑質(zhì)量檢測方法研究

3.1 摻礫土料填筑工藝

農(nóng)場土料不同部位、不同深度的粗礫含量、粘粒含量差別較大，其壓實性能并不相同。為此規(guī)定土料開采應采用立采法，使混合土料盡可能均勻，隨后運到摻合場與人工碎石摻拌。摻合場共4塊，每塊約6 000 m2，按生產(chǎn)性試驗的摻合比和工藝流程，將混合土料和人工碎石水平互層鋪攤成料堆，土料單層厚1.03 m，礫石單層厚0.5 m，一層鋪混合土料、一層鋪礫石料，堆土機平料，如此相間鋪3層，總高控制在5 m，用4 m3正鏟摻混3次后裝32 t自卸車上壩，后退法卸料，平路機平料鋪土厚度30 cm，采用20 t凸塊振動碾碾壓10遍。

人工碎石摻量為35%(重量比)，最大粒徑為120 mm，要求5～100 mm含量占94%，摻礫土的礫石含量和含水量均在摻合場控制。摻礫土料含水率控制在最優(yōu)含水率-1%～+3%。

生產(chǎn)性試驗挖試坑和挖槽檢測表明，上述工藝礫石分布均勻，鋪層之間無顯見接縫，壓實度、滲透系數(shù)和抗剪強度均滿足設計要求。

3.2 摻礫土料質(zhì)量檢測方法研究

設計要求心墻防滲土料全料壓實度按普氏595 kJ/m3功能應達到 100%，按修正普氏2 690 kJ/m3功能應達到95% 以上?，F(xiàn)行規(guī)范要求對礫石土采用全料壓實度檢測，但對摻礫土料進行全料擊實時，至少需采用φ300 m擊實儀，試驗工作量大、時間長，難以滿足現(xiàn)場施工進度要求，因此需要研究一種既準確又能快速檢測摻礫土料壓實度的方法。

工程經(jīng)驗表明，如果土料粗粒含量＞30%，細料壓實度控制的計算壓實度會偏大，還可能出現(xiàn)細料壓不密實，且全料擊實干容重低于細料擊實換算的全料干容重現(xiàn)象[2]，因此應同時采用全料擊實以提高壓實度計算準確度，了解是否存在細料未被壓實現(xiàn)象。

糯扎渡大壩對摻礫土料的全料擊實特性、細料壓實度和質(zhì)量檢測方法進行了系統(tǒng)研究。對混合土料按 0%、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%共8種全料摻礫量，按595 kJ/m3、2 690 kJ/m3兩種擊實功能進行試驗。為此還專門研制了φ600 mm超大型擊實儀進行全料擊實試驗，與φ300 mm大型擊實儀等量替代法全料擊實試驗和φ152 mm擊實儀將小于20 mm細料擊實試驗結(jié)果進行對比分析，重點比較了全料與細料干密度、壓實度的關(guān)系，主要結(jié)論如下[3]:

1)摻礫土在原級配全料超大型與替代法全料大型擊實時，其最大干密度均隨摻礫量增加而呈先增后降的趨勢，峰值出現(xiàn)在摻礫量80%處;相應P20細料的干密度也隨著摻礫量的增加而呈先增后降的趨勢，峰值出現(xiàn)在摻礫量60%處。當摻礫量大于60%時，摻礫碎石骨架效應明顯，土料出現(xiàn)架空現(xiàn)象。

2)小型擊實試驗時，由于摻礫碎石顆粒較小，骨架效應不明顯，摻礫土能夠被充分擊實，因此隨著摻礫量的增加，細料最大干密度呈持續(xù)增加趨勢;其對應的全料干密度也隨摻礫量的增加而增加(見圖4)。

3)在各擊實參數(shù)下，摻礫土最優(yōu)含水率均隨摻礫量的增加而降低。

4)由于摻礫碎石級配及擊實參數(shù)的差異，導致?lián)降[土原級配全料與替代法全料在2 690 kJ/m3功能下的擊實特性有所不同。試驗結(jié)果表明，當摻礫量為0% ～30%時，2 690 kJ/m3功能下超大型擊實全料最大干密度略小于大型擊實全料最大干密度;當摻礫量為40%～50%時，超大型擊實全料最大干密度與大型擊實全料最大干密度差異不大;當摻礫量為60% ～100%時，超大型擊實全料最大干密度則大于大型擊實全料最大干密度(見圖5)。因此，當摻礫量為50%以下時，采用2 690 kJ/m3功能大型擊實成果對摻礫土全料進行質(zhì)量控制是合適的。

圖4 摻礫量與最大干密度關(guān)系Fig.4 Graph of gravel mixture amount vs.maximum dry density

圖5 超大型擊實儀與大型擊實儀最大干密度比較Fig.5 A Comparison of different MDD of super electric compaction device＆of large electric compaction device

5)在相同擊實儀下，采用595 kJ/m3功能所得到的最大干密度較2 690 J/m3功能所得到的最大干密度小，且相差較大。

6)當摻礫料≤60%時，2 690 kJ/m3功能下超大型、大型擊實100%壓實度換算的細料干密度均大于595 kJ/m3功能下小型擊實的細料最大干密度，細料壓實度大于100%。在相同摻礫量下，大型擊實換算的細料干密度大于超大型擊實換算的細料干密度。

7)當摻礫量約20% ～50%時，由小型擊實所得細料最大干密度計算出的全料干密度均小于超大型、大型擊實所得的全料最大干密度，即若按595功能小型擊實細料壓實度100%控制時，計算出的超大型、大型擊實全料2 690功能壓實度均大于100%。

8)綜上所述，采用2 690 kJ/m3功能大型擊實成果對摻礫土全料進行質(zhì)量控制是合適的。

3.3 施工現(xiàn)場檢測方法

糯扎渡心墻摻礫土料壓實標準全料壓實度按修正普氏2 690 kJ/m3功能應達到95%以上，按普氏595 kJ/m3功能應達到100%。用595 kJ/m3擊實功能對小于20 mm細料進行三點法快速擊實試驗，其壓實度應達到98%。質(zhì)量控制時采用壓實度指標，根據(jù)本工程特征，采用雙控法，即以細料擊實控制為主，以全料壓實度控制校核。

3.3.1 全料壓實度預控線法

由于糯扎渡大壩心墻摻礫土料中礫石最大粒徑達120 mm，用φ300 mm大型擊實儀三點擊實法確定全料最大干密度檢測填筑壓實度需用時8 h以上，不能滿足快速施工要求。為此，施工單位提出了摻礫土料全料壓實度預控線法。該方法利用摻礫石土料備料過程，在備料倉中取多組混合土料摻入不同礫石進行φ300 mm擊實儀擊實試驗，確定某一施工時段內(nèi)摻礫土料最大干密度與礫石含量的關(guān)系曲線并取其平均線作為預控線，填筑碾壓后根據(jù)坑測干密度和礫石含量與預控線對照計算全料壓實度。該方法現(xiàn)場檢測時相對簡單，所得到的壓實度代表了土料的整體性能，并在一定程度反映了土料性質(zhì)的變化。該方法的前提是假定在某一較短施工時段內(nèi)，混合土料開采自同一區(qū)域，經(jīng)開采、摻拌、鋪料等工序混合多次后，混合土料性質(zhì)已基本均勻，此時影響摻礫土料最大干密度的主要因素是礫石含量，可按不同含礫量相應的最大干密度計算壓實度。全料壓實度預控線法采用填筑碾壓前對土料開展φ300 mm的儀器替代法全料擊實試驗以確定土料的預計最大干密度。當土料較為均一時，其檢測結(jié)果與現(xiàn)場擊實試驗全料壓實度控制法相同，由于現(xiàn)場碾壓只需挖坑檢測碾壓干密度，檢測時間大大縮短，效率較高，優(yōu)勢明顯。但當土料性質(zhì)不均勻時，存在確定預控線所用試驗土料與現(xiàn)場挖坑檢測土料擊實特性的差異，從而影響檢測結(jié)果的準確性。

3.3.2 全料壓實度雙控法

全料壓實度控制是在室內(nèi)進行全料擊實試驗得到全料最大干密度，現(xiàn)場直接用試坑干密度進行全料壓實度計算。根據(jù)中心試驗室和施工單位兩方對糯扎渡大壩不同土料進行的摻礫土料 φ600 mm擊實儀全料和φ300 mm擊實儀等量替代法全料595 kJ/m3、2 690 kJ/m3兩種擊實功能擊實試驗成果對比，595 kJ/m3功能下，不同礫石含量φ600 mm全料擊實與φ300 mm等量替代法全料擊實最大干密度差值在-0.02～0.07 g/cm3之間，最優(yōu)含水量總體上全料擊實低于等量替代法全料擊實，摻礫量小于60%時，替代法全料擊實最大干密度略低于全料擊實最大干密度，其差值小于2.5%，最優(yōu)含水量差值在1個百分點內(nèi);2 690 kJ/m3功能下，其規(guī)律與上述試驗成果基本一致。

從現(xiàn)場檢測的精度要求來看，對摻礫土料全料三點擊實法檢測土料壓實度時，以2 690 kJ/m3功能為控制標準，可采用φ300 mm等量替代法全料擊實試驗確定填土的最大干密度;以595 kJ/m3功能為控制標準時，采用φ300 mm等量替代法全料擊實試驗確定填土的最大干密度時，壓實度標準宜適當提高。

最終確定現(xiàn)場檢測采用試坑內(nèi)小于20 mm的細料用φ152 mm擊實儀進行三點快速擊實，功能為595 kJ/m3，細料壓實度應大于98%，試驗過程只需1 h，可滿足施工進度要求。每周用φ300 mm大型擊實儀等量替代法擊實試驗進行復核，每月用φ600 mm超大型擊實儀進行全料2 690 kJ/m3擊實功能95%壓實度的復核檢測?，F(xiàn)場含水率可按細料檢測，其合適范圍為最優(yōu)含水率的-3% ～+1%。

3.3.3 現(xiàn)場檢測結(jié)果

心墻摻礫土料在2009年4月29日前鋪層厚度為30 cm，以后調(diào)整為27 cm。30 cm厚填筑質(zhì)量檢測共150組，碾后顆分 ＞20 mm顆粒含量平均27.5%;碾后顆分＞5 mm顆粒含量平均36.7%;碾后顆分 ＜0.074 mm顆粒含量平均36.3%，細料壓實度平均99.2%，顆粒級配總體處于設計控制線。考慮到糯扎渡心墻堆石壩壩高261.5 m，心墻填筑質(zhì)量至關(guān)重要。為了提高一次合格率，決定鋪料厚度調(diào)整為27 cm，對填筑質(zhì)量檢測共計2 000組，碾壓顆分總體上與30 cm鋪層相當，細料壓實度平均達100.17%，含水量控制及壓實質(zhì)量良好。

3.3.4 復合試驗成果

大壩固定斷面每隔10 m層高，對各填筑料進行一次現(xiàn)場室內(nèi)物理力學試驗。心墻料干密度為1.90～2.02 g/cm3，平均含水率為9.1% ～14.3%，大于設計參考干密度1.90 g/cm3。固結(jié)試驗成果，飽和狀態(tài)下各斷面7組固結(jié)試驗平均壓縮模量為35.33～64.00 mPa，最大垂直壓力(5.0 mPa)下的軸向變形為5.9% ～11.8%。滲透試驗的系數(shù)i×10-6～i×10-7cm/s。

4 施工質(zhì)量實時監(jiān)控技術(shù)[4]

糯扎渡大壩填筑總量共3 365.7萬m3，其中心墻防滲料468.42萬m3，壩體斷面有8種壩料，12個分區(qū)，按施工規(guī)劃分Ⅸ期填筑，施工程序復雜，質(zhì)量要求高。

為解決常規(guī)質(zhì)量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放、難以實現(xiàn)對施工質(zhì)量精準控制的情況，華能瀾滄江水電有限公司會同天津大學、昆明勘測設計研究院，以產(chǎn)學研相結(jié)合的方法，融合水利水電工程科學、先進工程測量科學、電子與通信工程科學、計算機科學等多個交叉學科的先進理論和技術(shù)，深入研究高心墻堆石壩施工質(zhì)量實時監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，研究開發(fā)了一種具有實時、在線、自動、高精度等特點的高心墻堆石壩施工質(zhì)量監(jiān)控的新技術(shù)，以保證工程優(yōu)質(zhì)并長期安全運行。下面簡要介紹主要技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容。

4.1 填筑碾壓質(zhì)量GPS自動監(jiān)測與反饋控制

實時動態(tài)監(jiān)測碾壓機械運行軌跡，自動監(jiān)測記錄碾壓機械的行車速度、碾壓遍數(shù)、激振力、壓實厚度，通過GPS、GPRS和網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，將施工信息輸入現(xiàn)場分控站和控制中心。自主研發(fā)了碾壓過程信息實時自動采集PDA技術(shù)，當填筑過程鋪料厚度超過規(guī)定，或有漏碾、超速、激振力不達標時，PDA即報警提示施工管理人員和質(zhì)量監(jiān)理人員，以便及時糾偏。開發(fā)了碾壓過程實時監(jiān)控的高精度快速圖形算法，實時計算和顯示各項碾壓參數(shù)，為及時進行挖坑檢測提供依據(jù)，提高了一次檢測合格率。

據(jù)統(tǒng)計分析，2010年數(shù)字大壩系統(tǒng)共監(jiān)控堆石料碾壓8遍的合格率占98.6%，心墻料碾壓10遍的合格率為97.5%。GPS監(jiān)控的心墻壓實度均值為99.89%，三點快速擊實檢測平均壓實度為99.48%，兩者成果非常接近。

4.2 料場料源及上壩運輸實時監(jiān)控

糯扎渡大壩壩體斷面有8個壩料分區(qū)，分散于5個料場，每個料場與相應的堆石分區(qū)相匹配，為防止卸料錯誤，對上壩運輸車輛安裝車載GPS定位設備，從而可實現(xiàn)上壩運輸車輛從料場到壩面的全程監(jiān)控，依靠PDA信息采集技術(shù)，實現(xiàn)了料源與卸料分區(qū)的匹配性，以及上壩強度和道路行車密度的動態(tài)監(jiān)控，為確保上壩料的準確性和現(xiàn)場合理組織施工以及運輸車輛優(yōu)化調(diào)度提供了依據(jù)。

4.3 提出了網(wǎng)絡環(huán)境下數(shù)字大壩系統(tǒng)集成技術(shù)

建立了高心墻堆石壩數(shù)字大壩系統(tǒng)集成模型，構(gòu)建了基于施工實時監(jiān)控的數(shù)字大壩技術(shù)體系，提出了網(wǎng)絡環(huán)境下工程綜合信息可視化集成技術(shù)，解決了具有數(shù)據(jù)量大、類型多樣、實時性高等特點的工程動態(tài)信息集成的難題，實現(xiàn)了大壩建筑各種工程信息的綜合集成，為大壩施工驗收、安全鑒定及運行管理提供了支撐平臺，該系統(tǒng)共有10大功能模塊，集成質(zhì)量、安全、進度、地質(zhì)、灌漿及滲控工程等動態(tài)綜合信息，為工程決策與管理、大壩安全運行與健康診斷等提供全方位的信息支撐和分析平臺。

5 結(jié)語

糯扎渡高心墻堆石壩首次采用在天然土料中摻加35%的人工碎石，既滿足抗?jié)B要求，又提高了心墻土料的力學性能，并提出了簡單而有效的摻礫土心墻的填筑工藝。系統(tǒng)研究了摻礫土料質(zhì)量檢測方法，創(chuàng)新性地開發(fā)了φ600 mm超大型擊實儀進行全料擊實試驗，并與φ300 mm大型擊實儀等量替代法全料擊實試驗和φ152 mm細料擊實試驗結(jié)果進行對比，提出了施工質(zhì)量檢測以壓實度為控制指標，采用雙控法，即在現(xiàn)場對細料進行三點法快速擊實，在試驗室進行全料壓實度復核，既滿足了快速施工的要求，又提高了壓實度計算的準確度，為高心墻堆石壩質(zhì)量標準和質(zhì)量控制方法提供了依據(jù)。在大壩施工質(zhì)量控制中，首次采用GPS技術(shù)，對大壩填筑碾壓的各項參數(shù)進行全面、實時、在線、自動監(jiān)控和信息反饋，使施工質(zhì)量更加真實可靠，減少返工，為高心墻堆石壩施工質(zhì)量檢測提供了一條新途徑，實現(xiàn)了又好又快的建設目標。糯扎渡大壩2009年填筑820萬m3，2010年填筑1 153萬m3，平均月填筑強度82.2萬m3，平均月上升高度7.5 m，預計可提前一年發(fā)電，經(jīng)濟效益顯著。

糯扎渡大壩的創(chuàng)新性成果為我國將要建設的一批300 m級高心墻壩提供了寶貴經(jīng)驗，是我國大型水利水電工程質(zhì)量控制手段的重大創(chuàng)新。

[1]華能瀾滄江水電有限公司，等.糯扎渡高心墻壩壩料特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究課題研究報告[R].2006，5.

[2]Robert B Jansen.Earthfill Constiuction，Adranced Dams Engineering for Desing，constiuction，and Rhabilitation[R].1988.

[3]中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.心墻堆石壩摻礫土料壓實特性、壓實標準及填筑質(zhì)量檢測方法研究報告[R].2010，11.

[4]天津大學，等.高心墻堆石壩施工質(zhì)量實時監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)及工程應用研究報告[R].2010，4.