糯扎渡水電站摻礫粘土心墻堆石壩質量控制關鍵技術

馬洪琪

（華能瀾滄江水電有限公司，云南 昆明 650214）

0 引言

糯扎渡水電站位于云南省普洱市瀾滄江中下游河段，樞紐工程由心墻堆石壩、岸邊溢洪道、泄洪隧洞、地下引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，開發(fā)任務以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運等綜合利用效益。糯扎渡水庫正常蓄水位812.00 m，總庫容237.03億m3，具有多年調節(jié)能力。電站總裝機容量5 850 MW（9×650 MW），多年平均年發(fā)電量239.12億kW·h，加入聯(lián)合補償調節(jié)后，可使云南省水電站群的電能質量得到顯著改善。

糯扎渡心墻堆石壩壩頂高程821.50 m，最低建基面高程560.00 m，最大壩高261.50 m，為目前國內在建的同類壩型中的最高壩[1]。壩體中央為直立心墻防滲體，心墻上下游坡度均為1∶0.2，采用摻礫粘土料分層碾壓填筑形成。壩體總填筑量約3 400萬m3，其中，摻礫粘土心墻防滲體填筑量達464萬m3。

目前，國內超過200 m的高心墻堆石壩設計和建設經驗較少，壩料特別是摻礫心墻防滲土料的性能及適應性、相應的摻礫及填筑施工工藝、壓實質量控制標準、質量監(jiān)控技術等是糯扎渡水電站心墻堆石壩工程建設面臨的關鍵技術問題。

1 土料特性

糯扎渡水電站心墻堆石壩防滲土料料場位于壩址右岸上游的農場土料場，自地表向下第一層為以紅褐-黃褐色粘土為主的坡積料，第二層為以T2m1-3構造殘積層為主的土狀和碎塊狀全風化料，第三層為以砂巖、泥巖、含礫粗砂巖為主的T2m1-3強風化料[2]。坡積層料主要為含砂高液限粘土，可采厚度0.6～2.5 m，液限大于50%、塑性指數大于27，大于5 mm的礫石含量僅占1%，小于0.075 mm細粒含量占71%。坡積層土料具有中等壓縮性，塑性和防滲性能較好，可作壩基接觸粘土料使用，但顆粒偏細不宜單獨開采用作高心墻壩的防滲土料，宜與下部的全、強風化料立采混勻后使用。

農場土料場混合料是取深度10 m范圍內的坡積層料和下部的全、強風化層料立采混合獲得的礫質土料。農場土料場全、強風化料和混合料的顆粒組成、抗剪強度、壓縮及防滲性能等物理力學參數均相差不大，小于0.075 mm細粒含量超過30%，滲透系數i×10-7，同屬中等壓縮性的礫質土，主要技術參數滿足防滲土料的基本要求，均可作高心墻壩的防滲土料用?；旌狭现写笥? mm的礫石含量占34%，壓縮系數0.16 MPa-1；全、強風化層料主要為粘土質砂、卵石混合土和粘土質礫，可采厚度3.5～21.6 m，大于5 mm的礫石含量占35%～37%。根據勘探成果，全風化層可見原巖的結構、構造，巖塊的濕抗壓強度一般低于2 MPa；強風化層巖層結構、構造清晰，巖質較軟，在重型壓實機械碾壓后，巖塊易破碎。全、強風化層厚度不均勻，且下部開采受地下水的影響，因此混合開采獲得的風化料質量難以保證[3]。

在1 470 kJ/m3擊實功能下，混合料擊實后大于5 mm的礫石含量平均值從34%降至13.9%，摻35%人工級配碎石獲得的摻礫土料擊實后其大于5 mm的礫石含量平均值為38.5%[3]，這表明混合料中的粗顆粒巖性較軟，易于破碎。混合料經重型壓實機械壓實后，細顆粒含量的增加對提高其防滲性能有利，但同時也削弱了粗顆粒的骨架作用，導致土體沉降變形偏大。

2 土料摻礫

礫質土料填筑形成的土石壩防滲體，當小于0.1 mm細料含量為30%～50%時，裂縫的自愈能力較強[4]；防滲體開裂時，土體中的粗顆?？筛纳屏芽p的形態(tài)，抑制裂縫的開展，減弱沿裂縫的滲流沖蝕，增強其抵抗?jié)B透破壞的能力。另一方面，從高心墻壩的筑壩經驗看，心墻防滲體應具備強度高、壓縮性低的特點，以縮小與壩殼間的變形差，有效降低壩殼堆石體對心墻的拱效應，改善心墻的應力應變狀態(tài)，減少心墻裂縫的發(fā)生幾率。試驗和計算分析表明，糯扎渡水電站261.5 m高的心墻堆石壩采用農場土料場天然土料填筑時，竣工后心墻區(qū)沉降量達2 957 mm，不能滿足 “壩體后期沉降量與壩高，之比小于1%”的規(guī)范要求。與其他高心墻堆石壩相比，糯扎渡農場土料場土料顆粒級配明顯偏細，即使開采并加入部分強風化料，經重型壓實機械碾壓后，其礫石含量也不會增加太多[3]，因此開展了在農場土料場混合料中摻加人工級配碎石的摻礫土料研究。

礫質土料中的礫石開始起骨架作用的含礫量P5I約為30%～40%，礫石含量小于P5I時，礫質土全料的干密度隨礫石含量成比例增加，細料可以得到充分壓實。同時，研究發(fā)現，糯扎渡農場土料場混合料摻礫35%后的土料抗變形和抗剪強度指標較混合料均有較大提高，在強度和變形性能以及細粒料的滲透穩(wěn)定性等方面均較優(yōu)，滲透系數i×10-6，并未因礫石含量增大而發(fā)生本質改變[3]，因此最終選定的摻礫比例為35% （質量比）。

土料摻礫的主要工序是：在土料摻和場將最大粒徑≤120 mm的人工級配碎石料攤鋪成厚約50 cm的碎石層→將農場土料場立采獲得的混合料裝運至摻合場并壓鋪在礫石層上 （鋪層厚度約110 cm）→攤鋪第二層厚度約50 cm的碎石層→壓鋪第二層厚度約110 cm的土層，如此循環(huán)攤鋪3個互層，形成堆高約5 m的土牛，然后采用4 m3正鏟立采，摻混相對均勻后裝車上壩。試坑和挖槽檢測結果表明，上述工藝獲得的摻礫土料礫石分布均勻，鋪層之間無顯見接縫，是一種簡單而有效的土料摻配工藝。

3 壓實質量控制及檢測

3.1 壓實質量控制指標選擇

對于粘性土料填筑體，工程實踐中通常根據擊實試驗成果，用統(tǒng)計得到的最大干密度平均值乘以設計規(guī)定的壓實度，得到填土壓實干密度的下限值作為控制指標，施工時若按此選擇碾壓參數，遇到壓實性能好的土料，可能出現干密度滿足要求而其壓實度不滿足要求的欠壓實現象；遇到壓實性能差的土料，則可能出現壓實度已滿足要求而其干密度不滿足要求、無論怎樣補碾干密度仍不能滿足要求的超壓實現象。工程界曾有過 “依賴提高擊實功能片面追求過高的壓實干密度”的深刻教訓[5]。

糯扎渡農場土料場的坡積料顆粒偏細，粘粒含量和天然含水率較高，在各種擊實功能下，其干密度相對較低、最優(yōu)含水率較高。從其他性能指標看，這種干密度較低的填土卻有足夠的防滲性、低壓縮性和必要的抗剪強度。同時，當干密度達到一定值之后，即使壓實功能繼續(xù)增大，干密度增加值相對較小，而且由于在高壓實功能下其最優(yōu)含水率較低導致飽和度相對增大，碾壓時發(fā)生剪切破壞的機率隨之增大。因此，糯扎渡水電站大壩墊層混凝土基礎和摻礫粘土心墻之間的高塑性接觸粘土層采用農場土料場的坡積料填筑，壓實度標準按 “595 kJ/m3擊實功能下壓實度不低于95%”控制，避免了 “依賴提高擊實功片面追求過高的壓實干密度”。

DL/T 5395—2007《碾壓式土石壩設計規(guī)范》規(guī)定[6]：粘性土的填筑碾壓標準應以壓實度和最優(yōu)含水率為設計控制指標，設計干密度以擊實試驗的最大干密度乘以壓實度求得。通常，粘性土料的最大干密度隨其壓實性能的不同而浮動，土料的設計干密度也應隨其壓實性能不同而浮動，壓實度作為填筑體壓實質量的設計控制指標為確定的值。另外，同一擊實功能下，同一種土料擊實試驗得到的最大干密度與最優(yōu)含水率存在對應關系，如檢測得到的填筑體壓實度滿足設計控制要求，其填筑含水率自然也能滿足設計要求，因此可僅以壓實度作為土料壓實質量設計控制指標，填筑含水率作為施工過程中的控制指標，設計可不做硬性要求。

3.2 壓實質量快速檢測

摻礫粘土心墻礫石最大粒徑達120 mm，現行規(guī)范要求檢測全料的壓實度，至少需用300 mm直徑的大型擊實儀，通常采用最大粒徑小于60 mm的替代料通過大型擊實試驗確定其最大干密度，試驗工作量大、時間長，加上現場壓實質量檢測頻次多，導致填筑體現場壓實質量檢測評定與施工進度產生矛盾。糯扎渡水電站心墻堆石壩施工填筑強度較高，急需研究一種可靠而便捷的壓實度檢測儀器并找到摻礫粘土心墻現場壓實質量的快速檢測評定方法。

原級配摻礫土料與其替代料的擊實特性有所不同。試驗研究表明，在2 690 kJ/m3擊實功能下，當礫石含量為0～30%時，糯扎渡摻礫土料原級配料的最大干密度略小于替代料的最大干密度；當礫石含量為40%～50%時，原級配料的最大干密度與替代料的最大干密度差異不大；當礫石含量為60%～100%時，原級配料的最大干密度則略大于替代料的最大干密度 （見圖1）。因此，礫石含量小于50%時，用300 mm直徑的大型擊實儀在2 690 kJ/m3擊實功能下通過替代料擊實試驗確定摻礫土料的最大干密度，進而對填筑體進行壓實質量控制是合適的[7]（標準略偏嚴）。

圖1 糯扎渡摻礫粘土心墻原級配料和替代料最大干密度對比

土體的防滲及抗?jié)B透變形特性主要取決于細顆粒的含量及性質，礫質土料中的細料填滿了粗料孔隙而且得到充分壓實后，在滲透水流的作用下不易產生滲透破壞。試驗研究表明，糯扎渡水電站摻礫粘土心墻的摻礫量為25%～45%、2 690 kJ/m3擊實功能下全料壓實度為95%時，現場挖坑填筑體中小于20 mm的細料在595 kJ/m3擊實功能下的平均壓實度為96.2%～98%。因此，為實現糯扎渡水電站摻礫粘土心墻現場壓實質量的快速檢測評定，按規(guī)程規(guī)范規(guī)定的頻次，現場取填筑體試坑中小于20 mm的細料，用直徑為152 mm的電動擊實儀通過三點擊實試驗檢測其壓實度，要求細料在595 kJ/m3擊實功能下壓實度≥96%，并且細料壓實度≥98%的保證率不低于90%。

糯扎渡水電站心墻堆石壩工程建設過程中，對于摻礫粘土心墻料，除了按規(guī)程規(guī)范規(guī)定的頻次現場取填筑體試坑中小于20 mm的細料進行壓實度檢測外，每周堅持用直徑為300 mm的大型擊實儀，取小于60 mm的替代料在2 690 kJ/m3擊實功能下開展大型擊實試驗，進行全料壓實度≥95%復核檢測。同時，研制了直徑為600 mm的超大型電動擊實儀，每月現場挖坑取填筑體全級配料開展在2 690 kJ/m3擊實功能下的超大型擊實試驗，對全料壓實度≥95%進行校核。

隨著新型大功率的碾壓施工設備不斷地投入應用，采用普氏擊實功能確定的填筑壓實標準，現場檢測得到的礫質土填筑體壓實度往往大于100%。由于糯扎渡摻礫粘土心墻防滲土料鋪層厚度按27 cm控制，采用20 t自行式振動凸塊碾進退錯距法碾壓10遍，激振力大于300 kN，行駛速度不大于3 km/h，砂質土料中的粗顆粒在大功率的現場碾壓施工設備作用下發(fā)生了破碎擠密現象，填筑體因此獲得了較高的密實度，故現場挖試坑檢測得到的小于20 mm細料在595 kJ/m3擊實功能下的壓實度大于100%的結果是正常的，也是可信的。

4 施工質量實時監(jiān)控

糯扎渡水電站心墻堆石壩壩體8種填筑料分12個區(qū)、Ⅸ期填筑，施工程序復雜，質量要求高。針對常規(guī)質量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放、難以實現對施工過程質量進行精準控制的問題，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等單位產學研相結合，融合水利水電工程、計算機及通信工程等多個交叉學科的先進理論和技術，研發(fā)建設了具有實時、在線、自動、高精度等特點的高心墻堆石壩施工質量監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)共有10個功能模塊，集成了質量、安全、進度、地質、灌漿及滲控工程等動態(tài)綜合信息，實時動態(tài)監(jiān)控碾壓機械的運行軌跡，自動監(jiān)測記錄碾壓機械的行車速度、碾壓遍數、激振力、壓實厚度，通過GPS、GPRS和網絡傳輸技術，將施工信息輸入現場分控站和控制中心，當填筑施工過程中鋪料厚度超過規(guī)定，或有漏碾、超速、激振力不達標時，PDA即報警提示有關管理人員，以便及時糾偏。

糯扎渡施工質量監(jiān)控系統(tǒng)解決了高心墻堆石壩施工具有數據量大、類型多樣、實時性高等特點的工程動態(tài)信息集成的難題，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[7]。

5 結語

糯扎渡水電站心墻堆石壩防洪標準高、水庫庫容大，加上樞紐區(qū)地震烈度較高，如何保證壩體特別是心墻防滲體的施工質量是維系工程安全的關鍵性工作。工程建設過程中，采用在天然土料中摻35%的人工級配碎石，并提出簡單而有效的摻配工藝；采用壓實度為摻礫粘土心墻壓實質量的設計控制指標，并研究制定嚴格的施工工法；針對碾壓施工機械的行駛軌跡、碾壓遍數、激振力、壩料的鋪層厚度等施工參數采用常規(guī)控制手段難以實現精準控制的問題，研究建設開發(fā)具有實時、在線、自動、高精度等特點的施工過程質量GPS監(jiān)控系統(tǒng)，最終保證了工程優(yōu)質并長期安全運行。

原位檢測成果表明[8]，心墻摻礫粘土料填筑體碾壓后大于20 mm顆粒含量在12.2%～43.6%之間，平均28.1%；大于5 mm顆粒含量在26.2%～52.5%之間，平均37.3%；小于0.074 mm顆粒含量在20.6%～49.1%之間，平均34.5%，是一種級配較優(yōu)的礫質防滲土料?，F場取填筑體試坑中小于20 mm的細料，采用三點擊實法進行壓實度檢測，在595 kJ/m3擊實功能下，其壓實度在96.4%～103.8%之間，平均99.4%； 填筑體滲透系數在 i×10-6～i×10-7cm/s 之間；平均壓縮模量為35.33～64.00 MPa，壓實度、滲透系數和抗剪強度等參數均滿足設計要求，大壩填筑施工質量控制良好。

［1］ 張宗亮，袁友仁，馮業(yè)林.糯扎渡水電站高心墻堆石壩關鍵技術研究［J］.水力發(fā)電， 2006（11）:5-8.

［2］ 宋加升，張四和.糯扎渡水電站心墻防滲土料工程地質特性研究［J］.水力發(fā)電， 2005（5）:35-36.

［3］ 馮業(yè)林，孫君實，劉強.糯扎渡心墻堆石壩防滲土料研究［J］.水力發(fā)電， 2005（5）:43-45.

［4］ 劉杰，繆良娟.風化料在魯布革土石壩防滲體中的應用［J］.水利水電技術， 1987（11）:2-7.

［5］ 侯峮.云南兩座高土石壩防滲料的技術突破回顧與思考［J］.四川水力發(fā)電， 2004（3）:62-68.

［6］ DL/T 5395—2007 碾壓式土石壩設計規(guī)范［S］.

［7］ 馬洪琪.糯扎渡高心墻堆石壩壩料特性研究及填筑質量檢測方法和實時監(jiān)控關鍵技術［J］.中國工程科學，2011（12）:9-14.

［8］ 張宗亮.糯扎渡心墻堆石壩防滲料的設計、研究與實踐［C］//高堆石壩筑壩與工程安全技術研討會論文集，2011.