猴子巖水電站面板堆石壩堆石體變形控制措施

朱永國

(國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川 康定 626005)

0 引 言

猴子巖水電站壩址區(qū)河谷特別狹窄、河床覆蓋層深厚、地震烈度相對較高，面板堆石壩最大壩高223.5 m，壩頂長278.35 m，壩頂寬13.2 m。壩體自上游面至下游面大致分為輔助防滲鋪蓋區(qū)、混凝土面板、墊層料區(qū)、過渡料區(qū)、堆石料區(qū)、大塊石護(hù)坡、壩腳壓重區(qū)。猴子巖水電站面板堆石壩典型剖面見圖1。壩體上游壩坡坡比為1 ∶1.4，下游壩坡考慮壩后“之”字形道路的綜合坡比為1∶1.6。壩體填筑方量約963萬m3，其中上游鋪蓋填筑量約67萬m3。

猴子巖面板堆石壩于2013年6月開始大壩堆石體填筑，2014年11月～2015年1月完成一期面板混凝土施工，2015年12月大壩堆石體填筑施工完成，2016年5月、12月先后完成二期、三期面板混凝土施工，2016年11月15日大壩開始擋水，2017年11月18日壩前水位達(dá)到正常蓄水位1 842 m。

1 壩體堆石變形控制要求

猴子巖水電站面板堆石壩最大壩高223.5 m，為目前已建成同類壩型中的第二高壩。超高的壩高、較高的地震設(shè)防烈度均要求采取有效措施，控制大壩堆石體在面板施工后期的變形量值。在面板施工完成后，特別是在工程蓄水或大壩運(yùn)行階段，如果大壩堆石體的變形量稍大，則必然對大壩面板及其周邊縫、垂直縫等防滲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，存在安全隱患，也不利于大壩抗震的安全性能。河床深厚覆蓋層和特別狹窄河谷不利于壩體堆石變形控制，增加了工程處理的技術(shù)難度。特別是河谷特別狹窄，導(dǎo)致壩體堆石在填筑碾壓過程中存在拱效應(yīng)(特別是高壩拱效應(yīng)更為明顯)，使堆石體在施工期的沉降變形受到抑制，從而延長了堆石體的變形過程，也可能在大壩初期擋水期間發(fā)生較大變形而危及大壩安全。

圖1 猴子巖面板堆石壩典型剖面(單位：m)

對此，針對猴子巖水電站壩址區(qū)河谷特別狹窄、河床覆蓋層深厚、地震烈度相對較高等問題，采取有效措施，提高大壩堆石體填筑碾壓密實(shí)度，減小堆石體后期變形，是猴子巖水電站面板堆石壩大壩設(shè)計(jì)、施工與建設(shè)管理必須解決的主要技術(shù)問題。

2 大壩設(shè)計(jì)的變形控制措施

2.1 壩基覆蓋層開挖

為消除河床覆蓋層對大壩堆石體變形的不利影響，特別是考慮到河床覆蓋層第②層為粘質(zhì)粉土層，力學(xué)指標(biāo)低且可能液化，不能作為壩體基礎(chǔ)。因此，設(shè)計(jì)方案明確壩基范圍內(nèi)的河床第②層及其以上覆蓋層全部挖除，壩軸線上游區(qū)的河床覆蓋層全部挖除[1]。施工階段，根據(jù)實(shí)際開挖揭示的情況，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)檢測分析并經(jīng)設(shè)計(jì)單位復(fù)核同意，壩軸線上游右側(cè)保留一部分密實(shí)的河床第①層砂卵石層，作為大壩上游區(qū)的施工道路。

2.2 兩岸岸坡削坡整形

猴子巖水電站面板壩趾板區(qū)域基礎(chǔ)巖體總體上較為堅(jiān)硬、完整，未發(fā)現(xiàn)大的斷層或破碎帶。為有利于壩體變形控制，趾板及其外側(cè)邊坡遵循以下設(shè)計(jì)原則[2]：①趾板基礎(chǔ)坐落于堅(jiān)硬、完整的弱風(fēng)化至新鮮基巖上，對強(qiáng)卸荷巖體，采取加強(qiáng)固結(jié)灌漿進(jìn)行處理；②趾板線布置總體平順，為避免開挖量太大，中高程部位設(shè)置少量轉(zhuǎn)折點(diǎn)；③結(jié)合地形地質(zhì)條件，趾板采用“等寬窄趾板+防滲板”布置形式，防滲板及其下部20 m以內(nèi)的岸坡統(tǒng)一按照1∶0.5 的設(shè)計(jì)坡比進(jìn)行開挖整形； ④壩軸線上游區(qū)岸坡不允許存在倒懸體或反坡，否則需采取削坡或混凝土、漿砌石補(bǔ)坡進(jìn)行處理。

2.3 壩體分區(qū)與壩體填料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

對于堆石壩而言，控制堆石壩體變形的關(guān)鍵是要盡量提高堆石體的壓縮模量。堆石體的壓縮模量主要取決于堆石料的巖性(力學(xué)指標(biāo))和孔隙率，孔隙率越小，表明堆石料碾壓越密實(shí)，堆石體后期變形就越小。針對猴子巖水電站面板堆石壩河谷特別狹窄的特點(diǎn)，為有效應(yīng)對堆石體填筑施工過程中的拱效應(yīng)，控制壩體后期變形，在壩體分區(qū)與壩料設(shè)計(jì)上采取了以下工程技術(shù)措施：①大壩堆石體分區(qū)自上游至下游分別為墊層料、過渡料、堆石料，不設(shè)次堆石區(qū)，即壩體堆石區(qū)的設(shè)計(jì)指標(biāo)均按照主堆石區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)控制。②壩體各區(qū)填筑料均選用硬巖料，墊層料、過渡料和上游區(qū)堆石料均為變質(zhì)灰?guī)r料，下游區(qū)堆石料為流紋巖料。③經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，壩體各區(qū)填筑料采用較高的孔隙率設(shè)計(jì)控制指標(biāo)：墊層料、過渡料的設(shè)計(jì)孔隙率分別不大于17%、18%，灰?guī)r堆石料和流紋巖堆石料的設(shè)計(jì)孔隙率均不大于19%。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)針對過渡料、堆石料的級配要求較高。④兩岸壩坡2 m范圍鋪填過渡料，以避免岸坡部位出現(xiàn)大塊石集中影響壩體碾壓密實(shí)度。

3 施工過程中的變形控制措施

3.1 填筑碾壓設(shè)備與施工參數(shù)選擇

壩料填筑選用大噸位的碾壓設(shè)備，墊層料選用22 t振動碾，過渡料和堆石料均選用32 t振動碾，最大激振力達(dá)590 kN。針對邊角部位，配備必要的液壓夯板和5 t手扶式振動碾，以便進(jìn)行補(bǔ)充壓實(shí)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)成果，最終確定的壩體填筑碾壓施工參數(shù)見表1。相對而言，無論是振動碾的噸位、還是施工碾壓遍數(shù)，在國內(nèi)同類壩型中均是最高的。

表1 壩體填筑碾壓施工參數(shù)

3.2 填筑碾壓施工質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)控

為有效監(jiān)控大壩填筑碾壓施工質(zhì)量，專門委托天津大學(xué)開發(fā)GPS實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)用于大壩填筑碾壓施工，對鋪料厚度、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)、行走速度、激振力等參數(shù)實(shí)行全天候、全過程的有效監(jiān)控，鋪料厚度、碾壓軌跡、碾壓遍數(shù)的成果圖可作為驗(yàn)收依據(jù)。針對碾壓過程中的振動碾速度過快、激振力不達(dá)標(biāo)等異常情況，可以實(shí)時報(bào)警，反饋整改。

猴子巖水電站面板堆石壩填筑施工期間，引進(jìn)附加質(zhì)量法以實(shí)現(xiàn)快速檢測每一個填筑碾壓單元的堆石體密度與孔隙率是否滿足設(shè)計(jì)要求，對不合格的部位及時進(jìn)行補(bǔ)碾。同時，按照面板壩施工規(guī)范規(guī)定頻次，對堆石料碾壓質(zhì)量進(jìn)行挖坑檢測。針對碾壓施工質(zhì)量采取的多種實(shí)時監(jiān)控、檢測手段，有效保證了堆石料的填筑碾壓質(zhì)量受控。

3.3 壩體填筑高差與預(yù)沉降期

工程實(shí)例表明，面板堆石壩的壩體填筑應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)壩體全斷面整體、均衡上升，同時應(yīng)在面板混凝土施工前預(yù)留適當(dāng)?shù)念A(yù)沉降期。猴子巖水電站面板堆石壩填筑施工期間，總體上遵循“全斷面填筑、均衡上升”的原則。但為了兼顧大壩施工期擋水度汛和一期面板施工預(yù)沉降期的目標(biāo)要求，壩體高程1 810 m 以下堆石體填筑采取了臨時斷面，但壩體填筑高差不大于40 m。猴子巖水電站面板堆石壩的面板分三期施工，一、二、三期面板混凝土施工前，相應(yīng)部位的壩體堆石預(yù)沉降期分別為5、7、10個月。

4 堆石壩體變形控制效果

面板堆石壩蓄水后，2017年11月中旬達(dá)到正常蓄水位1 842 m。2018年1月初水庫水位開始消落，2018年4月中旬達(dá)到死水位1 802 m附近，2018年6月庫水位上升至汛期運(yùn)行控制水位1 835 m附近。根據(jù)壩體變形監(jiān)測資料，并與國內(nèi)同等規(guī)模面板壩對比分析，猴子巖水電站面板堆石壩體采取上述變形控制措施的效果不錯。

4.1 壩基沉降變形

截至2017年6月，壩基累計(jì)沉降量為21.1～98.5 mm，最大累計(jì)變形98.5 mm發(fā)生在樁號0+117.5斷面壩0+058處。其中，2015年12月之前(即壩體填筑碾壓施工期)壩基累計(jì)沉降量為4.6～97.7 mm。壩體填筑到高程1 845 m后，壩基沉降速率明顯減緩，沉降逐漸趨于平穩(wěn)，壩軸線附近及其下游側(cè)測點(diǎn)累計(jì)沉降量和沉降速率大于上游側(cè)，但沉降變形量值增加不大。蓄水期間，壩基沉降量在2.4 mm以內(nèi)，說明壩基沉降受蓄水影響微小，在壩體填筑施工已經(jīng)結(jié)束并趨于穩(wěn)定。

4.2 壩體沉降變形

總體而言，猴子巖水電站面板堆石壩壩體沉降符合土石壩沉降的一般規(guī)律：河床中間壩體沉降大，兩側(cè)壩體沉降??；壩軸線及其附近累計(jì)沉降量大，離壩軸線較遠(yuǎn)的壩體累計(jì)沉降小。沉降量大小與測點(diǎn)所處地形條件相關(guān)，測點(diǎn)上方填筑量越大，下方覆蓋層越厚，則沉降量越大。壩體填筑施工期間累計(jì)沉降量隨壩體填筑高程的上升而增加，2015年12月壩體填筑到高程1 845 m后，壩體累計(jì)沉降量雖有增加，但沉降速率明顯減緩。蓄水期間，受水壓影響，壩體上游測點(diǎn)，尤其是面板后墊層料內(nèi)測點(diǎn)的沉降量(包括水平位移)明顯大于壩軸線附近及下游測點(diǎn)。

截至2018年6月，壩體內(nèi)部累計(jì)沉降量最大值為1 283.6 mm(占壩高0.57%)，位于樁號K0+162.8監(jiān)測斷面以及高程1 775 m的壩軸線部位。其中，2015年12月前累計(jì)沉降量1 067 mm(占壩高0.48%)，2016年11月蓄水前累計(jì)沉降量1 190.3 mm(占壩高0.53%)，蓄水期間變化93.3 mm(月平均沉降量約5 mm)。蓄水期間，壩體內(nèi)部最大沉降量為259.8 mm，位于樁號K0+087.5監(jiān)測斷面以及高程1 805.86 m面板后墊層料內(nèi)。

壩體沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，猴子巖水電站面板堆石壩壩體沉降變形主要發(fā)生在填筑施工期。蓄水期間，壩體沉降變形量除直接承受水壓的壩體墊層料部位變形量明顯稍大外，壩體其他部位沉降變形量總體不大。

4.3 岸坡部位壩體不均勻沉降變形

根據(jù)國內(nèi)外面板堆石壩的建設(shè)實(shí)踐，高面板堆石壩在壩體填筑施工期間，如果兩岸岸坡陡峻，則壩體堆石會出現(xiàn)不均勻沉降，上游壩坡常會出現(xiàn)明顯的裂縫，裂縫寬度隨壩體沉降而持續(xù)發(fā)展，最大寬度達(dá)數(shù)厘米甚至超過10 cm[3]。猴子巖水電站面板堆石壩壩體填筑臨近結(jié)束時，左右岸岸坡部位上游壩坡高程1 780 m以上也出現(xiàn)了坡面裂縫，但寬度均小于1 cm且不連續(xù)，壩體填筑結(jié)束以后基本未再發(fā)展。

猴子巖水電站面板堆石壩沿周邊縫共布置16組三向測縫計(jì)。截至2018年6月，僅左岸周邊縫高程1 717～1 800 m的4組測點(diǎn)和右岸周邊縫高程1 750～1 810 m的3組測點(diǎn)外，其他部位測點(diǎn)變形量均小于10 mm，最大變形量均小于設(shè)計(jì)允許值的一半，目前已趨于穩(wěn)定。周邊縫累計(jì)最大張開量15.08 mm，累計(jì)最大錯動量23.36 mm，最大沉降量47.6 mm(垂直面板方向)。

4.4 面板與墊層料坡面脫空情況

根據(jù)國內(nèi)外面板堆石壩的建設(shè)實(shí)踐，高面板堆石壩施工期間，由于壩體堆石的沉降變形，特別是堆石體沉降變形的滯后性，一般在面板混凝土分期施工后幾個月內(nèi)，就會出現(xiàn)面板與壩體上游坡面較大范圍的脫空現(xiàn)象[3]。猴子巖水電站面板堆石壩在一、二、三期面板混凝土施工后，均預(yù)留3～5個月缺陷觀察期，重點(diǎn)是人工普查面板裂縫與面板脫空情況，采用物探檢測技術(shù)對面板脫空情況和面板裂縫深度進(jìn)行全面檢測。

無論是人工普查還是物探檢測，猴子巖水電站面板堆石壩一、二、三期面板均未發(fā)現(xiàn)與墊層料坡面出現(xiàn)明顯脫空現(xiàn)象。根據(jù)面板與墊層料之間的脫空測縫計(jì)監(jiān)測成果，大壩蓄水前，面板與墊層料間的累計(jì)最大脫空量值為0～5.2 mm；大壩蓄水后，受水壓影響，面板與墊層料呈擠壓狀態(tài)，兩者接觸良好。

5 結(jié) 語

猴子巖水電站狹窄河谷深厚覆蓋層超高混凝土面板堆石壩壩高223.5 m，河谷寬高比1∶1.25，是在典型的狹窄河谷、深厚覆蓋層上修建的超高面板堆石壩，通過采取有效的變形控制措施，大壩堆石體的變形控制取得較好效果，得出了以下結(jié)論：

(1)建設(shè)高面板堆石壩，應(yīng)盡量選用巖石強(qiáng)度高、彈性模量高的硬巖作為壩料。

(2)壩體分區(qū)與壩料設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持較高的碾壓設(shè)計(jì)指標(biāo)；兩岸壩坡2 m范圍鋪填過渡料，能有效避免岸坡部位大塊石集中，有助于岸坡部位壩體變形控制。

(3)隨著堆石壩施工碾壓設(shè)備與GPS實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)與功能上的不斷完善，包括質(zhì)量附加法等檢測技術(shù)的不斷進(jìn)步，堆石壩的填筑碾壓施工完全可以實(shí)現(xiàn)“全過程監(jiān)控、全單元檢測”，堆石體填筑碾壓質(zhì)量可控，取得較高的壓實(shí)密度。

(4)盡量選用大噸位碾壓施工設(shè)備和較多的碾壓遍數(shù)，能有效提高壩體堆石碾壓密實(shí)度，有助于壩體變形控制。

(5)為有效控制高面板堆石壩堆石體的后期變形，壩體填筑盡量全斷面整體上升，控制壩體填筑高差，面板施工前預(yù)留堆石體預(yù)沉降期是非常必要的。