復雜地質條件下高面板堆石壩工程質量控制措施研究

向景山

(江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

1 工程概況

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程295 m，壩頂寬10 m，壩高165 m(壩軸線處)，壩高在國內已建、在建水電工程同類壩型中排列第七，在抽水蓄能電站中位居第一，屬200 m級高面板堆石壩。主壩壩頂長1 113.198 m，上游面坡比1∶1.4，下游面綜合坡比1∶1.45，總填筑量約1 538萬m3。上水庫主壩填筑料源全部利用工程開挖料，以下水庫開挖的有用石料為主，輔以少量上水庫及輸水發(fā)電系統(tǒng)開挖的有用石料。

2 面板堆石壩工程質量控制難點

(1)壩基地形條件復雜，沿壩軸線方向呈“W”形，溝谷地形相對高差達30～50 m；沿垂直壩軸線方向，壩基以約17°傾向下游，上下高差約60 m，不均勻沉降變形問題突出。壩基不利地形對壩體的整體和局部變形都有較大影響，需在壩基開挖、壩體填筑等方面采取針對性措施。

(2)壩體填筑全部利用工程自身開挖料，主要采用下水庫開挖料，還有少量上水庫開挖料和輸水發(fā)電系統(tǒng)洞挖料。既有下水庫軟化系數(shù)大于0.64的下水庫弱風化晶屑凝灰?guī)r、安山斑巖及花崗斑巖等中硬巖，以及軟化系數(shù)較低的強風化晶屑凝灰?guī)r、安山斑巖、花崗斑巖等軟巖，又有上水庫強風化巖屑石英砂巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖，壩料性質復雜，須在壩料選擇、壩體分區(qū)、填筑要求等方面進行優(yōu)化設計，在料源環(huán)節(jié)加強管理，同時為節(jié)約工程投資，還需盡量做到挖填平衡。

(3)壩體填筑量大，填筑強度高。上水庫主壩高165 m(壩軸線處)，壩體填筑量約1 538萬m3，月填筑強度達100萬m3，須在施工過程中保證填筑質量，并預留足夠的施工沉降期，方可有效控制壩體變形。

3 面板堆石壩工程質量控制措施

3.1 壩基開挖和處理

上水庫主壩壩基為兩溝一山脊“W”地形，且溝和山脊均以約17°傾向下游，對壩體穩(wěn)定和不均勻變形很不利。對壩基地形進行改造的措施包括：①對中部山梁凸起部位進行削坡開挖，形成185 m高程平臺，減少壩體在平行壩軸線方向的不均勻沉降。②結合壩基開挖，對中部山梁陡峻基巖坡面進行臺階開挖，在170 m高程形成寬10 m平臺，減少堆石體沿基巖面的下滑力。

3.2 壩體分區(qū)

上水庫主壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩軸線中間為直線段、兩端為弧線方式布置，全長1 113.198 m。壩頂高程295 m，壩頂寬10 m，高165 m(壩軸線處)，上游面坡比1∶1.4，下游面綜合坡比1∶1.45。

施工階段，設計方根據(jù)料源情況、現(xiàn)場碾壓試驗、壩體應力變形計算等資料對壩體分區(qū)進行了優(yōu)化，壩體從上游至下游分墊層區(qū)、過渡區(qū)、排水區(qū)、頂部增模區(qū)、主堆石區(qū)、下游堆石區(qū)(干燥區(qū))、底部增模區(qū)、反濾區(qū)(厚1.6 m)、壩后混凝土網格梁及梁內覆土綠化。

通過合理設置增模區(qū)，調整主次堆石區(qū)范圍，減小了“W”地形和斜坡地形對主壩堆石體不均勻變形的影響。

3.3 壩料要求及填筑碾壓指標

上水庫主壩填筑料源全部利用工程開挖料，以下水庫開挖的有用石料為主，輔以少量上水庫及輸水發(fā)電系統(tǒng)開挖的有用石料。在上水庫主壩各填筑區(qū)進行填筑碾壓施工前，施工方均按設計要求進行了生產性碾壓試驗，設計方根據(jù)生產性碾壓試驗成果，最終確定上水庫主壩各區(qū)填筑碾壓參數(shù)。主要控制參數(shù)有滲透系數(shù)、空隙率、壓實層厚、粒徑<5 mm含量、碾壓遍數(shù)等。

3.4 料源管理

要保證上水庫主壩填筑質量，最基本前提是要保證堆石壩料源質量滿足設計要求。如前所述，作為工程上水庫主壩填筑主要料源點，下水庫開挖料巖石風化程度不一，且夾雜巖脈較多，挑揀難度大，如直接上壩肯定會影響大壩填筑施工質量，如直接棄掉則會造成浪費，導致大壩填筑料源不足，料源管理難度較大。針對此工程難點，江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司(以下簡稱“溧電公司”)帶領設計、監(jiān)理、施工三方多次深入現(xiàn)場查看下水庫開挖料情況，多次開會討論解決方案，通過在現(xiàn)場實踐中不斷完善，最終采取以下措施：

(1)施工方在爆破前盡可能清除開挖掌子面巖脈、蝕變帶及頂部浮渣，保證爆破后盡可能少混入無用料。

(2)施工方成立料源管理隊，主要職責是根據(jù)料源情況確定開挖料去向，指揮開挖掌子面裝車，保證可用料和棄料分類裝車運至各自目的地，并安排人員利用數(shù)字大壩系統(tǒng)對運輸車輛進行全程監(jiān)控。

(3)業(yè)主、監(jiān)理、施工三方每天開展日常料源管理活動，設計方每周參加1～2次，活動的主要內容包括鑒別有用料、檢查料源質量、裝運方法等，及時指出現(xiàn)場存在的問題。

(4)要求施工方對現(xiàn)場人員進行合理調度，在料源復雜處安排技術較好的挖掘機司機，將有用料和棄料盡量分選。

(5)上水庫主壩填筑區(qū)監(jiān)理人員及施工人員隨時檢查上壩料質量，發(fā)現(xiàn)不合格料立即指揮車輛運走，并告知下水庫監(jiān)理及施工人員。

(6)施工方每天巡視棄渣場，發(fā)現(xiàn)有用料立即安排車輛轉運至主壩。

采取以上措施后，上水庫主壩填筑料源質量得到了有效管控，基本實現(xiàn)了有用料全部上壩、無用強風化料及巖脈棄除，既保證了料源質量，又使下水庫開挖料得到了最大程度利用，實現(xiàn)了上水庫主壩填筑料源挖填平衡。

3.5 數(shù)字大壩系統(tǒng)

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩填筑工程量大，施工條件復雜，如果仍然采用常規(guī)的依靠人工現(xiàn)場控制碾壓參數(shù)的方法來控制填筑施工質量，很難達到高堆石壩施工質量控制要求。針對該問題，溧電公司經咨詢水電行業(yè)的院士及專家，決定采用已經使用成熟且技術先進的堆石壩施工質量實時控制技術(該項技術由天津大學、華能瀾滄江水電股份有限公司、中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司等單位共同完成)，委托天津大學負責研發(fā)建立堆石壩施工質量實時控制系統(tǒng)(數(shù)字大壩系統(tǒng))，根據(jù)工程實際情況，采用堆石壩施工質量實時控制技術中的4項子技術：①堆石壩填筑碾壓質量實時監(jiān)控技術；②壩料上壩運輸過程實時監(jiān)控技術；③堆石壩施工信息PDA采集與調度技術；④“數(shù)字大壩”綜合信息集成技術。這是堆石壩施工質量實時控制技術在國內也是在世界范圍內，第六次應用于水電工程建設，第二次應用于面板堆石壩工程建設，首次應用于抽水蓄能電站工程建設。

大壩填筑碾壓過程實時監(jiān)控系統(tǒng)保證了倉面碾壓遍數(shù)均符合“碾壓標準遍數(shù)及以上區(qū)域面積比率不低于90%，標準遍數(shù)減兩遍及以上區(qū)域面積比率不低于95%，且無明顯的欠碾、漏碾?yún)^(qū)域”的控制準則，振動碾4 km/h以下速度比例達到98.40%，大壩各填筑區(qū)每填筑層平均壓實厚度均控制在設計厚度的±10%以內。上壩運輸過程實時監(jiān)控系統(tǒng)保證了運輸車輛在壩面正確卸料比例達到98.57%?！皵?shù)字大壩”綜合信息集成系統(tǒng)實現(xiàn)了對施工過程中涉及的壩面碾壓質量監(jiān)控信息、料場料源及運輸上壩監(jiān)控信息、安全監(jiān)測信息等海量信息的三維可視化集成和高效管理，為大壩安全運行與健康診斷提供了信息支撐。

通過在電站上水庫主壩使用數(shù)字大壩系統(tǒng)，實現(xiàn)了壩料從運輸?shù)缴蠅翁钪澳雺喝^程、全天候、實時在線監(jiān)測與控制，確保了大壩填筑碾壓施工過程始終處于真實受控狀態(tài)，為上水庫主壩工程建設實現(xiàn)高標準質量控制提供了強有力的技術保障。

3.6 施工程序及后續(xù)安排

上水庫主壩按全斷面平齊進行各填筑區(qū)土石方填筑施工，填筑施工完成后預留合理的沉降時間，盡量減少壩體后期沉降。主壩面板混凝土須在壩體填筑完成后沉降不少于6個月、壩體沉降速率不大于5 mm/月后才能施工。

4 試驗檢測情況

大壩填筑過程中，各填筑區(qū)現(xiàn)場檢驗試驗工作及時跟進?，F(xiàn)場檢驗試驗成果顯示，各區(qū)料干密度、孔隙率、滲透系數(shù)、粒徑<5 mm的含量等主控參數(shù)均滿足設計要求，一次試驗合格率均達90%以上。對于一次試驗不合格的試坑，采取挖除不合格料、補碾等技術措施后重新進行現(xiàn)場檢驗試驗，直至試驗結果滿足設計要求。檢驗試驗結果說明，上水庫主壩填筑碾壓指標合理，填筑碾壓施工質量處于受控狀態(tài)，也說明上述針對上水庫主壩填筑采取的質量控制措施是有效的。

5 大壩實際沉降及后續(xù)施工情況

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩于2011年6月15日開始進行填筑施工，2014年3月17日全部填筑完成。填筑過程中，沉降及變形監(jiān)測及時跟進。根據(jù)監(jiān)測資料顯示，上水庫主壩在填筑過程中及填筑完畢后，其沉降速率一直較均衡。2014年9月下旬，主壩沉降超過6個月，同時根據(jù)監(jiān)測資料顯示，主壩沉降速率滿足設計要求(<5 mm/月)，具備面板混凝土施工條件。2014年10月3日，第1塊主壩面板混凝土入倉澆筑；2015年1月9日，主壩面板混凝土施工完成，滿足工程施工總進度計劃要求，為上水庫主壩后續(xù)施工及按期蓄水創(chuàng)造了有利條件。

6 結 語

溧陽抽水蓄能電站上水庫主壩土石方填筑工程量大，壩址地形條件較復雜，下水庫地質條件較復雜，作為主壩填筑料源，其開采及挑揀難度較大，導致上水庫主壩土石方填筑質量控制難度較大。設計方中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司對主壩壩基進行了合理的開挖設計，根據(jù)生產性碾壓試驗結果，確定了合理的填筑碾壓指標體系，提出了能有效控制土石方填筑質量的設計方案；溧電公司通過組織日常料源管理活動，保證了填筑料源質量；通過采用天津大學研發(fā)的數(shù)字大壩系統(tǒng)，使主壩土石方填筑過程始終處于受控狀態(tài)，填筑結束并經過充分沉降后才開始施工主壩面板混凝土。以上措施最終保證了上水庫主壩土石方填筑質量，有效控制了壩體變形，為后續(xù)施工創(chuàng)造了有利條件，為上水庫按期蓄水奠定了堅實基礎，也為國內復雜地質條件下高面板堆石壩工程建設積累了寶貴經驗。