擠壓邊墻快速施工技術(shù)在高面板堆石壩中的應(yīng)用研究

馮友文，譚其志，劉少東

（1.中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004；2.貴州省水利投資（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081）

混凝土面板堆石壩在面板澆筑前，壩體上游墊層料不具備直接擋水與抗沖刷能力。若突遇強(qiáng)降雨，極易造成壩前墊層料沖刷破壞或崩塌變形，特別對(duì)在施工期有擋水度汛要求的壩體而言，對(duì)壩前防護(hù)要求更高。

以往多數(shù)面板堆石壩采取“斜坡碾+砂漿固坡”方式進(jìn)行壩前防護(hù)，但砂漿固坡存在諸多不足。需定期暫停壩體填筑且需人工方式進(jìn)行斜面削坡和斜坡碾壓處理，安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工干擾大且成本高，影響直線工期。為此，借鑒道路工程道沿機(jī)的擠壓滑模原理，利用1999年巴西埃塔壩（ITA）工程中推出的擠壓式混凝土邊墻技術(shù)解決上述砂漿固坡不足的問題。

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡(jiǎn)稱“夾巖工程”）位于貴州省畢節(jié)市境內(nèi)烏江支流六沖河上，由水源樞紐工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程三大部分組成。其中，水源工程混凝土面板堆石壩自上游至下游依次由混凝土面板、墊層區(qū)、過渡區(qū)、主堆石區(qū)和次堆石區(qū)等結(jié)構(gòu)組成。壩頂高程1 328.0 m，最大壩高154.0 m，上游壩坡1∶1.4，大壩總填筑方量約473.21萬m3，電站裝機(jī)容量為90 MW（3×30 MW）。

大壩上游坡面采用擠壓邊墻方式固坡，其斷面為直角梯形，每層高40 cm，頂寬10 cm，底寬66 cm，上游迎水面坡比為1∶1.4，下游背水面為鉛垂面，擠壓邊墻混凝土為一級(jí)配干硬性C5混凝土，總方量約1.224萬m3。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 夾巖混凝土面板堆石壩擠壓邊墻結(jié)構(gòu)（單位：mm）

2 擠壓邊墻現(xiàn)有技術(shù)存在的問題

雖然擠壓邊墻與砂漿固坡相比具有較大的優(yōu)越性，但仍存在一些亟待解決或改進(jìn)的技術(shù)問題。

（1）縮短擠壓邊墻施工與墊層料鋪筑之間的間隔時(shí)長(zhǎng)問題。間隔時(shí)間過長(zhǎng)不利于面板壩快速施工。

（2）擠壓邊墻附近墊層料碾壓質(zhì)量問題。因擠壓邊墻是在同層墊層料鋪筑前完成施工，既要確保墊層料碾壓質(zhì)量，又不能對(duì)擠壓邊墻造成破壞或變形，施工中存在一定困難。

（3）擠壓邊墻難以與壩體沉降同步協(xié)調(diào)變形的問題。當(dāng)壩體施工期沉降變形時(shí)，因擠壓邊墻受自身混凝土剛性約束會(huì)產(chǎn)生一定的拱效應(yīng)，使擠壓邊墻與壩體墊層料之間無法協(xié)調(diào)變形而產(chǎn)生局部脫空現(xiàn)象，在面板澆筑特別是蓄水后，混凝土面板會(huì)因前期擠壓邊墻脫空而急劇變形產(chǎn)生裂縫。

3 面板堆石壩擠壓邊墻試驗(yàn)研究

3.1 配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

為解決或改進(jìn)上述技術(shù)問題，在夾巖面板堆石壩擠壓邊墻施工前進(jìn)行了配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究，要求擠壓邊墻混凝土不僅要具備快速施工特性，還應(yīng)具備與壩體墊層料相接近的半透水性能和協(xié)調(diào)變形能力，通過優(yōu)化調(diào)整配合比中的膠凝材料比例及摻入速凝劑的方式達(dá)到上述目的［1］?？傮w按滿足“零坍落度、低抗壓強(qiáng)度、低彈性模量及半透水性”的特性進(jìn)行了5種配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，具體見表1。

3.2 工藝性試驗(yàn)與最佳配合比選定

3.2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

根據(jù)上述各配合比混凝土設(shè)置的試驗(yàn)條件分別進(jìn)行生產(chǎn)性工藝試驗(yàn)，通過對(duì)其凝固時(shí)間、對(duì)擠壓邊墻機(jī)行走速度的適應(yīng)性以及在墊層料碾壓過程中是否存在位移、開裂及崩塌等現(xiàn)象展開試驗(yàn)研究，并根據(jù)相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度、密度、彈性模量及滲透系數(shù)等進(jìn)行綜合對(duì)比分析，從中選出最優(yōu)配合比。進(jìn)而確定在最優(yōu)配合比條件下擠壓邊墻機(jī)的最佳（最快）行走速度、擠壓邊墻混凝土與墊層料鋪填的最佳（最短）間隔時(shí)間及對(duì)不同碾壓機(jī)具的適應(yīng)性來配置的最佳碾壓機(jī)具。同時(shí)，尋找達(dá)到最佳質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)條件下的擠壓邊墻混凝土標(biāo)準(zhǔn)化施工工藝流程，以提高擠壓邊墻實(shí)體質(zhì)量和施工效率。

3.2.2 試驗(yàn)方案

（1）不同配合比適應(yīng)性試驗(yàn)方案。該工程擠壓邊墻工藝性試驗(yàn)按5種配合比分2層先后進(jìn)行，試驗(yàn)場(chǎng)地為28 m×10 m（長(zhǎng)×寬），其中墊層料鋪筑為28 m×5 m（長(zhǎng)×寬）。第一層分A、B兩段，每段長(zhǎng)度14.0 m，對(duì)應(yīng)A、B兩種配合比，擠壓邊墻機(jī)行進(jìn)速度為15 m/h。第一層工藝性試驗(yàn)完成后，再進(jìn)行第二層試驗(yàn)，第二層共分C、D、E三段，每段長(zhǎng)度分別為9.0，9.0，10.0 m，分別對(duì)應(yīng)C、D、E 三種配合比，擠壓邊墻機(jī)行進(jìn)速度為27.6 m/h，試驗(yàn)方案見圖2。

（2）墊層料鋪筑與碾壓試驗(yàn)方案。每層擠壓邊墻完成1 h后開始采取后退法鋪筑寬5.0 m、厚44 cm的墊層料，并整平后灑水（含水量控制5%），在擠壓邊墻完成3 h后開始?jí)|層料碾壓。采用“先大碾后小碾”法，即先用26t SSR260C-6振動(dòng)碾在距擠壓邊墻邊線80 cm以外區(qū)域?qū)、B兩段進(jìn)行連續(xù)振動(dòng)碾壓6遍，并在碾壓過程中，將碾輪外輪廓線漸進(jìn)式向擠壓邊墻靠近。當(dāng)碾輪外輪廓線距擠壓邊墻內(nèi)邊線約70 cm時(shí)，成型的擠壓邊墻混凝土出現(xiàn)位移、開裂及坍塌等現(xiàn)象，故26 t大型振動(dòng)碾與擠壓邊墻混凝土頂面內(nèi)邊線按不小于80cm進(jìn)行控制。待上述80 cm以外區(qū)域碾壓完成后，再采用SVH-700C小型振動(dòng)碾對(duì)80 cm以內(nèi)區(qū)域連續(xù)振動(dòng)碾壓8遍，并確保小型振動(dòng)碾輪邊線距擠壓邊墻內(nèi)邊線5～10 cm，避免碾輪直接碾壓擠壓邊墻混凝土造成破壞。在小型振動(dòng)碾碾壓過程中均未出現(xiàn)擠壓邊墻混凝土位移、開裂及坍塌等破壞現(xiàn)象。大小振動(dòng)碾行進(jìn)速度均控制在2～3 km/h［2］。經(jīng)振后挖坑試驗(yàn)檢測(cè)，大小振動(dòng)碾碾壓范圍內(nèi)墊層料干密度、孔隙率均滿足設(shè)計(jì)要求。墊層料碾壓試驗(yàn)方案見圖3。

表1 夾巖面板堆石壩擠壓邊墻混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2 擠壓邊墻不同配合比工藝性試驗(yàn)方案示意（單位：cm）

圖3 墊層料碾壓試驗(yàn)方案示意（單位：mm）

3.2.3 配合比適應(yīng)性分析與最佳配合比選定

該次擠壓邊墻共進(jìn)行了5種配合比適應(yīng)性工藝試驗(yàn)，其試驗(yàn)成果及適應(yīng)性情況見表2。

綜合上述試驗(yàn)成果及適應(yīng)性分析，配合比E效果最優(yōu)，因此選定配合比E為實(shí)際施工配合比。

4 擠壓邊墻與壩體協(xié)調(diào)變形能力分析

為研究最佳配合比條件下的擠壓邊墻與壩體變形協(xié)調(diào)能力，通過擠壓邊墻上游面埋設(shè)臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)及一期面板澆筑前壩體臨時(shí)斷面頂部設(shè)置臨時(shí)位移觀測(cè)墩，分別分析位移觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過壩體內(nèi)部埋設(shè)的水管式沉降儀與引張線水平位移計(jì)等永久監(jiān)測(cè)裝置，復(fù)核和驗(yàn)證上述數(shù)據(jù)的可靠性和關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而分析和判斷擠壓邊墻與壩體之間的變形協(xié)調(diào)能力，變形監(jiān)測(cè)方案見圖4。

4.1 擠壓邊墻上游坡面臨時(shí)位移觀測(cè)

為分析和觀測(cè)最佳配合比條件下的擠壓邊墻是否與壩體沉降協(xié)調(diào)一致，在一期面板（高程1 174～1 254 m）澆筑前的擠壓邊墻施工過程中，在其上游坡面上，沿高程方向每隔10 m設(shè)置1排，且同一排沿左右方向每隔20 m設(shè)置一個(gè)，共設(shè)置8排38個(gè)表面位移觀測(cè)點(diǎn)。每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均在相應(yīng)高程的擠壓邊墻完成后1～3 d內(nèi)埋設(shè)并同時(shí)取得初始值，再按1次/10 d的頻次進(jìn)行監(jiān)測(cè)。自2018年7月23日取得初始值，至11月20日未期觀測(cè)值，對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，其水平位移值介于-87（向上游）～22 mm（向下游）之間，沉降量介于9～48 mm之間。

4.2 大壩臨時(shí)斷面頂部位移觀測(cè)

在一期面板澆筑前大壩填筑至目標(biāo)高程1 266 m后，2018年11月6日在臨時(shí)斷面頂部靠近擠壓邊墻處設(shè)置1排5個(gè)臨時(shí)位移觀測(cè)墩，并于7 d內(nèi)取得初始值，后按1次/7 d的頻次進(jìn)行觀測(cè)。由于觀測(cè)時(shí)間晚、周期短且因準(zhǔn)備一期面板澆筑而暫停壩體填筑施工，僅取得第一期觀測(cè)數(shù)據(jù)，各測(cè)點(diǎn)當(dāng)前沉降量很小，為0.50～1.76 mm。

4.3 大壩內(nèi)部永久位移觀測(cè)

（1）水管式沉降儀。在填筑過程中，分別在壩體內(nèi)部高程1 218 m、高程1 235 m處共埋設(shè)18支水管式沉降儀，并按1次/周實(shí)施觀測(cè)。2018年10月18日至11月21日，大壩高程1 218 m堆石體沉降量32.12～119.12 mm，大壩高程12 35 m堆石體沉降量22.23～86.23 mm。

（2）引張線水平位移計(jì)。在大壩1 218 m及高程1 235 m各布置4支共計(jì)8支引張線水平位移計(jì)，按1次/周實(shí)施監(jiān)測(cè)。自2018年10月18日至11月21日，大壩1218m高程堆石體水平位移量-3.71～40.03mm；1 235 m高程堆石體水平位移量1.43～28.43 mm。

圖4 擠壓邊墻與壩體變形協(xié)調(diào)監(jiān)測(cè)方案示意

4.4 小結(jié)

由于上述各類觀測(cè)受不同監(jiān)測(cè)方式、監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)、監(jiān)測(cè)周期與監(jiān)測(cè)部位的影響，無法從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的絕對(duì)值來直接判斷擠壓邊墻與壩體變形協(xié)調(diào)能力。但從各種監(jiān)測(cè)方式的多期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，擠壓邊墻的變形規(guī)律與其他監(jiān)測(cè)方式卻保持高度一致：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)受填筑初期鋪筑與碾壓影響向上游位移，隨前大壩填筑面的上升和沉降量的增加又呈逐漸回歸向下游位移的規(guī)律性變化，沉降量也隨監(jiān)測(cè)高程的抬高和時(shí)間的推移呈逐漸增加趨勢(shì)，且均無異?，F(xiàn)象發(fā)生。與類似工程相比，夾巖工程變形量較少，情況良好，充分表明該工程擠壓邊墻混凝土具有與壩體沉降協(xié)調(diào)一致的良好變形能力。

5 擠壓邊墻適應(yīng)性分析

該次擠壓邊墻工藝性試驗(yàn)，墊層料鋪厚44 cm，距擠壓邊墻80 cm以外區(qū)域26 t振動(dòng)碾碾壓6遍，墊層料干容重為2.280 g/cm3，孔隙率為16.2%，滲透系數(shù)3.3×10-3cm/s；同樣，在距擠壓邊墻80 cm以內(nèi)區(qū)域小型振動(dòng)碾SVH-700C碾壓10遍，墊層料干密度為2.280 g/cm3，孔隙率為16.3%，滲透系數(shù)為9.8×10-4cm/s；試驗(yàn)結(jié)果均滿足或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

6 現(xiàn)場(chǎng)快速施工改進(jìn)措施及實(shí)施效果

為確保擠壓邊墻適應(yīng)高面板壩快速施工特點(diǎn)，除做好擠壓邊墻混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、最佳鋪料與碾壓方式及碾壓機(jī)具的選擇外，在夾巖面板堆石壩填筑及擠壓邊墻實(shí)際施工過程中，還采取了以下改進(jìn)措施。

（1）改進(jìn)擠壓邊墻混凝土運(yùn)輸與入倉方式。該工程采取3.0 m3小型農(nóng)用車運(yùn)輸，并提前卸料至擠壓邊墻沿線附近的大壩壩面上，在擠壓邊墻施工時(shí)，再采取0.9（或0.5）m3小型裝載機(jī)喂料。與以往類似工程多數(shù)采取小型農(nóng)用車運(yùn)輸、人工喂料相比，該工程大大提高了施工效力，并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度與施工成本。

（2）靈活調(diào)整初凝時(shí)間。該工程擠壓邊墻混凝土按夏季高溫施工時(shí)不摻速凝劑情況下初凝時(shí)間約2 h控制；冬季低溫施工時(shí)，通過靈活摻配液態(tài)速凝劑控制初凝時(shí)間，達(dá)到快速施工的目的。

通過擠壓邊墻混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、與壩體變形協(xié)調(diào)能力適應(yīng)性分析與研究，以及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝改進(jìn)措施，2018年4月21日至11月4日，夾巖工程面板堆石壩擠壓邊墻共計(jì)完成高程1 174～1 266 m（一期面板澆筑前大壩填筑高程）擠壓邊墻混凝土230層、方量4 491.23 m3，填筑高度92 m。且經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，一期面板澆筑前近1.5萬m2的擠壓邊墻上游表面不平整度均未超出±2 cm，并實(shí)現(xiàn)了1 h后開始鋪筑墊層料、3 h后開始?jí)|層料碾壓，行走速度達(dá)50 m/h，達(dá)到了高面板堆石壩擠壓邊墻快速施工目的。

7 結(jié)語

高面板堆石壩擠壓邊墻施工時(shí)，要充分考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件、壩體填筑強(qiáng)度及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝方法等，通過摻粉煤灰以調(diào)整水泥等膠凝材料比例、摻速凝劑以調(diào)整初凝時(shí)間等方式，優(yōu)化設(shè)計(jì)出“零坍落度、低抗壓強(qiáng)度、低彈性模量及半透水性”的最優(yōu)配合比，以達(dá)到快速施工和適應(yīng)高面板堆石壩協(xié)調(diào)變形能力的目的。