阿爾塔什混凝土面板堆石壩施工新技術的應用與成果

劉 勇 軍， 張 正 勇， 唐 德 勝， 馮 俊 淮

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐是塔里木河主要源流之一的葉爾羌河流域內最大的控制性山區(qū)水庫工程。其樞紐攔河大壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂寬12 m，壩長795 m。上游主堆石區(qū)采用砂礫石料，壩坡坡度為1∶1.7。下游次堆石區(qū)為爆破料，壩坡坡度為1∶1.6。壩體設計填筑方量為2 494.3萬m3，面板混凝土強度等級為C30，抗凍等級為F300，抗?jié)B等級為W12。阿爾塔什混凝土面板砂礫石堆石壩壩基覆蓋層最大深度為94 m，壩體高度為164.8 m，壩基與壩體復合總高度為258.8 m，為目前在建或已建面板壩中覆蓋層最深的壩。

2 施工特點

阿爾塔什面板壩施工特點為：工程位于新疆塔里木盆地西部，地處歐亞大陸腹地，呈典型的大陸性氣候。地區(qū)水文氣象資料顯示：每年12月至次年2月平均氣溫均在0 ℃以下。而庫區(qū)河流——葉爾羌河也由于其獨特的補給特性(主要補給源為冰川消融)造成其徑流量年內變化十分劇烈，每年7、8、9月三個月的水量占葉爾羌河全年水量的60%以上，為河流主汛期。結合上述水文氣象條件，工程每年正常施工時間僅為6個月。根據(jù)設計文件，阿爾塔什大壩壩體填筑設計指標均按規(guī)范上限控制，因此，對碾壓機具、參數(shù)控制等方面有較高要求。按照《面板堆石壩施工規(guī)范》(SL49-2015) “A.3 壩體填筑”中的相關要求，壩料壓實質量檢測頻次較老規(guī)范有所增加。

以上施工特點均對大壩填筑施工質量控制和試驗檢測手段提出了更高的要求。為此，中國水電五局在施工過程中對質量檢測、施工管理、施工技術等方面進行了新技術、新工藝的引進、研發(fā)并取得了良好的應用效果。

3 施工新技術的應用

3.1 穿心式千斤頂爬升技術

在傳統(tǒng)面板混凝土澆筑過程中，滑模主要采用布置在壩頂?shù)木頁P機牽引，工人提升滑模時采用倉面有線遙控或壩頂專人操作，由此會產(chǎn)生卷揚機停止不及時或卷揚機制動慣性造成滑模提升過多而造成混凝土空腔，進而影響到混凝土澆筑施工質量。為解決以上問題，在阿爾塔什一期面板混凝土澆筑時采用了穿心式千斤頂爬升技術。其工作時主要通過布置在滑模兩端的穿心式千斤頂前、后夾持器交替松、緊和油缸伸、縮實現(xiàn)對滑模的向上牽引。

采用該技術與卷揚機牽引技術相比主要具有以下優(yōu)點：

(1)滑?；嚯x可控，可通過控制油缸伸縮行程精確控制滑模行走距離，避免澆筑時出現(xiàn)混凝土空腔現(xiàn)象；

(2)滑模提升平穩(wěn)，與卷揚機牽引相比，該系統(tǒng)通過油泵集中控制，可以實現(xiàn)對單臺千斤頂?shù)膯为毧刂疲部蛇M行聯(lián)動控制，進而解決了卷揚機牽引時因兩臺卷揚機間的速度偏差帶來的滑模橫向扭曲問題；

(3)節(jié)能降耗，采用2臺10 t卷揚機牽引，總功率為30 kW，而采用穿心式千斤頂，其油泵電機功率僅為7.5 kW，可降低功率22.5 kW。

3.2 振動碾自動駕駛控制技術

振動碾自動駕駛控制技術由中國水利水電第五工程局有限公司聯(lián)合上海同新機電有限公司、同濟大學共同研發(fā)，目前已在長河壩水電站、兩河口水電站及阿爾塔什大壩中得到了推廣應用。主要由GPS定位設備、模擬量輸出模塊、超聲波傳感器、角度編碼器、傾角傳感器、遙控器(帶主收發(fā)器與分收發(fā)器)與遠程開關、工控機及車載控制器構成。

相較于傳統(tǒng)人工駕駛，該技術具有顯著降低操作人員勞動強度、減輕長時間振動對駕駛人員健康的不利影響，對比人工駕駛，采用無人駕駛技術后施工功效提升了12.6%，減少了駕駛人員必要的休息時間、交接班時間等工作間歇時間20%。在質量控制方面，振動碾自動控制碾壓軌跡偏差在±10 cm范圍內，且無漏壓、欠壓和超壓現(xiàn)象，碾壓工序一次驗收合格率達97%以上。該技術具有大中型土石方工程碾壓的通用性，推動了施工機械裝備的技術進步。

4 質量檢測及控制新技術的應用

4.1 壩料壓實度實時檢測技術

目前土石壩填筑工程中控制壓實質量的方法主要是采取控制碾壓參數(shù)和試坑檢測法的“雙控”措施，其存在隨機性大、精確度差、試驗工作量大等問題。在阿爾塔什大壩施工過程中，中國水電五局聯(lián)合四川大學進行了基于地基反力測試原理和大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的車載式壓實度實時檢測參數(shù)、評價體系和檢測技術方面的研究，并初步在工程實際中進行了推廣應用。

(1)車載式壓實度實時檢測參數(shù)的建立。

研究通過對實時檢測指標與碾壓遍數(shù)的相關性對比試驗、實時檢測指標與標準試坑檢測指標的相關性分析試驗和碾壓應力與實時檢測指標對比分析試驗，最終采用振動加速度峰值因素CF值作為壩料實時檢測指標，并通過回歸分析建立了CF值與爆破料孔隙率P、砂礫料、過渡料及墊層料相對密度Dr間的回歸方程。然后按設計孔隙率及相對密度得出不同壩料達到壓實標準所要求的壓實質量時的CF值(表1)，并以此作為壩料是否達到壓實標準的控制指標。

表1 不同壩料設計壓實度對應CF指標統(tǒng)計表

(2)車載式壓實質量實時檢測評價體系的建立。

從許多土石壩按照規(guī)范碾壓達到規(guī)定的壓實度之后沉降仍不均勻從而導致壩體產(chǎn)生裂縫甚至橫向裂縫這類嚴重問題可以看出：填筑碾壓質量不應該僅僅從壓實程度進行評價。由此借鑒高鐵路基填筑碾壓的連續(xù)與智能壓實控制技術，將壩料填筑碾壓質量控制從單一的壓實程度控制擴大為綜合考慮壓實程度、壓實穩(wěn)定性和壓實均勻性的多準則控制。

① 壩料壓實程度控制準則。

點壓實程度判定由式(1)給出：

CFi≥[CF]

(1)

式中CFi為碾壓面上第i個檢測單元的CF值(連續(xù)檢測)結果，代表1 m2面積上的綜合值；[CF]為目標CF值。

對于整個碾壓面而言，受各種條件的影響(如施工水平、填料變異或分布不均等)，要求碾壓面上每一點的壓實程度都達到目標值是一個很苛刻的要求，因此，課題組經(jīng)咨詢四川大學后提出了一個碾壓面壓實程度通過率控制準則。一般要求碾壓面壓實程度的通過率要達到規(guī)定的要求，即：

(2)

式中 [η]為規(guī)定的通過率標準值，可以根據(jù)工程等級和技術要求進行設定；ST為壓實程度通過的面積；S為總碾壓面積。

通過設置達到壓實程度要求(即CFi≥[CF])的碾壓面顯示為綠色，達到壓實程度80%(即0.8[CF]≤CFi<[CF])的碾壓面為黃色，低于壓實程度80%(即CFi<0.8[CF])的碾壓面顯示為紅色，即壓實薄弱區(qū)，以此作為連續(xù)壓實控制的判別標準。

② 壩料壓實穩(wěn)定性控制準則。

壓實穩(wěn)定性主要是從控制填筑體物理力學性能的穩(wěn)定程度方面考慮，是指壓實狀態(tài)隨碾壓遍數(shù)變化程度的相對大小。一般用前后2遍CF值之差的相對大小表示，即：

(3)

式中 [δ]為規(guī)定的控制精度，應視具體工程等級、填料粗細、壓路機噸位和工藝參數(shù)等確定，一般可取[δ]=1%～3%；CFn+1為n+1次碾壓的CF值；CFn為第n次碾壓的CF值。

在檢測結果云圖中，設置達到[δ]的碾壓面顯示為綠色，未達到[δ]的碾壓面顯示為黃色。

③ 壩料壓實均勻性控制準則。

壓實均勻性是指大壩填筑體結構性能在碾壓面上分布的一致性，以解決壩體填筑完成后能否沉降均勻的問題。對于壩體而言，壓實均勻性非常重要。根據(jù)現(xiàn)有的調查資料，目前僅對壓實狀態(tài)的低值區(qū)域進行控制還是符合實際情況的，因為壩體填筑完成后最擔心的還是不均勻沉降問題。鑒于此，課題組經(jīng)咨詢四川大學后給出了一種簡單易行的控制準則，即：

(4)

對于壩體填筑碾壓來講，在進行完相關校驗試驗、確認技術可行并取得目標值后，即可以在與試驗段性質相同的施工段中進行碾壓全過程控制。這種可視化的圖形式檢測結果簡單明了，由安裝在駕駛室中的設備顯示給操作者，以便于進行反饋控制。

基于阿爾塔什大壩施工研究提出的壓實質量實時檢測指標CF在砂礫石料中取得了良好的試驗效果，不再需要在碾壓區(qū)域選取抽樣檢測點，解決了傳統(tǒng)方法存在的抽樣不均勻、處理不及時、檢測過程繁雜的問題，能夠更好地適用于當代砂礫石壩施工質量管理要求。

4.2 數(shù)字化大壩監(jiān)控技術

阿爾塔什數(shù)字化大壩監(jiān)控系統(tǒng)首次采用我國自主研發(fā)的北斗導航定位系統(tǒng)，結合國產(chǎn)高精度定位設備進行大壩碾壓施工過程中的實時智能化監(jiān)控，形成了集施工過程實時監(jiān)控、質量檢測、施工報表分析等功能為一體的數(shù)字化智能施工監(jiān)控系統(tǒng)。實現(xiàn)了對大壩施工過程中碾壓遍數(shù)、行走速度、振動碾狀態(tài)、鋪料厚度等碾壓參數(shù)的實時監(jiān)控。

該系統(tǒng)的主要功能如下：

① 施工過程實時監(jiān)控分析。

利用該模塊，實現(xiàn)了對大壩碾壓施工過程中施工設備的碾壓速度、碾壓設備振動狀態(tài)、施工區(qū)域碾壓遍數(shù)的實時監(jiān)控。其中大壩碾壓施工過程控制參數(shù)采用預先設置，實際施工中即按預設參數(shù)對施工機械的碾壓狀態(tài)進行控制。

② 質量檢測分析。

質量檢測分析模塊是大壩施工過程控制系統(tǒng)中最重要的模塊，主要是在施工結束后，對一定的施工時間中某施工區(qū)域采集到的碾壓數(shù)據(jù)進行綜合分析，包括碾壓遍數(shù)(總數(shù)、靜碾以及振動碾)、速度超限次數(shù)、碾壓設備速度平均值、碾壓設備速度最終值、碾壓設備激振力超限次數(shù)、激振力平均值、激振力最終值、碾壓沉降量以及行車軌跡幾個重要方面，通過該模塊可以重演大壩施工實施過程。根據(jù)施工區(qū)域分析結果，可為單元工程質量檢測所進行的挖坑檢驗提供坑位參考，便于單元工程質量檢驗，以保證大壩施工質量控制。

③ 施工機械碾壓統(tǒng)計分析。

施工機械碾壓統(tǒng)計分析模塊主要是供大壩碾壓施工機械管理人員使用的，利用該功能，可以進行單臺碾壓機械某段時間內的碾壓長度、碾壓面積等施工內容的工效統(tǒng)計分析，可以為管理人員按照機械操作手操作效率進行績效管理提供重要手段。

對比其他數(shù)字化大壩系統(tǒng)，該系統(tǒng)除實現(xiàn)了對碾壓參數(shù)的智能監(jiān)控外，還具備了振動碾上平板終端的實時顯示及施工機械碾壓分析這兩個特色功能，一方面方便了振動碾駕駛人員實時對碾壓軌跡、參數(shù)進行檢查；另一方面完善了對不同的碾壓機械進行績效管理的技術措施，對于提高工程施工效率、實現(xiàn)多勞多得的分配制度提供了重要的支撐作用。

5 信息化施工管理技術

大型水利工程施工一般都面臨工程量大、施工工作面多、施工工序多、交叉干擾大等問題。近年來，信息化、可視化施工管理是一種必然的發(fā)展趨勢，阿爾塔什大壩根據(jù)自身特點研究、應用了包括高清視頻實時監(jiān)控、灌漿數(shù)據(jù)實時傳輸、安全帽定位監(jiān)測、質量在線管理等業(yè)務的信息化管理平臺，各業(yè)務子系統(tǒng)的主要功能匯總情況見表2。

表2 業(yè)務子系統(tǒng)功能表

中國水電五局作為樞紐大壩施工方全程參與了信息化管理系統(tǒng)的建設與應用，通過該套系統(tǒng)的應用，在方便施工現(xiàn)場管理、加強質量控制、提升管理效率等方面取得了顯著的成效，主要應用成效體現(xiàn)在：

(1)通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對工程右岸高邊坡處理進度、腳手架搭設及上部危巖體的實時監(jiān)控，對督促作業(yè)人員按要求佩戴防護用品、腳手架是否按設計方案搭設、雨后邊坡排險等方面均發(fā)揮了積極作用，降低了安全管理風險；

(2)在2018年3～5月一期面板混凝土澆筑期間實現(xiàn)了對整個澆筑過程的監(jiān)控、記錄，增加了過程監(jiān)管手段，規(guī)范了現(xiàn)場管理及工人操作，從施工工藝方面降低了面板裂縫的產(chǎn)生；

(3)通過灌漿施工過程監(jiān)測、大壩數(shù)字化監(jiān)測、質量在線評定等措施取得了完整的壩體填筑、趾板灌漿施工資料，為后續(xù)質量追溯、資料檢索及分部工程評定等工作提供了數(shù)據(jù)支撐和平臺；

(4)安全帽定位系統(tǒng)的應用一方面實現(xiàn)了對工區(qū)人員的動態(tài)監(jiān)管，另一方面實現(xiàn)了對工程重大危險源警戒區(qū)域的實時監(jiān)控。

6 結 語

以上施工、質量檢測及信息化管理新技術在阿爾塔什大壩施工中的有效應用，為工程各項節(jié)點的順利完成奠定了良好的基礎，促進了項目施工工藝和管理水平的提升，培養(yǎng)了一批具備創(chuàng)新意識的懂技術、懂管理的復合型人才，為下一步更好地全面實現(xiàn)工程履約創(chuàng)造了條件。