雙江口水電站特高心墻堆石壩建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

李 鵬

(國(guó)電大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

心墻堆石壩具有地基適用性良好、能就地取材和充分利用建筑物開(kāi)挖料、造價(jià)較低及抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，在水利水電工程建設(shè)歷程中占有重要地位，已成為世界各國(guó)廣泛采用的壩型。雙江口水電站采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高312 m，已超過(guò)世界已建最高的大壩——塔吉克斯坦的努列克心墻堆石壩(壩高300 m)，以及我國(guó)已建的最高心墻堆石壩——糯扎渡大壩(壩高261.5 m)，不僅是我國(guó)西南高山峽谷地區(qū)、深厚覆蓋層河道上修建的特高壩工程，也是世界已建在建的第一高壩。

雙江口水電站地處高海拔、高寒地區(qū)，工程區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，壩體高度大，在施工期面臨壩體及壩基變形穩(wěn)定、防滲排水、防震抗震等技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外也較為缺乏300 m級(jí)心墻堆石壩的工程經(jīng)驗(yàn)，雙江口水電站特高心墻堆石壩工程建設(shè)面臨的技術(shù)問(wèn)題復(fù)雜，技術(shù)難度較大。

在水電站建設(shè)可研階段，開(kāi)展了長(zhǎng)期科技攻關(guān)工作，這些工作為雙江口水電站特高心墻堆石壩建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)介紹300 m級(jí)高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究成果，并對(duì)施工期需要深化研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 工程概況及地質(zhì)條件

雙江口水電站是大渡河干流上游控制性水庫(kù)，位于四川省阿壩州馬爾康縣、金川縣境內(nèi)大渡河上游足木足河、綽斯甲河匯口以下約2 km河段。電站設(shè)計(jì)裝機(jī)容量200萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量77億kW·h，具有年調(diào)節(jié)能力。電站樞紐工程由攔河大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、泄洪建筑物等組成。攔河大壩采用碎石土心墻堆石壩，最大壩高312 m，壩頂長(zhǎng)度699 m，壩體填筑總量約4 400萬(wàn)m3。

雙江口庫(kù)壩工程區(qū)位于青藏高原中部地震亞區(qū)巴顏喀拉山地震帶的東南方向，地震基本烈度為Ⅶ度。壩址區(qū)出露地層巖性主要為燕山期鉀長(zhǎng)花崗巖和二云二長(zhǎng)花崗巖，無(wú)區(qū)域性斷裂切割，構(gòu)造變形微弱，水庫(kù)封閉條件好。壩址區(qū)兩岸山體雄厚，河谷深切，谷坡陡峻，除右岸F1斷層規(guī)模相對(duì)較大外，主要由一系列低序次、低級(jí)別的小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面組成。河床覆蓋層一般厚48～57 m，最大厚度達(dá)76 m，具多層結(jié)構(gòu)，上、下部為漂卵礫石或含漂卵礫石層，中部為砂卵礫石層。

2 大壩結(jié)構(gòu)布置及分區(qū)方案

雙江口水電站礫石土心墻堆石壩采用直心墻型式，壩頂高程2 510.00 m，河床部位心墻底高程2 198.00 m。壩基設(shè)2 m厚混凝土基座，橫河向?qū)?6.10 m，順河向?qū)?28.00 m，基座內(nèi)設(shè)置基巖帷幕灌漿廊道(3.0 m×3.5 m)。壩頂寬度為16 m，上游壩坡為1∶2.0，2 430.00 m高程處設(shè)5 m寬的馬道；下游壩坡1∶1.90，壩坡上設(shè)置上壩公路。

左岸壩肩心墻均置于弱卸荷巖體內(nèi)，右岸壩肩心墻基礎(chǔ)局部強(qiáng)卸荷未挖除，大壩與兩岸壩肩接觸部位的岸坡表面設(shè)垂直厚度0.5 m的混凝土蓋板，心墻與蓋板連接處鋪設(shè)水平厚度3.00 m的粘性土，以協(xié)調(diào)心墻變形。為提高心墻與岸坡接觸部位的滲透穩(wěn)定性，在心墻標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上，左右岸壩肩部位向上下游方向局部加寬，左右壩肩底部上下游各增加12 m寬，頂部上下游各增加2 m寬，加寬寬度沿高度方向從底部至心墻頂2 508.00 m高程按三角形遞減。

為保護(hù)心墻土料，心墻兩側(cè)設(shè)置了Ⅰ、Ⅱ兩層反濾層，上游兩層反濾層水平厚度各4 m，下游兩層反濾層水平厚度各6 m，上、下游坡均為1∶0.2。上、下游反濾層Ⅱ與壩體堆石之間粒徑相差較大，在其間設(shè)置過(guò)渡層，以加強(qiáng)變形協(xié)調(diào)，保護(hù)反濾層。過(guò)渡層頂高程2 494.00 m，頂寬10 m，上、下游坡度均為1∶0.3。為防止帷幕局部失效引起下游壩基漂卵礫石和含泥砂卵礫石層發(fā)生滲透破壞，在心墻后的覆蓋層壩基與過(guò)渡料和堆石料之間設(shè)置一層2 m厚的水平反濾排水層。

在壩頂2 440.00 m高程以上(約占?jí)胃叩?/5)，上下游壩坡采用壩面混凝土框格梁+壩內(nèi)鋼筋進(jìn)行加固，加筋層距3 m，間距1 m，鋼筋深入壩面水平深度為30 m。為提高大壩的抗震穩(wěn)定性，在上、下游堆石體壩腳之上增加壓重。下游壓重區(qū)頂高程2 330.00 m，頂寬90 m。上游壓重區(qū)與上游圍堰連為一體，頂高程為2 330.00 m，頂寬190 m，坡度為1∶2.2。壩體典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 雙江口大壩壩體典型斷面圖

3 已開(kāi)展的300 m級(jí)高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究

雙江口水電站是世界上在建的第一高壩，施工技術(shù)難度大，為安全、有效、經(jīng)濟(jì)地建設(shè)雙江口特高心墻堆石壩，在水電站建設(shè)可研階段，圍繞300 m級(jí)高土石壩關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了一系列專題研究和科技攻關(guān)。

3.1 壩基覆蓋層及筑壩材料特性研究

對(duì)于深厚河床覆蓋層特性的試驗(yàn)研究，主要難點(diǎn)有：①覆蓋層成因復(fù)雜、層次多、軟硬相間，同時(shí)具有架空層、相變大、透水性強(qiáng)等特征，直接測(cè)定深厚覆蓋層的天然狀態(tài)指標(biāo)非常困難。②對(duì)深厚覆蓋層進(jìn)行鉆探，覆蓋層的原狀樣很難取得，采用重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn)等方法間接反映土層的物理狀態(tài)是一個(gè)相對(duì)可行的方法，但如何建立觸探和旁壓試驗(yàn)指標(biāo)與土層密度、級(jí)配之間的相關(guān)關(guān)系，是需要研究的問(wèn)題。③由于深厚覆蓋層的密度和級(jí)配難確定，使得其強(qiáng)度、變形等力學(xué)參數(shù)也難以確定。如果能夠通過(guò)動(dòng)探和旁壓等試驗(yàn)間接確定密度和級(jí)配，則可以通過(guò)室內(nèi)備樣試驗(yàn)測(cè)試其力學(xué)特性。

針對(duì)上述問(wèn)題，可研階段首先通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)確定深厚覆蓋層的密度、級(jí)配，然后在此基礎(chǔ)上確定覆蓋層的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，具體研究方法為：①根據(jù)河床覆蓋層的分層，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)表部和中淺部覆蓋層進(jìn)行大型載荷、滲透變形、動(dòng)探擊數(shù)和旁壓模量等力學(xué)試驗(yàn)，并根據(jù)覆蓋層的物理性指標(biāo)，取樣在室內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)的土力學(xué)系列試驗(yàn)。②對(duì)于較深部和深部的覆蓋層，根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)研究覆蓋層料的動(dòng)探擊數(shù)、旁壓模量與上覆壓力、密度和級(jí)配的關(guān)系，比較現(xiàn)場(chǎng)與室內(nèi)模型動(dòng)探和旁壓試驗(yàn)成果，推斷河床覆蓋層深層的物理指標(biāo)。③根據(jù)較深部和深部覆蓋層的物理性質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)性試驗(yàn)，提出了河床覆蓋層的設(shè)計(jì)參數(shù)。

根據(jù)本工程覆蓋層的基本地質(zhì)條件，各層物理力學(xué)參數(shù)選取的總原則是以現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)成果為依據(jù)，結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工程地質(zhì)類比分析綜合確定。按照有關(guān)規(guī)程、規(guī)范的規(guī)定，本工程各層覆蓋層的物理性質(zhì)參數(shù)以試驗(yàn)的算術(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；滲透系數(shù)以現(xiàn)場(chǎng)抽、注水試驗(yàn)的大值～大值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值；允許坡降采用現(xiàn)場(chǎng)管涌試驗(yàn)的臨界坡降除以安全系數(shù)(1.5～2)作為標(biāo)準(zhǔn)值；抗剪強(qiáng)度φ值采用現(xiàn)場(chǎng)大剪試驗(yàn)并參照室內(nèi)直剪試驗(yàn)的指標(biāo)，以試驗(yàn)平均值或乘以0.8～0.85作為標(biāo)準(zhǔn)值；允許承載力和變形模量以現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)指標(biāo)為基本值參照鉆孔動(dòng)力觸探和標(biāo)貫試驗(yàn)成果給出標(biāo)準(zhǔn)值；穩(wěn)定坡比根據(jù)工程地質(zhì)類比給定。部分壩址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值如表1所示。

表1 壩址覆蓋層物理力學(xué)指標(biāo)建議值表

3.2 防滲土料改性研究

雙江口特高心墻堆石壩對(duì)防滲土料的要求很高，除滿足防滲性能外，還需有較好的力學(xué)性能。本工程土料場(chǎng)土料級(jí)配偏細(xì)，難適應(yīng)高壩變形，且難滿足高壩強(qiáng)度穩(wěn)定要求。類似高壩工程的經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于粗粒含量偏低的土料需要摻合礫(碎石)料進(jìn)行級(jí)配調(diào)整改性，在保證摻合土料的防滲、抗?jié)B性能滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，能改善防滲土料的力學(xué)指標(biāo)及抗變形能力。因此，先在室內(nèi)進(jìn)行大量系列摻比研究，優(yōu)選出既滿足防滲又滿足強(qiáng)度和變形要求的摻比；繼而按此進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)研究，并開(kāi)展了大型現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，對(duì)摻合工藝及摻合參數(shù)進(jìn)行了研究；再采用碾壓體原狀樣在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了大型滲透、強(qiáng)度和變形試驗(yàn)研究，為防滲料的設(shè)計(jì)和數(shù)值分析提供重要的依據(jù)。

經(jīng)過(guò)對(duì)心墻防滲料的摻合方案(75%∶25%、65%∶35%、55%∶45%)及摻合料特性試驗(yàn)研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)對(duì)摻合工藝、摻合參數(shù)以及摻合料特性的分析，可研階段當(dāng)卡料場(chǎng)土料推薦摻合比例(干重量比)為粘土∶花崗巖破碎料=50%∶50%。室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)研究成果表明，當(dāng)卡料場(chǎng)上部粘土與花崗巖破碎料摻合后具有較好的力學(xué)性質(zhì)，摻礫對(duì)強(qiáng)度的提高非常明顯，摻礫料工程特性能滿足防滲土料的設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，為提高摻礫料質(zhì)量保證率，技施階段采用的摻合比例(干重量比)為粘土∶花崗巖破碎料=55%∶45%。當(dāng)卡摻礫料級(jí)配曲線見(jiàn)圖2。

圖2 當(dāng)卡摻礫料級(jí)配曲線圖(當(dāng)卡土料∶花崗巖破碎料=50%∶50%)

3.3 壩體結(jié)構(gòu)型式及分區(qū)方案比選

1)對(duì)直心墻壩方案心墻底部設(shè)置防滲墻和心墻底部全部挖出覆蓋層兩種情況。從工程經(jīng)驗(yàn)、關(guān)鍵技術(shù)、壩坡穩(wěn)定性、滲流特性、應(yīng)力變形特性及施工組織等方面綜合比較，為穩(wěn)妥起見(jiàn)，不設(shè)置防滲墻，將心墻底部覆蓋層全部挖出的方案。

2)直心墻方案、斜心墻方案和弧形心墻方案三個(gè)心墻結(jié)構(gòu)布置方案在地形地質(zhì)條件的適宜性、樞紐建筑物布置條件、施工特性和施工條件等方面基本沒(méi)有大的差異，均有在同規(guī)模的大壩中采用的設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。滲流、壩坡穩(wěn)定、壩體壩基的靜力與動(dòng)力計(jì)算等分析表明，三個(gè)方案均符合心墻堆石壩的一般規(guī)律，各量值相差不大，防滲心墻仍有較大的安全裕度。由于三個(gè)方案的基礎(chǔ)處理范圍、壩體填筑工程量等方面的差異，導(dǎo)致三個(gè)方案的投資略有差異，直心墻方案投資最省。綜合比較，各方案總體差異不大，直心墻方案略優(yōu)，推薦采用直心墻堆石壩方案。

3)采用5套計(jì)算參數(shù)，對(duì)不同的壩體填筑技術(shù)指標(biāo)對(duì)壩體應(yīng)力和變形特性的影響開(kāi)展了研究，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。壩體二維及三維靜力有限元應(yīng)力變形分析表明，從壩體位移、堆石體應(yīng)力以及心墻應(yīng)力角度來(lái)分析，雙江口心墻壩直心墻方案的壩體材料和分區(qū)設(shè)計(jì)是合理的。

4)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，上游河口石料場(chǎng)的砂巖料相對(duì)飛水巖石料場(chǎng)的花崗巖料強(qiáng)度較低，且砂巖料濕化以及流變特性相對(duì)花崗巖料稍差，濕化變形以及流變變形稍大。為進(jìn)一步研究壩體上游堆石區(qū)材料分區(qū)對(duì)壩體應(yīng)力及變形的影響，進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化堆石分區(qū)的可能性，對(duì)上游堆石區(qū)進(jìn)行了三種方案比選，并進(jìn)行了數(shù)值分析研究。壩體二維及三維靜力有限元應(yīng)力變形分析成果(見(jiàn)表3)表明，壩體材料和分區(qū)設(shè)計(jì)從應(yīng)力和位移的角度看是合理的，大壩上游堆石區(qū)在上部是否采用花崗巖料對(duì)于大壩的應(yīng)力及變形影響極小。

3.4 壩體及壩基變形與穩(wěn)定研究

1)粘性土抗裂機(jī)理研究。在雙江口高心墻堆石壩常規(guī)靜力三維有限元計(jì)算的基礎(chǔ)上，在可能的開(kāi)裂區(qū)域布置無(wú)單元結(jié)點(diǎn)并適當(dāng)加密，應(yīng)用粘性土張拉裂縫模擬計(jì)算的無(wú)單元法，針對(duì)筑壩材料不同的流變和濕化參數(shù)組合開(kāi)展了壩體發(fā)生橫向張拉裂縫可能性的三維數(shù)值分析。考慮粘性土抗裂機(jī)理的大壩數(shù)值分析表明，在壩體岸坡頂部發(fā)生的壩體橫向張拉裂縫主要由壩體后期變形所致的壩頂不均勻沉降所致。因此，盡量減小壩體的后期變形是預(yù)防壩頂發(fā)生橫向張拉裂縫的主要措施。

2)考慮濕化和流變效應(yīng)的大壩穩(wěn)定分析。根據(jù)壩體填料濕化變形特性試驗(yàn)研究成果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大壩進(jìn)行三維濕化變形分析，研究大壩初次蓄水時(shí)上游壩體濕化對(duì)大壩應(yīng)力變形特征的影響；根據(jù)壩體填料流變特性試驗(yàn)研究提出的流變模型及其參數(shù)，模擬壩體填筑分區(qū)、填筑過(guò)程、蓄放水過(guò)程，對(duì)大壩進(jìn)行三維流變分析，研究考慮壩體填料流變后壩體與心墻的長(zhǎng)期應(yīng)力變形特征；對(duì)壩體濕化以及流變效應(yīng)進(jìn)行綜合分析，充分論證考慮兩種效應(yīng)共同作用下壩體的應(yīng)力變形對(duì)心墻的影響。壩體濕化和流變綜合分析表明，壩軸向位移增量總體表現(xiàn)為由兩岸向河谷中央變形；上下游壩坡附近順河向位移增量總體表現(xiàn)為向上游側(cè)變形；上游壩殼料沉降大于下游壩殼料變形，最大沉降值也略微偏向上游。考慮上游壩體濕化后心墻各主應(yīng)力極值均有所增加，可減小心墻的拱效應(yīng)；而流變對(duì)壩體的應(yīng)力狀態(tài)影響很小。

表2 直心墻壩三維應(yīng)力及變形分析主要計(jì)算成果表(鄧肯-張EB模型)

表3 調(diào)整上游堆石區(qū)分區(qū)的有限元計(jì)算主要成果表 m

3)考慮流固耦合的大壩穩(wěn)定分析。采用流固耦合理論，通過(guò)有限元計(jì)算，系統(tǒng)分析了不同參數(shù)組合下雙江口心墻堆石壩的應(yīng)力變形特性，在研究大壩應(yīng)力變形特性的同時(shí)考慮了孔隙壓力分布、孔隙流體與骨架的相互作用，以及大壩內(nèi)各時(shí)刻的瞬態(tài)滲流分布。有限元計(jì)算成果表明，由于壩體填期歷時(shí)較長(zhǎng)，心墻料排水固結(jié)性能較好，壩體填筑期間已基本完成固結(jié)，僅心墻中部有少量超靜孔隙壓力。滿蓄期，庫(kù)水位上升至正常蓄水位后，心墻上下游之間的穩(wěn)定滲流很快建立，心墻內(nèi)的滲透力沒(méi)有導(dǎo)致心墻發(fā)生大的變形，滲透穩(wěn)定性可滿足要求。考慮裂縫愈合效應(yīng)，壩體粘性土料壩軸線上的垂直向應(yīng)力及孔隙水壓力基本上都呈線性分布，且孔隙水壓力的量值絕大部分小于垂直向應(yīng)力。心墻的滲透穩(wěn)定性可以得到保障，心墻、帷幕等滲控體系起到了很好的防滲作用。

4)考慮心墻水力劈裂的大壩穩(wěn)定分析。水力劈裂被普遍認(rèn)為是土石壩蓄水初期產(chǎn)生集中滲漏的主要原因之一，也是導(dǎo)致壩體破壞(產(chǎn)生內(nèi)部侵蝕或管涌現(xiàn)象)的重要因素之一。本工程基于土石壩水力劈裂發(fā)生機(jī)理的分析，采用所建立和發(fā)展的可模擬水力劈裂發(fā)生和擴(kuò)展過(guò)程的分析方法和程序系統(tǒng)，開(kāi)展了雙江口高心墻堆石壩水力劈裂問(wèn)題的二維和三維有限元-無(wú)單元耦合計(jì)算分析，研究了工程蓄水期的抗水力劈裂安全性，探討了滲透弱面水壓楔劈效應(yīng)作用的大小，分析了蓄水速度對(duì)發(fā)生水力劈裂可能性的影響。心墻水力劈裂數(shù)值分析表明，雙江口心墻堆石壩設(shè)計(jì)擬定方案以及水庫(kù)蓄水方案(包括蓄水速度)是合理的，大壩具有較大的抗水力劈裂安全度，心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂破壞。

3.5 大壩抗震安全評(píng)價(jià)及抗震措施研究

本工程采用不同的計(jì)算參數(shù)、不同的地震反應(yīng)譜進(jìn)行模擬計(jì)算，大壩永久變形規(guī)律在定性上基本一致。壩體永久變形的變化規(guī)律與壩體加速度動(dòng)響應(yīng)的規(guī)律基本相同，壩體響應(yīng)越大，其產(chǎn)生的永久變形越大。壩體在地震中的沉陷比水平位移大，地震變形形式主要是震陷，表明堆石體在高固結(jié)應(yīng)力和循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)棱角破碎。

1)在設(shè)計(jì)地震輸入下，三維永久變形分析采用整體變形計(jì)算方法，參數(shù)采用南科院的試驗(yàn)成果，大連理工大學(xué)計(jì)算的壩體豎向最大永久位移為264.4 cm，發(fā)生在河床中部壩頂附近，占?jí)胃叩?.84%；河海大學(xué)計(jì)算的壩體的豎直方向永久變形最大值為110.0 cm，位于壩頂上游坡附近。兩家單位的計(jì)算成果表明，壩體永久變形均小于壩頂超高計(jì)算采用的地震附加沉陷，即壩高的1%(3.12 m)，說(shuō)明壩頂高程可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2)由于地震持續(xù)時(shí)間較短，不考慮地震過(guò)程中的孔壓消散，壩體心墻料、反濾料和壩基砂層的動(dòng)孔壓比都不高。在設(shè)計(jì)地震各種計(jì)算情況下，算得反濾層內(nèi)的動(dòng)孔壓比小于0.8，壩基砂層動(dòng)孔壓比最大值為0.45。因此，壩體、壩基不存在地震液化問(wèn)題。

3)以震后永久位移突變作為壩坡失穩(wěn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，特征點(diǎn)位移突變時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度折減系數(shù)作為邊坡的動(dòng)力穩(wěn)定安全系數(shù)，以基于廣義塑性力學(xué)理論的PZ模型分析應(yīng)力應(yīng)孌為基礎(chǔ)，進(jìn)行了二維和三維的強(qiáng)度折減法壩坡動(dòng)力穩(wěn)定分析。二維分析得出上游壩坡的動(dòng)力安全系數(shù)為1.136，下游壩坡的動(dòng)力安全系數(shù)為1.205。三維分析得出上游壩坡的動(dòng)力安全系數(shù)為1.190，下游壩坡的動(dòng)力安全系數(shù)為1.299。因此，壩坡是穩(wěn)定的。

4)基于已建土石壩實(shí)際震害的ANN模型預(yù)測(cè)分析表明，雙江口大壩在8度烈度地震條件下，震害等級(jí)為4級(jí)，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的震害現(xiàn)象。

5)在計(jì)算分析、模型試驗(yàn)、大壩震害及常用抗震措施調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程特點(diǎn)，提出雙江口大壩抗震措施。主要包括：在大壩頂部1/5范圍內(nèi)采用加筋處理；壩頂預(yù)留較大超高裕度；對(duì)可能液化砂層大部分挖除或壓重處理；提高壩料填筑標(biāo)準(zhǔn)；上、下游壩面設(shè)置干砌石及大塊石護(hù)坡；分層分散設(shè)置樞紐泄水建筑物等。對(duì)土工格柵和鋼筋抗震措施進(jìn)行了試驗(yàn)和計(jì)算分析，對(duì)其抗震有效性進(jìn)行研究。無(wú)論是土工格柵或是鋼筋，在設(shè)計(jì)地震情況下加筋后壩坡動(dòng)力安全系數(shù)至少提高15%，在核核地震情況下動(dòng)力安全系數(shù)提高得更多。

3.6 防滲土料開(kāi)采、運(yùn)輸和摻和系統(tǒng)研究

雙江口大壩防滲土料采用天然土料摻和砂礫石后形成的礫石土，填筑總量約476萬(wàn)m3。原可研設(shè)計(jì)方案，大壩防滲心墻土料采用下游的當(dāng)卡土料場(chǎng)(壩下游右岸約9 km)和上游的木爾宗料場(chǎng)(壩上游左岸約40 km)聯(lián)合供料。兩料場(chǎng)均采用挖掘機(jī)開(kāi)采，公路汽車運(yùn)輸方案，在下游的根扎村、上游的大石當(dāng)分別設(shè)置采用平鋪立采工藝的土料摻合場(chǎng)。該方案土料運(yùn)輸距離長(zhǎng)，占用場(chǎng)地多，環(huán)保水保問(wèn)題突出，安全風(fēng)險(xiǎn)大，投資高。

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段開(kāi)展了當(dāng)卡土料場(chǎng)開(kāi)采運(yùn)輸摻合科研攻關(guān)，研制了自動(dòng)化、智能化土料制備系統(tǒng)，采用了“料場(chǎng)鏟運(yùn)機(jī)開(kāi)采+大傾角下運(yùn)皮帶機(jī)運(yùn)輸+智能化機(jī)械摻合和含水率調(diào)整+數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)控”的全封閉土料制備方案。該方案提升土料利用率，降低了土料綜合損耗系數(shù)，優(yōu)化取消了上游木爾宗料場(chǎng)，心墻土料供應(yīng)以當(dāng)卡土料為主，熱馬都料場(chǎng)為備用料場(chǎng)。該方案主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：①料場(chǎng)精細(xì)化薄層開(kāi)采。采用主動(dòng)式鏟運(yùn)機(jī)，以30 cm為一層進(jìn)行平層開(kāi)采，較好的適應(yīng)料場(chǎng)自然坡度大、有用層薄的特點(diǎn)，盡可能開(kāi)采料場(chǎng)的有用料。②大傾角皮帶機(jī)下運(yùn)土料。采用了3 km長(zhǎng)的“深槽U型夾帶式皮帶機(jī)，專用剎車技術(shù)、限載移動(dòng)上料控制技術(shù)”等多項(xiàng)專利技術(shù)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)卡土料場(chǎng)的土料下運(yùn)，避免了大量修建公路(15 km以上)占用有用料和交通運(yùn)輸帶來(lái)的安全、環(huán)境影響問(wèn)題。③土料全封閉運(yùn)輸及精細(xì)化摻合，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)量誤差控制在0.5%以內(nèi)。通過(guò)智能化控制技術(shù)，提高摻合料(礫石土)的計(jì)量精度和成品料質(zhì)量，全封閉系統(tǒng)可以減少土料運(yùn)輸和加工過(guò)程中的損失，摻合精度的提高為優(yōu)化利用土料，減少土料用量創(chuàng)造條件。④自動(dòng)化機(jī)械摻合技術(shù)。利用對(duì)螺旋輸送機(jī)改造，配合皮帶機(jī)連續(xù)供料系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)土料和礫石料的連續(xù)機(jī)械強(qiáng)制拌合，并通過(guò)智能化補(bǔ)水系統(tǒng)調(diào)節(jié)混合料含水率。⑤采用數(shù)字化質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，可控制土料、礫石料、混合料質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和規(guī)?；a(chǎn)。

3.7 智能大壩管控系統(tǒng)研究

信息技術(shù)對(duì)現(xiàn)代人類社會(huì)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用，快速發(fā)展的信息技術(shù)為智慧工程實(shí)施奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)水電工程領(lǐng)域信息化、系統(tǒng)化建設(shè)與應(yīng)用已取得一定成果，但是相關(guān)研究成果仍主要側(cè)重于解決工程建設(shè)中的某個(gè)局部問(wèn)題，尚未形成完整的解決方案，缺乏對(duì)工程建設(shè)全階段、各部位、多專業(yè)的協(xié)同管理和全生命周期管理的應(yīng)用，也尚未形成“智慧化”管理的高度和水平。

為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，基于國(guó)電大渡河公司的智慧企業(yè)總體構(gòu)架下，雙江口水電站工程按照“業(yè)務(wù)量化、統(tǒng)一平臺(tái)、集成集中、智能協(xié)同” 建設(shè)的思路，全面打造“智慧工程”，實(shí)現(xiàn)工程管理自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)預(yù)判、自主決策、自我演進(jìn)和閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析、預(yù)警、決策，全面提升大渡河流域工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管控能力。

智能大壩是雙江口智慧工程的重要組成部分，通過(guò)綜合運(yùn)用4S技術(shù)(地理信息系統(tǒng)GIS、全球定位系統(tǒng)GPS、遙感RS技術(shù)、移動(dòng)平臺(tái)MS)、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與挖掘、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，對(duì)雙江口水電站心墻堆石壩設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中涉及的施工資源、施工質(zhì)量、工程進(jìn)度等信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集、自動(dòng)分析、智能管控，與工程管理等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息整合與共享，并在工程整個(gè)生命周期里，實(shí)現(xiàn)綜合信息的動(dòng)態(tài)更新與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)工程信息統(tǒng)一管理和三維展示，對(duì)施工質(zhì)量、工程進(jìn)度等“五控制”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警，并為工程管控提供智能決策支持。雙江口智能大壩系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖3。

相比于傳統(tǒng)已建立的數(shù)字大壩系統(tǒng)，雙江口智能大壩系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了心墻堆石壩施工全過(guò)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)料源開(kāi)采運(yùn)輸、心墻料摻和、料源上壩、壩面施工、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)、灌漿過(guò)程等全過(guò)程進(jìn)行跟蹤。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

1)基于三維激光掃描技術(shù)及無(wú)線通訊技術(shù)，通過(guò)對(duì)料場(chǎng)開(kāi)采量的實(shí)景復(fù)制，實(shí)現(xiàn)了料場(chǎng)開(kāi)采體型的實(shí)時(shí)獲取及及壩料上壩運(yùn)輸量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2)基于含水率快速檢測(cè)裝置及自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)大壩填筑土料含水率快速檢測(cè)及實(shí)時(shí)預(yù)警分析。

圖3 雙江口智能大壩系統(tǒng)架構(gòu)圖

3)基于圖像識(shí)別及及識(shí)別分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)摻礫土料均勻度實(shí)時(shí)分析監(jiān)控與壩面填筑施工現(xiàn)場(chǎng)料界污染實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4)集合環(huán)境感知、信息融合、智能控制、無(wú)線通訊等眾多高新技術(shù)，構(gòu)建感知-決策-執(zhí)行三層結(jié)構(gòu)的碾壓機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壩面碾壓過(guò)程的自主控制。

4 施工期需要深化研究的關(guān)鍵技術(shù)

雖然已開(kāi)展的300 m級(jí)高土石壩關(guān)鍵技術(shù)研究為雙江口特高壩建設(shè)提供了一定的技術(shù)支撐，但隨著現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)一步實(shí)施，將獲取到更加豐富的地質(zhì)條件、材料特性資料，這些實(shí)際資料在下一步施工工作中有重要的參考意義。為有針對(duì)性提出設(shè)計(jì)施工方案和技術(shù)管理要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、科學(xué)管理和質(zhì)量控制，擬從以下幾方面開(kāi)展深化研究工作。

4.1 河床覆蓋層建基條件深化研究與評(píng)價(jià)

現(xiàn)有勘探揭示壩區(qū)河床覆蓋層深厚，夾有多個(gè)砂層透鏡體，覆蓋層一般厚度48～57 m，最大厚度達(dá)76 m，具有多層結(jié)構(gòu)，各層厚度變化較大，大壩地基在施工期存在變形不均勻、砂層液化等問(wèn)題。可研方案推薦將心墻及反濾層下的覆蓋層全部挖除，但上、下游堆石區(qū)的基礎(chǔ)覆蓋層大部予以保留。如何根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)材料進(jìn)行評(píng)價(jià)，是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。

在基坑施工作業(yè)中，壩基覆蓋層能夠得到充分揭露，使得有條件進(jìn)一步研究壩基深厚覆蓋層的組成結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)特性，復(fù)核河床壩基開(kāi)挖范圍和深度，復(fù)核論證覆蓋層作為堆石體壩基的適應(yīng)性，并對(duì)壩基覆蓋層的優(yōu)化利用與處理提出建議。

4.2 壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)及壩料特性深化與優(yōu)化

本工程填筑強(qiáng)度大，上、下游堆石料料源物理力學(xué)特性不同，且料場(chǎng)剝采比高，施工場(chǎng)地狹窄，施工期土石方平衡及管理難度大。考慮到經(jīng)濟(jì)性以及料源開(kāi)采和填筑施工的匹配性，為了更加科學(xué)合理的利用各種可能的料源，有必要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在壩料爆破、碾壓試驗(yàn)成果及壩體數(shù)值分析成果的基礎(chǔ)上，對(duì)壩殼堆石料分區(qū)方案進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證大壩安全的前提下，提高開(kāi)采料的利用率。同時(shí)，現(xiàn)階段心墻摻礫土料采用當(dāng)卡土料與花崗巖破碎料按55%∶45%(質(zhì)量比)進(jìn)行摻合。依據(jù)現(xiàn)有勘察成果，當(dāng)卡土料可開(kāi)采儲(chǔ)量較為緊張，為了盡量合理利用當(dāng)卡土料，減少征地移民等成本，有必要在技施階段繼續(xù)研究心墻摻礫土料的摻合比例及優(yōu)化心墻結(jié)構(gòu)分區(qū)的可行性。

4.3 特高土石壩長(zhǎng)期變形特性深化研究

變形控制是高土石壩設(shè)計(jì)與施工中的核心問(wèn)題。大量的工程實(shí)踐已經(jīng)證明，長(zhǎng)期變形對(duì)于堆石壩的工后沉降及安全運(yùn)行具有重要影響。雙江口300 m級(jí)高土石壩的壩體最大豎向應(yīng)力達(dá)6 MPa左右，最大橫向應(yīng)力也達(dá)3 MPa。雖然可研階段對(duì)堆石料進(jìn)行了流變及濕化研究，但從目前現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，實(shí)施階段堆石料的利用和選擇可能與可研階段有些不同，極可能會(huì)加大對(duì)洞挖料、料場(chǎng)剝離料、渣場(chǎng)回采料的研究和利用。因此，有必要對(duì)長(zhǎng)期復(fù)雜高應(yīng)力條件下顆粒破碎可能較突出的堆石體開(kāi)展相應(yīng)的級(jí)配跟蹤和研究，并對(duì)上游河口石料場(chǎng)及下游飛水巖石料場(chǎng)的開(kāi)采料進(jìn)行性能復(fù)核。

4.4 高海拔冬季土料凍融規(guī)律及大壩防滲土料施工措施研究

雙江口水電站壩址以上的大渡河流域?qū)俅ㄎ鞲咴瓪夂騾^(qū)，具有明顯的大陸性高原季風(fēng)氣候特征。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，壩址區(qū)多年平均氣溫8.6℃，極端最高氣溫34.8℃，極端最低氣溫-17.5℃，且夜間氣溫低，晝夜溫差大，屬于淺季節(jié)凍土～短時(shí)凍土區(qū)。冬季施工會(huì)出現(xiàn)土料凍結(jié)問(wèn)題，其凍融規(guī)律、判斷指標(biāo)、施工防控措施等可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)不多。根據(jù)壩址區(qū)氣候條件，如何準(zhǔn)確掌握土料凍融規(guī)律，制定詳細(xì)、系統(tǒng)的冬季土料施工防控措施，以確保大壩施工質(zhì)量及施工進(jìn)度是施工中應(yīng)研究的重要課題。

4.5 特高土石壩安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

大壩監(jiān)測(cè)是指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工、保證大壩運(yùn)行安全的重要手段。目前常用的土石壩變形監(jiān)測(cè)手段主要有監(jiān)測(cè)表面垂直位移的水準(zhǔn)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部分層垂直位移的水管式沉降儀和電磁式沉降儀、監(jiān)測(cè)表面水平位移的觀測(cè)墩、監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部分層水平位移的引張線式位移計(jì)和測(cè)斜管。受限于高壩大變形、儀器使用條件和現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制，測(cè)斜管和電磁式沉降儀在超過(guò)150 m以上時(shí)其應(yīng)用效果難以保證，且心墻壩上游堆石區(qū)變形監(jiān)測(cè)是目前大壩監(jiān)測(cè)的“盲區(qū)”，尚無(wú)有效手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，有必要開(kāi)展特高土石壩安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)的研究，應(yīng)用安全監(jiān)測(cè)新技術(shù)解決上游堆石區(qū)的變形監(jiān)測(cè)問(wèn)題，并提高特高土石壩心墻變形監(jiān)測(cè)儀器的存活率。

5 結(jié) 語(yǔ)

雙江口水電站心墻堆石壩是世界在建的第一高壩，其地處高海拔、高寒地區(qū)，工程區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，在施工期面臨壩體及壩基變形穩(wěn)定、防滲排水、防震抗震等技術(shù)問(wèn)題，工程建設(shè)面臨的技術(shù)問(wèn)題復(fù)雜，建設(shè)難度較大。

在水建站建設(shè)可研階段，圍繞300m級(jí)心墻堆石壩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)展了壩基覆蓋層及筑壩材料特性、防滲土料改性、壩體結(jié)構(gòu)型式及分區(qū)方案、抗震安全評(píng)價(jià)及抗震措施、防滲土料開(kāi)采、運(yùn)輸和摻和系統(tǒng)、智能大壩管控系統(tǒng)等一系列關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了豐富的研究成果，為雙江口水電站特高心墻堆石壩建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著雙江口工程建設(shè)的深入推進(jìn)和工程技術(shù)的不斷發(fā)展，還需在河床覆蓋層建基條件、壩體結(jié)構(gòu)分區(qū)及壩料特性、特高土石壩壩長(zhǎng)期變形特性、高海拔冬季土料凍融規(guī)律及大壩防滲土料施工措施、特高壩安全監(jiān)測(cè)等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，保證雙江口特高心墻堆石壩科學(xué)建設(shè)。同時(shí)，大量的創(chuàng)新性研究成果實(shí)現(xiàn)了300 m級(jí)心墻堆石壩筑壩技術(shù)突破，推動(dòng)了世界特高土石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，為土石壩工程建設(shè)提供了豐富、寶貴的經(jīng)驗(yàn)。