水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工技術(shù)分析

劉振路 李 臻

（中國(guó)安能集團(tuán)第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

在水利工程中，面板堆石壩由于能夠通過(guò)就地取材減少?gòu)U棄材料，可以節(jié)省水泥、鋼筋等大量消耗性材料，降低施工成本，并縮短施工工期，因此應(yīng)用廣泛。而實(shí)際進(jìn)行面板堆石壩施工，想要保證施工質(zhì)量，還要做好壩體填筑施工。加強(qiáng)水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工技術(shù)研究，把握施工關(guān)鍵工序和技術(shù)要點(diǎn)，能夠得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的壩體，為水利工程的可持續(xù)發(fā)展提供保障。

1 水利工程中面板堆石壩結(jié)構(gòu)及施工特點(diǎn)

在面板堆石壩中，壩體為主要構(gòu)件。如圖1所示，依靠堆石填料顆粒間的相互咬合與銜接產(chǎn)生骨架作用，在保證壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的同時(shí)，為面板提供支撐力。在壩體填筑材料不能做到碾壓密實(shí)的情況下，使填筑體變形模量減小，整體壓縮變形增加。發(fā)生較大的沉降變形，將導(dǎo)致面板和止水結(jié)構(gòu)失效，結(jié)構(gòu)整體功能被破壞，出現(xiàn)大量的滲水問(wèn)題，使大壩運(yùn)行面臨安全威脅。壩體帶有穩(wěn)固性和自由排水的功效，不會(huì)出現(xiàn)剪切破壞等常見(jiàn)失效現(xiàn)象，出現(xiàn)損壞時(shí)以面板開(kāi)裂、止水結(jié)構(gòu)失效等為主，暫未發(fā)生整體失穩(wěn)事件[1]。堆石壩對(duì)地質(zhì)、地形等條件適用性強(qiáng)，建設(shè)在堅(jiān)硬巖基或砂礫層上可以獲得較強(qiáng)的抗滑性，采用的堆石為非沖蝕材料，推流穩(wěn)定性較好，且整個(gè)堆石體干燥，抗震性良好。堆石壩施工可以保持各工序獨(dú)立，減少相互干擾，滿足機(jī)械化施工作業(yè)要求，可以提高施工效率。在未澆筑面板的情況下，壩體已經(jīng)可以擋水或過(guò)水，能夠?yàn)槭┕?dǎo)流等操作提供便利，保障堆石壩施工安全，因此在水利工程中應(yīng)用廣泛。

圖1 面板堆石壩結(jié)構(gòu)

2 水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工關(guān)鍵

2.1 施工準(zhǔn)備

在面板堆石壩壩體填筑施工前，首先需要做好準(zhǔn)備工作，通過(guò)有序組織和科學(xué)管理為壩體填筑質(zhì)量提供保障。壩體使用的材料以堆石填筑材料為主，多為不具黏結(jié)力的級(jí)配碎石，依靠碾壓力獲得密實(shí)度與變形模量。石料松散，經(jīng)過(guò)碾壓后才能保證微粒緊密結(jié)合，避免產(chǎn)生過(guò)大壓縮變形。遵循就地、就近取材原則，需要找到合格料源，合理安排開(kāi)采工作。從結(jié)構(gòu)功能上來(lái)看，填料劃分為堆石體、墊層、過(guò)渡3種類(lèi)型，用于墊層施工的材料通常為砂石加工材料，其他材料通常由石料場(chǎng)爆破獲取。按照材料級(jí)配開(kāi)展爆破試驗(yàn)，然后通過(guò)規(guī)范作業(yè)加強(qiáng)料源質(zhì)量控制，并根據(jù)儲(chǔ)量安排施工進(jìn)度，這樣才能保證施工順利地開(kāi)展。其次，需要保證不同的壩料順利上壩，做好交通組織工作，保證填筑作業(yè)的連續(xù)性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查掌握?qǐng)龅厍闆r，根據(jù)工程量需求、上壩強(qiáng)度等要素修建臨時(shí)施工道路[2]。由于不同填筑區(qū)的施工進(jìn)度和強(qiáng)度存在差異，一般需要分區(qū)、分期將道路布置在壓實(shí)合格的壩段坡面上，呈“之”字形，縱坡不超10%，禁止通過(guò)趾板和墊層區(qū)，必要時(shí)加鋪臨時(shí)加厚路基。

2.2 填料作業(yè)

在分區(qū)進(jìn)行填料攤鋪時(shí)，需要按照“先粗后細(xì)”的原則作業(yè)，先攤鋪主堆石區(qū)的過(guò)渡層、墊石層等粗粒徑料，將界面料清理干凈后增加細(xì)料。

針對(duì)上、下游的主次堆石區(qū)料，通過(guò)進(jìn)占法攤鋪，利用自卸車(chē)卸料，使堆與堆保持60 mm間隙。利用推土機(jī)平倉(cāng)，使粗石料滾落底層，面層保留細(xì)石料，能夠?yàn)楹罄m(xù)碾壓操作提供方便。在料場(chǎng)進(jìn)行石料粗細(xì)搭配，運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)面卸料時(shí)應(yīng)用白石灰線標(biāo)識(shí)分界線，提醒人員按界線卸料，用機(jī)械攤鋪均勻。

攤鋪過(guò)渡層粒料，需要將上游坡面超30 cm塊石清理干凈。按照要求，過(guò)渡層粒料最大直徑為30 cm，超出這一要求的石料需要在料場(chǎng)處理，分解成小粒徑石料。通過(guò)自卸車(chē)將石料堆至工作面時(shí)，需要采用后退法，先從兩邊卸料，然后向中間靠近，為流水作業(yè)提供方便。在利用機(jī)械設(shè)備推平時(shí)，由人員輔助作業(yè)，確保鋪層厚度達(dá)到要求，誤差不超層厚10%，且接縫位置超標(biāo)石料被清除干凈[3]。發(fā)現(xiàn)主堆石料侵占過(guò)渡層位置，利用反鏟方式清理干凈。

在攤鋪墊層料時(shí)，應(yīng)將上游坡面超8 cm石料清除，攤鋪黃砂和級(jí)配碎石料拌制的粒徑不超8 cm的填料。在卸料時(shí)同樣采用后退法，需要輔助人員對(duì)填料進(jìn)行整平，確保上游邊線超寬在20 cm～30 cm。在堆石區(qū)填筑一層時(shí)，墊層和過(guò)渡層均需要填筑二層，用激光儀等設(shè)備加強(qiáng)層厚測(cè)量，發(fā)現(xiàn)超欠問(wèn)題立即人工整平，保證與堆石區(qū)同步填筑，如圖2所示。

圖2 不同攤鋪方法比較

2.3 壩體碾壓

在壩體碾壓階段，考慮到不同區(qū)域的填料不同，結(jié)構(gòu)受力也存在差異，需要分區(qū)碾壓，通過(guò)開(kāi)展碾壓試驗(yàn)獲得碾壓遍數(shù)、灑水量以及碾壓速度等參數(shù)的最優(yōu)值。做好壩料灑水工作，能夠保證填料濕潤(rùn)，在強(qiáng)力震動(dòng)下降低縫隙率，提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度。

在主、次堆石料碾壓期間，通常采用進(jìn)退錯(cuò)距方式。在分區(qū)、分段作業(yè)期間，依靠振動(dòng)碾子寬和碾壓遍數(shù)加強(qiáng)錯(cuò)距控制。如在碾子寬達(dá)到2 m時(shí)，碾壓8次的錯(cuò)距通常達(dá)到25 cm。沿著壩軸線進(jìn)行碾壓，速度通常為1.5 km/h～2 km/h，各段搭接至少1 m。區(qū)分碾壓層次，嚴(yán)格落實(shí)平起平升要求，避免出現(xiàn)漏碾欠碾問(wèn)題?？拷狡挛恢梅植驾^多大塊石，需用粒徑小石料進(jìn)行過(guò)渡填筑，碾壓時(shí)應(yīng)盡量靠近岸坡[4]。針對(duì)大碾壓設(shè)備無(wú)法達(dá)到的接觸帶等區(qū)域，利用手扶式設(shè)備碾壓。碾壓期間應(yīng)加強(qiáng)壓力控制，避免混凝土結(jié)構(gòu)損壞，一般壓力值見(jiàn)表1。

表1 混凝土加壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

在過(guò)渡層和墊層碾壓時(shí)，通常采用自行式或拖式振動(dòng)碾壓方式，沿著壩軸線來(lái)回碾壓，碾距與上游邊緣距離不超40 cm。按規(guī)定灑水后，可以開(kāi)始碾壓，確保與同層堆石區(qū)一同碾壓。在碾壓過(guò)程中，應(yīng)確保碾距離與擠壓邊墻內(nèi)側(cè)保持在約20 cm的距離。采用壓實(shí)干密度檢測(cè)等方法，能夠確定壓實(shí)度質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)。

2.4 測(cè)量控制

在壩體填筑施工期間，需要加強(qiáng)各層測(cè)量控制。按要求對(duì)各區(qū)界限進(jìn)行測(cè)量，利用吊竹樁加強(qiáng)墊層上部邊線控制，在兩岸巖坡上做好各層高程及樁點(diǎn)樁號(hào)標(biāo)記。對(duì)各界限進(jìn)行放樣測(cè)量，應(yīng)該確保主、次石碓區(qū)交界線和下游邊界線完成2～3層放樣，加強(qiáng)沉降量預(yù)估。綜合分析沉降后高程、外形等參數(shù)，將設(shè)計(jì)高當(dāng)成是最終沉降高，可以設(shè)定沉降安全值，通常為壩高的0.5%～1.0%。

3 水利工程中面板堆石壩壩體填筑施工技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用

3.1 工程概況

某水利樞紐工程需要建造攔河壩，發(fā)揮防洪、灌溉、發(fā)電等作用，建成后總庫(kù)容為22.5 億m3，蓄水位高程為1820 m。工程采用混凝土面板堆石壩，長(zhǎng)為795 m，頂部寬為12 m，上、下游壩坡分別為1∶1.7和1∶1.89，壩高最大為165 m。壩體采用砂礫石基礎(chǔ)，厚度為93 m，壩體填筑施工難度較大。

3.2 分區(qū)規(guī)劃

結(jié)合壩體填筑施工要求，填筑方量約2500 萬(wàn)m3，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查后分別在上、下游設(shè)置料場(chǎng)獲取天然砂礫石料供應(yīng)主堆石區(qū)，儲(chǔ)量達(dá)到2520 萬(wàn)m3。次堆石區(qū)和其他區(qū)域料源來(lái)自上游爆破料場(chǎng)，儲(chǔ)量大于3000 萬(wàn)m3，能夠滿足施工要求。結(jié)合填筑分區(qū)情況，鋪蓋區(qū)采用泄水構(gòu)筑物出口挖掘低液限粉土，自然壓實(shí)不需要碾壓。壓重區(qū)采用開(kāi)挖棄渣，填筑方法同覆蓋區(qū)。墊層區(qū)劃分為一般區(qū)和特殊區(qū)，前者粒徑不超過(guò)60 mm，30%～45%為粒徑不超過(guò)5 mm的填料，另外，8%粒徑不超過(guò)0.075%，滲透密系數(shù)為10-3cm/s～10-4cm/s，相對(duì)密度至少為0.9，為砂礫石料場(chǎng)篩分篩分料，向下游延伸20 m。特殊區(qū)為粒徑不超過(guò)20 mm篩分料，相對(duì)密度至少為0.9，碾壓層厚0.2 m。過(guò)渡區(qū)為粒徑≤15 cm的砂礫料，同樣通過(guò)篩分得到，保證級(jí)配連續(xù)。主堆石料從天然砂礫料場(chǎng)獲得，上壩填筑，相對(duì)密度至少為0.9。次堆石料為爆破開(kāi)采料或開(kāi)挖利用料，粒徑≤60 mm，粒徑≤0.075%的石料含量＜5%，孔隙率≤19%。此外，需要從爆破料場(chǎng)獲得排水料，粒徑≤5 mm的石料≤15%，0.1 mm以下含量≤5%。

3.3 填料開(kāi)采運(yùn)輸

在工程截流后，上游汛期易產(chǎn)淤砂，下游因河水網(wǎng)狀分布水位較淺，但是汛期將迅速發(fā)生漲幅。結(jié)合填料供應(yīng)需求，汛前優(yōu)先進(jìn)行上游料場(chǎng)開(kāi)采，確保下游先鋒槽成型后緊隨其后開(kāi)采。砂礫料場(chǎng)在采用1.6 m3液壓反鏟進(jìn)行原料開(kāi)采的同時(shí)，需要配置振動(dòng)篩、給料機(jī)等多種設(shè)備，通過(guò)篩分獲得不同級(jí)配碎石料。按照不同的粒徑進(jìn)行成品料堆存后，利用20 m3自卸車(chē)運(yùn)輸。

在爆破料場(chǎng)采運(yùn)石料，巖石邊坡傾角為1∶0.5，決定采用深孔臺(tái)階爆破法逐級(jí)采挖，臺(tái)階高為13 m～15 m。配合采用大孔距預(yù)裂爆破方式進(jìn)行邊坡處理，需要預(yù)先按照壩料級(jí)配要求開(kāi)展爆破試驗(yàn)。結(jié)合分區(qū)、分期填筑需求，需要準(zhǔn)備5臺(tái)液壓反鏟和45臺(tái)自卸車(chē)。在上游左岸、下游左岸位置分別布置上壩道路，起點(diǎn)高程分別為1702 m和1690 m，終點(diǎn)高程分別為1715 m和1690 m，路寬均為9 m，采用砂石結(jié)構(gòu)。

3.4 壩體填筑施工

在壩體填筑施工階段，按照分段分區(qū)施工要求，需要通過(guò)碾壓試驗(yàn)確定各層碾壓參數(shù)，壩體填筑施工參數(shù)見(jiàn)表2，各層均采用激振碾壓的方式。

表2 壩體填筑施工參數(shù)

坡面通過(guò)擠壓邊墻混凝土施工達(dá)到固坡目標(biāo)，對(duì)墊層料進(jìn)行垂直碾壓。從工藝流程來(lái)看，先利用擠壓機(jī)構(gòu)筑高40 cm半透水邊墻，頂寬10 cm，底寬83 cm，達(dá)到1∶1的內(nèi)破比。設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C3～C5，達(dá)到1/2后可以填筑內(nèi)側(cè)墊層料，碾壓后重復(fù)上述工序，得到臨時(shí)壩面。集中拌制混凝土，利用攪拌罐車(chē)運(yùn)輸至作業(yè)面，做到同步施工，在墊層料鋪填成型后可以進(jìn)行碾壓施工。

在墊層和過(guò)渡層施工期間，需要做好特殊位置處理，如各區(qū)交接、壩體與岸坡結(jié)合部位等。周邊縫以下為特殊墊層，擠壓施工質(zhì)量直接關(guān)系到面板受力是否均勻，選用大型機(jī)械容易造成邊墻接縫位置因過(guò)度擠壓出現(xiàn)結(jié)構(gòu)脫落問(wèn)題，采用小型機(jī)械將導(dǎo)致單層填筑效率過(guò)低。為了避免由于上游邊墻移位出現(xiàn)表面混凝土脫落的問(wèn)題，同時(shí)保證施工效率，需要采用機(jī)械+人工方式攤鋪。具體來(lái)講，就是利用40 t自卸車(chē)將料源運(yùn)輸至填筑面，然后反鏟攤鋪，并安排人員配合進(jìn)行邊角攤鋪。在振動(dòng)碾壓期間，配合使用平板夯對(duì)靠近變遷0 m～0.2 m的位置進(jìn)行夯實(shí)，時(shí)間至少為90 s。針對(duì)邊墻至下游0.2 m～1.5 m的位置，利用3.5 t振動(dòng)碾完成自行式碾壓。針對(duì)墊層到過(guò)渡層交接位置1.5 m～1.7m的范圍，利用26 t振動(dòng)碾碾壓8遍。

在堆石料填筑施工過(guò)程中，針對(duì)堆石區(qū)和過(guò)渡層交接位置，應(yīng)先填鋪主堆石料，鋪設(shè)過(guò)渡層前完成上、下游清理工作，使第二層過(guò)渡料與一層堆石料同時(shí)碾壓，做到平順過(guò)渡。堆石區(qū)采用32 t振動(dòng)碾加快施工速度，在石料上壩后同時(shí)采用進(jìn)占法和后退法，實(shí)施綜合卸料。配合使用推土機(jī)攤鋪后，同時(shí)采用壩內(nèi)、外加水方式?？紤]到砂礫吸水性不佳，為了避免水分大量蒸發(fā)，在灑水后立即碾壓。碾壓時(shí)將振動(dòng)頻率控制在0 Hz～28 Hz，振幅達(dá)到1.8 mm，碾寬為2.2 m。針對(duì)岸坡位置，利用小振動(dòng)碾和平板夯加強(qiáng)夯實(shí)。

3.5 施工質(zhì)量管控

采用數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控碾壓參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)超限立即報(bào)警，提醒人員及時(shí)處理，達(dá)到提高碾壓合格率的目標(biāo)。對(duì)填筑干密度和壩體沉降變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地控制填筑施工質(zhì)量。采用現(xiàn)場(chǎng)級(jí)配相對(duì)密度實(shí)驗(yàn)法，對(duì)墊層、過(guò)渡層等各層石料進(jìn)行取樣，能夠得到墊層干容重為2.07 g/cm3～2.38 g/cm3，過(guò)渡層和主堆石區(qū)為2.35 g/cm3～2.42 g/cm3，滲透系數(shù)等指標(biāo)能夠達(dá)到要求，次堆石區(qū)孔隙率為16.1%～18.7%，同樣符合要求。從沉降變形監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，總沉降量最大為621 mm，大部分為壩基沉降，壩體沉降最大約260 mm，占填筑高度的0.17%，沉降量能夠達(dá)到控制要求。

4 結(jié)語(yǔ)

面板堆石壩壩體填筑強(qiáng)度較高，想要使壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、可靠，需要提高填筑施工技術(shù)水平。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，可知壩體填筑施工應(yīng)該做好施工準(zhǔn)備，做好填料開(kāi)采、運(yùn)輸?shù)雀鞯楞暯庸ば虻幕A(chǔ)上，對(duì)填料作業(yè)、壩體碾壓和測(cè)量控制等關(guān)鍵工序進(jìn)行把控。應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況制定科學(xué)施工方案，掌握材料開(kāi)采、壩體填筑等施工環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)，控制施工質(zhì)量。