堆石自密實(shí)混凝土重力壩施工技術(shù)的研究

唐波

（仁懷市水務(wù)局，貴州 遵義 564500）

0 引言

堆石自密實(shí)混凝土施工技術(shù)，簡(jiǎn)單來說，便是將大粒徑的塊石放入倉(cāng)，之后，從堆石體表面澆筑專用混凝土，借助混凝土高流動(dòng)性、高穿透性的特點(diǎn)，利用自重填充堆石空隙，形成滿足規(guī)格要求的大體積混凝土。此類施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于施工便捷、綜合單價(jià)較低、易于現(xiàn)場(chǎng)控制、有助于縮短施工周期。

1 工程概況

工程由遵義市水務(wù)局批準(zhǔn)建設(shè)，水庫(kù)總庫(kù)容為153 萬m3，屬于?。ㄒ唬┬退こ?。工程主要任務(wù)是保障仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)上坪村、椿樹村以及元木巖村生活用水和工業(yè)用水，切實(shí)解決項(xiàng)目所在區(qū)域水徑流年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻，供水水源工程建設(shè)滯后等問題。水庫(kù)年供水量219 萬m3/a，其中，人飲供水36.4 萬m3/a，釀酒工業(yè)供水182.6 萬m3/a。工程主要建設(shè)內(nèi)容包括輸水工程、水庫(kù)樞紐工程以及排污工程，工程涉及的主要建筑物，包括擋水建筑物、泄洪建筑物、輸水建筑物等，工程總工期為30 個(gè)月，概算總投資為21772 萬元。

2 堆石自密實(shí)混凝土重力壩施工技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)

2.1 工程布置

首先，要完成水庫(kù)樞紐布置，水庫(kù)大壩位于仁懷市石壩河，壩型為堆石混凝土重力壩，對(duì)于大壩來說，壩頂高程為568m，最大壩高為57m，壩頂總長(zhǎng)228m。對(duì)于溢洪道來說，需要在大壩壩頂中段設(shè)置泄洪表孔，采用開敞式設(shè)閘泄洪方式，閘門規(guī)格為5m×4m，采用平板鋼閘門。至于取水放空建筑物，則設(shè)置在溢流壩右側(cè)，以壩內(nèi)埋管的布置方式為主，出口設(shè)偏心半球閥。從放水管出口閘閥室處分水，引至一級(jí)提水泵站。在進(jìn)行管線布置時(shí)，要遵循取直、少占地的原則。

其次，要完成輸水工程布置，該地區(qū)的人飲供水較為分散，主要由河西水廠、部分提水工程供水，因此供水水源與水質(zhì)難以得到有效保障。在工程布置時(shí)，需要充分結(jié)合左右岸的大堰設(shè)置狀況，建立水廠以及一級(jí)泵站，采用分級(jí)提水的方式完成供水。而在泵站布置時(shí)，則要充分依照地形地質(zhì)條件，考慮場(chǎng)地平整以及就近原則，充分利用土地資源，修建施工臨時(shí)道路，建設(shè)跨河交通橋。將泵房外尺寸確定為27m×18m，地面高程520m，泵房?jī)?nèi)布置7 臺(tái)水泵。

最后，要進(jìn)行排污系統(tǒng)的布置，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘察結(jié)果，將受污染的泉水引出庫(kù)外，在實(shí)施專項(xiàng)處理后排放至下游河道。排污管進(jìn)口端需要新建引水池，設(shè)置攔污柵。并要求污水處理廠，污水處理規(guī)模可達(dá)1 萬m3/d，使污水納污管道鋪設(shè)至壩址下游，在現(xiàn)有污水處理廠基礎(chǔ)上實(shí)施擴(kuò)建，增設(shè)污水處理器。根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)做好水質(zhì)監(jiān)測(cè)、水源保護(hù)。

2.2 擋水建筑物

大壩主體采用C9015 一級(jí)配堆石混凝土，上游面設(shè)置厚0.5m 的自密實(shí)混凝土防滲面板，河床基礎(chǔ)設(shè)置1m 厚的二級(jí)配C2820 混凝土墊層。并將石料廠設(shè)置在庫(kù)尾左岸后側(cè)，與鄉(xiāng)村公路連接。根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示，本工程的最大壩高在57m，大壩基建面主要依照壩高以及巖體風(fēng)化狀況，確定高程大小。并結(jié)合規(guī)范要求，將壩基放置在弱風(fēng)化基巖中上部，需要在布置時(shí)滿足大壩抗滑穩(wěn)定要求。在實(shí)現(xiàn)逆向邊坡開挖時(shí)，采取順層開挖的形式，河床開挖深度控制在12～15m，對(duì)兩壩肩永久巖石質(zhì)邊坡實(shí)施噴錨支護(hù)，如圖1 所示，保持錨桿兩腳鉛直，孔深3m，以梅花型布設(shè)為主，框格內(nèi)植草護(hù)坡。然后需要實(shí)施基礎(chǔ)固結(jié)灌漿，解決壩基巖體存在的壓縮變形問題，改善巖體強(qiáng)度，增強(qiáng)地基整體性，避免壩基力分布不均勻。灌漿施工需要嚴(yán)格遵循現(xiàn)行的操作章程以及設(shè)計(jì)要求，本著逐漸加密的原則，自上而下分段循環(huán)實(shí)施。并在灌漿開始前實(shí)施簡(jiǎn)易壓水，結(jié)合壓水成果，指導(dǎo)灌漿施工。同時(shí)，還要做好大壩的設(shè)計(jì)計(jì)算，確定壩頂高程、大壩抗滑穩(wěn)定性、大壩應(yīng)力，包括荷載、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、動(dòng)水壓力，根據(jù)持久狀況以及偶然狀況設(shè)計(jì)荷載組合形式。

圖1 噴錨支護(hù)

2.3 泄水建筑物

對(duì)于泄水建筑物來說，首先要完成溢洪道的布置，將泄洪建筑物布置在大壩中段右岸，采用閘控制的開敞式表孔泄洪。該方法既有助于泄洪水歸槽原河道，也能幫助壩基分層的充分使用，防止消力池基礎(chǔ)位于巖層分界線。最終將溢流堰段設(shè)計(jì)為凈寬15m，堰型為WES 實(shí)用堰，孔寬5m。堰頂需設(shè)置規(guī)格為5m×4m 的平板工作鋼閘門。至于泄槽段，則要采用與非溢流壩段下游壩面同等坡比的布置形式，泄槽段底寬為20m，總長(zhǎng)為65m。而消力池則采用底流消能的方式，每11m 設(shè)置橫縫，縱向中部設(shè)置縱縫?？p內(nèi)采用銅片止水，消力池出口與新建的交通橋段兩岸，都要使用重力式擋墻護(hù)岸。之后要實(shí)現(xiàn)泄水建筑物的水力計(jì)算，確定堰面曲線，計(jì)算泄流能力，泄流水面線效能。并及時(shí)清除下游河岸覆蓋層，回填大塊石。結(jié)合實(shí)際情況，調(diào)整溢洪道結(jié)構(gòu)，對(duì)于泄槽段使用直墻式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，對(duì)于消力池段以及出水渠段，則使用重力式結(jié)構(gòu)[1]。

由于本次工程大壩屬于堆石混凝土重力壩，且溢洪道泄槽段更多的以下凹式完成布置，因此，無須考慮溢洪道邊墻的穩(wěn)定計(jì)算，只需考慮消力池以及護(hù)岸擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算即可，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 消力池以及護(hù)岸擋墻抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)表1 可知，消力池以及護(hù)岸擋墻抗傾覆安全以及抗滑穩(wěn)定性均符合規(guī)范要求。此外在設(shè)計(jì)過程中還要注意石壩河水庫(kù)不負(fù)責(zé)上下游的防洪任務(wù)，在洪水調(diào)度方面，主要目標(biāo)放在保護(hù)大壩安全上。因此也無須設(shè)置防洪高水位，更多采用壩頂表孔閘控制溢流的形式，確保當(dāng)庫(kù)水位高于起吊水位高程時(shí)，洪水會(huì)經(jīng)閘門控制后下泄。若來流量超過相應(yīng)時(shí)段最大泄流能力，則水庫(kù)水位會(huì)出現(xiàn)一定幅度的上漲，直至來流量與下泄流量一致。

2.4 取水、放空建筑物

取水放空建筑物需要設(shè)置在大壩右段，主要組成結(jié)構(gòu)包括取水閘井以及壓力管道，在設(shè)置時(shí)需要充分結(jié)合地形地質(zhì)條件，采用井桶式結(jié)構(gòu)。根據(jù)進(jìn)水口運(yùn)行條件，調(diào)整進(jìn)口底板高程，使庫(kù)水降至死水附近時(shí)，仍可確保取水流量符合安全標(biāo)準(zhǔn)。其中取水閘井的組成包括喇叭口與閘室段，需要沿水流方向設(shè)置攔污柵、事故檢修閘門。在進(jìn)口處采用頂面收縮的喇叭形，使用C25 鋼筋混凝土澆筑，對(duì)于啟閉機(jī)室，則要布置卷?yè)P(yáng)機(jī)以及電動(dòng)葫蘆，在事故檢修閘門后設(shè)置通氣孔。

取水放空建筑物的水力計(jì)算主要包括泄流能力、最小淹沒深度、放空時(shí)間、通氣孔面積、壓力管道結(jié)構(gòu)等。采用堪入壩體形式，將堪深設(shè)置為2m，出口閘閥室基礎(chǔ)與壩體有序連接，同樣使用C25 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，完成啟閉機(jī)室平臺(tái)機(jī)排架的設(shè)置，在斷面尺寸的設(shè)置上，充分結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)法，根據(jù)受力狀況實(shí)施內(nèi)力計(jì)算，并結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)完成配筋作業(yè)[2]。

此外，在取水管的設(shè)計(jì)上，需要優(yōu)先選好相應(yīng)管材，遵循取直、少開挖、少占地的原則，進(jìn)口中線高程設(shè)置為538m，在平面或豎向轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)要位于基巖上，但要注意由于該段覆蓋層相對(duì)較厚，因此設(shè)置難度較高，需要在回填碾壓操作后，設(shè)置在公路基礎(chǔ)上。之后確定管道流量以及管徑大小，并計(jì)算各類管徑取水管流速及總水頭損失結(jié)果，如表2 所示。

表2 各類管徑取水管流速及總水頭損失結(jié)果

2.5 輸水建筑物

本次工程水資源分配采用分級(jí)提水的方式，向需水區(qū)完成供水作業(yè)。左岸提水方案如下：左岸永流上水池位于桃竹灣，底板高程為650m，需要根據(jù)上水池布置狀況，完成二級(jí)泵站的設(shè)計(jì)。盡可能靠近永流水廠，以便管理，降低工程占地，節(jié)約管道投資。對(duì)于工業(yè)用水來說，則可利用管道下放至永流大堰，借助重力輸水供應(yīng)椿樹村釀酒工業(yè)。而右岸的提水方案則確定為：東風(fēng)上水池位于袁半坡，構(gòu)建東風(fēng)水廠，設(shè)置二級(jí)泵站，上水管長(zhǎng)為670m，工業(yè)用水借助管道下放至東風(fēng)大堰。同樣利用重力輸水供應(yīng)上坪村釀酒工業(yè)。

在泵站設(shè)置時(shí)要注意，場(chǎng)地要盡可能開闊，充分結(jié)合場(chǎng)地平整原則，借助大壩開挖石渣料平整至高程，作為泵站廠房運(yùn)行的地面高程，并搭配水泵機(jī)組，出水管，將庫(kù)水引至永流上水池。對(duì)于石壩和水庫(kù)泵房來說，共涉及左右岸一級(jí)泵房，左岸二級(jí)泵房以及右岸三級(jí)泵房，共3 座泵房。需要充分結(jié)合地形以及輸水管道要，求確定泵房、主廠房地面高程。結(jié)合地質(zhì)狀況以及泵房結(jié)構(gòu)，開挖至基巖，要求基礎(chǔ)超深部分采用C15 毛石混凝土回填，并將開挖坡比與覆蓋層依照1∶1 的比例實(shí)施施工作業(yè)[3]。

此外，對(duì)于上水管，需要依照左右岸布置的原則，與泵站接觸后，借助進(jìn)廠交通橋跨越石壩和下游河床，途經(jīng)左岸岸坡、永流上水池，輸水至二級(jí)泵站。材料以鋼管為主，要求泵站能夠起到將水提升至上水池的作用，根據(jù)泵站設(shè)計(jì)、揚(yáng)程、投資等因素確認(rèn)上水管水頭損失量。隨后需要進(jìn)行管道鋪設(shè)，以連續(xù)管座形式為主，鋪設(shè)碎石墊作為基礎(chǔ)，采用M7.5 漿砌石鋪設(shè)檢修梯步，其余架空段則應(yīng)采用支墩形式，使用C20 混凝土完成連續(xù)管座的澆筑，規(guī)格控制在710m×250mm。在轉(zhuǎn)彎處設(shè)置混凝土正蹲，并在管道凹下底部設(shè)置空閥以及自動(dòng)排氣閥。閥門型號(hào)規(guī)格如表3 所示。

表3 閥門規(guī)格型號(hào)統(tǒng)計(jì)

2.6 邊坡工程

邊坡的分布范圍需要根據(jù)工程總體布置確認(rèn)為庫(kù)岸邊坡，充分遵循相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確認(rèn)邊坡工程級(jí)別，做好邊坡破壞造成的影響論證。最終將大壩河水庫(kù)確認(rèn)為小型水庫(kù)，工程級(jí)別為4 級(jí)，其他永久性次要建筑物依照5 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

首先，要做好邊坡的穩(wěn)定分析。從區(qū)域性構(gòu)造角度來看，不存在水庫(kù)誘發(fā)構(gòu)造地震的可能。庫(kù)區(qū)岸坡更多以碎屑巖為主，存在大量斜向坡，雖淺表層出現(xiàn)節(jié)理裂隙發(fā)育的問題，但庫(kù)區(qū)內(nèi)邊坡較為穩(wěn)定。站在物理地質(zhì)角度來看，庫(kù)區(qū)邊坡存在巖體風(fēng)化、崩塌等問題，受裂隙切割影響，產(chǎn)生卸荷帶，發(fā)育于庫(kù)區(qū)出露的陡崖段，容易對(duì)下方行人與車輛產(chǎn)生安全威脅。因此，要加強(qiáng)施工期的變形監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)異常狀況，需要第一時(shí)間進(jìn)行處理。對(duì)于大壩開挖邊坡來說，前部覆蓋層與基巖強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體的穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)處理。并規(guī)范人員的操作行為，提高人員的專業(yè)水平，形成良好的安全意識(shí)，認(rèn)識(shí)到人員作業(yè)施工質(zhì)量，將直接決定工程的建設(shè)狀況。

其次，要做好邊坡的處理設(shè)計(jì)。對(duì)于庫(kù)岸邊坡來說，應(yīng)保證邊坡穩(wěn)定，需要對(duì)公路以下堆砌體表層松散部分，實(shí)施清除作業(yè)，沿公路內(nèi)側(cè)完成拓寬處理。利用削坡減載的方式，設(shè)置排水溝，強(qiáng)化坡面排水，采用小型貨車完成石料的運(yùn)輸，要求車輛盡可能靠?jī)?nèi)側(cè)行駛。采用表面觀測(cè)光學(xué)測(cè)量法，完成觀測(cè)作業(yè)。邊坡監(jiān)測(cè)表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)11 個(gè)，其中岸區(qū)邊坡4 個(gè)，大壩區(qū)7 個(gè)，對(duì)于樞紐區(qū)的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)來說，要采用C20 混凝土框格，將斷面規(guī)格控制為0.3m×0.3m?？蚋駜?nèi)植草護(hù)坡，若表層墻風(fēng)化破碎巖體穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)，則要選擇適合的開挖方式，實(shí)施放坡之后，將管道開挖棄渣合理堆放與回填。對(duì)地表水以實(shí)施引流作業(yè)。若邊坡段開挖后，穩(wěn)定性大幅度降低，則要使用噴錨支護(hù)[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以貴州省仁懷市石壩河水庫(kù)工程作為研究對(duì)象，闡述其堆石自密實(shí)混凝土重力壩施工技術(shù)的應(yīng)用路徑，提出擋水建筑物、泄水建筑物、取水建筑物、放空建筑物、輸水建筑物的布置設(shè)計(jì)措施，以及邊坡工程的建設(shè)方法，該工程充分發(fā)揮自密實(shí)對(duì)實(shí)混凝土造價(jià)低廉、溫控效果良好的優(yōu)勢(shì)，確保重力壩施工獲取極佳的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。