磽磧水電站礫石土心墻施工及運行分析

李浩偉, 楊 靖

(四川華能寶興河電力股份有限公司,四川 雅安 625000)

0 引 言

受到地質(zhì)、地形條件及建筑成本的影響,近幾十來年,土質(zhì)心墻堆石壩已逐漸成為世界高壩建設(shè)的主流壩型之一。尤其是新型土石方機械的大量投入、填筑施工工藝水平不斷提高、及筑壩材料試驗研究的深入,極大地拓寬了土石壩心墻部位的用料范圍和用料模式,為土質(zhì)、礫石土心墻更廣泛地應(yīng)用提供了有利條件。由于磽磧咔日溝礫石土料天然含水量接近最優(yōu)含水量,級配比較合理,且具有良好的壓實及防滲性能,磽磧水電站大壩采用礫石土直心墻壩,壩高 125.5m。

1 磽磧礫石土料的特性

用礫石土做高土石壩心墻防滲料在國內(nèi)屬首次,這種土料級配范圍寬、均勻性差,需要經(jīng)過室內(nèi)試驗及現(xiàn)場碾壓試驗來確定礫石土料的具體特性。通過物理力學(xué)實驗(12組)、物性試驗(237組)、含水率試驗(216組)、擊實試驗(16組)及現(xiàn)場大型原位試驗(24組)的比較研究,磽磧礫石土料特性如下:

1.1 磽磧礫石土料顆粒級配

選用磽磧礫石土料為剔除大于 150 mm粗料后的咔日溝料場土料,通過對磽磧礫石土料顆粒進行篩分、統(tǒng)計、分析,得出顆粒級配組成及級配表如下(見表 1)。

表1 磽磧礫石土料級配表

磽磧水電站大壩平均級配的特征值為大于 5 mm粒徑含量 P5為39.83%,小于 0.075mm粒徑的含量 P≤0.075為 17.95%,小于 0.005 mm的顆粒含量 P≤0.005為 7.97%。通過采用 862.5k J/m3標(biāo)準(zhǔn)擊實功能對咔日溝礫石土料進行壓實試驗得出:當(dāng)粗料含量 P5的上限控制在 50%、壓實系數(shù)取 0.99,全料干密度 ρd為 2.047,滿足設(shè)計要求。

1.2 磽磧礫石土料滲透特性

磽磧礫石土料由于粒徑尺寸分布較寬,顆粒組成具有一定的不均勻性,滲透性變化較大。通過研究礫石土粗粒含量 P5與滲透系數(shù) k、細粒含量 P≤0.075與滲透系數(shù) k的關(guān)系發(fā)現(xiàn):當(dāng) P5＜50%、P0.075＞15%時,k＜1×10-5cm/s,滿足防滲要求。

磽磧礫石土天然含水率為 11.2%,最優(yōu)含水率 Wop為 10.5%,當(dāng)含水率 wf小于最優(yōu)含水率Wop兩個百分點時,滲透系數(shù) k大于 1×10-5cm/s,不滿足防滲要求,故要求 Wf＞W(wǎng) op-2%。

1.3 磽磧礫石土滲透穩(wěn)定性

圖1 磽磧礫石土級配曲線

現(xiàn)場滲透試驗表明,磽磧礫石土的平均破壞坡降為 6.91～12.95,心墻料與反濾料的聯(lián)合抗?jié)B的破壞坡降 31.00～51.25,其滲透破壞型式為流土。

1.4 磽磧礫石土料的破碎率

據(jù)料場及輾壓試驗資料,礫石土輾壓前的平均含礫量約為 53.32%,輾壓鋪土厚度為 40 cm,碾壓后平均含礫量為 34.27%,表明磽磧礫石土料有較高的破碎率,大大改良礫石土料的級配。

2 礫石土心墻的施工

2.1 心墻施工參數(shù)

礫石土防滲土料采用進占法鋪筑,利用 20.4t(2005PDW型)振動凸塊碾進退錯距法碾壓,振動碾行進中速度為 2～3 km/h,碾壓帶重疊部分為30～50 cm,鋪土厚度為40 cm,碾壓遍數(shù)靜壓4遍+動壓 16遍(單邊算一遍)的壓實參數(shù)。

2.2 心墻施工方法

根據(jù)心墻寬度均分鋪料區(qū)、碾壓區(qū)、待檢區(qū)、準(zhǔn)備區(qū),在每層填筑面上放出各區(qū)及防滲料與反濾料填區(qū)的分界線,并用石灰放線,作出明顯的標(biāo)記。

自卸汽車運料至填筑工作面的前沿(離端點2～3 m處)卸料,采用進占法鋪料,TY220(162kW)型推土機推料攤鋪,使倉面基本平整,起伏高差不超過 5 cm,層厚采用標(biāo)尺控制,標(biāo)尺放在離卸料端前 2～4 m。礫石土料與基礎(chǔ)及兩側(cè)反濾料相接時,確保材料界限分明,并做好接縫處的連接,避免層間產(chǎn)生過大的錯動或混雜現(xiàn)象,在斜面上的縱向接縫收成 1∶2的鋸齒狀斜坡。心墻本身鋪土面盡量平起,以免造成過多的接縫。由于施工需要進行分區(qū)填筑時,其橫向接縫坡度不得陡于 1∶3。

大面采用W 2005PD(20 t)自行式凸塊振動碾碾壓,左右端與岸坡接頭處等局部邊角部位采用BW75S型手扶式振動碾碾壓。禁止無振碾壓、欠碾和漏碾,工作面之間交接處進行搭接碾壓,搭接寬度為 0.5m。振動碾的行駛方向以及鋪料方向平行大壩軸線,大面碾壓采用錯距法碾壓,前進錯距后退不錯距,且在進退方向上依次延伸至每個單元,保證連續(xù)施工。

2.3 特殊施工措施

2.3.1 雨雪季施工

壩上已填筑的礫石土,下雨之前,先用平碾將已填筑的防滲料壓成光面(以減小表面材料的吸水率),再用防水棚布將其覆蓋,同時加強周圍的排水。已壓實的填筑層,恢復(fù)填筑前,先用反鏟清除表面不合格濕土,對于符合質(zhì)量要求的并對填筑面進行刨毛后上料填筑。壩上未壓實的填筑層,恢復(fù)填筑前,先用反鏟鏟除表面不合格土料后,檢測含水量,待其合格后進行翻松、平整、碾壓。

施工經(jīng)驗表明,若日降雨量不大于 5mm,可不通過處理進行施工。若日降雨量不大于 10 mm,可通過上述施工方法簡易處理后進行施工。若日降雨量大于 10 mm,將需要進行必要的翻曬,礫石土施工對氣候的適應(yīng)性較強。

下雪前及時將已經(jīng)填好的料平整碾壓完畢。下雪后在壩體填筑前,采用推土機或人工將層面上泥水、積雪清除,繼續(xù)進行填筑。夜間溫度降至0度以下時,停止填筑,碾壓后采用蓬布覆蓋,防止結(jié)冰。

2.3.2 高溫多風(fēng)施工方法

磽磧水電站地處高海拔地區(qū),當(dāng)壩面土層表面干燥時,在填筑土料層面(結(jié)合部位)采取灑水車灑水,加水量根據(jù)碾壓含水率要求控制,以水和壓縮空氣混合以霧狀噴出進行處理。

2.4 心墻施工質(zhì)量控制

心墻接觸左右岸坡基巖及監(jiān)測廊道混凝土層表面處,鋪填高塑性粘土前清洗干凈,并涂刷一層厚 2～3mm的濃粘土漿。

心墻的每一填土層施工完畢后,在繼續(xù)鋪筑上層新土之前,對壓實層表面殘留的、被碾子凸塊翻松的半壓實土層進行處理(包括含水量的調(diào)整),以免形成土層間結(jié)合不良的現(xiàn)象。壓實土體避免出現(xiàn)漏壓虛土層、干松土、彈簧土、剪力破壞和光面等不良影響現(xiàn)象。心墻本身鋪土面盡量平起,以免造成過多的接縫。在接合的坡面上,配合填筑的上升速度,將表面松土鏟除至已壓實合格的土層為止。坡面須經(jīng)刨毛處理,并使含水量控制在規(guī)定的范圍內(nèi),然后繼續(xù)鋪填新土進行壓實。

2.5 試驗檢測措施

現(xiàn)場試驗主要為密度試驗、原位滲透試驗。密度試驗采用挖坑灌水法,試坑直徑不小于壩料最大粒徑(150mm)的 3倍,試坑深度為碾壓層厚度(40 cm);原位滲透試驗采用同心套環(huán)法,內(nèi)環(huán)直徑為 25 cm,外環(huán)直徑為 50 cm,并用精密水位測針測定水位變化量。

室內(nèi)試驗主要為全料含水率試驗、級配試驗,擊實試驗,液塑限試驗,比重試驗,粘粒含量試驗。含水率試驗用烘干法;級配試驗用水洗后,＞0.075mm顆粒用篩析法,＜0.075mm顆粒用比重計法;擊實試驗依照大于 5 mm含量不同并結(jié)合設(shè)計級配進行配料,采用 862.5 kJ擊實功進行試驗;液塑限試驗采用液塑限聯(lián)合測定儀測試;比重試驗 ＞5 mm顆粒采用浮稱法,＜5 mm顆粒采用比重瓶法。從而得出級配、最大干密度、最優(yōu)含水量與大于 5 mm含量對應(yīng)關(guān)系、壓實度、滲透系數(shù)、液塑限、粘粒含量等成果。磽磧水電站心墻礫石土試驗檢測成果見表 2。

表2 磽磧水電站心墻礫石土試驗檢測成果

3 心墻運行情況

3.1 心墻防滲情況

根據(jù) 2008年及 2009年最高庫水位運行時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,心墻的滲流梯度分別為 3.408、4.012,均小于心墻料的平均破壞坡降 6.91～12.95,或心墻料與反濾料的聯(lián)合抗?jié)B的破壞坡降31.00～51.25,心墻料滲流梯度滿足要求,不會出現(xiàn)滲透破壞。

3.2 心墻變形情況

心墻土體水平位移受庫水位影響,庫水位上升向下游方向位移,庫水位下降向上游方向位移。2124 m高程 IN1向下游位移量最大,為 86.40 mm。心墻左右岸坡的錯動量隨心墻土體沉降速率減小而趨于穩(wěn)定。左岸坡順坡向位錯最大4.28mm(J3),右岸坡順坡向位錯最大 8.04mm(J6)。

從壩體變形方面看,無論是從外部觀測還是內(nèi)部觀測所獲取的垂直位移及水平位移數(shù)值,依據(jù)同類工程經(jīng)驗分析,均在常規(guī)的范圍之內(nèi),也與設(shè)計單位計算得出的變形分析數(shù)值接近。

3.3 心墻應(yīng)力應(yīng)變

根據(jù)土壓力計監(jiān)測成果,心墻上游面部位的豎向應(yīng)力大于相應(yīng)部位的庫水壓力,如 E5實測土壓力為 1.085MPa,此時埋設(shè)高程以上水頭 96.94m,折算成壓力為 0.950 MPa。心墻上游面不會發(fā)生水力劈裂。由于心墻上下游側(cè)過渡料、堆石料豎向位移相對心墻較小,心墻土體受到兩側(cè)摩擦力的影響,實測土壓力均小于其上部土層重。

4 結(jié) 語

(1)磽磧水電站礫石土心墻料施工方法簡單,使用的機械、試驗檢驗設(shè)備普通,施工快捷,質(zhì)量易控制。

(2)作為土心墻,磽磧水電站的礫石土展現(xiàn)了良好的氣候適應(yīng)性。在日降雨量小于 5 mm情況下可持續(xù)施工、不大于 10mm時簡單處理即可施工、在 0°以上可正常施工。

(3)在礫石土心墻施工過程中,通過直接采用大型振動凸塊碾,有效的提高了礫石破碎率,優(yōu)化了礫石土料的物料特性,使礫石土料的礫石含量范圍增大,增加了料場的利用率,減少了棄料的開采,同時也改善了設(shè)計指標(biāo),平均壓實系數(shù)超過100%。

(4)在礫石土心墻與河床監(jiān)測廊道及兩岸貼坡混凝土部位采用高塑粘土進行銜接,發(fā)揮了礫石土與粘土的雙重特性,協(xié)調(diào)了礫石土產(chǎn)生的變形。

(5)磽磧水電站大壩經(jīng)過了近三年的運行及“5·12”汶川大地震的考驗,至今礫石土心墻的滲透、變形、應(yīng)力應(yīng)變等指標(biāo)均在設(shè)計指標(biāo)之內(nèi),并趨向于收斂,能確保安全、正常運行。

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