土石坝施工技术浅议

翟耀武

(武警水电九支队,成都,610036)

土石坝具有对基础要求低、适应基础变形强的特点,根据填筑施工方法,一般可分为碾压式土石坝、抛填式堆石坝、定向爆破堆石坝、水力冲填坝、水中填土坝及砌石坝几种,目前广泛运用的是薄层铺筑并分层压实的碾压式土石坝。土石坝所需土石料一般就地开采,同时还可充分利用各种开挖料作为填筑料。

随着坝工技术的发展,混凝土重力坝、拱坝的施工技术不断提高,同时橡胶坝等新型坝型也在不断运用。与此相比,传统土石坝存在着填筑量大所带来的建设时间长的缺点显得极为突出。如何在充分发挥土石坝本身的技术要求低、对坝基适应性强、当地材料使用充分的传统优势下加快施工进度,成为土石坝坝型选择的重要方面。本文就土石坝的快速施工问题进行探讨。

1 快速施工的必要性

1.1 快速施工,可以使大坝提前发挥经济效益

随着水利工程投资的多元化发展,水利建设的投资逐渐以企业为主。从企业追求利润最大化及提高内部收益率考虑,大坝加快施工进度,缩短建设周期,提前发挥效益,是每个业主考虑的重点。因此在招标文件中,可以看见对工期的要求极为严格,并要求投标者在加快施工进度方面提出严密而详细的措施;在工程开工后,业主对施工单位在工期上的要求更高。作为施工单位,从满足业主的需要角度出发,往往承诺比招投标文件更短的工期。因此,如何提高施工强度、加快施工进度,成了施工单位赢得市场从而生存的法宝。

1.2 基础处理的不确定性,需要采用快速施工措施加快进度

随着水电开发的进展,在基础不良的地方也开始修建大型土石坝,为了满足坝基承载力及基础防渗的需要,往往在完成基础处理后方可进行填筑施工。然而,当地基情况较为复杂,特别是在深覆盖层上修建工程时,基础处理工程量大、不可预见因素多,经常需要采用防渗墙、振冲、帷幕灌浆、固结灌浆等措施对地基进行综合处理,处理难度大、检查复杂,基础处理完工及交面时间往往较开工时所制定计划时间滞后,造成填筑开工时间拖延,而下闸蓄水期往往却不予调整,造成有效填筑时间缩短,施工单位不得不采用快速施工措施,才能按期完成工程。

1.3 水文气象的影响,对填筑强度提出新的标准

土石坝填筑对水文气象因素极为敏感。在雨季,土料的含水量较大,下雨后往往要重新翻晒,清除不合格土料。经常出现的土石坝越填越低的怪圈,直接制约着大坝填筑,施工强度受到影响。冬季,土料上冻,如不采取积极措施,也无法进行填筑,而且冬雨季填筑施工,存在着高投入、低产出的情况,施工单位往往不愿意承担。因此,充分利用填筑的“黄金季节”,尽量避免冬雨季施工,是施工单位的首选。同时,在“黄金季节”填筑的工程量也极大,能否快速施工,成为避免冬雨季大方量填筑的首要问题。

1.4 度汛的施工特点,也需要施工单位采用快速施工等措施

由于土石坝的特点,一般不允许漫顶过流(随着技术的发展,土石坝在其坝顶及下游侧进行必要防护后,也可实现漫顶过流甚至度汛,但防护投入费用高,且也需要施工时间,在度汛后又需拆除时间),故土石坝工程“施工高峰期”一般发生在截流后第一个汛前达到拦洪度汛断面挡水这一阶段,截流后均需加快施工进度,以期在汛前将坝体全断面或度汛小断面填筑至拦洪度汛高程。因此,需提高坝体的月填筑强度,方能按安全渡汛的要求按期达到拦河高程。

1.5 新型施工设备的大量投入和材料适用范围的拓展,是快速施工的基础

随着机械化程度的提高,大容量的土石方设备运用到施工中,提高了工效,从而为快速施工打下了必要的物质基础。填筑材料适用范围的拓展,原来不适合作坝料的材料也可作为填筑料,从而为快速施工创造了条件。

2 快速施工的主要方法简介

首先是计划控制。通过计划对关键线路进行科学的判断和分析,在发生变化时,也能迅速进行调整和辅助决策,避免手足无措或盲目施工。

其次,打开料场工作面。料场对土石坝的重要性不言而喻,却也是最容易影响大坝填筑的因素,因此,需要慎重地进行料场复查及复勘工作。搞好料场复查和储量计算,做到心中有数,最好在大坝填筑期间储备部分成品料以减缓高峰强度。

填筑前期还有一个重要因素,那就是施工道路。目前,为加快施工进度,需要大量的机械设备和运输车辆,对道路的要求越来越高。道路条件好,将会极大地提高运输效率。在道路布置上,应尽量根据实际情况布置成环行双车道,避免车辆的相互干扰,提高单车效率。

为保证现场施工效率,需要提前进行碾压试验,确定快速、节省的碾压参数,上坝以后根据实际情况调整。快速得出碾压结果,将有效提高施工强度。

大坝施工存在着极为复杂的外部环境,社会、治安环境、移民征地均可制约工程施工,均需提前根据市场环境予以评估,提前化解风险,为正常施工创造一个相对宽松的作业环境。

一个工程要达到预期目标,需要业主、监理单位、设计单位及施工单位共同努力,如果配合得好、群策群力,工程就能顺利施工,遇见困难也能较顺利的解决,相反,则可能陷入漫长的解决问题困窘,工程自然是想快也快不起来。

在完成各项准备,具备填筑条件后,加强各工序的衔接、减少中间环节,是快速施工的重中之重。由于土石坝体型较大,为坝面分区流水作业提供了必要的场面,一般将填筑工序分为铺料、摊铺、洒水、压实、质检等工作。在坝面分区流水作业中,特别是防渗土料的施工,受多方面的影响,防渗土料直接制约大坝整体的上升。在防渗土料填筑流水作业中,根据填筑的需要,应依据实际情况合理划分填筑区域和进行流水作业分析,并根据机械设备及填筑情况及时调整。

为加快施工进度,一般采用平起填筑施工。平起施工有以下几个优点:减少了接缝、接坡、削坡等工序,保证了填筑质量;保证有尽可能大的堆石填筑面,利于大机械化施工;有利于在以后继续填筑时布置进入防渗料区的施工道路;运输反滤料及过渡料的大型自卸汽车不横穿防渗料区;有利于减小料界偏差和相邻料平起填筑时的跨缝碾压。

虽然平起填筑施工有很多优点,但是,在越来越多的工程实践中,为满足渡汛及分期蓄水提前发电的要求,施工单位均需要在短时间内将大坝心墙和迎水面上升到某一高程。为此,全断面填筑一般要采用临时挡水断面填筑施工方法。在冬雨季,心墙部位不能进行填筑的情况下,只得进行堆石料填筑时也只能进行临时断面的填筑。

在坝体填筑量一定的情况下,要缩短填筑时间,必然要增大填筑强度,而填筑强度能否达到预期目的,设备的投入是极为重要的方面,应通过多个渠道,包括本单位、协作队伍或通过社会引进设备。这样,采用的设备新、数量多,可挑选的余地大,能够最大限度满足施工需要。同时,利用当地设备,还可以减少很多不必要的麻烦和协调工作。但也不能将施工寄希望在协作单位,如协作单位不能按有关要求作业,则欲速则不达,反而影响快速施工。

归根到底,能不能保证快速施工,主要取决于人的能动性和创造力。由于土石坝具有填筑坝料多、工序衔接多、机械设备投入多等特点,坝面(包括料场)协调范围广、事情繁琐,需要成立强有力的协调机构,根据坝体填筑的需要从整体上把握全局,合理进行设备调配和场面调配,可以起到事半功倍、节约很多时间的效果。否则的话,场面协调不灵,相互干扰影响,快速填筑将会非常困难。

3 快速施工需认真对待的几个问题

虽然土石坝快速施工已成为未来发展的方向,但从多个已施工或完建工程的情况看,土石坝的快速施工水平,应依据坝高、填筑工程量、实际施工工期、平均月升高速度及平均月上坝强度等施工技术指标来综合分析、评价,而不是简单地一味求快及追求上升速度。快速施工必须在科学论证及安全评审后方可实施,否则,将有可能带来不可预料的后果。

由于施工速度过快,大坝投入运行后,堆石坝沉降变形必然较大,造成本应在施工期完成的沉降而留在了运行期来完成。大坝蓄水后,增加的附加沉降量及附加水平位移量亦较大,由于防渗土料与堆石料在沉降速率与时间方面的不同步,同时空隙水压力消散较慢,在防渗土料易形成低应力区,可能形成拱效率,可能造成心墙开裂等潜在的安全隐患。

由于短时间内追求过高的施工强度,一味将填筑量和大坝上升速度指标作为考核目标,同样给施工单位带来巨大的压力和不便。一方面,前期设备投入数量较大,但在施工高峰期一过,造成设备闲置;另一方面,由于施工高峰期出现在整个工程施工的前期,施工单位要在很短时间内调配大量的设备进场,无论从人力、物力和财力上,对施工单位都造成了巨大的压力。

因此,快速施工,应是业主及施工单位正确看待的问题,如沉降及拱效应问题,可采用有限元分析及埋设原型观测仪器进行实际量测,以监控大坝应力及变形;做好坝料级配控制,良好的级配能够在施工期尽量冲填密实,降低后期沉降;采用大型、重型的振动碾压机具,可以提高压实度,降低孔隙率等。但要做到均衡施工,就需要各方均应从科学的角度,全面、正确地分析合理工期,以实现资源利用最大化的目标;简单地求高、求快、求效益,是不能达到快速施工、业主及施工单位“双赢“的目标的。