硗碛水电站砾石土心墙施工及运行分析

2010-09-10李浩伟

四川水力发电 2010年6期

李浩伟, 杨靖

(四川华能宝兴河电力股份有限公司,四川雅安 625000)

0 引言

受到地质、地形条件及建筑成本的影响,近几十来年,土质心墙堆石坝已逐渐成为世界高坝建设的主流坝型之一。尤其是新型土石方机械的大量投入、填筑施工工艺水平不断提高、及筑坝材料试验研究的深入,极大地拓宽了土石坝心墙部位的用料范围和用料模式,为土质、砾石土心墙更广泛地应用提供了有利条件。由于硗碛咔日沟砾石土料天然含水量接近最优含水量,级配比较合理,且具有良好的压实及防渗性能,硗碛水电站大坝采用砾石土直心墙坝,坝高 125.5m。

1 硗碛砾石土料的特性

用砾石土做高土石坝心墙防渗料在国内属首次,这种土料级配范围宽、均匀性差,需要经过室内试验及现场碾压试验来确定砾石土料的具体特性。通过物理力学实验(12组)、物性试验(237组)、含水率试验(216组)、击实试验(16组)及现场大型原位试验(24组)的比较研究,硗碛砾石土料特性如下:

1.1 硗碛砾石土料颗粒级配

选用硗碛砾石土料为剔除大于 150 mm粗料后的咔日沟料场土料,通过对硗碛砾石土料颗粒进行筛分、统计、分析,得出颗粒级配组成及级配表如下(见表 1)。

表1 硗碛砾石土料级配表

硗碛水电站大坝平均级配的特征值为大于 5 mm粒径含量 P5为39.83%,小于 0.075mm粒径的含量 P≤0.075为 17.95%,小于 0.005 mm的颗粒含量 P≤0.005为 7.97%。通过采用 862.5k J/m3标准击实功能对咔日沟砾石土料进行压实试验得出:当粗料含量 P5的上限控制在 50%、压实系数取 0.99,全料干密度 ρd为 2.047,满足设计要求。

1.2 硗碛砾石土料渗透特性

硗碛砾石土料由于粒径尺寸分布较宽,颗粒组成具有一定的不均匀性,渗透性变化较大。通过研究砾石土粗粒含量 P5与渗透系数 k、细粒含量 P≤0.075与渗透系数 k的关系发现:当 P5＜50%、P0.075＞15%时,k＜1×10-5cm/s,满足防渗要求。

硗碛砾石土天然含水率为 11.2%,最优含水率 Wop为 10.5%,当含水率 wf小于最优含水率Wop两个百分点时,渗透系数 k大于 1×10-5cm/s,不满足防渗要求,故要求 Wf＞W op-2%。

1.3 硗碛砾石土渗透稳定性

图1 硗碛砾石土级配曲线

现场渗透试验表明,硗碛砾石土的平均破坏坡降为 6.91～12.95,心墙料与反滤料的联合抗渗的破坏坡降 31.00～51.25,其渗透破坏型式为流土。

1.4 硗碛砾石土料的破碎率

据料场及辗压试验资料,砾石土辗压前的平均含砾量约为 53.32%,辗压铺土厚度为 40 cm,碾压后平均含砾量为 34.27%,表明硗碛砾石土料有较高的破碎率,大大改良砾石土料的级配。

2 砾石土心墙的施工

2.1 心墙施工参数

砾石土防渗土料采用进占法铺筑,利用 20.4t(2005PDW型)振动凸块碾进退错距法碾压,振动碾行进中速度为 2～3 km/h,碾压带重叠部分为30～50 cm,铺土厚度为40 cm,碾压遍数静压4遍+动压 16遍(单边算一遍)的压实参数。

2.2 心墙施工方法

根据心墙宽度均分铺料区、碾压区、待检区、准备区,在每层填筑面上放出各区及防渗料与反滤料填区的分界线,并用石灰放线,作出明显的标记。

自卸汽车运料至填筑工作面的前沿(离端点2～3 m处)卸料,采用进占法铺料,TY220(162kW)型推土机推料摊铺,使仓面基本平整,起伏高差不超过 5 cm,层厚采用标尺控制,标尺放在离卸料端前 2～4 m。砾石土料与基础及两侧反滤料相接时,确保材料界限分明,并做好接缝处的连接,避免层间产生过大的错动或混杂现象,在斜面上的纵向接缝收成 1∶2的锯齿状斜坡。心墙本身铺土面尽量平起,以免造成过多的接缝。由于施工需要进行分区填筑时,其横向接缝坡度不得陡于 1∶3。

大面采用W 2005PD(20 t)自行式凸块振动碾碾压,左右端与岸坡接头处等局部边角部位采用BW75S型手扶式振动碾碾压。禁止无振碾压、欠碾和漏碾,工作面之间交接处进行搭接碾压,搭接宽度为 0.5m。振动碾的行驶方向以及铺料方向平行大坝轴线,大面碾压采用错距法碾压,前进错距后退不错距,且在进退方向上依次延伸至每个单元,保证连续施工。

2.3 特殊施工措施

2.3.1 雨雪季施工

坝上已填筑的砾石土,下雨之前,先用平碾将已填筑的防渗料压成光面(以减小表面材料的吸水率),再用防水棚布将其覆盖,同时加强周围的排水。已压实的填筑层,恢复填筑前,先用反铲清除表面不合格湿土,对于符合质量要求的并对填筑面进行刨毛后上料填筑。坝上未压实的填筑层,恢复填筑前,先用反铲铲除表面不合格土料后,检测含水量,待其合格后进行翻松、平整、碾压。

施工经验表明,若日降雨量不大于 5mm,可不通过处理进行施工。若日降雨量不大于 10 mm,可通过上述施工方法简易处理后进行施工。若日降雨量大于 10 mm,将需要进行必要的翻晒,砾石土施工对气候的适应性较强。

下雪前及时将已经填好的料平整碾压完毕。下雪后在坝体填筑前,采用推土机或人工将层面上泥水、积雪清除,继续进行填筑。夜间温度降至0度以下时,停止填筑,碾压后采用蓬布覆盖,防止结冰。

2.3.2 高温多风施工方法

硗碛水电站地处高海拔地区,当坝面土层表面干燥时,在填筑土料层面(结合部位)采取洒水车洒水,加水量根据碾压含水率要求控制,以水和压缩空气混合以雾状喷出进行处理。

2.4 心墙施工质量控制

心墙接触左右岸坡基岩及监测廊道混凝土层表面处,铺填高塑性粘土前清洗干净,并涂刷一层厚 2～3mm的浓粘土浆。

心墙的每一填土层施工完毕后,在继续铺筑上层新土之前,对压实层表面残留的、被碾子凸块翻松的半压实土层进行处理(包括含水量的调整),以免形成土层间结合不良的现象。压实土体避免出现漏压虚土层、干松土、弹簧土、剪力破坏和光面等不良影响现象。心墙本身铺土面尽量平起,以免造成过多的接缝。在接合的坡面上,配合填筑的上升速度,将表面松土铲除至已压实合格的土层为止。坡面须经刨毛处理,并使含水量控制在规定的范围内,然后继续铺填新土进行压实。

2.5 试验检测措施

现场试验主要为密度试验、原位渗透试验。密度试验采用挖坑灌水法,试坑直径不小于坝料最大粒径(150mm)的 3倍,试坑深度为碾压层厚度(40 cm);原位渗透试验采用同心套环法,内环直径为 25 cm,外环直径为 50 cm,并用精密水位测针测定水位变化量。

室内试验主要为全料含水率试验、级配试验,击实试验,液塑限试验,比重试验,粘粒含量试验。含水率试验用烘干法;级配试验用水洗后,＞0.075mm颗粒用筛析法,＜0.075mm颗粒用比重计法;击实试验依照大于 5 mm含量不同并结合设计级配进行配料,采用 862.5 kJ击实功进行试验;液塑限试验采用液塑限联合测定仪测试;比重试验＞5 mm颗粒采用浮称法,＜5 mm颗粒采用比重瓶法。从而得出级配、最大干密度、最优含水量与大于 5 mm含量对应关系、压实度、渗透系数、液塑限、粘粒含量等成果。硗碛水电站心墙砾石土试验检测成果见表 2。

表2 硗碛水电站心墙砾石土试验检测成果

3 心墙运行情况

3.1 心墙防渗情况

根据 2008年及 2009年最高库水位运行时监测数据分析,心墙的渗流梯度分别为 3.408、4.012,均小于心墙料的平均破坏坡降 6.91～12.95,或心墙料与反滤料的联合抗渗的破坏坡降31.00～51.25,心墙料渗流梯度满足要求,不会出现渗透破坏。

3.2 心墙变形情况

心墙土体水平位移受库水位影响,库水位上升向下游方向位移,库水位下降向上游方向位移。2124 m高程 IN1向下游位移量最大,为 86.40 mm。心墙左右岸坡的错动量随心墙土体沉降速率减小而趋于稳定。左岸坡顺坡向位错最大4.28mm(J3),右岸坡顺坡向位错最大 8.04mm(J6)。

从坝体变形方面看,无论是从外部观测还是内部观测所获取的垂直位移及水平位移数值,依据同类工程经验分析,均在常规的范围之内,也与设计单位计算得出的变形分析数值接近。

3.3 心墙应力应变

根据土压力计监测成果,心墙上游面部位的竖向应力大于相应部位的库水压力,如 E5实测土压力为 1.085MPa,此时埋设高程以上水头 96.94m,折算成压力为 0.950 MPa。心墙上游面不会发生水力劈裂。由于心墙上下游侧过渡料、堆石料竖向位移相对心墙较小,心墙土体受到两侧摩擦力的影响,实测土压力均小于其上部土层重。