长河坝水电站坝料跨心墙运输技术

薛　凯,　芦 亚 涛,　汪　海

(中国水利水电第五工程局有限公司 长河坝施工局，四川 康定　626001)

长河坝水电站坝料跨心墙运输技术

薛凯,芦 亚 涛,汪海

(中国水利水电第五工程局有限公司 长河坝施工局，四川 康定626001)

摘要：心墙堆石坝在施工过程中普遍存在坝料跨心墙运输的需求，国内已建200 m以下的心墙坝采用较多的是“细石垫层、碎石土垫层、碎石土垫层+钢板”等几种跨心墙运输方案，但一直未形成相应的工法或标准。针对超高心墙坝，跨心墙运输问题颇受争议，业界多持谨慎态度。结合长河坝水电站坝料跨心墙运输方案的研究与应用，介绍了一种箱形减压板跨心墙运输方案，可供同类工程参考并希望能促进形成统一的工法与标准。

关键词：长河坝水电站；坝料；跨心墙运输；箱形减压板

1概述

直心墙堆石坝的结构特点一般是在上游、下游均布置反滤料、过渡料、堆石料。由于高心墙坝大多位于高山峡谷地区，受料场及储量分布的不均衡性、道路布置的不对称性、不同时段对坝料需求的不确定性，且受截流、下闸蓄水等影响以及对上游料场开采与运输道路使用的阶段性等因素的影响，坝料跨心墙运输或跨心墙交通难以避免。

但是，跨心墙运输坝料可能会造成心墙土料过压引起土料剪切破坏、土料污染而造成横缝结合带质量薄弱等问题。国内已建的硗蹟、水牛家、瀑布沟、狮子坪、毛尔盖等200 m以下的心墙坝分别采用了细石垫层、碎石土垫层、碎石土垫层+钢板等跨心墙运输方案，大坝运行工况均正常，未反映出因跨心墙运输带来的不利影响，但普遍缺乏系统的基础研究，因此，跨心墙运输技术至今未得到统一认可，也未形成统一的工法与标准。

对于300 m级的超高心墙堆石坝，跨心墙运输技术更是敏感而谨慎的问题，如果能够有效解决，将有利于降低坝料平衡调度难度、避免不必要的绕运、提高施工效率、加快施工进度、降低能耗与成本。因此，对坝料跨心墙运输技术进行系统研究与方案选择十分必要。

2长河坝水电站坝料跨心墙运输的必要性

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站，工程区地处大渡河上游金汤河口以下约4～7 km河段上，坝址上距丹巴县城82 km，下距泸定县城49 km，距成都约360 km。水库正常蓄水位高程1 690 m，正常蓄水位以下库容为10.15亿m3，总库容为10.75亿m3。调节库容为4.15亿m3，具有季调节能力，电站总装机容量为2 600 MW。

拦河大坝为砾石土直立心墙堆石坝，最大坝高240 m，坝顶高程1 697 m，最大坝高240 m，坝顶长502.85 m，上、下游坝坡均为1∶2，坝顶宽度为16 m。心墙顶高程1 696.4 m，顶宽6 m，心墙上、下游坡度均为1∶0.25，底高程1 457 m，底宽125.7 m。大坝总填筑量为3 417万m3(其中堆石2 273.9万m3；过渡料290.97万m3；砾石土428.3万m3；反滤料168.19万m3)。

大坝结构见图1。大坝心墙砾石土料场位于上游金汤沟内，平均运距约24 km；响水沟石料场位于上游响水沟沟口，平均运距约6.3 km；江咀石料场位于下游磨子沟，平均运距约10.4 km；反滤料由下游磨子沟砂石系统生产，平均上坝运距约7 km。料源分布及主要运输干线道路布置情况见图2。

对于长河坝工程，相比于其他工程，坝料跨心墙运输问题更加突出。

图1　大坝结构图

图2　料源分布及主要道路示意图

首先，根据整个电站的工期规划与发电目标，初期下闸前首先进行两岸相应交通洞室的封堵，此时大坝上、下游绕运的交通中断，而反滤料加工厂位于下游，心墙上游的反滤料需跨心墙运输。初期下闸后，上游所有的上坝道路中断，上游响水 沟石料场不再具备开采条件，此时大坝上游的堆石与护坡块石由下游江咀石料场供应，需跨心墙运向上游。

其次，按照原规划，在初期下闸前，大坝上、下游堆石料、过渡料、护坡块石分别由上、下游两个石料场单独供应。开工后，通过对两大石料场复勘后对比分析发现下游石料场与上游石料场相比存在地方干扰大、剥采比大、坡面系数(后坡面积与开采量之比)大、运距远等不足，上游石料场优势明显且具备扩大开采量的条件，下游石料场受地方干扰前期准备进展缓慢，不能满足大坝先期断面填筑需要，而上游石料场则可提前完成道路修建与揭顶准备，满足开采进度要求。因此，根据实际情况对两大石料场的开采规划做了较大调整，以上游响水沟料场为主，同时缩小下游江咀料场开采范围和规划开采量，选择沟内一处相对条件较好的小山脊进行开采。

石料场开采规划调整后，上游石料场将持续向大坝下游供应石料，从而对大坝中低高程跨心墙运输提出了需求。

第三，如果不跨心墙运输，则上游向下游供应的石料需绕运2.6～6.1 km的隧道，势必将大幅度增加长隧道交通的通风、排烟难度，同时也增大了交通安全隐患，延长了运距，增加了费用，导致施工效率降低且不利于节能减排。

第四，心墙堆石坝施工受季节影响明显，本工程6～9月属主汛期，降雨天数多，心墙上升缓慢且以堆石填筑为主。汛期填筑过程中，推土机、振动碾、装载机、挖掘机等坝面设备在上、下游堆石之间需要频繁调度，因此，采取安全有效的跨心墙交通也是十分必要的。

3研究与试验

《碾压式土石坝施工规范》(DL/T5129-2013)条文说明8.2.3规定：对于超高土石坝，能否跨越心墙应做专门研究。坝料跨心墙运输技术首先应保证心墙土料不被破坏；其次是道路结构利于快速拆装，满足快节奏施工要求。为了系统揭示车辆动荷载重复作用对土料的影响规律，让跨心墙运输技术具有充分的理论支撑，中国水电五局与河海大学以长河坝工程为依托，就此课题联合开展了研究，在已建类似工程跨心墙施工技术经验的基础上，通过模型建立和理论计算分析工作，填补了“跨心墙交通中的荷载计算与评估、心墙土体在往复车辆动荷载作用下物理力学性质变化、心墙土体与车辆相互作用的力学模拟”等一系列基础问题理论分析的空白。

3.1理论研究

首先模拟心墙土料超碾工况开展室内击实试验，以及超固结条件下心墙土料加载与卸载大三轴试验。在试验的基础上进行了理论分析。

3.1.1基于弹塑性理论解的心墙土体剪切破坏验算

(1)碎石、碎石土垫层可视为柔性垫层，将车辆荷载按车轮位置简化为集中力，以动力系统考虑车辆动荷载特性，根据弹性力学解答内部应力。

根据莫尔—库伦破坏准则，土体处于极限平衡状态时的主应力为：

或

另外，也可用应力水平进行衡量：

(2)钢板、减压板、混凝土预制板等路面结构可视为刚性垫层，将车辆荷载简化为均布荷载，按塑性区开展深度求解心墙容许承载力。

极限承载力，即：

容许承载力：

(3)柔性垫层基于拟静力法求解时，对于动力系统的取值很重要；刚性垫层按塑性区开展深度求解心墙是否发生剪切破坏时，静荷载与动荷载计算结果一致，但与实际情况明显不符。

3.1.2基于有限单元法心墙剪切破坏验算

实际上，各种坝料均为非线性材料，车辆荷载对路基作用的特征是半波正弦荷载。建立车辆荷载影响区的三维有限单元网络来分析心墙应力、应变状态模型。选用邓肯E～v模型求解材料的模量与应力水平。

切线弹性模量表达式为：

式中S为剪应力水平，反映材料强度的发挥程度，其表达式为：

3.1.3理论分析结论

在采用拟静力法选取动力系数及采用有限单元法选取动荷系数求解时，心墙均出现了局部剪切破坏，计算结果相近。而采用按塑性区开展深度确定心墙是否发生剪切破坏方法的结果与实际情况不符，说明按塑性区开展深度确定心墙是否发生剪切破坏的方法没有考虑车辆荷载的动态效应，计算结果精度较低。

无论采用拟静力法，还是采用有限单元法，都不可避免地要准确确定车辆荷载的动态效应。这就需要通过实测跨心墙过程中心墙的原位动态响应，考虑车辆荷载的动态效应来提高计算结果的合理性，以便比选合理的方案。

3.2现场试验测试

为实测并验证车辆跨心墙运输时的动态效应，我们在坝区以外进行了实况模拟过车试验，并在路基下的心墙土中埋设了传感器用于数据监测。

试验场地：选择大坝上游压重平台(27 m×78 m)，平整后用26 t振动碾压实。

试验方案：

减压板方案——箱形钢结构路基板，宽4 m，高19.8 cm，试验段长度为12 m；

砾石土+钢板方案——直接利用心墙砾石土作垫层，表面铺2 cm厚钢板，按1 m、1.5 m两个垫层厚度分别进行试验；

碎石垫层方案——直接在心墙土表面铺1.2 m厚的碎石料进行过车试验。

试验车辆：选用大坝填筑使用的自卸车满载试验，平均总重量为60 t。

仪器埋设：在试验路基下的心墙土中分层埋设了8支传感器，其中包含5支应力传感器，3支位移传感器。

试验过车次数：根据坝料的平衡需要并考虑试验的可操作性，经综合分析后确定试验过车次数为4 000次。

试验流程：试验场地平整、压实→分层填筑心墙土料(每层压实厚度为25 cm，共八层)、反滤料同步填筑→土料填筑过程中分层埋设传感器→布置道路结构(按不同试验方案分别布置，试验完一个方案再布置另一个试验方案)→过重车试验→监测数据→拆除道路→取样检测(土工检测，包括心墙土料过重车前后的颗粒级配、压实度、渗透系数、承载力对比检测)→整理、分析数据。

3.3研究与试验结论

(1)载重车辆行驶过程对土体的影响是一个加载和卸载过程的组合，每次的车辆荷载可以近似用一个半波正弦表示。

(2)采取跨心墙施工技术后，实测减压板方案的表层最大附加压力为轮压值的9.5%；碎石土+钢板方案的表层最大附加压力为轮压值的10.4%；碎石垫层方案的表层最大附加压力为轮压值的12%。

(3)三种跨心墙施工方案的附加动荷载分布规律一致，均为从底层到表层逐渐增大。三种跨心墙试验方案均可行，其中减压板方案对心墙土体的物理力学性质影响最小。

(4)车辆跨心墙行驶速度对土体附加荷载影响较大。

(5)针对减压板方案，心墙土料除表层存在厚度为10～15 cm的板结现象外，其他指标均合格，没有发现剪切破坏现象。

(6)在4 000次试验数据的基础上还有提升的空间，但究竟能提高多少，需要验证。

4跨心墙运输方案的选择

根据理论计算与动态效应实测试验研究成果得知，减压板方案在几种研究方案中对土体的影响最小，应作为首选方案，其优点如下：

(1)箱形减压板利用型钢与钢板制作，箱形截面刚度大，变形小，有利于均匀分散车辆轮胎的集中荷载。在所研究的三种跨心墙方案中，减压板方案对心墙的影响最小，最有利于保护心墙土料。

(2)将减压板直接铺设在碾压土面上即可通车，相比其他方案工序少，有利于快速施工。

(3)减压板可根据需要设计成便于快速拆装的定型产品，可以重复使用，有利于组织程序化、规范化作业。

(4)利用减压板跨心墙，道路合格标准明确，有利于检查与验收，保护效果直观；有利于文明作业，可防止对心墙料的混染。

5减压板的设计与应用

5.1设计原则

(1)截面刚度应满足重车行驶变形要求，有利于均匀分散集中荷载；

(2)其结构尺寸应便于装车运输与快速拆装；

(3)板间连接结构应确保有效传递剪力，防止运行中移位并有利于快速拆装。

5.2结构与构造

通过受力计算并经现场试验反复优化后，将减压板最终设计为“箱型连接键+限位环”连接形式的箱形板结构。

重车过心墙道路按单车道设计，减压板设计宽度为4 m。考虑到出厂运输要求与方便吊装，单节长度小于3.5 m。采用工字钢作骨架，纵横隔板采用8 mm厚的钢板，顶面板采用10 mm厚的钢板，底面板采用8 mm厚的钢板。节间设计箱形键式连接，以满足连接处荷载的有效传递。在板端用钢板焊接封闭箱形键，利用另一块板端头的工字钢翼缘作承口。为防止运行过程中减压板纵向移位导致连接失效，在接头两侧设置限位环，用插销锁定。每节板两侧共对称布置4个吊钩用于起吊。

减压板结构、构造及实体效果见图3、4。

5.3应用

大坝填筑实现度汛目标后(心墙填筑到高程1 536 m)，心墙区开始监测仪器的埋设，加之降雨的影响，心墙暂停填筑。此时，首次应用减压板方案跨心墙运输，从上游向下游运输堆石料，运行时间为34 d，累计过重车8 394车次(60 t级自卸车)。

图3　减压板结构构造图

图4　减压板实体效果图

平行布置重车道与空车道。由于降雨，心墙填筑面容易积水，考虑到对碾压合格土料面实施保护，在车道部位先铺50 cm厚砾石土保护垫层，然后再铺减压板。空车道直接在保护垫层表面铺20 mm厚的钢板。减压板用载重车运输到现场，由液压反铲挂钢丝绳吊装，人工辅助就位，连接键对齐后安装限位环锁定。98 m长(28节)减压板安装时间共50 min(不含运输等待间隙时间)，拆除时间共40 min，满足快速拆装的要求。

车辆行驶速度对土体的附加动荷载影响大，根据研究成果，其最大行驶速度不超过15 km/h。在首次应用过程中，实际最高时速按10 km/h控制，并使用测速仪抽查车速。

为了验证重车过心墙对心墙土体的影响程度并进一步验证增加重车过心墙次数的可行性，在首次应用减压板跨心墙运输结束后，对减压板下的心墙土料进行了系列试验检测，包括颗粒级配、压实度、渗透系数、压缩系数、直剪、大三轴等项目。同时，为便于比较，对其他区域(非道路区)同层填筑的土料也进行了压实度检测。减压板道路区域、非道路区域的压实度检测值与该层土料填筑时的检测对比情况见表1。

表1　跨心墙道路应用前后压实度检测对比情况表

注：(1)“减压板下部”系指跨心墙运输结束拆除减压板后在路基范围心墙土料的取样；“同层非道路区”系指在减压板路基范围以外的区域对心墙体取样，但与减压板下的取样同层，且时间同步；“同层填筑碾压层”系指取样土层与前两者相同，但取样时间是该层土料碾压后立即检测。(2)设计全料压实度不低于0.97。

由表1可知：重车过心墙对土料压实度指标基本没影响。跨心墙后的检测压实度比碾压时检测压实度明显提高，这是因为检测时间相距46 d，属土体自然固结所致。

另外，渗透系数、压缩系数、抗剪强度等检测指标均无明显改变，满足设计要求。

跨心墙后的检测结果证明减压板方案在过60 t级重车8 000次以上对心墙土料各项性能指标基本没有影响，过重车次数比研究试验时提高了一倍且尚有提高的空间，再次验证了减压板方案最优的研究结论。

6结语

通过系列基础性研究与试验并通过施工生产应用的验证得知，箱形减压板(箱形连接键+限位环)作为一种工具式拼装道路应用于超高土石坝跨心墙坝料运输是目前较优的方案，其既能有效地保护心墙土料，又能满足快速拆装的要求，有利于大坝快节奏施工，值得在同类工程中推广。笔者认为：在其使用过程中应注意以下几点。

(1)使用时，为进一步提高对心墙土料的保护效果，宜在减压板下铺设不小于50 cm厚的砾石土垫层。为使减压板与基面充分接触，垫层表面宜用平地机精平。

(2)应严格控制跨心墙运输车辆的吨位，严禁超吨位使用(宜小于60 t级)。

(3)应严格控制重车跨心墙时的车辆行驶速度(不得超过15 km/h)，并应有可靠的监控措施。

(4)运行过程中须检查减压板位移及连接件的损坏情况，应及时校正与修复。

(5)跨心墙道路上、下层须错开布置，不得布置在同一剖面上，相邻上、下两层道路的高差不宜超过3 m。

(6)减压板吊运措施还可进一步优化，如研究永磁体吊装，将更有利于快速拆装。

薛凯(1974-)，男，四川平武人，副局长兼总工程师，高级工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

芦亚涛(1987-)，男，河南平顶山人，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作；

汪海(1988-)，男，四川眉山人，助理工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作.

(责任编辑：李燕辉)

缅甸启动萨尔温江孟东水电项目

缅甸萨尔温江(中国境内段称怒江)孟东水电项目即将启动，目前处在征求民众意见阶段。据悉，孟东水电项目装机容量约710万千瓦，将成为萨尔温江上兴建的规模最大的水电项目以及东南亚地区最大的大坝。项目将由缅甸电力部、3家中国企业、1家泰国企业和缅甸私营公司International Group of Entrepreneurs合作实施。报道称，据缅甸国家能源委员会透露，缅将同国内外公司合作开发43处水电项目，总装机容量约4 222万千瓦。

收稿日期:2015-05-05

文章编号:1001-2184(2015)03-0001-06

文献标识码:B

中图分类号:TV7;TV541;TV52

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