长河坝水电站砾石土心墙堆石坝关键施工技术综述

2016-02-07由广昊

水力发电 2016年10期

关键词：土料长河砾石

由广昊

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定626001)

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝关键施工技术综述

由广昊

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定626001)

长河坝水电站针对砾石土心墙堆石坝施工的重点和难点，在截流、防渗墙复合土工膜心墙围堰快速施工、基坑排水、天然砾石土料料源开采及制备、反滤料精确掺配、混装炸药应用、智能加水控制系统、LNG环保自卸汽车应用、土石坝土-砂分界面双料摊铺、心墙填筑基面泥浆机械喷涂、砾石土压实度快速检测、超大型击实仪的研制与应用、数字化大坝碾压监控系统、振动碾无人驾驶、信息化管理系统等方面进行了大胆优化与创新。实践表明，这些关键施工技术的创新与应用是成功的，达到了预期效果。

砾石土心墙堆石坝；关键技术；创新；长河坝水电站

1 工程概况

长河坝水电站是以单一发电为主的大型水库电站，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求，为一等大(1)型工程，挡水、泄洪、引水及发电等永久性主要建筑物为1级建筑物，永久性次要建筑物为3级建筑物，临时建筑物为3级建筑物。电站采用水库大坝、首部式地下引水发电系统方式开发，总装机容量2 600 MW，水库正常蓄水位1 690 m，具有季调节能力。

拦河大坝为砾石土直心墙堆石坝，坝顶高程1 697 m，大坝心墙底高程1 457.00 m，最大坝高240.0 m，坝顶长502.85 m，宽16.0 m，上、下游坝坡1∶2.0。大坝设计总填筑量3 417万m3(其中，堆石料2 273.9万m3；过渡料290.97万m3；砾石土428.3万m3；粘土20.46万m3；反滤料168.19万m3；块石料29.38万m3；压重206.55万m3)。

长河坝水电站砾石土直心墙堆石坝施工主要技术特点和难点有：

(1)长河坝水电站大坝是目前国内外建在深厚覆盖层上的最高的砾石土心墙堆石坝。最大坝高240 m，河床覆盖层厚53.8 m，设计地震烈度Ⅸ度，且河谷狭窄，故设计参数及施工质量标准较高，施工极具挑战性。

(2)大坝基坑开挖结束后，制约心墙开始填筑的工序包括主、副防渗墙，副墙下帷幕、覆盖层固结灌浆，河床廊道与副墙明浇墙浇筑及表面封闭处理，土工膜铺设等；心墙开始填筑后，伴随心墙填筑平行作业并影响其进度的制约工序包括左、右岸压板浇筑，岩基固结灌浆，三角区帷幕灌浆，灌浆平洞封堵等；另外，基坑排水也是影响心墙填筑的重要工序。因此，前期度汛所需的高强度、快节奏施工与多工序干扰制约的突出矛盾是高山峡谷地区高土石坝的显著特征。

(3)填筑料直采难度大，制备工艺复杂。砾石土心墙料质量分布不均，开采与制备难度大。土料各项检测指标变化大、空间分布均一性差。料场复勘土料天然含水率、级配参数分布不均，波动较大；土料超径含量高。料场天然土料级配参数大多难以满足设计要求，无法直接满足心墙填筑质量及规模化施工要求，需要进行土料超径剔除、不均匀土料的掺配及含水率的调整等多项制备工序，土料开采制备难度大，施工质量控制环节多。同时石料场岩石以花岗岩、闪长岩为主，岩石强度高，过渡料爆破直采难度大。

(4)工期紧、强度高。受“4.20”芦山地震等多种因素的影响，心墙填筑较合同时间滞后3个月。特别是大坝度汛填筑时期剩余时间仅有10个月，为满足工程度汛要求，坝体需填筑总量约800万m3，心墙需上升总高度79 m，且需要经历3个月的雨季和一个春节的影响，有效施工时间短。

(5)填筑质量要求高。从坝料开采与制备到坝面摊铺、碾压各工序必须精细作业，否则难以满足质量要求。另外，质量检测频次高，检测合格是进入下道工序的前提。

(6)关键设备投入量大。先进的设备是保证工艺与强度的关键，土石方工程以钻爆、挖装、运输、摊铺、碾压等关键设备为主，各工序的设备选型与配套直接影响生产效率，设备数量应足以满足强度需求，并满足日常维修的出勤率要求。另外，大量的土石方设备投入，维修工作与备品备件供应是设备管理的重要内容。

2 施工技术及工艺创新研究应用主要成果

2.1 高落差、多戗截流施工技术

长河坝水电站截流设计时根据工程实际地形条件分析，左岸为陡岩不具备进占条件，河床落差大、截流难度大，故设计采用双戗单向进占截流，丁坝配合以降低截流难度。施工过程中由于截流落差增大，在关键的两个导流洞分流一致前与合龙阶段下戗堤作用有限，通过丁坝进占才解决上述两个关键截流节点。2010年10月22日河道成功截流，截流流量838 m3/s，截流总落差为5.38 m，流速6.8 m/s。采用双戗互动立堵技术成功解决了高流速、高落差的截流难题。

2.2 深覆盖层防渗墙复合土工膜心墙围堰快速施工技术

上游围堰为复合土工膜心墙土石围堰，具有覆盖层深、漂砾石多、防渗墙施工难度大、工期紧等特点。研究采用了镶合金超重钻头大功率冲击钻机、重型抓斗、深槽全液压钻孔爆破、新型正电胶泥浆固壁等先进设备及工艺技术，成功解决了漂卵砾石含量高的复杂地层深防渗墙快速施工难题。复合土工膜围堰施工中采用液压破碎锤拆除防渗墙墙头混凝土、填筑料源优化、钢栈桥跨越心墙、全天候土工膜焊接、优化填筑程序等快速施工技术和措施，土工膜心墙围堰坝月上升速度达到29 m，满足了围堰度汛要求，仅用45天就完成了78万m3的膜土心墙围堰填筑，创造了国内同类工程29 m/月的填筑纪录。一个枯水期内完成全年挡水围堰填筑为大坝施工赢得了宝贵时间。

2.3 大流量、深基坑排水施工技术研究

长河坝水电站基坑排水具有如下难点：①扬程高，基坑与填筑断面最大深度达77 m；②流量大、范围广，基坑上、下游围堰间距约1 000 m，基坑面积近20万m2，最大排水量达12 000 m3/h；③布置难度大，坝体填筑过程相互干扰。

研究通过采用分区、分期布置集水坑多台离心泵抽排措施，以及应用浮船、岸坡跨心墙管线布置、向有压过流洞直排等技术提高了基坑排水效率，降低了排水难度，解决了大流量、深基坑排水难题。

2.4 复杂条件下的天然砾石土料料源开采及制备技术研究

大坝砾石土心墙料采用汤坝料场和新莲料场的天然砾石土料，土料质量空间分布不均匀，超径含量高，部分区域含水高，料场从上游向下游呈现由粗到细的分布规律，经复勘大致分为偏粗区(P5含量>50%)、合格区(P5含量=30%～50%)、偏细区(P5含量<30%)。

为确保土料上坝填筑质量，通过工艺比选及现场试验，选择广泛用于矿山及骨料生产系统的棒条式振动给料机作为超径(>150 mm)剔除设备，并配套建设钢筋混凝土结构的筛分楼。5套土料超径筛分系统均已投产，单台产能可达670 t/h。

对于粗细料，以P5含量作为控制指标进行掺配，以提高土料利用率。针对天然不均匀分布的粗细料，掺配比动态变化。采用平铺立采掺拌工艺，铺料前对粗、细料料源质量进行检测，计算粗、细料分层摊铺厚度，摊铺完成后采用液压正铲进行立采掺拌，掺配料检测合格后运输上坝。

针对高含水的土料则采用分层翻晒工艺调整，研制了适用于推土机的快速翻土器。

2.5 反滤料精确掺配施工技术研究

反滤料是心墙土料的关键防线，级配指标严格，均匀性要求高，传统的平铺立采掺配工艺保证率不高。长河坝工程依托人工骨料加工系统，通过掺配工艺试验、基本技术参数采集、自动化控制系统编程，采用“计算机数字系统”自动化控制完成反滤料生产与掺配。通过对分级堆存成品砂石料，按反滤料设计级配精确计量，皮带掺配，直接输出合格反滤料。与国内传统的平铺立采掺配工艺相比，新工艺具有掺配均匀、产能高、占地面积小等优势。

2.6 混装炸药爆破开采与过渡料机械加工工艺

长河坝工程应用混装炸药爆破技术调整和优选钻爆参数，提高了钻孔和装药效率，有效提高了民爆物品生产、储存、运输和使用等各环节的本质安全性，综合效益显著。

为进一步探索优化过渡料生产工艺，开展了机械加工的研究和应用，采用系统机械加工，原料为适当加强爆破和挑选的堆石料，采用二级破碎机加工工艺，粗碎控制最大粒径，中碎调整级配，生产料物质量稳定，能满足生产要求。

2.7 智能加水控制系统的研制

坝料采用坝外加水，利用已获国家专利的智能加水系统向运料车内自动加水。该系统与坝料计量称重系统有效绑定使用。通过检测车载无线射频卡自动识别地泵系统测得的该车坝料质量，计算出适宜加水量，并利用液体流量传感器及电磁阀控制水流开关，实现智能化加水。系统能够有效保证加水量，且实现自动控制，结构简单、安全可靠、经济。

2.8 LNG环保自卸汽车的推广应用

液化天然气被公认是现在地球上最干净的燃料，考虑到长河坝水电站长隧道运输的特点，LNG汽车的推广应用，能够有效减小隧道内运输产生烟尘带来的安全隐患，降低长隧道通风排烟难度，以达到节能目的。同时，LNG汽车的推广应用，保障了能源供给，避免了“柴油荒”对施工运输作业进度的影响。目前，已引进40余辆LNG环保汽车，并完成加气系统的配套建设。实践证明，LNG车辆完全能够适应水利工程大坝填筑运输条件。通过对尾气排放进行检测对比可知，LNG汽车较普通燃油重卡NOx排放量减少30%、CO排放量减少43%，环保效益显著。

2.9 高土石坝坝料运输跨心墙技术研究

按工程规划，初期下闸后上游道路中断；施工中大坝规划调整上游料场作为主石料场；为减少长隧洞绕坝运输存在的不利影响，有必要进行跨心墙运输技术的专项研究。通过理论计算及现场试验验证了坝料跨心墙运输技术的可行性，并通过试验对比分析结论，箱型减压板方案最优，为提高对土料的保护效果，在减压板下面铺填50 cm砾石土垫层。减压板采用型钢与钢板加工，长348.8 cm，宽400 cm，厚19.8 cm，单节重3.55 t。减压板间采用了“箱型连接键+限位环”的连接结构，拆装方便，车辆荷载分布均匀。跨心墙运输技术的研究与应用有利于料源平衡优化，便于施工调度及整体规划，能有效避免长距离绕坝运输，降低燃料消耗，具有可观的经济和社会效益。

2.10 土石坝土-砂分界面双料摊铺施工工艺

为解决常规土石坝土-砂分界面“先砂后土”法施工存在的料种相互侵占、填筑尺寸不规范、施工效率低等问题，研制了一种新型的“双料摊铺器”，该摊铺器采用型钢及钢板焊接而成，长4 m、宽3 m，并按设计坡比设置料仓分隔板，实现土砂同时平起摊铺。施工时首先进行土-砂分界区摊铺作业，再进行大面填筑的方法是传统施工方法的一次技术革新，首次达到了完全按照设计坡比进行心墙土料与反滤料填筑施工的效果。

2.11 心墙填筑基面泥浆机械喷涂工艺研究

为保证高塑性粘土和混凝土压板结合效果，需在压板表面涂刷3～5 mm泥浆。在类似工程中，泥浆通常采用人工涂刷，施工效率低，且厚度不易保证，均匀性差。为了改善传统工艺的不足，本工程研究了机械喷涂工艺，选择德国制造的瓦格纳尔PC喷涂机作为喷涂设备。结合多次现场工艺试验，明确了泥浆可喷配比及浆液比重。制定的喷涂工艺流程为：泥浆制备→润管→注浆→试喷→正式喷涂至设计厚度。

盖板泥浆喷涂工艺是土石坝高塑性粘土填筑中混凝土盖板基面泥浆涂刷传统工艺的革新，工艺设备安装简便、快捷，操作方便，施工效率高，质量效果好。

2.12 砾石土压实度快速检测技术研究

心墙土料坑检频次高，常规砾石土料烘干法含水试验时间长，检测时间直接影响到填筑直线进度，只有快速的检测方法才能解决这一关键问题。长河坝水电站砾石土料试验检测，采用砾石饱和面干吸水率代替天然含水率快速计算其干重，酒精燃烧法快速测定细料含水率，计算细料干重，通过加权计算砾石含量，再对应室内击实最大干密度计算全料压实度的快速检测方法，该方法2 h内即可出结果，与常规的方法相比缩短6 h以上，可大幅加快施工节奏。

另外，研发制造配置了大型微波干燥机、高精度流量计水箱、车载控制机柜及工作台的移动试验检测车，可在20 min内完成土料含水率的快速测定；通过连通高精度流量计的水箱进行土料灌水法密度试验提高试验精度；利用车载控制机柜、工作台等齐全的办公设备进行现场试验，避免常规检测向后方试验室送样过程的含水损失，并达到快速出具试验报告的效果。

2.13 超大型击实仪的研制与应用

长河坝砾石土心墙料最大粒径150 mm，必须采用等量替代法进行击实试验，获取最大干密度拟合曲线。为核实其击实效果对压实度的影响程度，提高施工质量，项目参建单位自行设计了具有自主知识产权的直径800 mm超大型土工击实仪。该击实仪主要由空气压缩动力系统、电气自动控制系统和液压击实系统组成，是目前国内最大的土工击实仪。其主要技术参数为：击实筒内径800 mm，桶高800 mm；击锤质量228 kg，重锤直径400 mm，落高760 mm。

目前采用超大型击实仪已经完成了粒径大于5 mm土料含量分别为20%、30%、40%、50%、60% 情况下的击实试验。

2.14 数字化大坝碾压监控系统的应用

GPS数字化监控系统主要采用由施工设备监控终端、手持数字终端、卫星定位基准站、监控中心(总控中心和现场分控站、控制箱)、通信网络和应用软件等组成。通过该系统可随时监控每一单元的填筑上料质量情况和振动碾运行状态及碾压情况。特别是数字化碾压监控系统在长河坝工程中得到了很好的应用，可有效避免填筑碾压的漏压、欠压现象，保证填筑碾压质量。为便于提高系统与现场施工的协调性，在长河坝工程中又对其系统的振动碾仓面显示功能、现场仓面规划与施工等进行了优化改进，并制定了数字化系统的专项管理措施。

2.15 振动碾无人驾驶作业技术研究

振动碾无人驾驶技术是基于卫星定位技术和环境识别判断技术以及数字化的机控技术构成的。通过键入设定的运行区域、模式参数可实现振动碾压自动轨迹规划、寻找作业起点、自动行驶、振动、换行、速度及碾压遍数控制、自动纠偏、自动避让及紧急制动等功能。目前首批5台无人驾驶的振动碾于2016年5月已成功应用长河坝建设，运行仓面超80仓，其主要应用成效如下：避免了漏压、欠压、超压，确保了一次碾压合格率(均值约97.1%)；对比人工驾驶作业施工效率提高约10.6%，同时可缩短间歇时间，延长工作时间约20%；降低了人为影响和夜间施工安全风险；有效减少了振动环境下对人体损伤，减少了人力资源的浪费。

2.16 信息化管理系统的开发及应用

通过构建以无线微波技术作为数据传输链路媒介的无线传输网络，本工程已建成综合性的数字化信息管理中心，利用无线微波传输技术实时收集传输坝区各施工作业面、交通运输、防汛及危险山体监控的相关信息，从而实现了后方管理中心进行坝料称重计量监控、车载加油信息监控、实时碾压监控、拌合作业信息监控、边坡危岩体监控、洪汛监控等系统的集中管理。并研究开发建立了一套适应快度施工节奏的工程项目管理直观管理平台，实时查看施工进度、质量管理等信息。解决了信息传输瓶颈，敞开生产信息交流渠道，及时跟踪项目进度、合理调配资源，对提高生产和管理效率具有积极意义。

3 结语

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝工程为目前已建和在建同类坝型世界最高，可见其施工难度之大，为确保项目建设质量，实现其整体效益，对施工工艺和关键施工技术进行了大胆优化和创新，实践证明，这些关键施工技术创新取得了成功，达到了预期效果，可供其他工程参考。

[1]吴晓铭，薛山丹，刘培，等. 瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝施工质量控制[J]. 水力发电， 2010， 36(6)： 60- 63．

[2]张丹，何顺宾，伍小玉. 长河坝水电站砾石土心墙堆石坝设计[J]. 四川水力发电， 2016， 35(1)： 11- 14．

[3]魏文俊. 瀑布沟砾石土心墙堆石坝施工技术综述[J]. 水电与新能源， 2011(6)： 52- 56．

[4]余学明，何兰. 瀑布沟水电站砾石土心墙堆石坝设计[J]. 水力发电， 2010， 36(6)： 39- 42．

(责任编辑焦雪梅)

Key Construction Technologies of Gravel Soil Core Wall Rockfill Dam in Changheba Hydropower Station

YOU Guanghao

(Sichuan Datang International Ganzi Hydropower Development Co., Ltd., Kangding 626001, Sichuan, China)

In view of the emphases and difficulties of constructing gravel soil core wall rockfill dam in Changheba Hydropower Station, some innovations and optimizations are practiced in river closure, rapid cutoff wall geomembrane cofferdam construction, foundation pit drainage, natural gravel soil material mining and preparation, precision filter material mixing, blasting, intelligent watering control system, LNG dump truck application, soil-sand two materials paving along dam soil-sand interface, mechanical mud spraying on core wall filling base, rapid gravel soil compaction detection, development and application of large compaction meter, digital dam roller compaction monitoring system, unmanned vibrating roller and information management system. The practice shows that the innovation and application of these key construction technologies is successful and achieves desired effects．

gravel soil core wall rockfill dam; key technology; innovation; Changheba Hydropower Station