阿尔塔什大坝填筑砂砾石料高强度开采施工技术

(中国水利水电第五工程有限公司第三分局，成都，610066)

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是新疆叶尔羌河干流山区下游河段的控制性水利枢纽工程，挡水坝为混凝土面板砂砾石-堆石坝，坝高164.8m，大坝填筑总量约为2494万m3。上游主堆石区采用砂砾石料，填筑量约为1227万m3，大坝有效施工时段31个月。坝壳填筑采用C3料场砂砾石料，要求砂砾料最大粒径Dmax≤600mm，小于5mm含量13%～25%，级配连续。

叶尔羌河径流组成除包括有少部分泉水和低山区季节性积雪、降雨补给外，冰川消融是其主要补给源，径流年际变化不大，但洪峰变化甚大，时常发生一种难以预测不定期的突发性洪水。砂砾石料场沿叶尔羌河呈弯曲的条带状分布，面积为295.6万m2，砂砾石料场大部分位于河漫滩，并受河水涨落影响，地下潜水位埋深浅，平枯水期地下水埋深1m～4m，7、8月份洪水期均位于水下，十分不利于开采。

2 料场复勘

2.1 复勘规划及方法

复查勘探在料场用探坑方式进行，对料场地形复测成图后进行探坑布置，探坑采用100m×100m网格，反铲开挖。探坑完成后逐一进行地质编录描述，并按规范取样分析。

2.2 料源质量评价

通过复勘，C3料场砂砾石料颗粒级配成果见表1。

表1 砂砾石料颗粒级配成果统计

复勘成果表明：C3砂砾石料场基本满足相应级配要求。

2.3 料场储量评价

C3料场主要探槽成果见表2。

表2 探槽主要指标平均值统计

由于C3料场面积大，采用平均厚度法进行储量计算，复勘储量成果见表3。

表3 复勘主要成果汇总

规范要求料场可开采量及可利用开挖量之和与坝体填筑量的比值：砂砾料水上宜为1.5～2.0、水下宜为2.0～2.5。C3料场砂砾石料可开采量为1671.83万m3，坝体砂砾石填筑量提供1052万m3，砂砾料天然平均干密度为2.06g/cm3，设计压实干密度约为2.35g/cm3。有用料储量和坝体砂砾石填筑量比值为：(1671.83×2.06/2.35)/1052=1.39∶1。

根据规划结果，C3料场查明储量为填筑需用量的1.39倍，根据规范结合现场实际情况，料场为水上、水下混合开采，应规划储量宜为2.0倍较合理。施工规划时考虑备用料场，备用料场C4设计地质储量1000万m3。因此，本工程砂砾石料源有足够保证规划，施工控制重点在于保证施工强度和开采的经济性。

3 开采规划

3.1 规划原则

为确保料场开采进度和质量满足要求，料场开采时遵循以下原则：

(1)合理安排洪枯采区原则：考虑叶尔羌河河流枯、汛期，合理安排开采范围，保证汛期砂砾石料正常开采。

(2)就近取料原则：合理利用已有砂砾石料场条件，在满足坝体质量争取最大经济效益的情况下，优先选择开采区较近、开采条件较好区域进行开采。

(3)减少水下开挖原则：枯期为汛期施工创造条件，改善河道过流条件，减小水下开挖工程量。

(4)资源配置合理原则：合理配置资源设备，确保料场开采强度满足大坝填筑进度需求。

3.2 开采规划方案

根据砂砾石料场土石方平衡计算，确定分期规划开采强度，坝体砂砾料填筑各期需开采工程量见表4。

表4 大坝填筑分期与料场开采强度统计

大坝砂砾石填筑量为1227万m3(上游C1料场开采100万m3(汛前开采)、二次利用75万m3(汛期开采))、C3料场开采1052万m3)，C3料场开采自然方约1272万m3，料场开采分区见图1。

图1 C3砂砾石料场开采分区

大坝砂砾石填筑料料源及开采时段规划见表5。

表5 料场分区开采细部规划

3.3 分期开采规划

针对特殊季节性水位变化条件下河道砂砾石料高强度开采特点，主要以保证汛期大坝砂砾料正常填筑为前提条件，对砂砾石料场开采顺序、开采方式以及水下开采料源级配质量控制方面进行调整和分析。C3料场主河床靠右岸，为了保证汛期大坝填筑连续施工，C3料场分二期进行规划开采。分期主要是解决水流分配，包括两个方面：一是降低水位，减少水下料开采；二是汛期施工，满足汛期河道分流，保证不同水位条件下持续开采。C3料场分期开采布置见图2。

图2 C3料场分期开采布置

河道疏浚开采时段2016年4月至2016年6月，此时段C3料场开采量较少，为20万m3，其余上坝料主要充分利用上游C1料场进行开采上坝。

C3料场一期开采时段2016年7月至2017年12月，开采量868万m3。

C3料场二期开采时段2018年3月至2019年4月，开采量386万m3。

3.3.1 河道疏浚治理

为减小河道流水对大面积开采面开挖及道路运输影响，治理的主要原则是利用河床砂砾石料，将各个支流处拦截、阻断，将疏通时产生砂砾料集中堆放至右侧，并形成简易防洪堤(兼施工道路)，将支流河道河水引至右岸主河道。

3.3.2 一期(左岸及右岸先锋槽)

河道疏浚后，2016年汛期主要开采C3料场左岸滩地地势较高区域及料场下游河床宽广区域，汛后同步进行右岸先锋槽开采。先锋槽布置于河床右岸，开挖宽度100m、深度6m，过水面积600m2，可保证2017年汛期持续开采要求。

3.3.3 二期(右岸区域及左岸导流渠)

二期紧紧围绕“左岸导流、安全度汛、持续开采”的原则，2018年汛前在左岸形成导流渠，并进行料场导截流施工，将河流引流到河床较低的部位。同时修复右岸上坝道路，可持续在右岸区域进行高强度开采。

4 施工方法与施工质量评价

4.1 施工工艺

砂砾料按照“自下而上、分区开采”的原则进行后退法开采。按200m长度区域设置一开采面，循环开采。每个工作面分别布置2～4台1.6m3液压反铲按照“自河床向岸坡、自下游向上游、分段分层开挖”的施工顺序进行施工，相邻层开采面距离≤30m。分层厚度按照水上开采厚度2.5m，水下开采深度2.0m进行控制，开采过程中两侧边坡坡比为1∶1。开采施工方法示意详见图3。

图3 开挖施工方法示意

4.2 水下质量保证措施

水下开采过程中细骨料容易损失，造成骨料颗粒级配不满足要求，需要进行梯段式开挖，采取优先开采先锋槽和设置降水槽等措施使水位下降至第二开挖梯段机械可作业面以下。主要有以下几种形式：

(1)利用天然河道坡降法：从远至近进行先锋槽开采，利用天然坡降将渗水从开采面直接排走，减小地下水汇聚对开采质量的影响。

(2)先锋槽法：料场前期开采时，疏通下游先锋槽，疏通宽度按照10m左右控制，利用先锋槽开采时排出地下水。

(3)强排水法：对部分地下水渗水较大区域，为保证开采质量，增加部分大功率水泵，采取强排水的方式辅助排水。

4.3 高强度保证措施

(1)交通保证措施：根据料场分布范围、地形条件以及汛期料场水位情况，C3料场布置多条主线道路，设置2座跨度为12m的简易钢桥、1座跨度为15m的涵管便桥，以提高运输车辆效率。

(2)设备保证措施：料场挖装设备采用PC450、PC400液压反铲，PC450(2.0m3)反铲单机产量5.0万m3/月，PC400(2.0m3)反铲单机产量4.2万m3/月，采用大型开挖设备，形成高效综合生产能力。高峰期时，料场布置12台PC450液压反铲、10台PC400液压反铲、132辆20t自卸车。

(3)开采面保证措施：在规划开采区域内，分区同步开采，根据划分区域大小，合理配置资源设备，减少相互干扰。采区内最多同时布置五个开采面，单日最大开采强度3.9万m3。

4.4 安全质量控制措施

(1)覆盖层清理机械采用SD32推土机进行，清除厚度比覆盖层厚度多10cm，以保证开采料质量。

(2)在开挖到距夹层深度约10cm距离处，停止开挖装车，对夹层的无用料进行开挖清除。

(3)在料场砂砾石料开采过程中对于裸露或覆盖层中出露的部分大孤石，就近回填至已开挖完成的区域内。

(4)汛期存在超标洪水情况，水位陡涨陡落，超标洪水期间，停止开采，待高峰洪水消退后恢复施工。

(5)临水作业所有人员(包括各机械工种)要求穿戴救生衣，设专人指挥，临水作业必须满足临边2m的安全距离，以防止临水边坡塌陷而发生安全事故。

4.5 施工质量检测与评价

砂砾石料坝面填筑施工工艺：采用SD32推土机平料，铺土后80cm，加水量10%，32t自行式振动碾碾压10遍，压实检测频次按1次/(1000m3～5000m3)。大坝填筑已完成工程部分取样检测结果见表6。

表6 大坝填筑面质量检测成果

填筑检测成果表明：砂砾料填筑质量满足设计要求。

5 结语

阿尔塔什C3料场砂砾石料开采重点是水位控制，尽量保证干地施工，可确保施工强度和料源质量。通过料场季节性开采规划，设置先锋槽、导流槽与水泵抽水等措施，解决了季节性水位变化条件下河道砂砾石料高强度、质量控制技术难题，砂砾石质量满足要求，填筑质量达到设计标准。截止2018年9月底完成砂砾石料填筑1180万m3，占坝体填筑总量的45.3%。料场经三年汛期的考验，均能实现汛期砂砾石料场高强度开采，期间平均月开采强度为60.5万m3，并于2017年4月创造了坝体单月填筑强度171.51万m3的国内填筑记录。

C3砂砾石料场成果应用的经验表明，开采规划布置是解决大型砂砾石料场开采质量、强度的关键。其核心与要点在于做好料场复查与开采规划，难点在于水位控制。阿尔塔什C3料场满足大坝砂砾石料场开采用量需要，未启用C4料场，说明针对C3料场的开采规划及实施技术措施是有效的，保证了施工质量的可靠性和施工的经济性。