长河坝水电站大坝填筑快速施工措施探讨

2021-03-26杨伟

水电站设计 2021年1期

杨伟

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 611130)

0 前言

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。电站总装机容量2 600 MW，拦河大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高240.0 m(EL 1 457-1 697 m)，在同类型坝中坝高仅次于双江口、两河口、糯扎渡水电站大坝，名列国内第四。大坝填筑工程量约为3 400万m3，主要工程量为上下游堆石料约2 273.9万m3，砾石土心墙防渗料约428.3万m3，高塑性黏土20.46万m3，反滤料1、2、3、4约为168.19万m3，上下游过渡料及岸边过渡料约为290.97万m3，上下游压重体约为206.55万m3。

招投标文件显示：本标计划2010年9月1日开工，2016年12月31日完工，从开工到大坝填筑完成工期为76个月。其中，2012年3月1日下基坑，2013年5月1日开始心墙填筑，至2014年5月31日大坝填筑至1 545 m，满足坝体拦挡200年一遇洪水要求；2016年10月31日大坝填筑至1 677 m，2016年12月31日坝体填筑到1 697.00 m。

实际施工情况为：2011年1月1日正式开工，2012年5月28日开始下游堆石体先期断面填筑，2012年10月底开始上游堆石区先期断面填筑，2013年7月23日开始大坝心墙区填筑，2014年5月31日大坝填筑至1 536 m，2016年9月10日大坝填筑至1 697 m。从实际开工到填筑到顶工期为69.3个月。

大坝工程填筑工程在晚开工4个月，且大坝填筑工程量不变情况下，提前3.7个月完成填筑。在施工过程中，经参建各方共同努力情况下，结合该工程实际情况，采取了快速施工方法或措施。

1 快速施工总体措施

要实现该工程的快速施工，需要整个施工过程的各个环节相互配合、进度均衡，并满足施工安全和质量要求。

需要由各方面的措施加以保证，一般包括技术措施、经济措施和合同措施。

技术措施包括：心墙土料质量快速检测；心墙土料分区流水施工；整体填筑断面平起施工和堆石料先期断面填筑；坝料跨心墙运输技术；在满足设计坝料要求上，利用各种开挖料进行填筑，并进行土石方调度优化，在大坝料场前期开挖强度较低，而大坝底部填筑面大情况下，利用开挖渣料直接上坝进行堆石料填筑可加快施工进度；采用GPS大坝坝面填筑质量实时监控系统等措施；冬雨季施工措施；组织大型设备进行施工。

经济措施包括：对心墙料、反滤料进行备料储存等措施。

合同措施包括：对业主要求的赶工措施费用进行及时结算等措施。

按保证措施分类可以分为：质量保证措施、进度保证措施、造价保证措施等。

质量保证措施：采用GPS大坝坝面填筑质量实时监控系统，代替传统管大坝填筑管理方法，提高现场填筑碾压质量的保证率，减少因质量不合格返工的情况，进而加快工程进度。

进度保证措施：心墙土料质量快速检测、分区流水作业，整体填筑断面平起施工和堆石料先期断面填筑，坝料跨心墙运输技术，组织大型设备进行施工，各种坝料的备料、设置节点目标和抢工措施费用。

造价保证措施：在满足设计坝料要求上，利用各种开挖料进行填筑，并进行土石方调度优化，如利用开挖渣料直接上坝进行堆石料填筑。采用该措施后，与直接采用料场开挖爆破料相比，可节省大量费用。

本文仅就其中部分措施进行简述。

2 砾石土心墙土料质量快速检测

根据设计要求，碾压后的砾石土心墙料质量以全料压实度和细料(小于5 mm料)压实度进行双控制，全料压实度=挖坑灌水法得到的全料干密度/室内大型击实试验所得全料最大干密度；细料压实度检测宜采用三点击实法。心墙防渗土料每填筑一层(铺料厚度为30 cm)取2～3组试样测定土料全料和细料的干密度、含水率和颗粒级配，得到全料压实度和细料压实度。

根据设计要求，防渗土料填筑时，每层压实经取样检测合格后，方可继续铺土填筑。由于心墙土料填筑厚度在坝料填筑中厚度最薄(铺料厚度为30 cm)，并且受到降雨、负温等因素影响，心墙填筑处于大坝填筑关键线路上，其进度决定大坝上升速度。

根据现行常规试验规范，得到全料压实度和细料压实度需要工作时间约为14 h。其中测出全料含水率时间8 h以上。

结合本工程碾压试验和工程初期情况，经过大量试验论证基础上，采用心墙土料快速质量检测方法。

采用汤坝土料成份单一，为含砾石土层。砾石成份以灰岩、大理岩、片岩以及石英为主，多呈棱角状～次棱角状。土料天然密度2.07 g/cm3，干密度1.87 g/cm3，天然含水率一般5%～14%，最高19.0%，平均值为9.8%。

2.1 全料含水率快速检测

根据《土工试验规程》(SL237-1999)，由于土料的料源固定(本工程只有一个土料场)，为加快施工进度，可事先测定P5(粒径大于5 mm)吸着含水率平均值，试验时可只用酒精燃烧法检测细料(粒径小于5 mm)的含水率和P5含量，可计算出全料含水率，即：快速检测的全料含水率=(1-P5含量)×细料含水率+P5含量×P5吸着含水率平均值。

由于P5其表面黏附泥土，很难用干法擦干净，难于保证P5吸着含水率的检测精度，操作上相当费工费时。当P5吸着含水率变化不大时，吸着含水率可通过水洗后测出，经比较分析可用P5洗后含水率平均值代替P5吸着含水率平均值，对全料含水率计算结果影响较小。快速检测的全料含水率=(1-P5含量)×细料含水率+P5含量×P5洗后吸水率平均值。

在施工单位、业主中心实验室进行了172组试验后，P5洗后吸水率在1.8%～2.9%之间，平均为2.3%，P5洗后吸水率变化幅度在-0.5%～+0.6%之间，属于吸水率较小范围。建议使用2.3%作为P5洗后吸水率代表值，计算全料含水率和P5含量。

根据设计要求，P5宜控制在30%～50%之间。当P5含量为30%和50%时，分别采用P5洗后吸水率为最低值1.8%和最大值2.9%计算的加权含水率和采用P5饱和面干吸水率平均值2.3%加权计算含水率，两者的加权含水率差，在试验规程的允许范围之内。

2.2 P5含量计算方法

根据常规试验得到细料的湿重量和P5的湿重量，根据规程公式可计算出细料干质量和P5干质量，再根据公式P5含量=P5干质量/(细料干质量+P5干质量)×100%，可快速得到P5含量。

2.3 细料压实度的快速检测方法

施工单位、业主中心实验室进行172试验后，P5饱和面干视比重在2.62～2.69 g/cm3之间，平均值2.65 g/cm3，最小值和最大值偏差为-0.03～0.04 g/cm3。建议使用平均值2.65 g/cm3作为P5视比重代表值。

采用P5视比重2.62 g/cm3、2.69 g/cm3和平均值2.65 g/cm3为计算的细料湿密度和细料干密度差值在试验规程的允许范围之内。

2.4 快速质量检测方法的复核

采用标准试验方法172组得到的全料压实度范围为97.9%～101.7%，采用快速检测方法172组得到的全料压实度为98.0%～101.6%，两者差值范围为-0.1%和+0.1%，差值非常小。细料压实度完全一致。说明用快速检测法是可靠的，能满足大坝填筑全料压实度和细料压实度质量检测要求。

在大坝填筑期间，业主试验室和施工单位实验室同时每月预留一定数量的试样，按试验规程中质量检测方法，复核细料的含水率、P5的洗后干吸水率及P5视比重，得到全料压实度和细料压实度。使用标准试验方法和快速检测方法进行对比，其误差在试验规程允许范围之内。

2.5 小结

快速检测方法可在2 h内得到全料压实度和细料压实度，而标准试验方法需要14 h，可节省12 h。适用于砾石较坚硬，砾石吸水率较小且变化不大时，可供其他类似工程进行参考使用。采用快速检测方法，减少了标准试验次数，并且减少了大坝心墙工作面设备和人员等待质量检测时间，加快了施工进度，不增加业主投资。

3 心墙土料分区流水施工

本工程心墙土料的最大填筑面积超过了2.2万m2，参照其他类似工程的分区施工思路，投标文件中采用的施工设计为左中右三个分区，顺水流方向进料，顺坝轴线碾压。实施过程中出现组织流水施工不顺畅，碾压或质量检验中某一个流水作业出现问题，导致人员窝工和设备闲置情况，现场需要一个备用区域进行调节，以避免人员窝工和设备闲置。并且在心墙上游侧三个进料口位置附近未铺筑钢板的区域，已填筑完成并经质量检测合格的土料在重车反复碾压下，存在超碾和剪切破坏问题。此外，上坝填筑运输道路只有一条，车辆存在相互干扰，车速较慢，效率降低。

3.1 分成4区流水施工条件

在1 499～1 588 m高程之间，心墙的填筑总面积大于20 000 m2，最大填筑面积为22 158 m2。平均分成4区，每区的最大填筑面积为5 540 m2，并且均大于5 000 m2，具备增加布置碾压设备的条件。经参建各方讨论，决定在1 499～1 588 m高程分成4区进行流水施工。

3.2 4个区的施工方法

以坝轴线为上下分界线，上游两个区，下游两个区。按铺料、碾压、检测组织流水作业。为了防止路面土料超压破坏，要求上下游各设两个路口，并分别从上下游方向进料，即上游两个作业区从上游进料，下游两个作业区从下游进料。另外，为防止沿左右岸分段碾压形成贯通上下游的搭接条带，上游两区碾压分界线与下游两区的碾压分界线必须错位，沿坝轴线错开距离约0.2L(L为沿作业面坝轴线的铺料总长度)。

3.3 1 588 m高程不能分成4区原因

随着坝面填筑上升，心墙填筑区沿坝轴线方向长度会逐渐变大，而垂直坝轴线方向距离逐渐变小，当坝面上升至1 588 m高程时，整个心墙区域宽度约为60 m，向上填宽度逐步缩窄，如再按照上述分区作业，坝轴线上下游侧各分区太窄，不利于组织机械成龙配套施工。故此时不应再依照坝轴线上下游侧进行划分，而改为仅沿坝轴线方向布置碾压搭接缝。由于此时沿作业面坝轴线的铺料总长度较大(330 m以上)，故考虑按80～120 m分段布置，此时进料按从上游进料。

3.4 现场效果图

4个区按铺料、碾压、质量检查、待碾组织流水作业效果参见图1。

图1 四区域流水作业示意

3.5 小结

本工程1 499～1 588 m心墙填筑由3区改为4区，按相同铺料填筑面积，计算的每天上升强度由0.26 m上升到0.325 m，提高效率25%。高程1 588 m坝顶部分由于受到上下游心墙宽度影响，采用3区进行施工。

心墙部位采用流水施工，不管是分成3区或4区，对于流水作业中铺料工序搭接部位，需注意要超过分区的分界线1～2 m，以避免人为分界，造成碾压时漏碾或超碾，在现场质量检测中，需重点加强该处的检查频率。否则，质量一旦出现缺陷，易在该局部区域形成顺水流方向的渗漏通道，对大坝安全运行造成影响。

4 经济措施

主要是指对心墙土料进行备料储存。

本工程的土料场在汤坝料场位于坝区上游金汤河左岸与汤坝沟之间的边坡上，距坝址22 km。土料通过土料场公路、1号公路、5号公路、13号公路运输上坝。

4.1 备料原因

砾石土料施工中因增加过筛、掺配、含水率调整工序；受征地或遇当地村民阻工等不可预见的事件；冬雨季对心墙进行施工时或应急时，业主要求的抢工等；土料运输受冬季道路结冰等制约，运输强度降低，影响土料供应强度。

4.2 备料情况

大坝填筑土料从2013年8月至2016年5月，共计备料约139万堆方。备料场分别在大坝上游侧响水沟渣场、大坝上游压重体和大坝下游压重体。增加费用约1 932万元。

4.3 备料使用效果

2015年10月20日10时，汤坝土料场公路硅厂对面山体发生崩塌，导致土料场公路交通中断，汤坝砾石土料无法运输上坝。为解决沿线村民道路出行问题以及大坝标土料料源运输问题，在地方政府的统一指挥下，由业主安排施工单位进行棚洞防护。棚洞防护2015年10月30日开始施工，11月15日施工完成，经地方政府和业主验收后，同意对该处路段实行交通管制后通行。当采用在上游压重体的备料施工15天后，由于没有填筑料源，大坝心墙部位停工，直到棚洞防护验收，道路恢复通行。在此期间，心墙填筑工作面停工10天。

根据招标文件，电站装机为260万kW，年平均发电量为3.069 69×10-5kW·h。按发电后每度上网发电平均电价为0.25元计算，1年的发电带来收益约为27.625亿元。推迟10天发电将给业主造成27.625亿元÷365天/年×10天=7 568万元的直接损失。若计算上土料场和大坝填筑工作面的人员和设备窝停工费用，损失更大。

由于心墙填筑处于大坝填筑关键线路上，其进度决定大坝上升速度，而大坝填筑处于长河坝工程的关键线路上，因此，由于备料15天的填筑所需工程量给业主带来直接收益为27.625亿元÷365天/年×15天=1.135 2亿元。备料费用所占费用比例为0.193 2亿元÷(直接损失0.756 8亿元+直接收益1.135 2亿元)=10.21%。