西藏直孔水电站粘土心墙堆石坝施工设计优化浅析

李 广

(成都水电建设工程有限公司,四川成都 611130)

1 工程简介

直孔水电站位于西藏墨竹工卡县拉萨河上,是西藏已建成的最大的水电站,直孔水电站是以发电为主,兼顾防洪和灌溉的二等工程,电站装机4×25MW。枢纽由混凝土闸坝、堆石坝、引水系统及岸边厂房系统组成。堆石坝为碎石土心墙坝,坝壳料为砂砾石;坝顶宽 6m,最大坝高 56m,上游坝坡 1∶2.1,下游坝坡 1∶1.9。

工程区域属于高原温带季风气候区,干湿季节分明,具有气温低、日温差大、年温差小、降水少、蒸发大的高原气候特征。多年平均气温 5.6℃,极端最低气温 -23.1℃,极端最高气温 26.7℃。坝址区拉萨河河段河谷宽阔,由岩石孤岛将河床分为左右两支,左支为主河床,最深部位约28m。

2 堆石坝施工

2.1 工程概况

碎石土心墙顶高程为 3892.00m,顶宽 3m,上、下游边坡均为 1∶0.25,心墙与大坝坝壳料之间设反滤层。主要工程量:土方明挖 192400m3;碎石土填筑 111913m3;高塑粘土填筑 13104 m3;反滤料填筑 94941m3;坝壳砂卵石填筑658600m3;干砌块石 26418m3。计划工期为2004年 4月开工,2006年 11月完工。

2.2 填筑施工

(1)料场规划及坝料制备。碎石土心墙防渗料、坝壳堆筑料位于坝区附近,高塑性粘土扎西岗料场距坝址 40km,需自行组织开采。砂石料和反滤料的供应均由业主在坝区提供。各种坝料开采采用常规方法,分层剥离,自上而下分台阶开挖,主要设备为液压反铲、TY220推土机和 15t自卸汽车。高塑性粘土设计参数由于粒径较小,含水率控制较严,故设置了专门料场库房生产储存,粘土料运到加工场地后进行摊晒,破碎机破碎至设计粒径后运至库房分层撒水堆放养护,严格控制含水率,检测合格后上坝填筑。

(2)碾压试验。坝料室内及现场碾压试验非常重要,其对大坝的填筑质量、设备选型、施工进度都起着关键性作用。通过坝体填筑料的现场碾压试验复核室内试验所测定、确定的有关技术指标、参数。坝料填筑试验碾压施工参数见表 1。

(3)施工方法。由于本工程地处高寒地区,为了保证施工质量,冬季停止施工,每年 4～11月施工。填料顺序一般为高塑性粘土——碎石土心墙料——反滤料——坝壳料,但根据供料情况和设备配置情况填料顺序也进行了变换。

表1 坝料填筑试验碾压施工参数表

高塑性粘土填筑范围为混凝土防渗墙周围上下游侧各 1.5m,总高度 6m,将防渗墙嵌入坝体的部分包裹在其中。填筑时,同一层高塑性粘土先于碎石土心墙料进行填筑,人工分层铺料,蛙式打夯机夯实。

防渗心墙采用碎石土料,总高度为 37m,底部最大宽度为 20.5m,顶部宽度为 30m。根据施工图纸在填筑面上逐层放出各区的分界线,立杆架线,标注各区填筑的厚度。每次铺料前洒水车洒水一遍,再用推土机履带或反铲在填筑面上匀速开行一遍,将前一层已填筑压实的碎石土心墙表面刨毛,采用进占法铺料,推土机推料摊铺。

反滤料的铺设位置为坝体碎石土心墙上下游侧 3m的范围,反滤料紧靠心墙填筑。填筑时采用 10t自卸汽车运输上坝,液压反铲配合人工摊铺反滤料,平碾震动压实,应特别注意反滤层与心墙料或坝壳料接缝处的碾压,以保证压实度。

大坝上下游坝壳料主要由砂卵砾石料构成。坝壳卵砾石料底部填筑宽度为 6～189m,采用进占法铺料,T220推土机推料摊铺平仓。为保证边缘压实度、预留斜坡碾压沉陷量,其水平宽度向外超填 60～80cm,以便填筑完成后进行削坡。大面采用 21t振动凸块碾碾压,平碾收面。

2.3 质量控制

(1)填筑工作面管理。首先采用全站仪测放点线,严格控制填筑边线和坝体的轮廓尺寸。坝体填筑时保证上坝料源不含杂物,严格控制各种坝体填料的级配并检测分层铺料厚度、含水率、碾压遍数及干容重等碾压参数,碾压施工过程中要严格按规范规定进行分组取样试验分析,其下面一层施工未达到技术质量要求不得进行上面一层料物的施工,施工后的坝面平整、顺直、洁净美观。

(2)冬、雨季施工。鉴于坝址地处高寒地区,为了保证填筑质量,碎石土心墙料和高塑性粘土料尽量安排在白天施工,冻土料一律不准上坝填筑;气温低于 4℃时,对施工完的土心墙填筑面采用棉被进行覆盖保温;气温低于规范规定范围时,停止进行碎石土心墙料施工。冬季施工采用快速连续作业,协调好各个施工环节,尽量缩短铺料、碾压等工序之间的间歇时间。雨季填筑施工中,根据现场的施工条件采取防雨措施,下雨时停止碎石土心墙料、高塑性粘土等的填筑施工。雨前用振动碾快速压实表层松土,并注意保持填筑面平整,以防积水和雨水下渗,铺设防雨塑料彩条布等;雨后填筑面进行晾晒处理,挖除表面弹簧土层,经检查合格后进行下一工序施工。

(3)主要技术指标的控制。对于填筑料的质量控制,含水率和压实度及干密度是几个重要指标。通过抽检的 9个单元得知,坝壳料区合格率100%,优良率 89%,其中最小值 2.3g/cm3,最大值 2.39g/cm3。反滤料区合格率 100%,优良率92.5%,其中最小值 2.15g/cm3,最大值 2.2g/cm3。碎石土心墙料区合格率 100%,优良率91.2%,其中最小值 1.89/g/cm3,最大值 1.92g/cm3,压实度达 98%。满足设计要求。

3 导截流施工

本工程共进行了两次导截流,第二次导截流成功。简单论述了第一次导截流失败的经过。

直孔电站采用两期导截流,本工程为二期导截流。据进度要求,2005年 10月下旬实现主河床截流,2006年 10月 30日坝体具备挡水条件。

第一次导截流施工计划于 2005年 9月 25日开始,2005年10月 11日完成河床截流。在10月11日实施过程中没有成功的主要原因有以下几个方面:

(1)对导截流工程的复杂和风险性认识不足,材料准备工作不到位。截流材料准备严重不足,由于拉萨河水流急且水量变化较大,上围堰距龙口合龙十几米时,截流大块材料已用完。按以往截流经验,截流材料准备量应是理论计算的 2～3倍,但实际储备量没有达到。

(2)右岸 30m长戗堤的裹头没有加固好,即将合龙时,造成水流冲毁。

(3)左岸戗堤进占时,戗堤面离水面过高,造成戗堤填筑量大,严重影响戗堤进占速度;同时,戗堤端头回车场太小,影响了汽车运输卸料速度。

(4)河道分流不畅通,没有采取有效措施。

通过对以上几方面进行改进,总结经验,在进一步完善技术方案,充分作好各项准备工作的前提下,第二次导截流于 2005年 10月 19日成功。

4 设计优化

二期导截流成功后,堆石坝填筑到设计蓄水位高程是直孔电站确保 2006年底首台机组发电的重要环节,工期非常紧迫。通过建设方、设计、施工等单位的密切协作,采取了以下几个方面的设计方案优化,简化了施工程序,缩短了工期,提高了效率:

(1)基坑开挖:原设计截流围堰形成闭气后进行基坑排水,然后进行基坑覆盖层的开挖,开挖量约 5万 m3。由于坝基防渗结构为混凝土防渗墙及帷幕灌浆,防渗墙顶设计高程为 3859.00m,碎石土心墙底高程为 3855.00m,基坑水位高程为 3851.00m,通过对河床地质条件的分析研究,取消坝基开挖,采用水下抛填石料填至水面以上再进行分层碾压填筑,满足防渗墙施工高程,节约工期约两个月。

(2)填筑料优化:主要是高塑性粘土料的优化。设计技术要求为 Dmax≤2mm;＜0.075mm粒径的颗粒含量≥92%;塑性指标 Ip≥15;压实后渗透系数 K≤1×10-6cm/s。在实际施工中,开采的土料含水率较大,成块状。加工生产过程中,粒径很难控制在 2mm以内,同时,塑性指标也无法达到要求。经过设计修改,Dmax≤10mm以下,加快了施工进度,技术指标也达到了要求。

(3)坝面修改:干砌块石护坡用于堆石坝工程上、下游填筑坡面,其设计平均厚度为 50cm,总面积达 78750m2,技施设计工程量 37866.90 m3。块石料选用坝下游左岸荣朵村块石料场,但存在以下几个方面问题:①破坏山地生态植被,对环境保护不利,恢复非常困难,造成投资增加;②料场左侧是当地村民的居住地,且距料场直线最近距离为 50m,料场开采存在较大安全隐患;③在料场的下方是电站的进场永久公路,施工爆破易造成对公路的损坏,危及车辆和行人的安全;④开采的石料粒径不规则,块石护坡面存在缝隙,对坝面填筑细料的保护较差,外观质量也不能充分得到保证;⑤制约施工进度。

经施工单位建议,业主、设计、监理研究确定坝体上游坡面采用 C20干砌混凝土预制块护坡,下游坡面采用 C20干砌混凝土预制块网格内填充卵石的护坡方案,预制块采用正六面体,边长30cm,厚 15cm,相比工程投资增加了 20%,但远远小于恢复生态增加的投资。通过该方案的实施,加快了堆石坝施工进度,提高了坝面整体的内在和外观质量,保护了生态平衡,为直孔水电站下闸蓄水、发电创造了有利条件。

5 结 语

(1)在西藏高原地区施工要明确各种气候条件下的施工时段,尤其对心墙土料及反滤料在低温施工时要采取有效的保温措施,对暴雨的防范措施也非常重要。

(2)根据现场实际情况,设计优化起到了关键作用,尤其是在环境保护、安全方面,加快了工程进度,提高了工程质量。施工前,现场碾压试验参数的确定非常重要,其直接影响到大坝的填筑质量和检测方法。碎石土心墙料采用干密度作为控制指标,受土料砾石含量影响很大,不易控制填筑质量,而采用压实度控制即可有效地控制碎石土心墙的填筑质量。

(3)对于各种填筑料摊铺选用设备非常关键,它直接影响施工速度和质量。本项目在碎石土心墙料和反滤料及坝坡面处理施工中主要采用反铲设备,取得了很好的效果。