振冲加密砂砾石基础筑坝工艺

汤用泉 王维忠

世界上的水电站和水库等工程的大坝,为了满足筑坝的要求,都要进行基坑开挖、处理等项目的施工,而在江河等有水的条件下筑坝的地方,为了形成基坑旱地施工条件,还要先进行截流、围堰填筑、闭气、抽水等工作。总之,必须先形成基坑,然后在基坑内进行施工的方法,是现代筑坝技术必须进行的程序。

海南大隆水利枢纽大坝工程的施工,创新地采用了无基坑施工新技术,彻底突破了必须先形成基坑、在基坑内施工的筑坝技术概念框框。该技术与现有技术的区别在于:

(1)不做围堰;

(2)由于不做围堰,与围堰有关的防渗体系,如:防渗墙、防渗帷幕或高喷、斜墙等都不存在;

(3)不需要进行基坑抽水;

(4)不需要进行大量的基坑开挖;

(5)该技术最大的益处在于可以节约大量的投资和极大地加快施工速度,缩短工程的施工工期。

1 工程概述

大隆水利枢纽工程位于海南省三亚市西部的宁远河中下游,是海南省南部水资源调配的重点工程,其工程任务是防洪、供水、灌溉为主,结合发电。水库总库容为4.86亿m3,规划灌溉面积6.6万hm2(9.92万亩),供水规模近期(2010年)为1.18亿m3,远期(2020年)为1.98亿m3,电站装机为6900 kW,为二等大(Ⅱ)型水利枢纽工程。

大坝坝顶宽度9.0m,坝顶长度535m,坝顶高程76.5m,最大坝高65.5m。坝顶防浪墙高1.2m,上游坝坡采用混凝土护坡,下游护坡采用草皮护坡。

本工程拦水建筑物为碾压式分区大坝,依填料分为坝基填砂区、上游防渗Ⅰ、Ⅱ区和下游Ⅲ、Ⅳ区,以及高塑性土、堆石、排水棱体等填筑区,坝体内采用上昂式排水和水平排水棱体。相应大坝的填筑料包含防渗土、高塑性土、中粗砂、石渣和块石、风化料等。

坝基河床砂砾石覆盖层深度7.0～21.0m,渗透系数为1×10-2～1×10-1cm/s,属强透水层,表层平均约5m厚砂卵石呈松散—稍密状。坝基处理型式为:上下游坡脚布置堆石戗堤,堤内侧设反滤,反滤内充填河床天然砂砾料并进行振冲加密至20.00m高程。详见图1。

图1 坝体标准断面图

2 无基坑施工技术

2.1 无基坑施工设计要求

设计把土石坝的上下游坡脚的堆石戗堤作3个用途:先作为截流的上下游戗堤,然后作为基坑填砂砾料的挡砂堤,最后作为大坝坡脚的堆石体。在上下游戗堤围成的基坑内,全部填砂至20.00m高程(后修改为18.00m),再对填料及河床表层平均5m深的松散砂砾层进行振冲挤密,使土坝砂基的相对密实度满足设计要求,达到使较松散的天然砂基和回填砂加固为密实稳定坝基的目的。砂基经振冲加密后作为大坝基础。

在河床左右岸深槽内采用水下清基方法作业,将河底的朽木、杂物及漂石清除。在河床中心沙洲部位清基深度一般为0.3 m,清除表层草皮及植物根系、生活及工业垃圾。坝体与两岸坡连接只需清除草皮、树根等表层植土层,因此两岸清除0.3～0.5m的坝基表层土及植物根系,土坝与岸坡连接坡比∶土坡坡度小于1∶1.5,岩石坡度小于1∶0.5。边坡开挖大致平顺,不应成台阶状、反坡或突然变坡,岸坡上缓下陡,变坡角小于20°。

回填的砂砾料取自大坝上游的河道内,要求以含砾最大不超过100mm的中粗砂为主(尤其在防渗墙轴线上游30m和下游35m范围内),不得采用粗砾(D≥100mm)含量大于30%的砂粒料。

2.2 施工方法

2.2.1 施工程序

水下清基→水上清理和开挖→截流→填砂砾料→振冲加密→质量检查。

2.2.2 水下清基

对于水下部分的基础主要用人工进行简单的清理,清理水下树枝、草、其他植物等。验收采用水下全面录像验收。

2.2.3 水上清理和开挖

对于水面以上的基础采用机械配人工清理,清除树、草等植物和有机物等。

2.2.4 截流

与一般工程截流施工方法相同,不再缀述。

2.2.5 填砂砾料

砂砾料取自大坝上游的河道内,采用液压挖掘机开挖,15～20 t自卸运输,推土机平整,一次抛填至设计高程。

2.3 振冲加密施工

2.3.1 振冲施工机具及施工参数(见表1)

表1 振冲施工机具及施工参数

2.3.2 质量检查标准

(1)D区(16.0m高程,布桩间距1.6m),采用重型(Ⅱ)动力触探对桩体进行检测,相应重(Ⅱ)击数控制指标为:1.0～3.0m深重(Ⅱ)击数不小于10击,3.0～9.0m深重(Ⅱ)击数不小于12击,振冲填料量按不小于1.3 m3/m进行控制。

(2)A、B、C区及D区(20.0m高程),布桩间距2.5m,采用重型(Ⅱ)动力触探对桩间土进行检测,质量控制标准见表2。

表2 重型(Ⅱ)动力触探锤击数控制标准

3 实施效果

(1)无基坑施工共划分为38个质量评定单元,通过评定,36个单元为优良,2个单元合格,优良率为94.7%。

(2)大隆水利枢纽工程于2004年12月16日开工,2005年2月6日大坝截流,2005年4月22日完成临时坝体挡水断面,高程达到51.1m(设计20年一遇度汛高程),6月26日临时坝体挡水断面高程达到57 m(设计100年一遇度汛高程)。2006年3月4日完成坝体填筑,坝体高程达到76.5m设计高程。2007年4月大坝所有分部工程全部完成。实现了当年截流,当年达到100年一遇度汛高程的目标。

(3)采用了无基坑施工技术,简化了施工程序,加快了施工进度,为汛前大坝填筑至拦洪高程创造了条件,使本工程施工期在遭遇2005年7月“天鹰”台风和9月“达维”台风产生的100年一遇洪水得以安全度汛。

2005年9月27日,大坝度汛断面经历了海南省32年来最大的“达维”强台风的袭击,最大入库洪峰流量为11500m3/s(100年一遇为9070m3/s),水位1 h内最高涨幅达7.6m,上游水位达51.04m,大坝安然无恙。

(4)大隆水库大坝建于砂砾石覆盖层上,若按传统筑坝技术,在一个枯水期内,坝体难以在汛前完成度汛断面填筑。

采用传统的有基坑开挖方法,需要对围堰进行防渗处理,开挖截水槽和坝基范围内河床上部松散层和淤泥质透镜体,需要开挖河床覆盖层100万m3以上,并回填相应的土料,计入上下游围堰及堰体防渗和基坑抽排水后,采用无基坑施工技术可以节约投资3000万元以上[1]。

4 结 语

(1)大隆水利枢纽大坝采用无基坑施工新技术的创新和成功实践,是现代筑坝技术的成功突破。该技术不仅可以极大地加快施工速度、缩短工程的施工工期,同时还可以节约大量的工程投资,有较大的社会效益和经济效益,有较大的推广和应用价值。

(2)大隆水利枢纽大坝采用无基坑施工技术,自2004年12月开工到2007年12月全部完工,完成土石方填筑工程量546.43万m3。工程自2006年3月全线达设计高程后至今已安全运行多年,间接地证明无基坑施工技术是安全、可靠和成功的。

(3)由于大隆水库大坝是在河床沙砾石的地基情况下进行的,其加密方法使用的是振冲加密的方法,在与此类型相似的沙性土河床中应可以采用其他的方法进行加密和加固,如:强夯、搅拌等方法,而这些方法需要进行研究和实践,已完善无基坑施工方法。

(4)大隆水利枢纽工程2006年10月被水利部授予“全国水利系统文明建设工地”;2008年4月被水利部授予“2008年全国生产建设项目水土保持示范工程”;2008年9月被中国水利工程协会授予“中国水利优质工程(大禹)奖”;2009年10月获得国家优质工程奖——鲁班奖。

[1] 陈松滨,陈共建.无基坑水下筑坝技术的探讨和实践[J].人民珠江,2008(3):31-34.