300米级高土石坝施工关键技术综述

李 法 海, 韩 兴, 薛 凯

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

300米级高土石坝施工关键技术综述

李 法 海, 韩 兴, 薛 凯

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

长河坝水电站大坝已于2016年9月10日填筑到顶。整个施工过程中积极研发新工艺，取得了丰硕的成果。在提高施工质量、加快施工进度，降低工程投资等方面积累经验。填筑各项试验检测指标及频次均满足设计要求，工程建设过程中未发生一般及以上施工质量事故，大坝填筑全过程处于受控状态，得到质量专家好评，大坝填筑作业面多次被业主评为“优秀工作面”、“质量示范区”。长河坝水电站大坝是目前国内在建的300m级超高心墙土石坝，施工集超高心墙坝、深厚覆盖层、高地震烈度、狭窄河谷四大难度于一体，且工期短、强度高，施工难度极具挑战性。

砾石土心墙坝；施工；关键施工技术；新工艺

1 工程概况

长河坝水电站位于大渡河干流上游，是大渡河水电规划“三库22级”的第10级电站。工程枢纽建筑物由砾石土直心墙堆石坝、左岸引水发电系统和右岸泄洪洞系统组成。水库总库容10.75亿m3，有效库容4.15亿m3。电站总装机容量2 600MW。

长河坝砾石土心墙坝具有两高一大一深一窄的特点：

“两高”即大坝高240m，加底部60m～70m、局部79.3m的覆盖层坝高远超300m；

地震烈度高，大坝地处8级地震地区，抗震设防等级为9度；

“一大”即填筑规模大，大坝填筑总量3 417万m3；

“一深”即深覆盖层，坝基修建在60m～70m厚的覆盖层之上，是目前国内外建在深厚覆盖层上的最高土石坝；

“一窄”即陡窄河谷，河谷系数为2.77，两岸岸坡陡峻，最大坡度75°，岸坡对大坝形成约束效应；河谷狭窄，洪水陡涨陡落，对围堰及大坝蓄水安全形成不利影响。

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砾石土心墙堆石坝。大坝具有超高心墙堆石坝、河床深厚覆盖层(53.8m)、高地震烈度(9°)、狭窄河谷等显著特点，设计指标及施工质量标准较高，施工难度极具挑战性。

此外，施工过程中工程还面临如下难点：

(1)工期紧、强度高。施工过程中，受“4·20”芦山地震等多种因素的影响，心墙于2014年7月22日才开始填筑，较合同时间滞后3个月。根据设计文件《长河坝2014年度防洪度汛要求》，2014年度汛目标：2014年5月底，坝体填筑至1 536m高程。大坝度汛填筑施工期是大坝整个填筑工期中高峰时段，坝体填筑总量约800万m3，心墙需上升总高度79m，填筑时间仅10个月，且需要经历3个月雨期和一个春节的影响，有效施工时间短。持续高强度施工对设备配置、设备维修、组织与管理都具有挑战性。

(2)砾土料场分布不均，开采与制备难度大。土料天然含水率在1.7%～19.3%之间，平均为9.8%，P5含量变化范围7%～90%，平均为49.1%，<0.075mm含量变化范围8%～64%，平均为30.4%，<0.005mm变化范围1.6%～26.3%，平均10.3%，料场超径(>150mm)平均含量约5.6%，超径含量高。土料各项检测指标变化大、空间分布均一性差，料场天然土料级配指标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制备工序，土料开采制备难度大，施工质量控制环节多。

(3)反滤料技术要求高，传统参配方式难以满足要求。本工程设计填筑4种反滤料，设计指标与要求各异，按传统的“平铺立采”工艺，不仅需要额外占用大面积掺配场地，不利于施工总平面布置，而且传统掺配存在掺配效率低、掺配比例控制精度低等缺点，掺配质量不易保障。

2 关键施工技术与新工艺

结合长河坝水电站大坝工程实际特点和施工难点进行了大量现场试验、理论分析与实践应用研究，并注重新技术和新工艺的研发，分别开展了高堆石坝筑坝料制备工艺、施工分区与快速流水施工规划、施工质量控制与试验检测、数字信息化管理等关键技术的系统研究，以提升超高堆石坝施工技术能力。

2.1 砾石土料制备工艺

为确保土料上坝填筑质量，通过工艺比选及试验，选择广泛用于矿山及骨料生产系统的棒条式振动给料机经调整筛条长度、间距作为超径(>150mm)剔除设备，并根据工程强度要求配套建设了5套钢筋混凝土结构的筛分楼。筛分楼设有箱型结构的受料斗、筛分设备安装层以及满足装载机出料的出料层，该筛分系统筛余料中有用料平均比例(废品率)仅为0.2%，透筛率高。土料超径筛分系统单台产能可达670t/h。系统运行可靠，工艺流程可行，设备运行工况稳定。

对于粗细料，以P5作为控制指标进行掺配，以提高土料利用率。针对对天然不均匀分布的粗细料掺配，掺配比是动态变化的，采用平铺立采掺拌工艺，摊铺铺料前对粗、细料料源质量检测，按照H细=(H粗×P粗×ρ粗-H粗×ρ粗×P5)/(P5×ρ细-P细×ρ细)计算公式，计算获得粗、细料铺料厚度后分层摊铺，摊铺完成后采用液压正铲进行立采掺配，检测合格后上坝填筑。

针对高含水的土料则采用分层翻晒工艺进行含水量调整。

土料场专门设置料场质量管控组，配置专职质检、试验人员，及时对土料性能指标进行监督、检验，确保合格土料上坝运输。

2.2 反滤料精确掺配工艺

工程依托人工骨料系统，通过进行反滤料掺配工艺试验、基本技术参数采集、自动化控制系统编程等确定了反滤料精确掺配生产工艺，工艺原理为：砂、小石、中石、大石在胶带运输机上依次下料平铺，根据反滤料设计级配对各粒径骨料掺配含量确定下料流量，通过首先调整电动弧门开口大小的方式控制下料流量范围，再由中控室远程控制变频器振动给料机精确控制，由经料机下的皮带秤在线反馈流量，通过工艺性试验现场采集参数进行自动化数据编程，从而实现反滤料的自动化掺配。与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、占地面积小等的优势。

2.3 混装炸药爆破开采与过渡料机械加工工艺

石料场开采规模大、应用混装炸药爆破技术具有完全耦合装药，炮孔利用率高、有利于级配控制、装药效率高等优点。长河坝大坝堆石料及过渡料总填筑量近2 300万m3，其中约40%采用混装炸药爆破。通过大量的爆破试验获得了满足坝料级配要求的可靠参数、防渗漏措施等。两种爆破对比分析：堆石超径率降低0.5%，过渡料半成品利用率提高约8%-10%，装药效率达240kg/min，提高约40%，可节约劳动力约50%。

料场岩石以花岗岩、闪长岩为主，强度较高，饱和抗压强度一般为95-131MPa，工程前期进行了大量的爆破试验，都不能满足设计级配指标要求。为满足工程填筑需求，施工中针对硬岩条件下过渡料生产工艺开展了大量的研究，分别采用掺配骨料法、精细爆破施工直采法及机械破碎加工工艺完成了过渡料的生产。过渡料机械破碎加工技术是通过对合理单耗的爆破原料再进行二级破碎，粗碎控制最大粒径、中碎调整级配的过渡料制备工艺。较爆破直采法产出的过渡料级配更稳定。并可有效解决硬岩、偏硬岩条件下过渡料爆破直采难度大、利用率等问题。长河坝工程料场岩石强度高，通过应用过渡料机械破碎加工技术对料场爆破的堆石料进行二级破碎加工，经过颚式破碎机粗碎后，可有效控制最大粒径，50%的破碎料再经圆锥式破碎机中碎后经胶带机混合获得了质量稳定的过渡料。

2.4 坝料填筑分区快速流水施工规划

为加强大坝填筑质量管理，减少重车在心墙区行驶对填筑面的影响，保证该工程大坝填筑快速流水作业，对大坝填筑进行了分区分块规划：

心墙按铺料、精平、碾压、检测分4个单元，上下游各两个单元，单元分缝上下游不贯通，错距约0.2L(L为作业面坝轴线的铺料总长度)，上游两单元以上游进料，下游两单元以下游进料，避免形成上下游贯通薄弱带；大坝上下游堆石料根据填筑面积选择按坝桩号平行坝轴线分为铺料、碾压、检测3区，以保证连续作业。

填筑铺料采用推土机进行摊铺作业，堆石、过渡及反滤料一次平整到位，并通过在料头设置标杆、测量布设控制网等实现摊铺层厚的过程控制。为确保心墙土料摊铺平整度提高碾压质量，砾石土心墙料摊铺采用推土机粗平，平地机精平工艺，心墙砾石土料采用26t自行式凸块振动碾压实，堆石料采用33t自行式振动平碾压实。

通过对大坝填筑分区及快速流水作业施工规划，大大提高了填筑施工强度，创造了电站大坝高峰施工强度134.8万m3/月，连续21个月平均填筑强度超过100万m3，心墙月平均上升7.9m，高峰期上升12m/月的施工记录。填筑工期较合同工期提前约4个月。

2.5 砾石土心墙坝雨季施工技术

砾石土心墙坝雨季施工容易引起心墙土料的含水率变化。针对砾石土心墙雨季施工，长河坝工程实践总结了“横向留坡、表面压光”的有效排水措施，其中在心墙横向长度大于一定值时采用“龟背形”双向放坡，横向长度小于一定值时，采取横向单侧放坡方式。利用Accuweather智能手机天气预测软件，准确了解周、天、小时的天气情况，指导施工组织。并总结了雨季提前备料、心墙填筑分区段流水作业、雨后排水、清表、检测、刨毛复工的成套施工技术，有效确保了心墙填筑质量，提高了雨季心墙施工强度。

2.6LNG环保汽车的应用

液化天然气被公认是现在地球上最干净的燃料。为减小长河坝工程长隧道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，保障了能源供给，避免 “柴油荒”对施工运输作业进度的影响；本工程引进数十辆LNG自卸汽车作为下游江咀堆石料料场的运输车辆，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。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。

2.7 坝料自动加水系统的研制

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。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。系统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重量，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。

2.8 重车过心墙运输技术

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50cm砾石土垫层。减压板采用型钢与钢板加工，长348.8cm、宽400cm，厚19.8cm，单节重3.55t。减压板间采用了“箱型连接键+限位环”的连接结构，拆装方便，车辆荷载分部均匀。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。

2.9 土石坝土-砂分界面双料摊铺工艺

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。本工程研制了一种新型的“双料摊铺器”，该摊铺器采用型钢及钢板焊接而成，长4m、宽3m，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。

该技术目前已成功在长河坝水电站大坝、苏丹上阿特巴拉水利枢纽工程中得到广泛应用，其摊铺速度可达4～5m/min。形成的《高土石坝土-砂分界面双料摊铺施工工法》已获国家住房和城乡建设部颁发的2013～2014年度国家级工法(GJJGF303-2014)。

2.10 结合面泥浆喷涂工艺

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3～5mm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。

盖板泥浆机械喷涂工艺是土石坝接触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。检测机械喷涂厚度分布3.7～4.0mm，平均厚度3.87mm，离散系数仅为0.01。统计机械喷涂作业效率可达1m2/min，较人工涂刷工艺的提高2倍以上。

2.11 数字化碾压实时监控系统的应用

GPS数字化监控系统主要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。系统可实现对料源上坝运输过程、坝料加水量、填筑碾压及施工质量采集与反馈等功能。

大坝填筑碾压过程实时监控系统通过在碾压机上安装高精度实时定位及激振力监测设备，对碾压过程中碾压轨迹、碾压遍数、碾压速度、激振力状态、碾压厚度等参数进行全天候实时监控。并通过在运输车辆都安装车载GPS，实时发送车辆状态的信息，实现料场至坝面的全过程监控。

数字化碾压监控系统在长河坝工程中得到了全过程应用，累计安装振动碾监控设备25台套。应用过程中对系统及碾压作业方式进行了多项优化改进，如：增加振动碾仓面信息显示功能、调整制定了程序化的现场仓面规划与搭接碾压方式、建设施工区域全覆盖的无线局域网解决断网时系统信息传输监控功能等，有力提高了系统的应用与现场施工的协调性。统计心墙砾石土料碾压合格率平均值达98.03%，其他料种碾压合格率平均值达96.26%。

2.12 超大型击实仪的研制

《水电水利工程土工试验规程》中规定：轻型击实试验只适用于粒径不大于5mm粘性细粒土，重型击实试验适用于粒径不超过20mm的粘性粗粒土，且砾质土的大型击实仪直径应为砾质土中最大砾石粒径的5倍以上。长河坝砾石土心墙料最大粒径150mm，必须进行缩尺,通过对缩尺料进行击实试验，获取最大干密度拟合曲线。为核实缩尺后击实效果对压实度的影响程度，消除缩尺对试验结果造成偏差，水电五局公司自行设计了具有自主知识产权的，直径800mm超大型土工击实仪。该击实仪是目前国内最大的土工击实仪。其主要技术指标为：击实筒内径800mm,桶高800mm；击锤质量228kg。该击实仪利用垂直气缸实现对击锤顶升，通过卡位计使击锤形成自由落体对土体进行击实。采取用水平气缸对击实筒进行推动，实现过程均匀旋转。

该超大型击实仪已在长河坝工程得到实践应用，已完成了P5=20%～P5=60% 范围的系列击实试验，形成了与普通大型击实试验的击实试验成果，见图1。

图1 长河坝超大击实仪击实成果

2.13 砾石土料快速检测技术

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的快速检测方法。该方法检测原理为：首先利用试坑注水法测得试坑体积，称量试坑土全料质量。然后将土样经5mm筛湿筛后，将留筛土样用水洗干净并用湿毛巾擦去表面水分称量可得大于5mm砾石饱和面干质量，再利用酒精燃烧法快速检测试坑小于5mm的细料含水率。利用以往系列试验成果统计得出的平均值作为大于5mm砾石饱和面干吸水率及视比重。从而计算得出试坑全料和细料的各项指标。与常规的检测方法相比检测结果相比偏差之小于0.2%。该方法2h内可出结果，与常规的方法相比缩短6h以上，有利于大幅加快施工节奏。

另外，研发制造配置有大型微波干燥机、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20min内完成土料含水率的快速测定；通过联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。

2.14 振动碾无人驾驶作业技术

振动碾无人驾驶技术经过2年多的不断研究改进已取得突破性研究成果。该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组成。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。

国内首批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：

质量控制：避免漏压、欠压、超压，确保一次碾压合格率(均值约97.1%)；

施工效率：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%；

安全风险：可降低人为影响和夜间施工安全风险；

劳动保护：可有效减少振动环境下对人体损伤，减少人力资源的浪费。

2.15 信息管理系统的开发与应用

良好的项目管理有助于促进和保证工程履约水平。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，长河坝工程自主建成综合性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。并研究开发建立一套适应快度施工节奏的以移动平板及PC端为终端的施工信息管理系统。该系统可实时查看包含技术规范、图纸与往来文件的文档管理系统；包含地磅称重数据实时反算填筑方量的进度曲线与测量收方统计图的施工进度管理系统；包括试验检测数据统计及反映数据波动曲线、填筑厚度与质量验收评定的质量管理系统；包括油料消耗与设备数量统计的材料物资管理系统；包括交通超速抓拍与防洪、危岩体监控的安全管理系统；包括施工日志、现场照片、测量、试验等基础数据录入的移动平板办公管理系统等。完全实现质量、安全、进度、物资、文档及计量的动态智能管理，大幅度缩短管理路径，提高管理效率。

系统可实现远程的访问与控制功能，可为管理后方及建设管理单位提供接口，直接解除信息传输瓶颈，敞开生产信息交流渠道，及时跟踪项目进度、合理调配资源，提高生产和管理效率具有积极意义。

3 结 语

长河坝水电站大坝已于2016年9月10日填筑到顶。整个施工过程中积极研发新工艺，取得了丰硕的成果。在提高施工质量、加快施工进度，降低工程投资等方面积累经验。填筑各项试验检测指标及频次均满足设计要求，工程建设过程中未发生一般及以上施工质量事故，大坝填筑全过程处于受控状态，得到质量专家好评，大坝填筑作业面多次被业主评为“优秀工作面”、“质量示范区”。 长河坝水电站大坝是目前国内在建的300m级超高心墙土石坝，施工集超高心墙坝、深厚覆盖层、高地震烈度、狭窄河谷四大难度于一体，且工期短、强度高，施工难度极具挑战性。

创新是企业发展的动力和源泉。通过技术创新，长河坝水电站大坝运用振动碾无人驾驶精确碾压技术、反滤料精确掺配技术、土料动态制备技术、分界面双料摊铺技术、结合面泥浆喷涂技术、快速检测等关键施工技术与新工艺，有力提高了填筑施工工艺水平与施工能力，保证了施工质量，值得推广。

[1] 吴高见.高土石坝施工关键技术研究.

(责任编辑：卓政昌)

2016-12-09

TV641.1;TV

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1001-2184(2017)01-0124-05

李法海(1975-)，男，重庆开县人，高级工程师，施工局局长兼公司总经理助理，从事水电工程施工技术与管理工作；

韩 兴(1986-)，男，河北保定人，工程师，施工局副总工程师，从事水电工程施工技术与管理工作；

薛 凯(1974-)，男，四川平武人，高级工程师，施工局副局长兼总工，从事水电工程施工技术与管理工作.