水利工程中面板堆石坝坝体填筑施工技术分析

刘振路 李 臻

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530028）

0 引言

在水利工程中，面板堆石坝由于能够通过就地取材减少废弃材料，可以节省水泥、钢筋等大量消耗性材料，降低施工成本，并缩短施工工期，因此应用广泛。而实际进行面板堆石坝施工，想要保证施工质量，还要做好坝体填筑施工。加强水利工程中面板堆石坝坝体填筑施工技术研究，把握施工关键工序和技术要点，能够得到结构稳固的坝体，为水利工程的可持续发展提供保障。

1 水利工程中面板堆石坝结构及施工特点

在面板堆石坝中，坝体为主要构件。如图1所示，依靠堆石填料颗粒间的相互咬合与衔接产生骨架作用，在保证坝体结构稳固的同时，为面板提供支撑力。在坝体填筑材料不能做到碾压密实的情况下，使填筑体变形模量减小，整体压缩变形增加。发生较大的沉降变形，将导致面板和止水结构失效，结构整体功能被破坏，出现大量的渗水问题，使大坝运行面临安全威胁。坝体带有稳固性和自由排水的功效，不会出现剪切破坏等常见失效现象，出现损坏时以面板开裂、止水结构失效等为主，暂未发生整体失稳事件[1]。堆石坝对地质、地形等条件适用性强，建设在坚硬岩基或砂砾层上可以获得较强的抗滑性，采用的堆石为非冲蚀材料，推流稳定性较好，且整个堆石体干燥，抗震性良好。堆石坝施工可以保持各工序独立，减少相互干扰，满足机械化施工作业要求，可以提高施工效率。在未浇筑面板的情况下，坝体已经可以挡水或过水，能够为施工导流等操作提供便利，保障堆石坝施工安全，因此在水利工程中应用广泛。

图1 面板堆石坝结构

2 水利工程中面板堆石坝坝体填筑施工关键

2.1 施工准备

在面板堆石坝坝体填筑施工前，首先需要做好准备工作，通过有序组织和科学管理为坝体填筑质量提供保障。坝体使用的材料以堆石填筑材料为主，多为不具黏结力的级配碎石，依靠碾压力获得密实度与变形模量。石料松散，经过碾压后才能保证微粒紧密结合，避免产生过大压缩变形。遵循就地、就近取材原则，需要找到合格料源，合理安排开采工作。从结构功能上来看，填料划分为堆石体、垫层、过渡3种类型，用于垫层施工的材料通常为砂石加工材料，其他材料通常由石料场爆破获取。按照材料级配开展爆破试验，然后通过规范作业加强料源质量控制，并根据储量安排施工进度，这样才能保证施工顺利地开展。其次，需要保证不同的坝料顺利上坝，做好交通组织工作，保证填筑作业的连续性。通过现场勘查掌握场地情况，根据工程量需求、上坝强度等要素修建临时施工道路[2]。由于不同填筑区的施工进度和强度存在差异，一般需要分区、分期将道路布置在压实合格的坝段坡面上，呈“之”字形，纵坡不超10%，禁止通过趾板和垫层区，必要时加铺临时加厚路基。

2.2 填料作业

在分区进行填料摊铺时，需要按照“先粗后细”的原则作业，先摊铺主堆石区的过渡层、垫石层等粗粒径料，将界面料清理干净后增加细料。

针对上、下游的主次堆石区料，通过进占法摊铺，利用自卸车卸料，使堆与堆保持60 mm间隙。利用推土机平仓，使粗石料滚落底层，面层保留细石料，能够为后续碾压操作提供方便。在料场进行石料粗细搭配，运输到作业面卸料时应用白石灰线标识分界线，提醒人员按界线卸料，用机械摊铺均匀。

摊铺过渡层粒料，需要将上游坡面超30 cm块石清理干净。按照要求，过渡层粒料最大直径为30 cm，超出这一要求的石料需要在料场处理，分解成小粒径石料。通过自卸车将石料堆至工作面时，需要采用后退法，先从两边卸料，然后向中间靠近，为流水作业提供方便。在利用机械设备推平时，由人员辅助作业，确保铺层厚度达到要求，误差不超层厚10%，且接缝位置超标石料被清除干净[3]。发现主堆石料侵占过渡层位置，利用反铲方式清理干净。

在摊铺垫层料时，应将上游坡面超8 cm石料清除，摊铺黄砂和级配碎石料拌制的粒径不超8 cm的填料。在卸料时同样采用后退法，需要辅助人员对填料进行整平，确保上游边线超宽在20 cm～30 cm。在堆石区填筑一层时，垫层和过渡层均需要填筑二层，用激光仪等设备加强层厚测量，发现超欠问题立即人工整平，保证与堆石区同步填筑，如图2所示。

图2 不同摊铺方法比较

2.3 坝体碾压

在坝体碾压阶段，考虑到不同区域的填料不同，结构受力也存在差异，需要分区碾压，通过开展碾压试验获得碾压遍数、洒水量以及碾压速度等参数的最优值。做好坝料洒水工作，能够保证填料湿润，在强力震动下降低缝隙率，提高结构密实度。

在主、次堆石料碾压期间，通常采用进退错距方式。在分区、分段作业期间，依靠振动碾子宽和碾压遍数加强错距控制。如在碾子宽达到2 m时，碾压8次的错距通常达到25 cm。沿着坝轴线进行碾压，速度通常为1.5 km/h～2 km/h，各段搭接至少1 m。区分碾压层次，严格落实平起平升要求，避免出现漏碾欠碾问题。靠近山坡位置分布较多大块石，需用粒径小石料进行过渡填筑，碾压时应尽量靠近岸坡[4]。针对大碾压设备无法达到的接触带等区域，利用手扶式设备碾压。碾压期间应加强压力控制，避免混凝土结构损坏，一般压力值见表1。

表1 混凝土加压应力标准

在过渡层和垫层碾压时，通常采用自行式或拖式振动碾压方式，沿着坝轴线来回碾压，碾距与上游边缘距离不超40 cm。按规定洒水后，可以开始碾压，确保与同层堆石区一同碾压。在碾压过程中，应确保碾距离与挤压边墙内侧保持在约20 cm的距离。采用压实干密度检测等方法，能够确定压实度质量是否达标。

2.4 测量控制

在坝体填筑施工期间，需要加强各层测量控制。按要求对各区界限进行测量，利用吊竹桩加强垫层上部边线控制，在两岸岩坡上做好各层高程及桩点桩号标记。对各界限进行放样测量，应该确保主、次石碓区交界线和下游边界线完成2～3层放样，加强沉降量预估。综合分析沉降后高程、外形等参数，将设计高当成是最终沉降高，可以设定沉降安全值，通常为坝高的0.5%～1.0%。

3 水利工程中面板堆石坝坝体填筑施工技术实践应用

3.1 工程概况

某水利枢纽工程需要建造拦河坝，发挥防洪、灌溉、发电等作用，建成后总库容为22.5 亿m³，蓄水位高程为1820 m。工程采用混凝土面板堆石坝，长为795 m，顶部宽为12 m，上、下游坝坡分别为1∶1.7和1∶1.89，坝高最大为165 m。坝体采用砂砾石基础，厚度为93 m，坝体填筑施工难度较大。

3.2 分区规划

结合坝体填筑施工要求，填筑方量约2500 万m³，经现场勘查后分别在上、下游设置料场获取天然砂砾石料供应主堆石区，储量达到2520 万m³。次堆石区和其他区域料源来自上游爆破料场，储量大于3000 万m³，能够满足施工要求。结合填筑分区情况，铺盖区采用泄水构筑物出口挖掘低液限粉土，自然压实不需要碾压。压重区采用开挖弃渣，填筑方法同覆盖区。垫层区划分为一般区和特殊区，前者粒径不超过60 mm，30%～45%为粒径不超过5 mm的填料，另外，8%粒径不超过0.075%，渗透密系数为10-3cm/s～10-4cm/s，相对密度至少为0.9，为砂砾石料场筛分筛分料，向下游延伸20 m。特殊区为粒径不超过20 mm筛分料，相对密度至少为0.9，碾压层厚0.2 m。过渡区为粒径≤15 cm的砂砾料，同样通过筛分得到，保证级配连续。主堆石料从天然砂砾料场获得，上坝填筑，相对密度至少为0.9。次堆石料为爆破开采料或开挖利用料，粒径≤60 mm，粒径≤0.075%的石料含量＜5%，孔隙率≤19%。此外，需要从爆破料场获得排水料，粒径≤5 mm的石料≤15%，0.1 mm以下含量≤5%。

3.3 填料开采运输

在工程截流后，上游汛期易产淤砂，下游因河水网状分布水位较浅，但是汛期将迅速发生涨幅。结合填料供应需求，汛前优先进行上游料场开采，确保下游先锋槽成型后紧随其后开采。砂砾料场在采用1.6 m³液压反铲进行原料开采的同时，需要配置振动筛、给料机等多种设备，通过筛分获得不同级配碎石料。按照不同的粒径进行成品料堆存后，利用20 m³自卸车运输。

在爆破料场采运石料，岩石边坡倾角为1∶0.5，决定采用深孔台阶爆破法逐级采挖，台阶高为13 m～15 m。配合采用大孔距预裂爆破方式进行边坡处理，需要预先按照坝料级配要求开展爆破试验。结合分区、分期填筑需求，需要准备5台液压反铲和45台自卸车。在上游左岸、下游左岸位置分别布置上坝道路，起点高程分别为1702 m和1690 m，终点高程分别为1715 m和1690 m，路宽均为9 m，采用砂石结构。

3.4 坝体填筑施工

在坝体填筑施工阶段，按照分段分区施工要求，需要通过碾压试验确定各层碾压参数，坝体填筑施工参数见表2，各层均采用激振碾压的方式。

表2 坝体填筑施工参数

坡面通过挤压边墙混凝土施工达到固坡目标，对垫层料进行垂直碾压。从工艺流程来看，先利用挤压机构筑高40 cm半透水边墙，顶宽10 cm，底宽83 cm，达到1∶1的内破比。设计强度为C3～C5，达到1/2后可以填筑内侧垫层料，碾压后重复上述工序，得到临时坝面。集中拌制混凝土，利用搅拌罐车运输至作业面，做到同步施工，在垫层料铺填成型后可以进行碾压施工。

在垫层和过渡层施工期间，需要做好特殊位置处理，如各区交接、坝体与岸坡结合部位等。周边缝以下为特殊垫层，挤压施工质量直接关系到面板受力是否均匀，选用大型机械容易造成边墙接缝位置因过度挤压出现结构脱落问题，采用小型机械将导致单层填筑效率过低。为了避免由于上游边墙移位出现表面混凝土脱落的问题，同时保证施工效率，需要采用机械+人工方式摊铺。具体来讲，就是利用40 t自卸车将料源运输至填筑面，然后反铲摊铺，并安排人员配合进行边角摊铺。在振动碾压期间，配合使用平板夯对靠近变迁0 m～0.2 m的位置进行夯实，时间至少为90 s。针对边墙至下游0.2 m～1.5 m的位置，利用3.5 t振动碾完成自行式碾压。针对垫层到过渡层交接位置1.5 m～1.7m的范围，利用26 t振动碾碾压8遍。

在堆石料填筑施工过程中，针对堆石区和过渡层交接位置，应先填铺主堆石料，铺设过渡层前完成上、下游清理工作，使第二层过渡料与一层堆石料同时碾压，做到平顺过渡。堆石区采用32 t振动碾加快施工速度，在石料上坝后同时采用进占法和后退法，实施综合卸料。配合使用推土机摊铺后，同时采用坝内、外加水方式。考虑到砂砾吸水性不佳，为了避免水分大量蒸发，在洒水后立即碾压。碾压时将振动频率控制在0 Hz～28 Hz，振幅达到1.8 mm，碾宽为2.2 m。针对岸坡位置，利用小振动碾和平板夯加强夯实。

3.5 施工质量管控

采用数字化监控系统实时监控碾压参数，发现参数超限立即报警，提醒人员及时处理，达到提高碾压合格率的目标。对填筑干密度和坝体沉降变形进行实时监测，有效地控制填筑施工质量。采用现场级配相对密度实验法，对垫层、过渡层等各层石料进行取样，能够得到垫层干容重为2.07 g/cm³～2.38 g/cm³，过渡层和主堆石区为2.35 g/cm³～2.42 g/cm³，渗透系数等指标能够达到要求，次堆石区孔隙率为16.1%～18.7%，同样符合要求。从沉降变形监测结果来看，总沉降量最大为621 mm，大部分为坝基沉降，坝体沉降最大约260 mm，占填筑高度的0.17%，沉降量能够达到控制要求。

4 结语

面板堆石坝坝体填筑强度较高，想要使坝体结构稳固、可靠，需要提高填筑施工技术水平。根据以往的施工经验，可知坝体填筑施工应该做好施工准备，做好填料开采、运输等各道衔接工序的基础上，对填料作业、坝体碾压和测量控制等关键工序进行把控。应结合实际情况制定科学施工方案，掌握材料开采、坝体填筑等施工环节的技术要点，控制施工质量。