丰宁抽水蓄能电站大坝填筑新技术应用和质量控制

张 伟,任占杰,王孝岐,关 凯

(1.浙江华东工程咨询有限公司，杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122)

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁满族自治县境内，电站总装机容量3 600 MW，为Ⅰ等工程，主要建筑物为1级，共分两期建设。其上水库利用滦河左岸灰窑子沟沟顶的天然盆地，在灰窑子沟沟口合适位置填筑一面板堆石坝而形成，大坝正常蓄水位1 505.00 m，死水位1 460.00 m，大坝坝顶高程1 510.30 m，最大坝高120.3 m，坝轴线长556.0 m，坝顶宽度10 m，上下游坝坡均为1∶1.4，上游坝坡采用钢筋混凝土面板防渗，面板厚度从0.40 m渐变到0.76 m，面板防渗面积6.7万m2。

根据上水库混凝土面板堆石坝的工作状态，考虑坝体结构需要，对大坝进行合理的分区设计，坝体从上游至下游依次分为：石渣压重区1B、粘土铺盖区1A、垫层区2A、特殊垫层区2B、过渡区3A、上游堆石区3B、下游堆石区3C，下游护坡区。坝体分区详见图1。

图1 丰宁抽水蓄能电站上水库面板堆石坝坝体分区示意图 单位：m

2 堆石坝填筑施工工艺参数优化

堆石坝填筑施工工艺参数优化主要分为两个方面:① 研究爆破参数对开挖料颗粒级配的影响，根据料场岩石力学性能及产状节理发育情况，不断优化调整爆破参数，最终获得满足要求的填筑料源；② 根据工程现场的施工特点以及填筑料源的特性，选择技术可行、经济合理的碾压施工参数[1-2]。

2.1 填筑料爆破试验

本工程的大坝填筑料料场位于上水库进出水口，根据可研阶段地勘资料显示，该处岩体以熔凝灰岩、凝灰熔岩为主，并穿插有多组辉绿岩脉，宽度8～10 m，断层分布密集，节理发育，强风化程度深，同一高程不同部位岩性差异较大，开采难度较大。大坝填筑料主要采用梯段微差挤压爆破方式进行开挖，其爆破质量受岩石结构、裂隙发育、地形特点、布孔方式、装药量、起爆网络、封堵长度等因素影响，同种爆破设计在不同部位，其爆破结果可能存在较大差异。为此，本工程开展了2个阶段7次梯段爆破试验，最终优选出了堆石料、过渡料的爆破参数，详见表1,爆破装药联网示意见图2。

图2 爆破装药联网示意图

表1 爆破参数表

上表爆破参数为推荐值，实际施工过程中技术人员根据爆破区的岩体节理裂隙发育情况以及前次爆破效果对爆破参数做适当调整，以尽可能获得接近于最佳级配的填筑料，一般按以下原则进行调整：① 当细颗粒较多、块石较少时：减小单耗、增大爆破孔间排距；② 当细颗粒较少、块石较多、级配连续性较差时：增大单耗、减小爆破孔间排距。图3为过渡料颗粒级配筛、堆石料颗粒级配筛分曲线。

图3 过渡料颗粒级配筛、堆石料颗粒级配筛分曲线图

2.2 碾压试验

碾压试验目的有3个：① 核实设计填筑压实标准的合理性；② 选定合理的压实机具和施工机械；③ 在确保达到设计压实标准的前提下，选择经济、合理的压实参数，包括铺填方式、碾压方法、碾压遍数、行车速度、加水情况等[3]。本工程开展了不同加水率、碾压机具、铺筑层厚度、碾压遍数、加水量的碾压试验，最终得出了碾压控制参数见表2。本工程开展的碾压试验场次及试验数据较多，限于篇幅本文不在赘述。

表2 大坝填筑施工参数表

3 施工新技术应用

堆石坝填筑质量控制包括坝料的开采、运输、摊铺、碾压和试验检测等方面，借助成熟的科技手段逐步取代传统的质量监控手段，形成精准、高效、实时的全过程质量管控体系，已经成为工程质量管理发展的趋势。本工程将数字化车辆实时监控系统、GPS手持移动终端、数字化大坝碾压监控系统、SWS多道瞬态面波快速检测技术应用于工程建设管理中，取得了较好的效果[4-5]。

3.1 运输车辆实时监控系统的应用

上坝料质量控制主要包括2个方面，首先是料源质量控制，应确保填筑料源能够满足填筑要求；其次是上坝料的运输，应确保填筑料源能够运输到需要填筑的部位。本工程借助车辆在线监控系统开展上坝料质量管理，形成料场、填筑现场、控制中心的实时动态管理，具体如下：

(1) 填筑料取料区严格执行坝料质量鉴定程序，鉴别取料地点料源类别，确保坝料质量满足设计要求。做好坝料装运时的技术交底，应剔除超径石，尽量将块石和细颗粒均匀装运，装运后的填筑料级配将更加均匀连续。

(2) 填筑区管理方面，在坝面配置卸料指挥人员，每层开始填筑之前在坝面上用白灰划出卸料分界线，摆放不同料区标示牌，指示运输车辆卸料地点。

(3) 对取料区、卸料区进行数据采集工作，并规划车辆运输行进路线。借助运输车辆上安装的车载GPS，实现从料场到填筑区的实时监控。当发生卸料点错误时，系统自动给施工管理人员和监理人员发送手机短信报警以及给PC监控终端报警。

(4) 堆石料加水量的控制，以加水均匀、碾压前保证坝料湿润为原则，宜分2次进行，坝料运输过程中在加水站完成70%的加水量；在坝料摊铺完成后，采用洒水车进行仓面洒水。通过对坝料运输车辆在加水站停留时间的监控，实现了堆石料加水量的实时监控。

(5) 将运输车辆实时监控系统与地磅房称量系统连接，对不同卸料区各车次的运输吨数进行统计，实现了不同坝料上坝强度的统计分析。

3.2 填筑铺料精细化管理

填筑料摊铺是填筑碾压前最重要的一道工序，主要包括2个方面：① 控制填筑料的摊铺厚度、平整度是否满足要求；② 是检查填筑料是否存在块石集中、填筑料强度不足、填筑料级配不满足要求的情况。

在坝面填筑作业区设指挥长，借助手持GPS仪在每个填筑单元按照各区的铺料厚度设数个可移动的层厚标志杆，并在岸坡上设置层厚标志线。同时对填筑料的质量进行检查，用液压破碎锤及时将超径石破碎解小，对块石集中、级配不连续的区域翻挖换填，以利于控制铺料厚度和仓面平整度。铺料结束后再用手持GPS仪配合水准仪对填筑区的铺层厚度和平整度进行复测，不满足要求区域做整平处理[4]。

3.3 数字化碾压系统的应用

传统碾压质量主要通过现场旁站监督进行控制，并以试坑取样结果为质量判断标准，具有管理粗放、效率低、精度差、不能实时反馈等缺点，旁站监督人员需要有较高的技术水平、管理水平和较强的责任心。数字化碾压系统是数字化技术与碾压土石坝施工相结合的一个产物，其基本原理是利用GPS系统、振动传感器综合数据库技术对大坝的施工质量进行监控。通过对自动化、高精度、连续实时过程施工记录分析，实现碾压施工的全过程质量管控，有效保障了坝体填筑施工的质量和进度。

(1) 系统组成及原理

丰宁抽水蓄能电站数字化大坝智能监控系统主要由GPS基准站、GPS移动终端、监控中心、监控终端等部分组成。

GPS基准站：作为整个数字化大坝监控系统的位置测量基准站，为整个系统提供基准的位置信息，是整套系统位置信息测算的核心组成部分。

GPS移动终端：是智能碾压监控系统的“监控”终端，通过将GPS设备安装在碾压设备上，监测碾压设备的位置坐标信息和时间信息，实现对碾压面碾压厚度、碾压遍数的监控作用，并将采集到的信息以数据的形式发送至监控中心。

监控中心：是碾压监控系统数据接收以及数据输出的数据处理中心。主要功能是接收GPS移动终端以及其他配套传感器测量信息，对其进行分析计算，汇总后得到相应的施工过程中间结果和最终结果报告信息，实现了对施工质量的实时监控，并作为判断施工质量合格与否的标准。

监控终端：主要为方便参建各方实时查看大坝碾压施工情况，为各方下一步的决策提供依据，也为参建各方之间的沟通提供了及时、对等的信息基础，为过程管控提供了便利。

(2) 系统特点

丰宁抽水蓄能电站数字化碾压系统具有智能化程度高、灵活性好、机动性强、稳定性好的特点，具体特点如下：

系统调试正常后，即可实现自动对碾压设备的实时速度、轨迹、碾压区域、厚度等情况进行连续、实时地监控，基本不需要人工操作。

系统可根据现场填筑情况确定仓面面积及形状，从而实现一层多个分区同时施工以及不同层、不同区同时施工等多种工况。仓面信息采集可以在碾压施工前进行采集，也可在碾压施工后进行采集，都不影响对碾压过程的监控功能。

碾压设备工作时，监控中心的终端监控软件与GPS移动终端处碾压机械操作手皆可看到实时的碾压情况，便于管理人员直接与操作手进行沟通，就碾压施工情况及时作出调整和部署。

对于在施工过程中出现的断电等突发情况，系统配套的UPS设备避免了因断电等产生的系统中断；当网络信号不佳影响数据传输时，系统启用数据离线储存，当网络信号恢复正常后自动上传离线数据，避免数据丢失或监控中断的情况发生。对于其他多种突发情况，皆有相对应的应对措施，系统整体运行稳定性好。

3.4 快速检测的应用

堆石坝填筑现场试验检测项目有渗透系数、级配筛分、密实度、孔隙率等。除渗透系数试验，现场多采用单环注水试验，耗时较短外，其余检测项目均耗时较长。最长用的是干密度检测，现场多采用灌水(砂)法，该方法具有检测周期长、耗费人力大的特点，石料含水率较高时，还需进行室内烘干试验来确定干密度。此外，堆石体结构是由大小不一、级配连续的块石经振动压实而成，密实度具有一定离散性，现场取样仅能反映出每层堆石体局部的压实情况，无法从结构连续性上反映其整体密实程度。因此研究提出能够反映堆石体结构密实程度的快捷检测与评价方法，及时准确得出堆石体压实干密度具有十分重要的意义。

丰宁抽水蓄能电站上水库大坝填筑方量较大、施工强度高，单层最大填筑面积达到5万m2，如按要求全部铺填碾压完成并采用试坑法试验后再判定能否进行下一层填筑施工，势必造成较大的资源浪费，一定程度上影响工程的正常进展。本工程采用SWS多道瞬态面波法检测，建立无损检测参数与上坝料物理力学参数关系，进而提出堆石料快速检测技术，在大坝堆石体密度检测上进行了应用，取得了较好的效果[5]。

(1) 基本原理

面波是指在介质表面传播的波，这个“表面”的厚度大约为面波的半个波长，该范围内集中了全部能量的70%以上。研究发现，瞬态面波的频散特性及其在介质中的传播速度与堆石材料的物理性质密切相关，不同密度的堆石材料，会产生不同的频散特征。

堆石材料为散粒状，不同粒径的含量不尽相同，再加之碾压过程中存在一定的不均性，使得堆石介质在空间上存在差异，这种差异将引起密度的变化。采用人为激振法，如重锤敲击、轻型炸药等在堆石体表面激发产生振动脉冲，同时在距离激振点一定的距离(100～200 cm)处布置检波器进行面波信号采集，可以在堆石体干密度(ρd)和面波传输速度(VR)之间建立一定的对应关系。

(2) 面波法快速检测的应用

偏移距为激振点距离第1个检波器的距离，采用100～200 cm，具体大小需结合现场检测波形数据而定；12个检波器依次增加排开，间距固定为10 cm。检测时使用重锤敲击激振点的承压板，采集12道波形数据。

用波形分析软件对频散特征波形数据进行处理，剔除表面直达波后可得到获取不同测点处的面波速度加权平均值，并在面波检测面处进行挖坑取样，测得密度值后与实测面波波速进行拟合确定二者之间的关系公式，拟合方法采用线性、幂函数拟合，通过拟合关系直接计算出检测区域的干密度值，具体线性、幂函数拟合结果见图4。本工程共采集了46组数据，拟和后得出了线性、幂函数2种对应关系，2种拟合方式检测最大误差分别为3.4%、3.8%。

图4 线性、幂函数拟合结果图

测试波速线性关系：

ρd=0.001539VR+1.956

(1)

其基本物理意义为系统测试最小干密度1.956 g/cm3，随测试波速的增加，干密度呈线性增加规律。

测试波速幂函数关系：

ρd=-32050VR-2.751+2.205

(2)

其基本物理义为系统测试最大干密度2.205 g/cm3，随测试波速的减小，干密度呈幂函数形式减小的规律。

(3) 快速检测应用程序

对现场碾压区域进行分区块划分，在每个区块整平、碾压完成后，采用此技术进行干密度检测，若测试合格则检测结果可作为下一层上升的依据，若检测不合格则等待灌水(砂)干密度取样结果。在一定程度上保证了施工连续性，有效避免了资源浪费，合理加快了施工进度。

3.5 坝面固坡工艺

根据面板堆石坝的结构特点，在混凝土面板浇筑前垫层料位于坝体上游的最外侧，为防止雨水对上游垫层料造成冲刷，并确保坝体在施工期具备一定的挡水功能，通常采取固坡措施。目前常用的工艺技术有斜坡碾压砂浆固坡、挤压边墙固坡和翻模固坡[6-7]。

(1) 斜坡碾压固坡技术

施工原理及方法：大坝上游坡面垫层料铺筑随上游堆石区填筑的升高而同步进行，在每一层垫层料铺筑时，需要向上游超宽填筑15～30 cm左右，当填筑高度达到3～5 m时，再由人工配合机械进行削坡。削坡一般采用激光导向反铲修正，并辅以人工清理，然后随坝体继续往上填筑，待斜坡面长度达到15～25 m高度时，利用布置于坝顶的卷扬机牵引满足一定重量要求的斜坡振动碾进行压实。一般先静碾2遍后再振动碾压4遍。振动碾压时上行振动，下行静碾，当碾压达到设计要求后再采用水泥砂浆或阳离子乳化沥青等材料进行喷涂固坡。以上施工顺序随大坝坝体的上升不断重复进行。

优点：施工坡面的平整度好，固坡砂浆(或沥青)厚度小而且均匀，能够较好的适应坝体变形，混凝土面板受力条件较好，不易使其产生裂缝、脱空等破坏。

缺点：垫层料需要超填，修坡时再清除，浪费大量垫层料；修坡、斜坡碾压工程量大，填筑时对下部施工干扰大；人工修坡工作条件差，不安全；斜坡面精度难以控制，与设计位置偏差大，面板混凝土超填量大；未及时完成固坡的垫层料易受雨水冲刷破坏，且坝体不能挡水度汛。

(2) 挤压边墙固坡技术

施工原理及方法：在填筑一层垫层料前，采用挤压边墙机沿上游挤压制作形成一道半透水的混凝土墙，挡墙上游坡面与设计坝坡重合，挡墙高度与每一层垫层料的填筑厚度一致，然后1～3 h后待混凝土墙达到一定强度后铺填垫层料、过渡料，用振动碾碾压密实。如此循环，与坝体同步上升。

优点：施工速度快，施工干扰小，大坝随时具备挡水条件，垫层料无超填修坡工序，节省工程材料。

缺点：施工控制精度低，挡墙刚度过大，不能很好的适应坝体变形，容易与垫层料脱空，对面板防裂不利。

(3) 翻模固坡技术

翻模固坡技术最早由中国水利水电第一工程局有限公司提出，在双沟水电站应用，后在蒲石河抽水蓄能电站、湖北江坪河水电站等工程中得到了推广，工艺应用方面也逐渐改进和优化，该技术巧妙的集合了斜坡碾压和挤压边墙两种工艺的优点，得到行业内的广泛认可[8-9]。

施工原理及方法：在大坝上游坡面支立带楔板的模板，在模板内填筑垫层料，振动碾初碾后拔出楔板，在模板与垫层料之间形成一定厚度的间隙，向此间隙内灌注砂浆，再进行终碾。由于模板的约束作用，使垫层料及其上游坡面防护层砂浆达到密实并且表面平整。模板随垫层料的填筑而翻升，从而使在坡面上进行的斜坡垫层料碾压和固坡砂浆改为水平施工，简化了施工工序，实现了上游固坡与坝体填筑同步上升。

优点：兼有斜坡碾压、挤压边墙的优点，坡面平整度好，固坡砂浆厚度小而均匀，能够很好的适应坝体变形，与垫层料之间不脱空，有利于面板混凝土防裂；填筑体型容易控制，面板混凝土超填量小；不占直线工期，施工速度快，施工干扰小；大坝随时具备挡水度汛条件，防洪度汛措施简化；模板的拉筋外露部分可以兼做面板钢筋的架立筋，节省了另打锚筋的费用。

缺点：模板一次性投入较多，翻模固坡施工所需的劳动力较多；现场组织协调要求高，前后工序需衔接紧凑，否则容易对大坝填筑造成一定的影响；受工艺特点影响，每次上下层连接部位垫层料不易密实，容易造成固坡砂浆脱空。

(4) 斜坡碾压与翻模固坡技术应用情况

本工程在建设初期填筑高程1 438.80 m以下采用斜坡碾压砂浆固坡技术，主要考虑到大坝为百米级高坝，沉降变形较大，为确保面板有较好的受力条件，否定了挤压边墙工艺。后期随着坝体填筑的不断升高，上游面时常有超填垫层料滚落至河床、斜坡段趾板，严重影响趾板的固结、帷幕灌浆施工。且上游面削坡、碾压、砂浆固坡时间较长，对坝体正常填筑造成较大影响。进入汛期后，受降雨影响，垫层料坡面冲刷严重。综合以上考虑，当坝体填筑至1 438.80 m高程时，改用了翻模固坡施工工艺。

4 质量控制措施及应用情况

堆石坝填筑质量检查验收应贯穿坝料的开采、运输、摊铺、碾压和试验检测的全过程。通过在工程中的不断摸索总结，并不断完善，形成了1套符合本工程特点的质量检查验收体系[10-11]。

(1) 堆石料开采运输

料场表面无用料剥离完成后，监理组织参建四方进行有用料鉴定，爆破填筑料进行筛分试验，合格后签发料源合格证，准许装车上坝填筑。装车时要剔除夹层、超径石等杂物，并遵循粗细均匀、足量加水、定点卸放的原则。

(2) 填筑料摊铺

采用手持GPS仪配合水准仪对填筑区的铺层厚度和平整度进行复测，不满足要求区域做整平处理；对块石集中、填筑料强度不足、填筑料级配不连续的部位进行翻挖换填。

(3) 碾压质量控制

填筑料铺填检查合格后，用手持移动终端在待碾区建立数字化大坝碾压仓，碾压轨迹标识、碾压设备检查完毕后，签署准碾证。

碾压质量控制采用现场旁站监督和数字化大坝相结合的方式，并以碾压速度、碾压厚度、碾压遍数合格率作为单元合格的判定依据。除此之外，还应加强过程监督，发现超径石、块石集中、填筑料级配不连续等质量通病需立即处理，处理完毕后方可打印碾压合格报告。对岸坡结合部位、特殊小区垫层料等数字化大坝监控无法覆盖的区域，通过现场旁站监督进行控制。数字化碾压、快速检测质量控制流程见图5。

图5 数字化碾压、快速检测质量控制流程图

(4) 上升控制标准

采用数字化大坝、面波法快速检测与现场灌水(砂)法检测相结合的方式，数字化大坝监控碾压合格(碾压遍数合格率达到95%以上)后立即进行快速检测，若检测结果合格即可开始下一层填筑料铺筑，并预留取样区域继续进行灌水(砂)法试验取样工作。若现场灌水(砂)法试验取样合格，则签署填筑质量合格证书，若灌水(砂)法试验结果不合格则将已经填筑的石料挖除后对该层重新进行补碾。

面波法试验取样频次为：上、下游堆石区按1∶3原则进行(即1次灌水法试验对应3次快速检测方法应用)；过渡区、垫层区按照1∶2原则进行。

通过以数字化大坝监控结果及快速检测结果作为判断坝体先行上升填筑的依据，提高了填筑施工效率，加快了施工速度，且从应用情况来看，数字化大坝监控结果及快速检测结果与灌水(砂)法试验结果具有较高程度的一致性，并未出现挖除补碾的情况。

(5) 翻模固坡质量控制及试验检测

翻模固坡受施工工艺特点限制，振动碾只能在距离模板15 cm处进行碾压，上游侧垫层料密实性主要取决于斜拉杆的横向拉力和模板的侧向约束作用。常见的质量问题有：表面破损、脱空、平整度差、密实度差。主要采取了以下措施：

① 开展工艺性试验，优化砂浆稠度，确定施工工艺参数，工艺试验的研究发现，将砂浆稠度控制在28～30 mm时固坡砂浆成型效果最好，碾压工艺参数为20 t振动碾，静碾2遍+振碾6遍(灌注砂浆前)+振碾2遍(灌注砂浆后的终碾)。

② 严控模板牢固性：加强模板维修保养检查，检查拉条数量以及蝴蝶卡扣安装的规范性，确保模板加固整体牢固。

③ 优化垫层料摊铺施工工艺，模板下侧采用人工填喂细料及插倒的方式进行填筑，避免模板下侧粗骨料集中，形成局部小空腔。

④ 坚持一模两测原则，模板翻升前测量放样，确立设计结构线；模板翻升加固后测量校验，并安排专人对偏差超出允许范围的点组织纠偏整改。

⑤ 采用斜坡试坑垂直向取样的方法测定垫层料的干密度。

翻模固坡工艺应用初期，由于作业工人不熟练，各项工序耗时较长，对坝体正常填筑造成一定影响，平整度差、砂浆脱空、法向偏差、表面破损等质量问题较多。随着工艺应用的熟练，施工效率和质量有了很大提升，最快时达到了2天3层，翻模固坡施工质量综合检查合格率由原来的85.2%提高至91.6%整个工程结束，共完成翻模固坡砂浆175层，质量状况良好。

5 总结和建议

丰宁抽水蓄能电站上水库面板堆石坝工程2015年5月1日开始填筑，2017年10月20日填筑到顶，共填筑坝料448.83万m3，施工期31个月。该坝填筑过程中在质量管控、新技术应用等方面开展大量研究工作，取得了以下成果：

(1) 通过多阶段的现场爆破试验和碾压试验，取得了技术可行、经济合理的爆破施工参数和碾压施工参数。

(2) 将数字化车辆实时监控系统、GPS手持移动终端、数字化大坝碾压监控系统应用于坝料开采、运输、铺填、碾压过程中，形成了一套精准、高效、实时的全过程质量管控体系。

(3) 采用SWS多道瞬态面波法检测，建立了无损检测参数与上坝料物理力学参数的对应关系，提出了堆石料快速检测技术，并在大坝堆石体密度检测上进行了应用，节约了前后工序间的待检时间，推进了工程进度。

(4) 将翻模固坡技术成功应用于坝体上游垫层填筑施工，在保证工程建设安全、质量的情况下，推进了大坝各施工项目的工程进度。

同时我们还应该看到建设过程中的不足之处，主要有以下几个方面：

(1) 翻模固坡工艺施工目前主要靠人力，各工序的机械化、自动化程度不高，在施工效率和精度控制方面还有较大的提升空间。

(2) 大坝碾压质量控制还主要依赖于操作手的技术水平，将数字化碾压监控系统的实时反馈结果与振动碾自动化控制相结合，实现振动碾自动化控制将是今后数字化大坝施工技术发展的重要方向。而随着物联网、智能技术、云计算与大数据等新一代信息技术的发展，数字化大坝施工技术也将逐渐向可感知、可分析、可控制的智慧大坝方向发展[12]。

(3) 目前工程领域中关于快速检测的方法较多，除本文中采用的面波法外，还有核子密度仪法、射线法、附加质量法等，不同快速检测手段的适用对象和使用要点都不尽相同，相关规范也未在快速检测取代常规试验方面给出指导性意见，快速检测的可靠性和适用性还需做进一步的研究。与此同时，现场试验的一些辅助试验工具应加大推广和研制，一些工程中使用的移动试验检测车，集合了大型微波干燥机、高精度流量计水箱、控制机柜及工作台等，在一定程度上提高了试验检测的效率。

相信随着管理水平的不断提高和大量新技术的应用，我国的面板堆石坝填筑施工质量会进一步提高，并进一步推动我国向质量强国迈进。