超高含水率黏土在斐济维尼撒乌勒乌水电站心墙堆石坝中的应用

丁 龙

(中国水利水电第十工程局有限公司国际公司，四川 成都 610072)

1 概 述

维尼撒乌勒乌水电站大坝加高项目(WWRP)位于斐济主岛维提岛正中部，东经178°，南纬17.8°，地处斐济海拔最高的区域。该工程是对原枢纽结构加高以增加其最大库容，增长年发电时间以及对下游水库补水，是继南德瑞瓦图项目后电建集团在斐济实施的第二个项目。工程主要由黏土心墙堆石坝、混凝土溢流堰、上坝公路等组成。该项目为FIDIC红皮书条款下的国际性竞标项目，合同模式为单价承包合同。业主为斐济国家电力局(FEA),设计方及监理方为美华新西兰公司(MWH)。

该项目地处干湿气流交汇区，日均气温32 ℃，年均降雨4 800 mm。项目所在区域基本上全年有雨，无明显旱季，月降雨量变化不明显，月晴天数少于7 d。特殊的气候条件要求施工团队在进行心墙填筑施工时一定要充分利用天气变化和资源的灵活调动；同时，该地区土壤为超高含水率黏性土，取料场土料源的平均含水率高达74%，其承载力差，不适宜中大型机械作业，故将这种超高含水率的黏土作为心墙的填筑料并成功施工是该项目具有的特点与难点。对超高含水率黏土在斐济维尼撒乌勒乌水电站心墙堆石坝中的应用情况进行了介绍。

2 料源选择

2.1 心墙的设计要求

(1)心墙填土材料的粒度分布应完全位于级配限制表中的规定线之间，级配限制情况见表1；

表1 心墙填土材料级配限制表 /%

(2)少量有机质、细石占填料体积的比例小于5%且分布均匀；

(3)黏土料压实后应确保其达到30 kPa的最小不排水抗剪强度；

(4)填筑料含水率的允许范围由工程师根据压实试验结果确定。压实应确保所铺设的每一层干密度为标准压实试验(NZS4402:1986第4.1节)中确定的相同材料在相同含水量下的干密度的98%；

(5)渗透系数不大于1×10-6cm/s；

(6)水溶盐含量不大于3%。

2.2 心墙土料场的选择

预选土料场为风化的多水高岭土为主的残积黏土料，连续分布且厚度适合机械开采，储量丰富，但其含水率过高。对土料场取样并进行检测的物理力学性能指标见表2。

表2 土料物理力学性能指标

除土料天然含水率远高于规范要求的最优含水率和塑性指数较高外，其他各项性能指标均符合规范对土料的质量要求。鉴于有采用类似黏土材料填筑土坝的先例，且现场附近30 km以内无含水率合适的黏土料源，经地质专家分析认为：可选用该超高含水率的黏土作为心墙填筑料。但施工前须经过严格的试验论证以确定其填筑强度、厚度、施工机械等参数及各项力学性能。

地形分析和采样试验确定了两处黏土取料场，位于右岸坝肩旁的土坡及左岸运输道路旁的土坡。这两处山坡面积大、坡度缓、靠近坝区、无山遮挡、临近上坝道路，能够满足易装载、易运输等条件；但料场排水快，大暴雨仅能湿润其表层黏土，下部黏土依然保持合适的含水率，可提供稳定的心墙填筑料。

3 填筑前的碾压试验

3.1 碾压设备的选择

正式填筑施工前，根据已选定的施工机械明细表和料源情况初步确定各种试验参数[1]并进行填筑适应性试验。

一般采用震动凸块碾碾压土料。但对使用凸块碾碾压超高含水的黏土是否可行存在疑问。经查阅斐济蒙加拉水电站土石坝的黏土斜墙填筑资料发现其实施过程中有采用推土机碾压黏土的先例[2]。而前期临建施工中采用宽履带推土机进行堆土和压实土层的过程中未深陷松散黏土中，其V型履带板可有效切碎黏土，行走碾压过程中不与黏土发生黏结，行走振动又给予黏土以振动压实。考虑到该项目黏土的高含水，最终选定振动凸块碾和SD16湿地推土机进行土料碾压对比试验。

3.2 振动凸块碾碾压试验

在晴天于料场清理出一块原状黏土平台进行轮胎式凸块碾碾压试验。采用反铲挖掘机取料、摊铺，16 t凸块碾碾压，全站仪测量填筑厚度。试验发现：由于黏土含水率太高，黏土成块黏附在凸块碾间隙，凸块碾变为光面碾失去了凸块的作用，且凸块碾轮胎沾上高含水的黏土后打滑而无法有效行进。反复试验失败后，技术人员分析认为：传统凸块碾作为该项目黏土心墙碾压机械在该特殊条件下不可行。

3.3 SD16推土机碾压试验

在料场清理了一块原状黏土平台进行SD16推土机摊铺、碾压试验。试验料源的黏土含水率高，因而试验需要准确地确定各种试验参数以获得最好的压实度、稳定性及防渗效果。

(1)试验准备。在料场挖出一块10 m×8 m的平坦场地，基础为原状黏土，采用反挖摊铺，测量校核找平，将高差控制在10 cm以内；试验土料取自右岸料场(主料场)；试验设备有平口反铲、推土机、全站仪、十字剪等。

(2)试验内容。①通过不同的摊铺厚度、碾压遍数测量其抗剪强度，比较抗剪强度数据，选取符合要求的数值；②抗剪强度：根据设计要求，黏土填筑料碾压试验抗剪强度[3]达到30 kPa即可。进行试验后，对于超过30 kPa的数值选取较大值；③干密度：根据不同的摊铺厚度、碾压遍数，采用灌砂法测出对应的干密度，每层摊铺厚度、碾压遍数、抗剪强度确定后，选取对应的干密度数值。

在侧断面观察碾压后的土料均匀、密实，十字剪测得其抗剪强度大于30 kPa，V型履带推土机进行高含水率土料碾压试验数据符合设计要求。最终选择了满足要求和利于施工的一组数据作为心墙施工的技术参数，当填筑厚度为15 cm、碾压遍数为6遍时，填筑料获得最好的密实完整性和最大的抗剪强度。

4 黏土心墙的施工

该项目的心墙施工开始于2013年4月。最初的施工方法由填筑试验及围堰施工经验演变而来，针对不同高程、不同部位的心墙进行因地制宜的施工。

4.1 取料场开采方案

在料场清除其表层的有机质和腐殖土后对土料取样进行检测(如土样颗粒粒径、含水量、塑限等)直至出现符合要求的黏土[4]。对料场靠山坡高侧挖截水沟，采用无齿反挖后退法将料场表面清理干净。根据土料的层状分布以及高程情况确定取土厚度，考虑合并两种开采方案。方案一：采用反铲垂直式取料，使层与层之间土料混合，保持土料的均匀性。反挖直接取料混合后装车运输。方案二：晴天过后，由推土机在水平斜坡面上顺坡开采，将开挖料推运到装运区域装车。该方案提高了集料的效率，保证了填筑需求量，能提供高质量、均匀、合适含水率的填筑料。最终决定：优先选用方案一，随着斜坡高度的增加以及填筑强度的增高，合并方案二开采。

4.2 存料及运输卸料方案

(1)存料方案：对于施工初期开采的黏土，适宜遮盖后堆存。但因该项目区域夜晚常被水汽笼罩，空气湿度太高，堆存料吸收空气中的水汽而使其含水率大增，土料性能变差，导致堆存土料方案不可行。最终考虑采用现挖现用、提前集料的方案，不考虑土料堆存。

(2)运输卸料方案：心墙料采用15 t自卸汽车运输上坝压实，但因土料强度低，无法承受重车压载，为防止已压实的填土遭受过压破坏和污染过渡层，采用钢框架和木板组合的垫板铺设在过渡层和心墙面上，卡车倒退开行卸料。自卸车上坝前保持车轮清洁，卸料前将过渡料表面用铁皮遮盖，由专人指挥卸料。

4.3 心墙压实的施工

卸料和铺料以进占法为主，辅以后退法和综合法；采用进退错距法的一站式施工方式；心墙填筑高程比堆石区低50 cm或以上；施工执行分段分区、流水作业。

(1)摊铺：填筑料运至现场后，采用推土机和无齿反铲进行摊铺，摊铺厚度应符合试验要求的既定厚度，摊铺时沿坝轴线方向保持3%～5%的坡度。采用全站仪测量放线后，在填筑边界设填筑厚度标尺杆，在标尺杆之间拉线控制摊铺厚度，将其严格控制为15 cm一层。

(2)碾压：采用SD16L湿地推土机碾压心墙填筑料。推土沿心墙轴线方向进行，连续两次推运料时尽量避免V型履带对心墙料的重复碾压，避免高含水心墙料碾压次数过多导致的膨胀破坏；推土机行走履带板碾压搭接宽度约为20 cm，必须保证心墙填筑层面的搭接并避免形成断裂，推土机履带板的V型齿使松散的黏土呈齿型槽陷进下层已碾压的土层中，使新旧填筑层间形成了较好的结合(必须避免层间分隔)。当填筑厚度为15 cm时，推土机碾压过后的厚度约为7.5 cm。推土机行走碾压过程中，在已压土料与松散料之间形成了高差，当履带板错距碾压一遍后开始进行第二遍碾压，碾压采用前进后退法，每次前进后退中错开压实，并保证每一层黏土碾压6遍。在后几遍的碾压过程中，由于推土机两块履带板之间有间隔，加上推土机的重量，V型履带板碾压区域与旁边已碾压的区域会出现轻微的颤动和挤压膨胀，对此，应在后退时注意碾压膨胀区域使土层回归平整。

(3)与接触结构部位的碾压及处理。

①对于与混凝土及过渡料接触部位的碾压：采用蛙式振动夯沿心墙轴线方向振动碾压2遍即可满足压实要求，碾压后采用十字剪检测压实抗剪强度。

②对于与细过滤料接触部位的碾压：采用30 cm高的木板将黏土与过滤料分隔，预先填筑一定厚度的过滤料做支撑，推土机缓行碾压，碾压密实后移除木板，回填过滤料并用平板振动夯做压实处理，确保心墙边界与过滤料紧密结合。

4.4 心墙的遮盖与排水

区域强降雨导致已压实的心墙表面形成冲刷沟。填筑前需清理心墙表层10～20 cm的污染料。鉴于降雨频繁导致清理工作量大，应考虑对整个心墙进行大篷布遮盖用于防雨。

(1)遮盖：碾压完毕或降雨来临前及时对心墙进行遮盖。施工前预备篷布，篷布应密闭、防水，篷布之间的搭接须保证向上游面排水、不渗漏到心墙，篷布破坏后应及时更换。

(2)排水：心墙填筑后不能被雨水或地表水浸泡[5]，心墙填筑纵向断面沿坝轴线方向保持3%～5%的坡度，横向断面呈微向上游倾斜，同时在上游过渡料与心墙接触位置预留缺口排水，该缺口略低于心墙高程，局部设集水坑、布置水泵辅助排水。

4.5 心墙填筑的进度、质量与SHE控制

(1)进度控制。设置专人进行水文和气象资料的收集和预报，将工作细分到面到点到人，实行长链、细链的网络，使各处的施工进度从预计到实施误差极小，以确保多雨环境下的突击填筑。

(2)质量控制。心墙填筑采用英国(BS)和新西兰(NZ)土石坝规范进行质量控制，主要为料源质量控制、现场填筑控制与填筑后控制。一定要重视料源黏土的含水和塑性程度，以源头控制、过程控制为主，在每仓填筑前，均需先确定预开采的料场的料源质量是否符合相关技术要求。

在心墙施工过程中，技术人员对质量进行了全程监督、指导和控制。现场填筑材料严格按照澳新标准要求每仓填筑前现场填写黏土心墙填筑许可证，许可证内容包含：①基本信息；②填筑准备检查记录；③填筑工程量；④咨询工程师意见及签字。

对每一层碾压完成的土料进行十字剪抗剪强度检查。当局部不合格时，应进行周边多数据检查并测算平均值，辅以挖坑观察填土结构是否良好，采用环刀法对压实层进行取样试验，通过试验成果验证设计参数的取值并了解填土状态。

(3)SHE管理控制。建立切合斐济实际情况的安全、健康、环境管理体系；重视劳工的生活、福利、管理的控制；依据斐济环境法规从计划报批到规划实施进行施工现场和开采料场的环境管理，达到环境和施工的良好结合。

5 结 语

斐济维尼撒乌勒乌水电站大坝加高项目于2012年1月开工，2014年11月提前竣工。施工期及后续一年的心墙堆石坝变形监测及渗流监测结果证明：心墙防渗达到设计防渗要求，防渗效果良好，心墙堆石坝稳定安全。

采用自然含水量高达74%的黏土在每月仅有5～6 d晴天的极端天气下施工大坝心墙，现场控制从以往项目的一般压实度、含水率的控制转变为现场测定抗剪强度的控制，体现了对特殊项目特殊材料施工的变通，证明了直接运用超高含水率的黏土在极端气候环境下施工心墙是可行、经济、值得被广泛采用和推广的，为类似环境和条件下施工类似的工程提供了依据和借鉴。