去学水电站沥青混凝土心墙堆石坝施工关键技术研究

娄彩红

(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，611730)

1 工程概况

去学水电站位于四川省甘孜藏族自治州得荣县境内的硕曲河干流上，电站装机容量246MW。大坝为沥青混凝土心墙堆石坝，坝高164.20m，坝顶高程2334.20m，坝基高程2170.00m；坝顶长219.85m，坝顶宽15.00m。沥青混凝土心墙高132.00m，为中央直墙形式，顶高程2333.00m，底高程2201.00m；顶宽0.60m，底宽3.00m。坝址区属深切割的高山峡谷地形，断面呈不对称的“V”字形。左岸为近直立峻坡陡崖，在高差约300m范围内总体岸坡平均坡度在65°以上；右岸坝轴线附近及其下游侧为陡缓相间的折线形变坡，上部为高达300m的峻坡陡崖[1]。

去学水电站沥青混凝土心墙坝是目前世界上最高的沥青混凝土心墙堆石坝，坝高超150m，无适用施工规范，坝体变形协调问题突出，防渗质量要求高，施工进度要求高，心墙与基座接缝施工技术难度高，开展深切河谷200m级特高沥青混凝土心墙堆石坝施工技术研究具有重要的工程实际意义和推广应用价值。

2 深切河谷特高沥青混凝土心墙堆石坝变形协调与控制

2.1 沥青混凝土心墙堆石坝变形协调分析

采用FLAC3D的M-C模型，基于沥青三轴试验获得的大坝不同分区内坝料的物理力学参数，进行二维和三维数值模拟计算分析[2]，研究了不同压实密度条件下各填筑料对坝体应力变形的影响，并对干密度变化对碾压质量的影响进行了敏感性分析，确定了不同区域的坝料碾压质量控制指标与工艺参数。

计算结果分析显示，坝体最大竖向位移分布于距坝顶1/2～1/3坝高处的心墙位置，分布特征符合堆石坝竖向沉降峰值分布规律，坝体和坝基整体应力水平及位移量不大，无剪切破坏区，坝体结构稳定。二维模型和三维模型下竣工期的最大竖向位移分别为1.03m、1.25m，分别占最大坝高的0.78%、0.95%，沉降值较小，满足设计沉降要求，同时说明施工中填筑料干密度控制指标是合理的。干密度敏感性分析表明，随着填筑料干密度的提高，坝体竖向最大位移、顺流向最大位移、最大轴向位移均不断降低，线性关系良好。

2.2 大坝高硬岩填筑料重型压实技术

基于系统碾压试验成果统计分析，通过量化加水湿化高硬岩填筑料，并辅以33t重型碾压设备进行压实，同时采用碾压质量数字监测系统进行实时控制，实现了超高沥青混凝土心墙坝高硬岩填筑料的快速、高质量碾压成型。

根据现场填筑需要，结合设计技术指标要求，开展了洞挖料、河床料、心墙Ⅰ、Ⅱ区过渡料、堆石Ⅰ、Ⅱ区填筑料、碾压增模Ⅰ、Ⅱ区填筑料和反滤料等，在不同铺筑厚度、不同振动碾下的不加水和加水(5%、10%)试验，主要达到检验设计填筑标准的合理性，确定坝体各区料铺料厚度、碾压遍数和配套使用的施工机械，确定坝体填筑所需各种物料的施工参数[3]，指导坝体填筑施工。

大坝堆石料比重2.93g/cm3～2.99g/cm3，岩石饱和抗压强度128MPa，软化系数0.88；过渡料I区最大粒径不大于60mm，碾压12遍时，渗透系数检测结果为1.2×10-2cm/s～1.8×10-2cm/s；过渡料II区最大粒径不大于150mm，碾压10遍时，渗透系数检测结果为1.3×10-2cm/s～2.3×10-2cm/s；反滤料最大粒径不大于60mm，碾压10遍时，渗透系数为4.9×10-2cm/s～6.3×10-2cm/s；坝基过渡料最大粒径不大于150mm，碾压10遍时，渗透系数1.8×10-1cm/s，几种坝料的相关指标均满足设计要求。

3 沥青混凝土心墙与岸坡混凝土基座接缝施工技术

3.1 Z型止水铜片及其快速加工装置

研究采用了一种“Z”型铜止水及其快速加工装置，应用于岸坡混凝土基座和沥青混凝土心墙的接缝施工，提高了大变形条件下防渗结构的变形适应能力。

Z型止水铜片采用退火紫铜片，由上锚固区、下锚固区及连接二者的自由延展区组成。施工时将上锚固区锚固在沥青混凝土内，下锚固区锚固于水泥混凝土内，自由延展区设置在沥青混凝土与水泥混凝土之间，见图1。该止水铜片弯角较多、自由伸展度更大、能够更好地适应结构变形，其抗变形能力比其他类型的止水铜片更强，更适应高坝的变形和沉降，有利于结构的防渗和抗震，从而避免岸坡混凝土基座与沥青混凝土心墙接缝部位形成绕渗。

Z型止水铜片快速加工装置包括底部支座、竖向支架、上层模具、下层模具、液压臂、油泵和限位器，见图2。竖向支架固定在底部支座上，竖向支架包括上梁、立柱和下梁；下层模具安装在竖向支架的下梁上；上层模具顶部安装液压臂，液压臂上端与竖向支架的上梁连接，液压臂通过油管与油泵相连；立柱上设置限位器；液压臂采用单液压臂形式。该快速加工装置结构简单紧凑、安全可靠，操作简单、方便，投资较少，能有效地加快Z型止水铜片加工速度，成型质量好，并且可以一次性加工多片，提高了生产效率，降低了人力成本。

图1 Z型铜止水施工示意

图2 Z型铜止水快速加工装置

3.2 SBS沥青玛蹄脂预制块岸坡接头技术

对沥青玛蹄脂涂刷接缝施工工艺进行了改进，研究采用岸坡接头沥青玛蹄脂薄层涂刷和接头沥青混凝土立模铺筑、人工夯实的技术，解决了陡峻岸坡接头沥青混凝土表面返油、振动轮陷轮问题。SBS沥青玛蹄脂预制块岸坡接头技术，施工方便，且接头质量好，提高了岸坡与心墙的接合质量。

SBS沥青玛蹄脂预制块可在施工现场外进行预制施工，配合比为：沥青∶填料∶人工砂=20%∶35%∶45%。沥青中添加SBS材料，添加量为沥青质量的4%。预制块尺寸为：长、宽300mm，厚度为20mm/30mm。

施工时先在水泥混凝土岸坡基座表面涂抹冷底子油，待冷底子油中的汽油挥发完全后，再将预制好的SBS沥青玛蹄脂预制块铺贴在岸坡基座上，然后再进行沥青混凝土心墙的施工，见图3。

图3 SBS沥青玛蹄脂预制块岸坡接头结构

3.3 沥青玛蹄脂涂刷接缝施工工艺改进

对沥青玛蹄脂涂刷接缝施工工艺进行了改进，研究采用岸坡接头沥青玛蹄脂薄层涂刷和接头沥青混凝土立模铺筑、人工夯实的技术，解决了陡峻岸坡接头沥青混凝土表面返油、振动轮陷轮问题。

去学水电站大坝左岸水泥混凝土基座边坡陡峻(1∶0.33)，坡脚位置振动碾碾压不到。通过一系列接头性能试验，提出了沥青玛蹄脂涂刷接缝改进工艺，即：两岸岸坡接头50cm范围内，采取立模后人工夯实的施工方法，外侧模板坡比不陡于1∶3，以保证心墙与基座的结合质量，确保接头与心墙的可靠连接，见图4。

图4 岸坡接头立模浇筑示意

4 沥青混凝土心墙高质、高效施工技术

4.1 沥青混凝土心墙施工质量控制指标和方法

开展了沥青混合料材料性能、配合比、现场摊铺以及室内静三轴等系列试验[4]，确定了沥青混合料最佳油石比，即：心墙沥青混合料油石比取6.8%，靠近岸坡处油石比提高至7%。现场施工时沥青混凝土出机口温度控制在150℃～170℃，初碾温度控制在140℃～160℃，铺料厚度为28cm，碾压遍数为静2+振8+静2。沥青混凝土心墙现场施工质量控制采用防渗参数为主、模量数为辅的方式。

4.2 沥青混合料的连续供料保障

设计采用了一种沥青混合料快速自动保温储存的装置，提高了沥青混合料生产的连续性，保障了连续生产沥青混合料的自动保温储存。沥青混合料快速自动保温储存装置见图5。

图5 沥青混合料快速自动保温储存装置

该装置包括底部基础、支架系统和提升系统，支架系统固定在底部基础上。沥青混合料由保温储存罐和保温吊罐储存保温，由提升系统输送，能够快速保温、储存沥青混合料，而且可以自动卸料，提高了沥青混合料供应的连续性，保证了沥青混合料的入仓温度。从而加快了沥青混凝土心墙的施工进度，保证了工程的施工质量。

4.3 沥青混凝土心墙与过渡料的轮式双料摊铺

对沥青混凝土心墙、过渡料双料摊铺机进行了改进，研发了大功率轮式驱动双料摊铺机，见图6，解决了双料摊铺机平衡度不好的问题，同时增加了驱动力，提高了摊铺效率和质量。

轮式驱动设备采用三角形平衡梁，使得摊铺机能够更好地保持稳定；前后轮同时驱动，前轮补压过渡料，后轮增加驱动力，解决打滑问题的同时提高了摊铺机的动力和载重力。摊铺时速可控制在0.5m/min～8m/min，退场准备可达2m/min～20m/min。铺料速度更快，均匀度更好。

图6 双料摊铺机轮式驱动设备

4.4 沥青混凝土心墙层间不加热工艺

开展了加热方式和温度对心墙结合面性能影响规律的对比分析[5]，提出了常温条件下层间不加热的施工工艺。

主要通过不同温度和加载速率斜剪试验、结合面的加热方式、结合面温度不同工况的性能试验，研究不同温度和加载速率、不同工况对沥青混凝土材料性能的影响规律，进一步验证快速施工的可行性。结果表明：不同加热方式、不同加热温度对沥青混凝土心墙结合面的性能无明显影响。因此，沥青混凝土心墙施工过程中可取消层间加热环节，以提高心墙的施工效率。

4.5 沥青混凝土心墙施工温度控制

开展了施工现场降温历时统计分析，确定了不同季节环境条件下沥青混合料出机口控制温度，保证了最佳温度碾压，缩短了工作面等待降温时间。

根据监测结果统计分析，沥青混合料生产时出机口温度控制：冬季宜在155℃，夏季宜在150℃，以此来有效地减少等待时长，甚至无需等待，刚好达到最佳碾压温度直接碾压。

5 沥青混凝土心墙堆石坝施工数字化监控技术

构建并实施了去学水电站沥青混凝土心墙堆石坝填筑碾压施工质量监控系统，实现了碾压机械运行轨迹和振动状态的实时动态监测以及大坝各区各层堆石料压实厚度和压实后高程的动态测量，形成了现场填筑碾压过程“在线监控-及时反馈-指导施工”三位一体的施工质量管理控制体系。

去学水电站大坝首次采用阵列式位移计进行变形监测，提高了大坝沉降、位移监测的准确性和精度。阵列式位移计具有3D测量、精度高、可重复利用、自动实时采集等特点，可自由弯曲，可竖直、水平安装，分辨率为0.005°(每节)，输出系统全剖面绝对误差为±1.5mm/32m，使用温度范围为-20℃至60℃，防水能力为100m水头。

6 工程应用情况

研究成果在去学水电站沥青混凝土心墙堆石坝工程得以成功应用，加快了施工进度，保证了施工质量，节约了施工成本，大坝填筑施工强度突破40万m3/月，沥青混凝土心墙施工实现单日铺筑3层、月上升最大高度达13.2m，较投标工期提前3个多月完工，取得了良好的经济和社会效益。大坝于2017年2月12日开始蓄水，2017年7月30日投产发电。

根据中国水利水电科学研究院2020年3月出具的竣工安全鉴定报告，去学水电站大坝总沉降量为857.05mm，坝高与沉降比仅为1∶0.0052，大坝变形、应力较小，填筑施工质量较好；渗流量值为48.2L/s，防渗体系施工质量良好。

7 结语

随着水工沥青混凝土防渗技术的发展，沥青混凝土心墙堆石坝在水电站拦河坝工程中的应用更趋广泛。目前沥青混凝土心墙高坝的建坝经验还不够完善，作为世界上最高的沥青混凝土心墙堆石坝，去学水电站大坝的顺利完建可为其他同条件下的水电开发提供技术借鉴，并对同类型水电站大坝工程施工具有重要指导意义。