復合過水圍堰高效填筑技術

張 睿,李子昌,曹豐澤,聶宇辛,杜立兵,林 鵬,3,楊社亞,潘新波,婁威立

(1.中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 三門峽 472001; 2.清華四川能源互聯網研究院,四川 成都 610213;3.清華大學水利水電工程系,北京 100084)

過水圍堰是水利水電工程導流建筑物中常見的圍堰形式。與不能過水的擋水圍堰相比,由于其在汛期可通過堰體宣泄部分洪水,相應可減小導流泄水建筑物和擋水圍堰的設計規模,進而減少工程材料、縮短施工時長、節省建設費用,受到越來越多的關注。

目前,過水圍堰施工技術主要包括快速入倉技術、碾壓填筑技術、振搗技術、帷幕灌漿防滲、控制性灌漿防滲等,材料主要集中在土石結構圍堰、混凝土結構圍堰及膠凝砂礫石(cemented sand and gravel,CSG)結構圍堰[1-7]。國內外學者對這些技術和材料開展了一系列研究并取得了豐碩的成果。例如：羅長青等[8]以國內目前最高(堰高57m)的大華橋水電站的上游CSG圍堰為例,對施工中的端退法卸料、平層通倉、連續鋪筑法、抽槽加漿法、一次性連續上升澆筑等工藝進行了研究,拓寬了全斷面CSG過水圍堰的實際應用領域;鄒藝等[9]詳細介紹了大華橋水電站CSG過水圍堰中骨料拌制、模板安裝、常態CSG區域及變態CSG區域鋪設振搗、層間處理與倉面保濕等施工技術及工程實際施工質量與運行情況,該圍堰連續經歷了兩年(期)洪水(最大洪峰流量3560m3/s)過流沖擊仍正常安全運行;高東[10]以老撾南歐江一級水電站CSG碾壓混凝土縱向圍堰工程為例,介紹了工程中的CSG混凝土材料配合比試驗及生產性試驗,以及該過水圍堰施工中的自卸汽車直接入倉、模板施工、先無振后有振碾壓、平層插孔灌漿法等施工工藝;周恩利[11]以洋溪水利樞紐二期的土石過水圍堰為例,針對工期緊張、預算不高等工程難點,介紹了項目中采用的石渣料填筑、設計自潰式子堰等一系列簡單易行的可行優化措施;董正宇等[12]針對CSG過水圍堰-隧洞導流方案進行了多目標優化,根據工程工期、應力等要求建立多目標決策模型,該模型考慮了施工方的能力限制,有利于設計方綜合考量施工方能力后得出較優方案;張瀟[13]詳細介紹了CSG技術、新型貧膠硬填料圍堰技術、橡膠壩與土石圍堰組合圍堰技術、堆石混凝土圍堰技術,并對分期導流措施和明渠導流措施進行了系統對比;宋虹兵等[14]結合大石峽水利樞紐工程區當地地質情況及度汛要求,經多方比選,設計了長50m、高6m的混凝土過水圍堰加配鋼筋作為導流洞進口過水圍堰,基礎覆蓋層采用控制性灌漿,加固防滲效果明顯;何俊杉等[15]針對昌波水電站的土石過水圍堰設計方案中出現的堰腳沖刷嚴重問題,通過防沖模擬,確定設立水平防沖平臺加設挑角方案的消能方案,提高了圍堰的過水安全性,可為此類深厚覆蓋層條件下施工的過水圍堰防沖提供參考。

綜上可知,針對過水圍堰材料、施工方法與設計準則等方面的研究成果較為豐碩,傳統的過水圍堰設計和施工技術已經相對成熟[16-17]。然而,隨著更多位于復雜地質水文條件下的基礎設施工程的開工建設,過水圍堰施工技術優化亟待進一步深入研究。本文針對非洲朱利葉斯·尼雷爾(Julius Nyerere)水電站(以下簡稱“尼雷爾水電站”)面臨的窄深河床堰底覆蓋層較厚、基巖滲透系數大、基巖穩定性差及上游洪峰來水預報時間短等不良地質水文條件,根據窄深河道的地形特點和復合圍堰的結構分區特點,開展圍堰填筑施工技術的創新與運用,以期實現過水圍堰的安全高效建設。

1 工程概況

1.1 工程簡介

尼雷爾水電站位于坦桑尼亞聯合共和國東南部魯富吉(Rufiji)河下游的Stiegler峽谷河段,主要用于發電、防洪、灌溉等,電站總裝機容量2115MW,為Ⅰ等大(1)型水電站,主要由攔河壩、右岸1～4號副壩、右岸引水隧洞,以及地面廠房、400KV開關站、交通橋和永久運營村等樞紐建筑物組成。圍堰建設區地處河谷為基本對稱的U形,兩岸自然坡度為20°～40°,無寬闊臺地。圍堰建設區位置見圖1。

圖1 圍堰建設區位置

1.2 上游圍堰建設要求

Stiegler峽谷地區每年11月至次年5月為雨季,6—10月為旱季。根據工程實際情況,只有在汛期初期進行截流才能保證整體工期進度,否則只能等到汛期之后再進行施工。過水圍堰作為前期工程的重要節點,其施工進度將直接關系到工程的整體進度。大壩于2020年11月15日截流成功,據歷史水文氣象資料推測,魯富吉河會在當年12月下旬正式進入汛期。因此,魯富吉河剛進入汛期的11月中旬至12月下旬是圍堰施工的黃金時段,否則只能等到第二年雨季末期施工,會導致工期延長近半年?；谏鲜銮闆r,水電站建設容許的過水圍堰施工期極短,需在1.5月內完成建設。

為減小施工導流規模和縮短工期,汛期施工導流采用左岸導流洞-過水圍堰-大壩缺口的聯合過流設計。該地區河床窄深,河道內河水陡漲陡落、洪水位和枯水位變幅較大,對主體圍堰的抗沖蝕能力提出了一定的要求。此外,針對工程區內存在的堰底覆蓋層較厚、基巖滲透系數大、基巖穩定性差等不良地質條件,要求該圍堰應具有高強度、低滲透性、能更好適應沉降變形等特點。為達到這些要求,根據我國NB/T 10491—2021《水電工程施工組織設計規范》,導流建筑物按Ⅳ級進行設計。

1.3 新型復合過水圍堰結構

經現場勘測,工程區上游河道窄深、兩岸基巖裸露,坡腳部位可見崩積物,河谷多被坡積物或沖洪積層覆蓋?；A河床覆蓋層為漂石、大塊石、砂卵礫石等,結構較密實,厚度為3～5m。河床覆蓋層以粗顆粒為主,無集中成帶的砂層等細顆粒分布,承載力較高,堰基不均勻沉陷和抗滑穩定問題不突出。工程在汛期初截流,上游來流量較大,戧堤上游水位較高,戧堤下游側圍堰基坑滲流量較大且圍堰基礎覆蓋層較厚。結合上述實際地形地質條件及水情情況,以滿足工程防洪度汛為核心要求,提出了底部趕水混凝土+左岸堆石混凝土+主體CSG+頂部黏土自潰堰的新型復合過水圍堰結構。

圍堰主體受力結構采用CSG填筑,相比于傳統土石圍堰,其用料少,可節約成本、減少工期。下游面采用混凝土預制塊為模板,可提高圍堰邊界振搗密實度和圍堰防滲強度,且無需另外設置模板支撐系統,可實現CSG多點入倉,提高施工效率?？紤]基礎承載力較高,圍堰底部采用趕水混凝土澆筑,節約了基坑底部滲水抽排施工時間。左岸近堰頂區域相對平緩,采用堆石混凝土填筑,可單獨施工,節省了工期并利用大量開挖塊石。堰頂自潰堰采用黏土填筑。防滲設計方面,圍堰上游采用變態CSG防滲層加設黏土防滲面層的防滲設計,施工過程可進行CSG整體碾壓,達到防滲要求的同時,實現分區同步施工,縮短了組織施工周期,降低了工程成本;黏土防滲層原料取自上游圍堰前方覆蓋層,加設該防滲層可增加上游側圍堰基礎的滲漏路徑,減小基礎滲漏量,為下游大壩基坑施工創造更好的施工條件。堰體及堰基防滲選擇控制性灌漿防滲。

新型復合過水圍堰的結構如圖2所示。復合過水圍堰設計底部高程57.0m。CSG過水圍堰頂部高程88.3m,上游邊坡水平方向與豎直方向的坡比為1∶0.5,下游邊坡為1∶0.7?？紤]波浪爬高和安全超高,黏土自潰堰頂設計高程91.5m,自潰堰高3.2m,上、下游坡比均為1∶1?？紤]河道截流和過水圍堰干地施工,在CSG圍堰上游設置截流戧堤,戧堤頂部設計高程82.0m、寬度8.0m,上游邊坡1∶1,下游邊坡1∶1.5,上游迎水面采用細粒料閉氣(圖2(a))。圖2未顯示自潰堰。

圖2 復合過水圍堰結構示意圖(高程單位：m;其他單位：mm)

2 圍堰高效填筑施工關鍵技術

結合復合過水圍堰結構分區的特點,通過施工組織動態優化、建設同步協同推進、科學管理一體化等技術,提出了5個高效填筑施工關鍵技術,即底部趕水混凝土澆筑、左岸堆石混凝土澆筑、下游預制擋塊模板施工、上游黏土防滲層平起施工、主體CSG變態碾壓施工,以實現因地制宜施工、安全優質施工、快速便捷施工。

2.1 底部趕水混凝土澆筑

圍堰底部采用不抽排直接澆筑趕水混凝土的施工方式。在上游圍堰施工前,底部河床段存在抽排困難等問題。如果采用完全抽排至干地施工的方式,預計至少需要2周時間?；觾人驈V闊,基巖滲透系數也較大,積水無法及時抽排干凈。而現場施工要求圍堰必須在短期內完成,圍堰底部采用趕水混凝土澆筑施工方式能夠高效地形成上游過水圍堰墊層,縮短澆筑時間。

經現場考察,考慮現場施工面積較大,采用汽車泵入倉,要求混凝土坍落度控制在120～160mm之間?？紤]圍堰抗壓強度要求不高,設計強度僅為C15,趕水混凝土可選用未經水洗的45%砂率人工砂為原料,在降低成本的同時,具有更好的和易性和可泵性,便于現場施工。經多組室內配合比試驗,選定趕水混凝土最終配合比為：水用量200kg/m3、水泥用量333kg/m3、碾壓砂用量795kg/m3、小石用量583kg/m3、中石用量389kg/m3、減水劑用量3.33kg/m3。

施工流程如下：①采用沙袋圍起約1/3的軸線區域,便于區域施工和排水;②采用汽車泵入倉,將泵端插入水下低洼區后連續泵送混凝土;③利用趕水混凝土自重有序地將積水從區域的一側逐漸向排水區驅趕,最后積水從沙袋開口處流出澆筑區;④新澆混凝土堆采用振動方式擠入已澆混凝土體中,僅使前沿混凝土坡面與水直接接觸,保證趕水混凝土的整體性;⑤在后筑工作未完成前,前筑混凝土不得凝固?，F場趕水混凝土澆筑施工如圖3所示。

圖3 趕水混凝土澆筑施工

2.2 左岸堆石混凝土澆筑

采用圍堰上部左岸提前澆筑堆石混凝土的施工方式。根據施工現場條件,圍堰左岸與山體相接部位具備提前開挖清理條件,但左岸邊坡有一定區域處于高陡坡處,造成入倉道路十分困難。如果采用泵送混凝土進行澆筑,無法有效控制水化熱,且會造成澆筑成本和材料的浪費?？紤]成本和工期兩方面,采用自密實堆石混凝土進行施工。該施工方式能夠利用現場富余施工能力,實現與圍堰其他部分的同步施工。

堆石混凝土以粒徑不超過45mm的易得小塊石作為主要建材,使用高流動性能、充填性能、抗離析性能的專用自密實混凝土對塊體堆石進行填充。同時,為保證自密實混凝土的流動性及抗分散性,在使用聚羧酸減水劑的基礎上,加入了纖維素和消泡劑。經多組室內配合比試驗,選定堆石混凝土最終配合比為：水用量200kg/m3、水泥用量333kg/m3、水洗砂用量795kg/m3、小石用量583kg/m3、減水劑用量3.33kg/m3。

施工流程如下：①圍堰左岸與山體相接部位提前開挖清理;②在左岸邊坡的高陡坡處安放鋼絲網擋墻和石籠擋墻;③將滿足一定粒徑要求的塊石(或卵石)自然堆積入倉,形成有空隙的堆石體,節約水泥材料用量;④從堆石體上部澆入專用自密實混凝土,使其依靠自重填充到堆石的空隙中,形成完整、密實、低水化熱的大體積混凝土,節約施工成本?，F場堆石混凝土施工如圖4所示,堆石混凝土澆筑部位距離圍堰底部23m,位于高程80.0m以上。河谷開挖期間完成堆石混凝土圍堰部位的澆筑,實現與其他部位的同步建設。

圖4 圍堰左岸堆石混凝土澆筑

2.3 下游預制擋塊模板施工

在圍堰下游采用預制擋塊作為臺階模板,利用擋塊自重抵抗CSG碾壓施工過程中對模板的側向壓力,因此無需另外設置模板支撐系統,既可節約立模時間,又可降低立模施工成本。此外,預制擋塊安裝拆卸方便、入倉口靈活布置,便于CSG材料高效多點入倉。

在填筑過程中,CSG碾壓單層的碾壓設計厚度為0.6m,整體較厚大,導致碾壓難度高、填筑進度慢,CSG材料運輸及入倉也是影響填筑效率的關鍵?，F場預制擋塊尺寸為1.2m×0.8m×1m(高×厚×寬),與壩后溢流面臺階尺寸一致,有效提高了預制擋塊的重復利用率。預制擋塊為2層CSG的碾壓厚度,為CSG碾壓的施工質量控制提供標尺,防止施工時碾壓層過高造成碾壓密實度不足。局部澆筑完成的下游面CSG如圖5所示。

圖5 圍堰下游側臺階面預制擋塊模板施工

2.4 上游黏土防滲層平起施工

過水圍堰采用上游黏土防滲層與CSG圍堰平起碾壓的施工方式。由于過水圍堰上游面距離截流戧堤較近,通過在戧堤與圍堰之間填筑防滲材料同步碾壓,實現上游面免立模,縮短了立模施工工期。此外,由于上游面無立模,CSG材料從圍堰上游側可多點入倉,大大提高了入倉效率。

施工流程如下：①在上游側放樣黏土及CSG材料邊界,用于控制斗車卸載物料;②從上游側斗車多點入倉黏土和CSG材料,提高入倉效率;③用推土車將材料攤開,大致控制在每層0.8～1.0m的攤開高度,確保碾壓后達到0.6m的設計碾壓厚度;④對各種材料分別進行交叉碾壓,確保材料碾壓的均勻性和整體性,達到碾壓要求后停止;⑤進行碾壓密實度測試,符合設計標準則進行下一層材料碾壓,否則進行二次碾壓,直至測得密實度達到設計要求。

在施工過程中,隨著CSG倉號升高,黏土防滲層同步進行回填碾壓。此外,在吊裝擋塊前鋪裝了一層塑料隔離布,保證了填筑過程中富漿防滲區不漏漿,同時方便后期擋塊拆卸。圍堰平起施工示意圖見圖6。

圖6 圍堰平起施工

2.5 主體CSG變態碾壓施工

圍堰主體建設采用CSG和變態混凝土結合的變態碾壓施工方式[18-19],大大提高了圍堰的整體抗滲性能。變態混凝土不僅能夠阻止庫區水沿著碾壓薄弱面進入壩體,而且能夠阻止壩內滲透水沿著縫面與庫區水連通。同時,為減小水泥水化熱、溫度應力,降低裂縫產生的概率,圍堰主體采用CSG材料建造。CSG材料主要原料為經級配優化后的鄂破料及混合砂,凝膠材料選用坦桑尼亞當地生產的CEM II/B-L42.5N型水泥。另外,考慮使用火山灰代替粉煤灰作為礦物摻合料使用,在保證強度要求的基礎上,可降低CSG的生產成本。經多組配合比試拌試驗及強度測試,最終確定CSG材料施工配合比為水用量110kg/m3、水泥用量41kg/m3、火山灰用量58kg/m3、混合砂用量642kg/m3、4.75～19mm小石用量225kg/m3、19～300mm顎破料用量1266kg/m3、減水劑用量4.955kg/m3、緩凝劑用量4.459kg/m3。

施工流程如下：①采用逐層攤鋪振搗工藝,消除滲透的各向異性;②碾壓層厚度控制在0.6m,以保證圍堰填筑的工藝性,如圖7所示;③CSG變態區主要是左右堰肩與巖石邊坡結合部位和堰體上下游部位,碾壓前在上游側的層間澆筑水泥凈漿約1m寬。此外,施工組織和布局上,為便于主體CSG施工,選擇在距離圍堰較近、場地開闊、交通方便的右岸131平臺進行CSG材料的集中場拌。

圖7 圍堰主體CSG變態碾壓施工

從CSG起始高程60m至堰頂高程88.3m,累計攤鋪碾壓共48層,總體上升高度28.3m。施工過程中,上游黏土防滲層隨CSG倉號的升高同步回填碾壓,使得CSG填筑上升速度大大加快,達到高效施工的目的。圍堰主體的CSG碾壓施工總工期為15d,順利在主汛期到來前完成了填筑目標。

3 應用效果分析

通過開展復合過水圍堰高效填筑技術的創新與運用,在汛期到來前順利地完成了過水圍堰建設,避免了汛期過后重新截流施工,并為汛期過后迅速進行位于水電站建設關鍵線路的大壩基坑開挖施工節省了近半年的工期。同時,提出的復合過水圍堰體型較小(僅為土石圍堰方案的近1/3),在地質條件差、上游水位變化大、工期緊的條件下可大幅提高工程現場施工效率。最終,僅耗時1月就完成了過水圍堰建設工作(要求1.5月內)。表1為同類CSG過水圍堰工程歷時對比。由表1可知,本文提出的復合過水圍堰高效填筑技術有效地縮短了CSG圍堰的施工周期。

表1 CSG過水圍堰對比

4 結 語

為解決上游過水圍堰建造期短、工程量大的矛盾,探索了適用于坦桑尼亞等國際工程水文地質特點的復合過水圍堰高效填筑技術?，F場實踐證明,采用復合過水圍堰高效填筑技術的主要優勢在于：①就地取材,大幅度減少了工程量;②高效地形成了上游過水圍堰墊層;③充分利用了現場的間歇富余施工能力,減少了膠凝材料的使用和水化熱控制要求;④節約了擋塊臺階模板立模時間,降低了施工成本,實現CSG材料高效多點入倉,便于后續CSG碾壓的施工質量控制;⑤提高了CSG圍堰填筑速度;⑥阻止了庫區水沿著碾壓薄弱面進入壩體以及壩內滲透水沿著縫面與庫區水連通。

通過采用以上窄深河道復合過水圍堰高效填筑施工關鍵技術,尼雷爾水電站上游過水圍堰在1月內實現了安全、優質、高效建設。與同類圍堰工程相比,本文提出的復合過水圍堰高效填筑技術極大地提高了圍堰建設效率,節約了建造成本和施工工期。