糯扎渡高心墻堆石壩壩料特性研究及填筑質量檢測方法和實時監控關鍵技術

馬洪琪

(華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214)

1 前言

糯扎渡水電站是瀾滄江中下游河段梯級規劃“二庫八級”電站的第五級，樞紐位于云南省普洱市和瀾滄縣境內。工程以發電為主，兼有防洪和改善下游航運等綜合利用任務。工程樞紐由攔河大壩、左岸開敞式溢洪道、左右岸泄洪洞及左岸地下引水發電系統等建筑物組成。水庫正常蓄水位812 m，總庫容237.03億 m3，具有多年調節特性。電站裝機容量為5 850 MW(9×650 MW)。保證出力2 406 MW，多年平均發電量239.12億kW·h。

心墻堆石壩壩頂長627.87 m，壩頂寬18 m，最大壩高為261.5 m，在同類壩型中居國內之首、世界第三。

2 壩料特性及壩體結構優化研究[1]

2.1 土料試驗

高心墻堆石壩對防滲土料的要求除防滲外，還必須有較好的力學性能，與壩殼堆石的變形能較為協調，減小壩殼對心墻的拱效應，以改善心墻的應力應變，減少心墻裂縫的發生機率。糯扎渡大壩采用農場土料作心墻料，大量地質勘探資料及試驗成果表明，天然土料的粗粒含量少，細粒及粘粒含量偏高，對于最大壩高達261.5 m的特高壩來說，其壓縮性偏大，力學指標偏低，為此決定往天然土料中摻加35%(重量比)的人工碎石，以改變土料性質。大量試驗研究表明，土料擊實后﹥5 mm的含量超過30%，力學性能得到了明顯改善，室內試驗滲透系數為10-6cm/s量級。壓實試驗成果表明，不同壓實功能對最大干密度、最優含水率及細料壓實密度有顯著影響，2 690 kJ/m3擊實功能與1 470 kJ/m3擊實功能成果相比，提高擊實功能對提高摻礫土料的干密度和細料壓實密度效果明顯，壓縮變形明顯減少，滲透參數減少了一個量級，抗剪強度和應力變形指標有顯著提高，因此對高壩而言，宜采用2 690 kJ/m3擊實功能試驗干密度作為土料的壓實控制標準。

2.2 壩體結構優化

壩殼堆石料的主要料源為工程開挖料，不足部分從料場開采。根據原巖的物理力學試驗成果，建筑物開挖的弱風化及其以下角礫巖和花崗巖，其干、濕抗壓強度均較高，為優質堆石料，適用于對石料要求較高的壩頂部位、壩殼外部及下游壩殼底部等壩體抗震和壩坡穩定的關鍵部位，稱之為Ⅰ區堆石料;而建筑物開挖的強風化花崗巖、微風化T2m砂泥巖，為軟巖、中硬巖及硬巖的混合料，其強度稍低，可利用于壩殼內部，稱之為Ⅱ區堆石料。具體分區為上游堆石壩殼615.0～656.0 m高程靠心墻側內部區域設置堆石料Ⅱ區，656.0～750.0 m高程靠心墻內側，視料源平衡設置堆石料Ⅱ區或堆石料Ⅰ區調節區，其外部為堆石料Ⅰ區;下游堆石壩殼631.0～760.0 m高程范圍靠心墻側內部區域設置堆石料Ⅱ區，其外部為水平寬度22.6 m的堆石料Ⅰ區。大壩的典型剖面見圖1。

圖1 大壩典型剖面Fig.1 A classical section map of dam

利用理論研究成果和創新，以大量試驗研究和技術分析為依據，論證了上游壩殼內部適當部位采用部分軟巖堆石料是可行的;論證了壩體上游邊坡采用1∶1.9，下游邊坡采用1∶1.8 是合理的。并將可靠度分析理論引入土石壩穩定分析中，首次采用確定性方法、可靠度分析方法及基于強度拆減有限元法綜合評價壩坡穩定安全性，使評價更為客觀、可靠。在高心墻堆石壩上游區域選用部分軟巖堆石料，是糯扎渡高心墻堆石壩的創新，大大提高了開挖料的利用率，降低了成本，具有較高的推廣應用價值。

2.3 土石料靜動力本構模型

2.3.1 靜力本構模型

目前國內土石壩應力變形的計算分析中，得到較為廣泛應用的本構模型主要有鄧肯-張非線性彈性模型、沈珠江雙屈服面彈塑性模型、清華非線性解耦KG模型。3種模型各具特色，可互為驗證，在對3種計算模型進行總結、分析、對比的基礎上，首次提出了堆石體修正Rowe剪脹方程，從而改進了沈珠江雙屈服面彈塑性模型體積變形的表示方法，使計算成果更為可靠。試驗結果見圖2。

圖2 計算結果與試驗結果對比Fig.2 A comparison between calculation result＆testing result

2.3.2 動力本構模型

提出了量化記憶(sm)模型中參數隨應變和圍壓變化的規律:

提出了采用非線性最小二乘法擬合動力三軸試驗結果以確定模型參數的方法:

將一維量化記憶模型中的“記憶點對”擴展為偏平面上的“記憶面”，從而構筑了多維量化記憶模型:

2.4 水力劈裂發生的物理機制

提出了在心墻中可能存在的滲水弱面以及快速蓄水過程中產生的滲透弱面為水力劈力發生的重要條件的論點，并通過模型試驗加以驗證。將彌散裂縫理論引入水力劈裂問題的研究中，與比奧固結理論相結合，推導和建立了用于描述水力劈裂發生和擴展過程的有限元分析方法(見圖3)。

圖3 水力劈裂發生形成的張開裂縫Fig.3 Opening cracks caused by hydraulic fracturing

3 摻礫土料填筑質量檢測方法研究

3.1 摻礫土料填筑工藝

農場土料不同部位、不同深度的粗礫含量、粘粒含量差別較大，其壓實性能并不相同。為此規定土料開采應采用立采法，使混合土料盡可能均勻，隨后運到摻合場與人工碎石摻拌。摻合場共4塊，每塊約6 000 m2，按生產性試驗的摻合比和工藝流程，將混合土料和人工碎石水平互層鋪攤成料堆，土料單層厚1.03 m，礫石單層厚0.5 m，一層鋪混合土料、一層鋪礫石料，堆土機平料，如此相間鋪3層，總高控制在5 m，用4 m3正鏟摻混3次后裝32 t自卸車上壩，后退法卸料，平路機平料鋪土厚度30 cm，采用20 t凸塊振動碾碾壓10遍。

人工碎石摻量為35%(重量比)，最大粒徑為120 mm，要求5～100 mm含量占94%，摻礫土的礫石含量和含水量均在摻合場控制。摻礫土料含水率控制在最優含水率-1%～+3%。

生產性試驗挖試坑和挖槽檢測表明，上述工藝礫石分布均勻，鋪層之間無顯見接縫，壓實度、滲透系數和抗剪強度均滿足設計要求。

3.2 摻礫土料質量檢測方法研究

設計要求心墻防滲土料全料壓實度按普氏595 kJ/m3功能應達到 100%，按修正普氏2 690 kJ/m3功能應達到95% 以上。現行規范要求對礫石土采用全料壓實度檢測，但對摻礫土料進行全料擊實時，至少需采用φ300 m擊實儀，試驗工作量大、時間長，難以滿足現場施工進度要求，因此需要研究一種既準確又能快速檢測摻礫土料壓實度的方法。

工程經驗表明，如果土料粗粒含量＞30%，細料壓實度控制的計算壓實度會偏大，還可能出現細料壓不密實，且全料擊實干容重低于細料擊實換算的全料干容重現象[2]，因此應同時采用全料擊實以提高壓實度計算準確度，了解是否存在細料未被壓實現象。

糯扎渡大壩對摻礫土料的全料擊實特性、細料壓實度和質量檢測方法進行了系統研究。對混合土料按 0%、20%、30%、40%、50%、60%、80%、100%共8種全料摻礫量，按595 kJ/m3、2 690 kJ/m3兩種擊實功能進行試驗。為此還專門研制了φ600 mm超大型擊實儀進行全料擊實試驗，與φ300 mm大型擊實儀等量替代法全料擊實試驗和φ152 mm擊實儀將小于20 mm細料擊實試驗結果進行對比分析，重點比較了全料與細料干密度、壓實度的關系，主要結論如下[3]:

1)摻礫土在原級配全料超大型與替代法全料大型擊實時，其最大干密度均隨摻礫量增加而呈先增后降的趨勢，峰值出現在摻礫量80%處;相應P20細料的干密度也隨著摻礫量的增加而呈先增后降的趨勢，峰值出現在摻礫量60%處。當摻礫量大于60%時，摻礫碎石骨架效應明顯，土料出現架空現象。

2)小型擊實試驗時，由于摻礫碎石顆粒較小，骨架效應不明顯，摻礫土能夠被充分擊實，因此隨著摻礫量的增加，細料最大干密度呈持續增加趨勢;其對應的全料干密度也隨摻礫量的增加而增加(見圖4)。

3)在各擊實參數下，摻礫土最優含水率均隨摻礫量的增加而降低。

4)由于摻礫碎石級配及擊實參數的差異，導致摻礫土原級配全料與替代法全料在2 690 kJ/m3功能下的擊實特性有所不同。試驗結果表明，當摻礫量為0% ～30%時，2 690 kJ/m3功能下超大型擊實全料最大干密度略小于大型擊實全料最大干密度;當摻礫量為40%～50%時，超大型擊實全料最大干密度與大型擊實全料最大干密度差異不大;當摻礫量為60% ～100%時，超大型擊實全料最大干密度則大于大型擊實全料最大干密度(見圖5)。因此，當摻礫量為50%以下時，采用2 690 kJ/m3功能大型擊實成果對摻礫土全料進行質量控制是合適的。

圖4 摻礫量與最大干密度關系Fig.4 Graph of gravel mixture amount vs.maximum dry density

圖5 超大型擊實儀與大型擊實儀最大干密度比較Fig.5 A Comparison of different MDD of super electric compaction device＆of large electric compaction device

5)在相同擊實儀下，采用595 kJ/m3功能所得到的最大干密度較2 690 J/m3功能所得到的最大干密度小，且相差較大。

6)當摻礫料≤60%時，2 690 kJ/m3功能下超大型、大型擊實100%壓實度換算的細料干密度均大于595 kJ/m3功能下小型擊實的細料最大干密度，細料壓實度大于100%。在相同摻礫量下，大型擊實換算的細料干密度大于超大型擊實換算的細料干密度。

7)當摻礫量約20% ～50%時，由小型擊實所得細料最大干密度計算出的全料干密度均小于超大型、大型擊實所得的全料最大干密度，即若按595功能小型擊實細料壓實度100%控制時，計算出的超大型、大型擊實全料2 690功能壓實度均大于100%。

8)綜上所述，采用2 690 kJ/m3功能大型擊實成果對摻礫土全料進行質量控制是合適的。

3.3 施工現場檢測方法

糯扎渡心墻摻礫土料壓實標準全料壓實度按修正普氏2 690 kJ/m3功能應達到95%以上，按普氏595 kJ/m3功能應達到100%。用595 kJ/m3擊實功能對小于20 mm細料進行三點法快速擊實試驗，其壓實度應達到98%。質量控制時采用壓實度指標，根據本工程特征，采用雙控法，即以細料擊實控制為主，以全料壓實度控制校核。

3.3.1 全料壓實度預控線法

由于糯扎渡大壩心墻摻礫土料中礫石最大粒徑達120 mm，用φ300 mm大型擊實儀三點擊實法確定全料最大干密度檢測填筑壓實度需用時8 h以上，不能滿足快速施工要求。為此，施工單位提出了摻礫土料全料壓實度預控線法。該方法利用摻礫石土料備料過程，在備料倉中取多組混合土料摻入不同礫石進行φ300 mm擊實儀擊實試驗，確定某一施工時段內摻礫土料最大干密度與礫石含量的關系曲線并取其平均線作為預控線，填筑碾壓后根據坑測干密度和礫石含量與預控線對照計算全料壓實度。該方法現場檢測時相對簡單，所得到的壓實度代表了土料的整體性能，并在一定程度反映了土料性質的變化。該方法的前提是假定在某一較短施工時段內，混合土料開采自同一區域，經開采、摻拌、鋪料等工序混合多次后，混合土料性質已基本均勻，此時影響摻礫土料最大干密度的主要因素是礫石含量，可按不同含礫量相應的最大干密度計算壓實度。全料壓實度預控線法采用填筑碾壓前對土料開展φ300 mm的儀器替代法全料擊實試驗以確定土料的預計最大干密度。當土料較為均一時，其檢測結果與現場擊實試驗全料壓實度控制法相同，由于現場碾壓只需挖坑檢測碾壓干密度，檢測時間大大縮短，效率較高，優勢明顯。但當土料性質不均勻時，存在確定預控線所用試驗土料與現場挖坑檢測土料擊實特性的差異，從而影響檢測結果的準確性。

3.3.2 全料壓實度雙控法

全料壓實度控制是在室內進行全料擊實試驗得到全料最大干密度，現場直接用試坑干密度進行全料壓實度計算。根據中心試驗室和施工單位兩方對糯扎渡大壩不同土料進行的摻礫土料 φ600 mm擊實儀全料和φ300 mm擊實儀等量替代法全料595 kJ/m3、2 690 kJ/m3兩種擊實功能擊實試驗成果對比，595 kJ/m3功能下，不同礫石含量φ600 mm全料擊實與φ300 mm等量替代法全料擊實最大干密度差值在-0.02～0.07 g/cm3之間，最優含水量總體上全料擊實低于等量替代法全料擊實，摻礫量小于60%時，替代法全料擊實最大干密度略低于全料擊實最大干密度，其差值小于2.5%，最優含水量差值在1個百分點內;2 690 kJ/m3功能下，其規律與上述試驗成果基本一致。

從現場檢測的精度要求來看，對摻礫土料全料三點擊實法檢測土料壓實度時，以2 690 kJ/m3功能為控制標準，可采用φ300 mm等量替代法全料擊實試驗確定填土的最大干密度;以595 kJ/m3功能為控制標準時，采用φ300 mm等量替代法全料擊實試驗確定填土的最大干密度時，壓實度標準宜適當提高。

最終確定現場檢測采用試坑內小于20 mm的細料用φ152 mm擊實儀進行三點快速擊實，功能為595 kJ/m3，細料壓實度應大于98%，試驗過程只需1 h，可滿足施工進度要求。每周用φ300 mm大型擊實儀等量替代法擊實試驗進行復核，每月用φ600 mm超大型擊實儀進行全料2 690 kJ/m3擊實功能95%壓實度的復核檢測。現場含水率可按細料檢測，其合適范圍為最優含水率的-3% ～+1%。

3.3.3 現場檢測結果

心墻摻礫土料在2009年4月29日前鋪層厚度為30 cm，以后調整為27 cm。30 cm厚填筑質量檢測共150組，碾后顆分 ＞20 mm顆粒含量平均27.5%;碾后顆分＞5 mm顆粒含量平均36.7%;碾后顆分 ＜0.074 mm顆粒含量平均36.3%，細料壓實度平均99.2%，顆粒級配總體處于設計控制線。考慮到糯扎渡心墻堆石壩壩高261.5 m，心墻填筑質量至關重要。為了提高一次合格率，決定鋪料厚度調整為27 cm，對填筑質量檢測共計2 000組，碾壓顆分總體上與30 cm鋪層相當，細料壓實度平均達100.17%，含水量控制及壓實質量良好。

3.3.4 復合試驗成果

大壩固定斷面每隔10 m層高，對各填筑料進行一次現場室內物理力學試驗。心墻料干密度為1.90～2.02 g/cm3，平均含水率為9.1% ～14.3%，大于設計參考干密度1.90 g/cm3。固結試驗成果，飽和狀態下各斷面7組固結試驗平均壓縮模量為35.33～64.00 mPa，最大垂直壓力(5.0 mPa)下的軸向變形為5.9% ～11.8%。滲透試驗的系數i×10-6～i×10-7cm/s。

4 施工質量實時監控技術[4]

糯扎渡大壩填筑總量共3 365.7萬m3，其中心墻防滲料468.42萬m3，壩體斷面有8種壩料，12個分區，按施工規劃分Ⅸ期填筑，施工程序復雜，質量要求高。

為解決常規質量控制手段受人為因素干擾大、管理粗放、難以實現對施工質量精準控制的情況，華能瀾滄江水電有限公司會同天津大學、昆明勘測設計研究院，以產學研相結合的方法，融合水利水電工程科學、先進工程測量科學、電子與通信工程科學、計算機科學等多個交叉學科的先進理論和技術，深入研究高心墻堆石壩施工質量實時監控關鍵技術，研究開發了一種具有實時、在線、自動、高精度等特點的高心墻堆石壩施工質量監控的新技術，以保證工程優質并長期安全運行。下面簡要介紹主要技術創新內容。

4.1 填筑碾壓質量GPS自動監測與反饋控制

實時動態監測碾壓機械運行軌跡，自動監測記錄碾壓機械的行車速度、碾壓遍數、激振力、壓實厚度，通過GPS、GPRS和網絡傳輸技術，將施工信息輸入現場分控站和控制中心。自主研發了碾壓過程信息實時自動采集PDA技術，當填筑過程鋪料厚度超過規定，或有漏碾、超速、激振力不達標時，PDA即報警提示施工管理人員和質量監理人員，以便及時糾偏。開發了碾壓過程實時監控的高精度快速圖形算法，實時計算和顯示各項碾壓參數，為及時進行挖坑檢測提供依據，提高了一次檢測合格率。

據統計分析，2010年數字大壩系統共監控堆石料碾壓8遍的合格率占98.6%，心墻料碾壓10遍的合格率為97.5%。GPS監控的心墻壓實度均值為99.89%，三點快速擊實檢測平均壓實度為99.48%，兩者成果非常接近。

4.2 料場料源及上壩運輸實時監控

糯扎渡大壩壩體斷面有8個壩料分區，分散于5個料場，每個料場與相應的堆石分區相匹配，為防止卸料錯誤，對上壩運輸車輛安裝車載GPS定位設備，從而可實現上壩運輸車輛從料場到壩面的全程監控，依靠PDA信息采集技術，實現了料源與卸料分區的匹配性，以及上壩強度和道路行車密度的動態監控，為確保上壩料的準確性和現場合理組織施工以及運輸車輛優化調度提供了依據。

4.3 提出了網絡環境下數字大壩系統集成技術

建立了高心墻堆石壩數字大壩系統集成模型，構建了基于施工實時監控的數字大壩技術體系，提出了網絡環境下工程綜合信息可視化集成技術，解決了具有數據量大、類型多樣、實時性高等特點的工程動態信息集成的難題，實現了大壩建筑各種工程信息的綜合集成，為大壩施工驗收、安全鑒定及運行管理提供了支撐平臺，該系統共有10大功能模塊，集成質量、安全、進度、地質、灌漿及滲控工程等動態綜合信息，為工程決策與管理、大壩安全運行與健康診斷等提供全方位的信息支撐和分析平臺。

5 結語

糯扎渡高心墻堆石壩首次采用在天然土料中摻加35%的人工碎石，既滿足抗滲要求，又提高了心墻土料的力學性能，并提出了簡單而有效的摻礫土心墻的填筑工藝。系統研究了摻礫土料質量檢測方法，創新性地開發了φ600 mm超大型擊實儀進行全料擊實試驗，并與φ300 mm大型擊實儀等量替代法全料擊實試驗和φ152 mm細料擊實試驗結果進行對比，提出了施工質量檢測以壓實度為控制指標，采用雙控法，即在現場對細料進行三點法快速擊實，在試驗室進行全料壓實度復核，既滿足了快速施工的要求，又提高了壓實度計算的準確度，為高心墻堆石壩質量標準和質量控制方法提供了依據。在大壩施工質量控制中，首次采用GPS技術，對大壩填筑碾壓的各項參數進行全面、實時、在線、自動監控和信息反饋，使施工質量更加真實可靠，減少返工，為高心墻堆石壩施工質量檢測提供了一條新途徑，實現了又好又快的建設目標。糯扎渡大壩2009年填筑820萬m3，2010年填筑1 153萬m3，平均月填筑強度82.2萬m3，平均月上升高度7.5 m，預計可提前一年發電，經濟效益顯著。

糯扎渡大壩的創新性成果為我國將要建設的一批300 m級高心墻壩提供了寶貴經驗，是我國大型水利水電工程質量控制手段的重大創新。

[1]華能瀾滄江水電有限公司，等.糯扎渡高心墻壩壩料特性及結構優化研究課題研究報告[R].2006，5.

[2]Robert B Jansen.Earthfill Constiuction，Adranced Dams Engineering for Desing，constiuction，and Rhabilitation[R].1988.

[3]中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院.心墻堆石壩摻礫土料壓實特性、壓實標準及填筑質量檢測方法研究報告[R].2010，11.

[4]天津大學，等.高心墻堆石壩施工質量實時監控關鍵技術及工程應用研究報告[R].2010，4.