長河壩水電站壩料跨心墻運輸技術

薛　凱,　蘆 亞 濤,　汪　海

(中國水利水電第五工程局有限公司 長河壩施工局，四川 康定　626001)

長河壩水電站壩料跨心墻運輸技術

薛凱,蘆 亞 濤,汪海

(中國水利水電第五工程局有限公司 長河壩施工局，四川 康定626001)

摘要：心墻堆石壩在施工過程中普遍存在壩料跨心墻運輸的需求，國內已建200 m以下的心墻壩采用較多的是“細石墊層、碎石土墊層、碎石土墊層+鋼板”等幾種跨心墻運輸方案，但一直未形成相應的工法或標準。針對超高心墻壩，跨心墻運輸問題頗受爭議，業界多持謹慎態度。結合長河壩水電站壩料跨心墻運輸方案的研究與應用，介紹了一種箱形減壓板跨心墻運輸方案，可供同類工程參考并希望能促進形成統一的工法與標準。

關鍵詞：長河壩水電站；壩料；跨心墻運輸；箱形減壓板

1概述

直心墻堆石壩的結構特點一般是在上游、下游均布置反濾料、過渡料、堆石料。由于高心墻壩大多位于高山峽谷地區，受料場及儲量分布的不均衡性、道路布置的不對稱性、不同時段對壩料需求的不確定性，且受截流、下閘蓄水等影響以及對上游料場開采與運輸道路使用的階段性等因素的影響，壩料跨心墻運輸或跨心墻交通難以避免。

但是，跨心墻運輸壩料可能會造成心墻土料過壓引起土料剪切破壞、土料污染而造成橫縫結合帶質量薄弱等問題。國內已建的磽蹟、水牛家、瀑布溝、獅子坪、毛爾蓋等200 m以下的心墻壩分別采用了細石墊層、碎石土墊層、碎石土墊層+鋼板等跨心墻運輸方案，大壩運行工況均正常，未反映出因跨心墻運輸帶來的不利影響，但普遍缺乏系統的基礎研究，因此，跨心墻運輸技術至今未得到統一認可，也未形成統一的工法與標準。

對于300 m級的超高心墻堆石壩，跨心墻運輸技術更是敏感而謹慎的問題，如果能夠有效解決，將有利于降低壩料平衡調度難度、避免不必要的繞運、提高施工效率、加快施工進度、降低能耗與成本。因此，對壩料跨心墻運輸技術進行系統研究與方案選擇十分必要。

2長河壩水電站壩料跨心墻運輸的必要性

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，為大渡河干流水電梯級開發的第10級電站，工程區地處大渡河上游金湯河口以下約4～7 km河段上，壩址上距丹巴縣城82 km，下距瀘定縣城49 km，距成都約360 km。水庫正常蓄水位高程1 690 m，正常蓄水位以下庫容為10.15億m3，總庫容為10.75億m3。調節庫容為4.15億m3，具有季調節能力，電站總裝機容量為2 600 MW。

攔河大壩為礫石土直立心墻堆石壩，最大壩高240 m，壩頂高程1 697 m，最大壩高240 m，壩頂長502.85 m，上、下游壩坡均為1∶2，壩頂寬度為16 m。心墻頂高程1 696.4 m，頂寬6 m，心墻上、下游坡度均為1∶0.25，底高程1 457 m，底寬125.7 m。大壩總填筑量為3 417萬m3(其中堆石2 273.9萬m3；過渡料290.97萬m3；礫石土428.3萬m3；反濾料168.19萬m3)。

大壩結構見圖1。大壩心墻礫石土料場位于上游金湯溝內，平均運距約24 km；響水溝石料場位于上游響水溝溝口，平均運距約6.3 km；江咀石料場位于下游磨子溝，平均運距約10.4 km；反濾料由下游磨子溝砂石系統生產，平均上壩運距約7 km。料源分布及主要運輸干線道路布置情況見圖2。

對于長河壩工程，相比于其他工程，壩料跨心墻運輸問題更加突出。

圖1　大壩結構圖

圖2　料源分布及主要道路示意圖

首先，根據整個電站的工期規劃與發電目標，初期下閘前首先進行兩岸相應交通洞室的封堵，此時大壩上、下游繞運的交通中斷，而反濾料加工廠位于下游，心墻上游的反濾料需跨心墻運輸。初期下閘后，上游所有的上壩道路中斷，上游響水 溝石料場不再具備開采條件，此時大壩上游的堆石與護坡塊石由下游江咀石料場供應，需跨心墻運向上游。

其次，按照原規劃，在初期下閘前，大壩上、下游堆石料、過渡料、護坡塊石分別由上、下游兩個石料場單獨供應。開工后，通過對兩大石料場復勘后對比分析發現下游石料場與上游石料場相比存在地方干擾大、剝采比大、坡面系數(后坡面積與開采量之比)大、運距遠等不足，上游石料場優勢明顯且具備擴大開采量的條件，下游石料場受地方干擾前期準備進展緩慢，不能滿足大壩先期斷面填筑需要，而上游石料場則可提前完成道路修建與揭頂準備，滿足開采進度要求。因此，根據實際情況對兩大石料場的開采規劃做了較大調整，以上游響水溝料場為主，同時縮小下游江咀料場開采范圍和規劃開采量，選擇溝內一處相對條件較好的小山脊進行開采。

石料場開采規劃調整后，上游石料場將持續向大壩下游供應石料，從而對大壩中低高程跨心墻運輸提出了需求。

第三，如果不跨心墻運輸，則上游向下游供應的石料需繞運2.6～6.1 km的隧道，勢必將大幅度增加長隧道交通的通風、排煙難度，同時也增大了交通安全隱患，延長了運距，增加了費用，導致施工效率降低且不利于節能減排。

第四，心墻堆石壩施工受季節影響明顯，本工程6～9月屬主汛期，降雨天數多，心墻上升緩慢且以堆石填筑為主。汛期填筑過程中，推土機、振動碾、裝載機、挖掘機等壩面設備在上、下游堆石之間需要頻繁調度，因此，采取安全有效的跨心墻交通也是十分必要的。

3研究與試驗

《碾壓式土石壩施工規范》(DL/T5129-2013)條文說明8.2.3規定：對于超高土石壩，能否跨越心墻應做專門研究。壩料跨心墻運輸技術首先應保證心墻土料不被破壞；其次是道路結構利于快速拆裝，滿足快節奏施工要求。為了系統揭示車輛動荷載重復作用對土料的影響規律，讓跨心墻運輸技術具有充分的理論支撐，中國水電五局與河海大學以長河壩工程為依托，就此課題聯合開展了研究，在已建類似工程跨心墻施工技術經驗的基礎上，通過模型建立和理論計算分析工作，填補了“跨心墻交通中的荷載計算與評估、心墻土體在往復車輛動荷載作用下物理力學性質變化、心墻土體與車輛相互作用的力學模擬”等一系列基礎問題理論分析的空白。

3.1理論研究

首先模擬心墻土料超碾工況開展室內擊實試驗，以及超固結條件下心墻土料加載與卸載大三軸試驗。在試驗的基礎上進行了理論分析。

3.1.1基于彈塑性理論解的心墻土體剪切破壞驗算

(1)碎石、碎石土墊層可視為柔性墊層，將車輛荷載按車輪位置簡化為集中力，以動力系統考慮車輛動荷載特性，根據彈性力學解答內部應力。

根據莫爾—庫倫破壞準則，土體處于極限平衡狀態時的主應力為：

或

另外，也可用應力水平進行衡量：

(2)鋼板、減壓板、混凝土預制板等路面結構可視為剛性墊層，將車輛荷載簡化為均布荷載，按塑性區開展深度求解心墻容許承載力。

極限承載力，即：

容許承載力：

(3)柔性墊層基于擬靜力法求解時，對于動力系統的取值很重要；剛性墊層按塑性區開展深度求解心墻是否發生剪切破壞時，靜荷載與動荷載計算結果一致，但與實際情況明顯不符。

3.1.2基于有限單元法心墻剪切破壞驗算

實際上，各種壩料均為非線性材料，車輛荷載對路基作用的特征是半波正弦荷載。建立車輛荷載影響區的三維有限單元網絡來分析心墻應力、應變狀態模型。選用鄧肯E～v模型求解材料的模量與應力水平。

切線彈性模量表達式為：

式中S為剪應力水平，反映材料強度的發揮程度，其表達式為：

3.1.3理論分析結論

在采用擬靜力法選取動力系數及采用有限單元法選取動荷系數求解時，心墻均出現了局部剪切破壞，計算結果相近。而采用按塑性區開展深度確定心墻是否發生剪切破壞方法的結果與實際情況不符，說明按塑性區開展深度確定心墻是否發生剪切破壞的方法沒有考慮車輛荷載的動態效應，計算結果精度較低。

無論采用擬靜力法，還是采用有限單元法，都不可避免地要準確確定車輛荷載的動態效應。這就需要通過實測跨心墻過程中心墻的原位動態響應，考慮車輛荷載的動態效應來提高計算結果的合理性，以便比選合理的方案。

3.2現場試驗測試

為實測并驗證車輛跨心墻運輸時的動態效應，我們在壩區以外進行了實況模擬過車試驗，并在路基下的心墻土中埋設了傳感器用于數據監測。

試驗場地：選擇大壩上游壓重平臺(27 m×78 m)，平整后用26 t振動碾壓實。

試驗方案：

減壓板方案——箱形鋼結構路基板，寬4 m，高19.8 cm，試驗段長度為12 m；

礫石土+鋼板方案——直接利用心墻礫石土作墊層，表面鋪2 cm厚鋼板，按1 m、1.5 m兩個墊層厚度分別進行試驗；

碎石墊層方案——直接在心墻土表面鋪1.2 m厚的碎石料進行過車試驗。

試驗車輛：選用大壩填筑使用的自卸車滿載試驗，平均總重量為60 t。

儀器埋設：在試驗路基下的心墻土中分層埋設了8支傳感器，其中包含5支應力傳感器，3支位移傳感器。

試驗過車次數：根據壩料的平衡需要并考慮試驗的可操作性，經綜合分析后確定試驗過車次數為4 000次。

試驗流程：試驗場地平整、壓實→分層填筑心墻土料(每層壓實厚度為25 cm，共八層)、反濾料同步填筑→土料填筑過程中分層埋設傳感器→布置道路結構(按不同試驗方案分別布置，試驗完一個方案再布置另一個試驗方案)→過重車試驗→監測數據→拆除道路→取樣檢測(土工檢測，包括心墻土料過重車前后的顆粒級配、壓實度、滲透系數、承載力對比檢測)→整理、分析數據。

3.3研究與試驗結論

(1)載重車輛行駛過程對土體的影響是一個加載和卸載過程的組合，每次的車輛荷載可以近似用一個半波正弦表示。

(2)采取跨心墻施工技術后，實測減壓板方案的表層最大附加壓力為輪壓值的9.5%；碎石土+鋼板方案的表層最大附加壓力為輪壓值的10.4%；碎石墊層方案的表層最大附加壓力為輪壓值的12%。

(3)三種跨心墻施工方案的附加動荷載分布規律一致，均為從底層到表層逐漸增大。三種跨心墻試驗方案均可行，其中減壓板方案對心墻土體的物理力學性質影響最小。

(4)車輛跨心墻行駛速度對土體附加荷載影響較大。

(5)針對減壓板方案，心墻土料除表層存在厚度為10～15 cm的板結現象外，其他指標均合格，沒有發現剪切破壞現象。

(6)在4 000次試驗數據的基礎上還有提升的空間，但究竟能提高多少，需要驗證。

4跨心墻運輸方案的選擇

根據理論計算與動態效應實測試驗研究成果得知，減壓板方案在幾種研究方案中對土體的影響最小，應作為首選方案，其優點如下：

(1)箱形減壓板利用型鋼與鋼板制作，箱形截面剛度大，變形小，有利于均勻分散車輛輪胎的集中荷載。在所研究的三種跨心墻方案中，減壓板方案對心墻的影響最小，最有利于保護心墻土料。

(2)將減壓板直接鋪設在碾壓土面上即可通車，相比其他方案工序少，有利于快速施工。

(3)減壓板可根據需要設計成便于快速拆裝的定型產品，可以重復使用，有利于組織程序化、規范化作業。

(4)利用減壓板跨心墻，道路合格標準明確，有利于檢查與驗收，保護效果直觀；有利于文明作業，可防止對心墻料的混染。

5減壓板的設計與應用

5.1設計原則

(1)截面剛度應滿足重車行駛變形要求，有利于均勻分散集中荷載；

(2)其結構尺寸應便于裝車運輸與快速拆裝；

(3)板間連接結構應確保有效傳遞剪力，防止運行中移位并有利于快速拆裝。

5.2結構與構造

通過受力計算并經現場試驗反復優化后，將減壓板最終設計為“箱型連接鍵+限位環”連接形式的箱形板結構。

重車過心墻道路按單車道設計，減壓板設計寬度為4 m。考慮到出廠運輸要求與方便吊裝，單節長度小于3.5 m。采用工字鋼作骨架，縱橫隔板采用8 mm厚的鋼板，頂面板采用10 mm厚的鋼板，底面板采用8 mm厚的鋼板。節間設計箱形鍵式連接，以滿足連接處荷載的有效傳遞。在板端用鋼板焊接封閉箱形鍵，利用另一塊板端頭的工字鋼翼緣作承口。為防止運行過程中減壓板縱向移位導致連接失效，在接頭兩側設置限位環，用插銷鎖定。每節板兩側共對稱布置4個吊鉤用于起吊。

減壓板結構、構造及實體效果見圖3、4。

5.3應用

大壩填筑實現度汛目標后(心墻填筑到高程1 536 m)，心墻區開始監測儀器的埋設，加之降雨的影響，心墻暫停填筑。此時，首次應用減壓板方案跨心墻運輸，從上游向下游運輸堆石料，運行時間為34 d，累計過重車8 394車次(60 t級自卸車)。

圖3　減壓板結構構造圖

圖4　減壓板實體效果圖

平行布置重車道與空車道。由于降雨，心墻填筑面容易積水，考慮到對碾壓合格土料面實施保護，在車道部位先鋪50 cm厚礫石土保護墊層，然后再鋪減壓板。空車道直接在保護墊層表面鋪20 mm厚的鋼板。減壓板用載重車運輸到現場，由液壓反鏟掛鋼絲繩吊裝，人工輔助就位，連接鍵對齊后安裝限位環鎖定。98 m長(28節)減壓板安裝時間共50 min(不含運輸等待間隙時間)，拆除時間共40 min，滿足快速拆裝的要求。

車輛行駛速度對土體的附加動荷載影響大，根據研究成果，其最大行駛速度不超過15 km/h。在首次應用過程中，實際最高時速按10 km/h控制，并使用測速儀抽查車速。

為了驗證重車過心墻對心墻土體的影響程度并進一步驗證增加重車過心墻次數的可行性，在首次應用減壓板跨心墻運輸結束后，對減壓板下的心墻土料進行了系列試驗檢測，包括顆粒級配、壓實度、滲透系數、壓縮系數、直剪、大三軸等項目。同時，為便于比較，對其他區域(非道路區)同層填筑的土料也進行了壓實度檢測。減壓板道路區域、非道路區域的壓實度檢測值與該層土料填筑時的檢測對比情況見表1。

表1　跨心墻道路應用前后壓實度檢測對比情況表

注：(1)“減壓板下部”系指跨心墻運輸結束拆除減壓板后在路基范圍心墻土料的取樣；“同層非道路區”系指在減壓板路基范圍以外的區域對心墻體取樣，但與減壓板下的取樣同層，且時間同步；“同層填筑碾壓層”系指取樣土層與前兩者相同，但取樣時間是該層土料碾壓后立即檢測。(2)設計全料壓實度不低于0.97。

由表1可知：重車過心墻對土料壓實度指標基本沒影響。跨心墻后的檢測壓實度比碾壓時檢測壓實度明顯提高，這是因為檢測時間相距46 d，屬土體自然固結所致。

另外，滲透系數、壓縮系數、抗剪強度等檢測指標均無明顯改變，滿足設計要求。

跨心墻后的檢測結果證明減壓板方案在過60 t級重車8 000次以上對心墻土料各項性能指標基本沒有影響，過重車次數比研究試驗時提高了一倍且尚有提高的空間，再次驗證了減壓板方案最優的研究結論。

6結語

通過系列基礎性研究與試驗并通過施工生產應用的驗證得知，箱形減壓板(箱形連接鍵+限位環)作為一種工具式拼裝道路應用于超高土石壩跨心墻壩料運輸是目前較優的方案，其既能有效地保護心墻土料，又能滿足快速拆裝的要求，有利于大壩快節奏施工，值得在同類工程中推廣。筆者認為：在其使用過程中應注意以下幾點。

(1)使用時，為進一步提高對心墻土料的保護效果，宜在減壓板下鋪設不小于50 cm厚的礫石土墊層。為使減壓板與基面充分接觸，墊層表面宜用平地機精平。

(2)應嚴格控制跨心墻運輸車輛的噸位，嚴禁超噸位使用(宜小于60 t級)。

(3)應嚴格控制重車跨心墻時的車輛行駛速度(不得超過15 km/h)，并應有可靠的監控措施。

(4)運行過程中須檢查減壓板位移及連接件的損壞情況，應及時校正與修復。

(5)跨心墻道路上、下層須錯開布置，不得布置在同一剖面上，相鄰上、下兩層道路的高差不宜超過3 m。

(6)減壓板吊運措施還可進一步優化，如研究永磁體吊裝，將更有利于快速拆裝。

薛凱(1974-)，男，四川平武人，副局長兼總工程師，高級工程師，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

蘆亞濤(1987-)，男，河南平頂山人，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作；

汪海(1988-)，男，四川眉山人，助理工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)

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收稿日期:2015-05-05

文章編號:1001-2184(2015)03-0001-06

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7;TV541;TV52

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