擠壓邊墻快速施工技術在高面板堆石壩中的應用研究

馮友文，譚其志，劉少東

（1.中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004；2.貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550081）

混凝土面板堆石壩在面板澆筑前，壩體上游墊層料不具備直接擋水與抗沖刷能力。若突遇強降雨，極易造成壩前墊層料沖刷破壞或崩塌變形，特別對在施工期有擋水度汛要求的壩體而言，對壩前防護要求更高。

以往多數面板堆石壩采取“斜坡碾+砂漿固坡”方式進行壩前防護，但砂漿固坡存在諸多不足。需定期暫停壩體填筑且需人工方式進行斜面削坡和斜坡碾壓處理，安全風險高、施工干擾大且成本高，影響直線工期。為此，借鑒道路工程道沿機的擠壓滑模原理，利用1999年巴西埃塔壩（ITA）工程中推出的擠壓式混凝土邊墻技術解決上述砂漿固坡不足的問題。

1 工程概況

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程（以下簡稱“夾巖工程”）位于貴州省畢節市境內烏江支流六沖河上，由水源樞紐工程、畢大供水工程和灌區骨干輸水工程三大部分組成。其中，水源工程混凝土面板堆石壩自上游至下游依次由混凝土面板、墊層區、過渡區、主堆石區和次堆石區等結構組成。壩頂高程1 328.0 m，最大壩高154.0 m，上游壩坡1∶1.4，大壩總填筑方量約473.21萬m3，電站裝機容量為90 MW（3×30 MW）。

大壩上游坡面采用擠壓邊墻方式固坡，其斷面為直角梯形，每層高40 cm，頂寬10 cm，底寬66 cm，上游迎水面坡比為1∶1.4，下游背水面為鉛垂面，擠壓邊墻混凝土為一級配干硬性C5混凝土，總方量約1.224萬m3。具體結構見圖1。

圖1 夾巖混凝土面板堆石壩擠壓邊墻結構（單位：mm）

2 擠壓邊墻現有技術存在的問題

雖然擠壓邊墻與砂漿固坡相比具有較大的優越性，但仍存在一些亟待解決或改進的技術問題。

（1）縮短擠壓邊墻施工與墊層料鋪筑之間的間隔時長問題。間隔時間過長不利于面板壩快速施工。

（2）擠壓邊墻附近墊層料碾壓質量問題。因擠壓邊墻是在同層墊層料鋪筑前完成施工，既要確保墊層料碾壓質量，又不能對擠壓邊墻造成破壞或變形，施工中存在一定困難。

（3）擠壓邊墻難以與壩體沉降同步協調變形的問題。當壩體施工期沉降變形時，因擠壓邊墻受自身混凝土剛性約束會產生一定的拱效應，使擠壓邊墻與壩體墊層料之間無法協調變形而產生局部脫空現象，在面板澆筑特別是蓄水后，混凝土面板會因前期擠壓邊墻脫空而急劇變形產生裂縫。

3 面板堆石壩擠壓邊墻試驗研究

3.1 配合比優化設計

為解決或改進上述技術問題，在夾巖面板堆石壩擠壓邊墻施工前進行了配合比優化試驗研究，要求擠壓邊墻混凝土不僅要具備快速施工特性，還應具備與壩體墊層料相接近的半透水性能和協調變形能力，通過優化調整配合比中的膠凝材料比例及摻入速凝劑的方式達到上述目的［1］。總體按滿足“零坍落度、低抗壓強度、低彈性模量及半透水性”的特性進行了5種配合比優化設計方案，具體見表1。

3.2 工藝性試驗與最佳配合比選定

3.2.1 試驗目的

根據上述各配合比混凝土設置的試驗條件分別進行生產性工藝試驗，通過對其凝固時間、對擠壓邊墻機行走速度的適應性以及在墊層料碾壓過程中是否存在位移、開裂及崩塌等現象展開試驗研究，并根據相應的抗壓強度、密度、彈性模量及滲透系數等進行綜合對比分析，從中選出最優配合比。進而確定在最優配合比條件下擠壓邊墻機的最佳（最快）行走速度、擠壓邊墻混凝土與墊層料鋪填的最佳（最短）間隔時間及對不同碾壓機具的適應性來配置的最佳碾壓機具。同時，尋找達到最佳質量標準條件下的擠壓邊墻混凝土標準化施工工藝流程，以提高擠壓邊墻實體質量和施工效率。

3.2.2 試驗方案

（1）不同配合比適應性試驗方案。該工程擠壓邊墻工藝性試驗按5種配合比分2層先后進行，試驗場地為28 m×10 m（長×寬），其中墊層料鋪筑為28 m×5 m（長×寬）。第一層分A、B兩段，每段長度14.0 m，對應A、B兩種配合比，擠壓邊墻機行進速度為15 m/h。第一層工藝性試驗完成后，再進行第二層試驗，第二層共分C、D、E三段，每段長度分別為9.0，9.0，10.0 m，分別對應C、D、E 三種配合比，擠壓邊墻機行進速度為27.6 m/h，試驗方案見圖2。

（2）墊層料鋪筑與碾壓試驗方案。每層擠壓邊墻完成1 h后開始采取后退法鋪筑寬5.0 m、厚44 cm的墊層料，并整平后灑水（含水量控制5%），在擠壓邊墻完成3 h后開始墊層料碾壓。采用“先大碾后小碾”法，即先用26t SSR260C-6振動碾在距擠壓邊墻邊線80 cm以外區域對A、B兩段進行連續振動碾壓6遍，并在碾壓過程中，將碾輪外輪廓線漸進式向擠壓邊墻靠近。當碾輪外輪廓線距擠壓邊墻內邊線約70 cm時，成型的擠壓邊墻混凝土出現位移、開裂及坍塌等現象，故26 t大型振動碾與擠壓邊墻混凝土頂面內邊線按不小于80cm進行控制。待上述80 cm以外區域碾壓完成后，再采用SVH-700C小型振動碾對80 cm以內區域連續振動碾壓8遍，并確保小型振動碾輪邊線距擠壓邊墻內邊線5～10 cm，避免碾輪直接碾壓擠壓邊墻混凝土造成破壞。在小型振動碾碾壓過程中均未出現擠壓邊墻混凝土位移、開裂及坍塌等破壞現象。大小振動碾行進速度均控制在2～3 km/h［2］。經振后挖坑試驗檢測，大小振動碾碾壓范圍內墊層料干密度、孔隙率均滿足設計要求。墊層料碾壓試驗方案見圖3。

表1 夾巖面板堆石壩擠壓邊墻混凝土配合比優化設計

圖2 擠壓邊墻不同配合比工藝性試驗方案示意（單位：cm）

圖3 墊層料碾壓試驗方案示意（單位：mm）

3.2.3 配合比適應性分析與最佳配合比選定

該次擠壓邊墻共進行了5種配合比適應性工藝試驗，其試驗成果及適應性情況見表2。

綜合上述試驗成果及適應性分析，配合比E效果最優，因此選定配合比E為實際施工配合比。

4 擠壓邊墻與壩體協調變形能力分析

為研究最佳配合比條件下的擠壓邊墻與壩體變形協調能力，通過擠壓邊墻上游面埋設臨時位移觀測點及一期面板澆筑前壩體臨時斷面頂部設置臨時位移觀測墩，分別分析位移觀測數據。通過壩體內部埋設的水管式沉降儀與引張線水平位移計等永久監測裝置，復核和驗證上述數據的可靠性和關聯性，進而分析和判斷擠壓邊墻與壩體之間的變形協調能力，變形監測方案見圖4。

4.1 擠壓邊墻上游坡面臨時位移觀測

為分析和觀測最佳配合比條件下的擠壓邊墻是否與壩體沉降協調一致，在一期面板（高程1 174～1 254 m）澆筑前的擠壓邊墻施工過程中，在其上游坡面上，沿高程方向每隔10 m設置1排，且同一排沿左右方向每隔20 m設置一個，共設置8排38個表面位移觀測點。每個觀測點均在相應高程的擠壓邊墻完成后1～3 d內埋設并同時取得初始值，再按1次/10 d的頻次進行監測。自2018年7月23日取得初始值，至11月20日未期觀測值，對觀測值進行對比分析，其水平位移值介于-87（向上游）～22 mm（向下游）之間，沉降量介于9～48 mm之間。

4.2 大壩臨時斷面頂部位移觀測

在一期面板澆筑前大壩填筑至目標高程1 266 m后，2018年11月6日在臨時斷面頂部靠近擠壓邊墻處設置1排5個臨時位移觀測墩，并于7 d內取得初始值，后按1次/7 d的頻次進行觀測。由于觀測時間晚、周期短且因準備一期面板澆筑而暫停壩體填筑施工，僅取得第一期觀測數據，各測點當前沉降量很小，為0.50～1.76 mm。

4.3 大壩內部永久位移觀測

（1）水管式沉降儀。在填筑過程中，分別在壩體內部高程1 218 m、高程1 235 m處共埋設18支水管式沉降儀，并按1次/周實施觀測。2018年10月18日至11月21日，大壩高程1 218 m堆石體沉降量32.12～119.12 mm，大壩高程12 35 m堆石體沉降量22.23～86.23 mm。

（2）引張線水平位移計。在大壩1 218 m及高程1 235 m各布置4支共計8支引張線水平位移計，按1次/周實施監測。自2018年10月18日至11月21日，大壩1218m高程堆石體水平位移量-3.71～40.03mm；1 235 m高程堆石體水平位移量1.43～28.43 mm。

圖4 擠壓邊墻與壩體變形協調監測方案示意

4.4 小結

由于上述各類觀測受不同監測方式、監測時間點、監測周期與監測部位的影響，無法從監測數據的絕對值來直接判斷擠壓邊墻與壩體變形協調能力。但從各種監測方式的多期監測數據分析，擠壓邊墻的變形規律與其他監測方式卻保持高度一致：各監測點均呈現受填筑初期鋪筑與碾壓影響向上游位移，隨前大壩填筑面的上升和沉降量的增加又呈逐漸回歸向下游位移的規律性變化，沉降量也隨監測高程的抬高和時間的推移呈逐漸增加趨勢，且均無異常現象發生。與類似工程相比，夾巖工程變形量較少，情況良好，充分表明該工程擠壓邊墻混凝土具有與壩體沉降協調一致的良好變形能力。

5 擠壓邊墻適應性分析

該次擠壓邊墻工藝性試驗，墊層料鋪厚44 cm，距擠壓邊墻80 cm以外區域26 t振動碾碾壓6遍，墊層料干容重為2.280 g/cm3，孔隙率為16.2%，滲透系數3.3×10-3cm/s；同樣，在距擠壓邊墻80 cm以內區域小型振動碾SVH-700C碾壓10遍，墊層料干密度為2.280 g/cm3，孔隙率為16.3%，滲透系數為9.8×10-4cm/s；試驗結果均滿足或優于設計指標要求。

6 現場快速施工改進措施及實施效果

為確保擠壓邊墻適應高面板壩快速施工特點，除做好擠壓邊墻混凝土配合比優化設計、最佳鋪料與碾壓方式及碾壓機具的選擇外，在夾巖面板堆石壩填筑及擠壓邊墻實際施工過程中，還采取了以下改進措施。

（1）改進擠壓邊墻混凝土運輸與入倉方式。該工程采取3.0 m3小型農用車運輸，并提前卸料至擠壓邊墻沿線附近的大壩壩面上，在擠壓邊墻施工時，再采取0.9（或0.5）m3小型裝載機喂料。與以往類似工程多數采取小型農用車運輸、人工喂料相比，該工程大大提高了施工效力，并降低了勞動強度與施工成本。

（2）靈活調整初凝時間。該工程擠壓邊墻混凝土按夏季高溫施工時不摻速凝劑情況下初凝時間約2 h控制；冬季低溫施工時，通過靈活摻配液態速凝劑控制初凝時間，達到快速施工的目的。

通過擠壓邊墻混凝土配合比優化設計、與壩體變形協調能力適應性分析與研究，以及現場施工工藝改進措施，2018年4月21日至11月4日，夾巖工程面板堆石壩擠壓邊墻共計完成高程1 174～1 266 m（一期面板澆筑前大壩填筑高程）擠壓邊墻混凝土230層、方量4 491.23 m3，填筑高度92 m。且經現場檢測，一期面板澆筑前近1.5萬m2的擠壓邊墻上游表面不平整度均未超出±2 cm，并實現了1 h后開始鋪筑墊層料、3 h后開始墊層料碾壓，行走速度達50 m/h，達到了高面板堆石壩擠壓邊墻快速施工目的。

7 結語

高面板堆石壩擠壓邊墻施工時，要充分考慮當地氣候條件、壩體填筑強度及現場施工工藝方法等，通過摻粉煤灰以調整水泥等膠凝材料比例、摻速凝劑以調整初凝時間等方式，優化設計出“零坍落度、低抗壓強度、低彈性模量及半透水性”的最優配合比，以達到快速施工和適應高面板堆石壩協調變形能力的目的。