超高含水率黏土在斐濟維尼撒烏勒烏水電站心墻堆石壩中的應用

丁 龍

(中國水利水電第十工程局有限公司國際公司，四川 成都 610072)

1 概 述

維尼撒烏勒烏水電站大壩加高項目(WWRP)位于斐濟主島維提島正中部，東經178°，南緯17.8°，地處斐濟海拔最高的區域。該工程是對原樞紐結構加高以增加其最大庫容，增長年發電時間以及對下游水庫補水，是繼南德瑞瓦圖項目后電建集團在斐濟實施的第二個項目。工程主要由黏土心墻堆石壩、混凝土溢流堰、上壩公路等組成。該項目為FIDIC紅皮書條款下的國際性競標項目，合同模式為單價承包合同。業主為斐濟國家電力局(FEA),設計方及監理方為美華新西蘭公司(MWH)。

該項目地處干濕氣流交匯區，日均氣溫32 ℃，年均降雨4 800 mm。項目所在區域基本上全年有雨，無明顯旱季，月降雨量變化不明顯，月晴天數少于7 d。特殊的氣候條件要求施工團隊在進行心墻填筑施工時一定要充分利用天氣變化和資源的靈活調動；同時，該地區土壤為超高含水率黏性土，取料場土料源的平均含水率高達74%，其承載力差，不適宜中大型機械作業，故將這種超高含水率的黏土作為心墻的填筑料并成功施工是該項目具有的特點與難點。對超高含水率黏土在斐濟維尼撒烏勒烏水電站心墻堆石壩中的應用情況進行了介紹。

2 料源選擇

2.1 心墻的設計要求

(1)心墻填土材料的粒度分布應完全位于級配限制表中的規定線之間，級配限制情況見表1；

表1 心墻填土材料級配限制表 /%

(2)少量有機質、細石占填料體積的比例小于5%且分布均勻；

(3)黏土料壓實后應確保其達到30 kPa的最小不排水抗剪強度；

(4)填筑料含水率的允許范圍由工程師根據壓實試驗結果確定。壓實應確保所鋪設的每一層干密度為標準壓實試驗(NZS4402:1986第4.1節)中確定的相同材料在相同含水量下的干密度的98%；

(5)滲透系數不大于1×10-6cm/s；

(6)水溶鹽含量不大于3%。

2.2 心墻土料場的選擇

預選土料場為風化的多水高嶺土為主的殘積黏土料，連續分布且厚度適合機械開采，儲量豐富，但其含水率過高。對土料場取樣并進行檢測的物理力學性能指標見表2。

表2 土料物理力學性能指標

除土料天然含水率遠高于規范要求的最優含水率和塑性指數較高外，其他各項性能指標均符合規范對土料的質量要求。鑒于有采用類似黏土材料填筑土壩的先例，且現場附近30 km以內無含水率合適的黏土料源，經地質專家分析認為：可選用該超高含水率的黏土作為心墻填筑料。但施工前須經過嚴格的試驗論證以確定其填筑強度、厚度、施工機械等參數及各項力學性能。

地形分析和采樣試驗確定了兩處黏土取料場，位于右岸壩肩旁的土坡及左岸運輸道路旁的土坡。這兩處山坡面積大、坡度緩、靠近壩區、無山遮擋、臨近上壩道路，能夠滿足易裝載、易運輸等條件；但料場排水快，大暴雨僅能濕潤其表層黏土，下部黏土依然保持合適的含水率，可提供穩定的心墻填筑料。

3 填筑前的碾壓試驗

3.1 碾壓設備的選擇

正式填筑施工前，根據已選定的施工機械明細表和料源情況初步確定各種試驗參數[1]并進行填筑適應性試驗。

一般采用震動凸塊碾碾壓土料。但對使用凸塊碾碾壓超高含水的黏土是否可行存在疑問。經查閱斐濟蒙加拉水電站土石壩的黏土斜墻填筑資料發現其實施過程中有采用推土機碾壓黏土的先例[2]。而前期臨建施工中采用寬履帶推土機進行堆土和壓實土層的過程中未深陷松散黏土中，其V型履帶板可有效切碎黏土，行走碾壓過程中不與黏土發生黏結，行走振動又給予黏土以振動壓實?？紤]到該項目黏土的高含水，最終選定振動凸塊碾和SD16濕地推土機進行土料碾壓對比試驗。

3.2 振動凸塊碾碾壓試驗

在晴天于料場清理出一塊原狀黏土平臺進行輪胎式凸塊碾碾壓試驗。采用反鏟挖掘機取料、攤鋪，16 t凸塊碾碾壓，全站儀測量填筑厚度。試驗發現：由于黏土含水率太高，黏土成塊黏附在凸塊碾間隙，凸塊碾變為光面碾失去了凸塊的作用，且凸塊碾輪胎沾上高含水的黏土后打滑而無法有效行進。反復試驗失敗后，技術人員分析認為：傳統凸塊碾作為該項目黏土心墻碾壓機械在該特殊條件下不可行。

3.3 SD16推土機碾壓試驗

在料場清理了一塊原狀黏土平臺進行SD16推土機攤鋪、碾壓試驗。試驗料源的黏土含水率高，因而試驗需要準確地確定各種試驗參數以獲得最好的壓實度、穩定性及防滲效果。

(1)試驗準備。在料場挖出一塊10 m×8 m的平坦場地，基礎為原狀黏土，采用反挖攤鋪，測量校核找平，將高差控制在10 cm以內；試驗土料取自右岸料場(主料場)；試驗設備有平口反鏟、推土機、全站儀、十字剪等。

(2)試驗內容。①通過不同的攤鋪厚度、碾壓遍數測量其抗剪強度，比較抗剪強度數據，選取符合要求的數值；②抗剪強度：根據設計要求，黏土填筑料碾壓試驗抗剪強度[3]達到30 kPa即可。進行試驗后，對于超過30 kPa的數值選取較大值；③干密度：根據不同的攤鋪厚度、碾壓遍數，采用灌砂法測出對應的干密度，每層攤鋪厚度、碾壓遍數、抗剪強度確定后，選取對應的干密度數值。

在側斷面觀察碾壓后的土料均勻、密實，十字剪測得其抗剪強度大于30 kPa，V型履帶推土機進行高含水率土料碾壓試驗數據符合設計要求。最終選擇了滿足要求和利于施工的一組數據作為心墻施工的技術參數，當填筑厚度為15 cm、碾壓遍數為6遍時，填筑料獲得最好的密實完整性和最大的抗剪強度。

4 黏土心墻的施工

該項目的心墻施工開始于2013年4月。最初的施工方法由填筑試驗及圍堰施工經驗演變而來，針對不同高程、不同部位的心墻進行因地制宜的施工。

4.1 取料場開采方案

在料場清除其表層的有機質和腐殖土后對土料取樣進行檢測(如土樣顆粒粒徑、含水量、塑限等)直至出現符合要求的黏土[4]。對料場靠山坡高側挖截水溝，采用無齒反挖后退法將料場表面清理干凈。根據土料的層狀分布以及高程情況確定取土厚度，考慮合并兩種開采方案。方案一：采用反鏟垂直式取料，使層與層之間土料混合，保持土料的均勻性。反挖直接取料混合后裝車運輸。方案二：晴天過后，由推土機在水平斜坡面上順坡開采，將開挖料推運到裝運區域裝車。該方案提高了集料的效率，保證了填筑需求量，能提供高質量、均勻、合適含水率的填筑料。最終決定：優先選用方案一，隨著斜坡高度的增加以及填筑強度的增高，合并方案二開采。

4.2 存料及運輸卸料方案

(1)存料方案：對于施工初期開采的黏土，適宜遮蓋后堆存。但因該項目區域夜晚常被水汽籠罩，空氣濕度太高，堆存料吸收空氣中的水汽而使其含水率大增，土料性能變差，導致堆存土料方案不可行。最終考慮采用現挖現用、提前集料的方案，不考慮土料堆存。

(2)運輸卸料方案：心墻料采用15 t自卸汽車運輸上壩壓實，但因土料強度低，無法承受重車壓載，為防止已壓實的填土遭受過壓破壞和污染過渡層，采用鋼框架和木板組合的墊板鋪設在過渡層和心墻面上，卡車倒退開行卸料。自卸車上壩前保持車輪清潔，卸料前將過渡料表面用鐵皮遮蓋，由專人指揮卸料。

4.3 心墻壓實的施工

卸料和鋪料以進占法為主，輔以后退法和綜合法；采用進退錯距法的一站式施工方式；心墻填筑高程比堆石區低50 cm或以上；施工執行分段分區、流水作業。

(1)攤鋪：填筑料運至現場后，采用推土機和無齒反鏟進行攤鋪，攤鋪厚度應符合試驗要求的既定厚度，攤鋪時沿壩軸線方向保持3%～5%的坡度。采用全站儀測量放線后，在填筑邊界設填筑厚度標尺桿，在標尺桿之間拉線控制攤鋪厚度，將其嚴格控制為15 cm一層。

(2)碾壓：采用SD16L濕地推土機碾壓心墻填筑料。推土沿心墻軸線方向進行，連續兩次推運料時盡量避免V型履帶對心墻料的重復碾壓，避免高含水心墻料碾壓次數過多導致的膨脹破壞；推土機行走履帶板碾壓搭接寬度約為20 cm，必須保證心墻填筑層面的搭接并避免形成斷裂，推土機履帶板的V型齒使松散的黏土呈齒型槽陷進下層已碾壓的土層中，使新舊填筑層間形成了較好的結合(必須避免層間分隔)。當填筑厚度為15 cm時，推土機碾壓過后的厚度約為7.5 cm。推土機行走碾壓過程中，在已壓土料與松散料之間形成了高差，當履帶板錯距碾壓一遍后開始進行第二遍碾壓，碾壓采用前進后退法，每次前進后退中錯開壓實，并保證每一層黏土碾壓6遍。在后幾遍的碾壓過程中，由于推土機兩塊履帶板之間有間隔，加上推土機的重量，V型履帶板碾壓區域與旁邊已碾壓的區域會出現輕微的顫動和擠壓膨脹，對此，應在后退時注意碾壓膨脹區域使土層回歸平整。

(3)與接觸結構部位的碾壓及處理。

①對于與混凝土及過渡料接觸部位的碾壓：采用蛙式振動夯沿心墻軸線方向振動碾壓2遍即可滿足壓實要求，碾壓后采用十字剪檢測壓實抗剪強度。

②對于與細過濾料接觸部位的碾壓：采用30 cm高的木板將黏土與過濾料分隔，預先填筑一定厚度的過濾料做支撐，推土機緩行碾壓，碾壓密實后移除木板，回填過濾料并用平板振動夯做壓實處理，確保心墻邊界與過濾料緊密結合。

4.4 心墻的遮蓋與排水

區域強降雨導致已壓實的心墻表面形成沖刷溝。填筑前需清理心墻表層10～20 cm的污染料。鑒于降雨頻繁導致清理工作量大，應考慮對整個心墻進行大篷布遮蓋用于防雨。

(1)遮蓋：碾壓完畢或降雨來臨前及時對心墻進行遮蓋。施工前預備篷布，篷布應密閉、防水，篷布之間的搭接須保證向上游面排水、不滲漏到心墻，篷布破壞后應及時更換。

(2)排水：心墻填筑后不能被雨水或地表水浸泡[5]，心墻填筑縱向斷面沿壩軸線方向保持3%～5%的坡度，橫向斷面呈微向上游傾斜，同時在上游過渡料與心墻接觸位置預留缺口排水，該缺口略低于心墻高程，局部設集水坑、布置水泵輔助排水。

4.5 心墻填筑的進度、質量與SHE控制

(1)進度控制。設置專人進行水文和氣象資料的收集和預報，將工作細分到面到點到人，實行長鏈、細鏈的網絡，使各處的施工進度從預計到實施誤差極小，以確保多雨環境下的突擊填筑。

(2)質量控制。心墻填筑采用英國(BS)和新西蘭(NZ)土石壩規范進行質量控制，主要為料源質量控制、現場填筑控制與填筑后控制。一定要重視料源黏土的含水和塑性程度，以源頭控制、過程控制為主，在每倉填筑前，均需先確定預開采的料場的料源質量是否符合相關技術要求。

在心墻施工過程中，技術人員對質量進行了全程監督、指導和控制?，F場填筑材料嚴格按照澳新標準要求每倉填筑前現場填寫黏土心墻填筑許可證，許可證內容包含：①基本信息；②填筑準備檢查記錄；③填筑工程量；④咨詢工程師意見及簽字。

對每一層碾壓完成的土料進行十字剪抗剪強度檢查。當局部不合格時，應進行周邊多數據檢查并測算平均值，輔以挖坑觀察填土結構是否良好，采用環刀法對壓實層進行取樣試驗，通過試驗成果驗證設計參數的取值并了解填土狀態。

(3)SHE管理控制。建立切合斐濟實際情況的安全、健康、環境管理體系；重視勞工的生活、福利、管理的控制；依據斐濟環境法規從計劃報批到規劃實施進行施工現場和開采料場的環境管理，達到環境和施工的良好結合。

5 結 語

斐濟維尼撒烏勒烏水電站大壩加高項目于2012年1月開工，2014年11月提前竣工。施工期及后續一年的心墻堆石壩變形監測及滲流監測結果證明：心墻防滲達到設計防滲要求，防滲效果良好，心墻堆石壩穩定安全。

采用自然含水量高達74%的黏土在每月僅有5～6 d晴天的極端天氣下施工大壩心墻，現場控制從以往項目的一般壓實度、含水率的控制轉變為現場測定抗剪強度的控制，體現了對特殊項目特殊材料施工的變通，證明了直接運用超高含水率的黏土在極端氣候環境下施工心墻是可行、經濟、值得被廣泛采用和推廣的，為類似環境和條件下施工類似的工程提供了依據和借鑒。