心墙堆石坝心墙掺砾土料填筑施工工法
唐先奇 黄宗营 张耀威 张礼宁 贺博文
1 前言
心墙堆石坝中采用掺砾土料作为心墙防渗土料在我国是少见的，但随着超高堆石坝填筑施工技术的日新月异，心墙堆石坝的填筑高度不断突破，对于200m、300m级心墙堆石坝，采用纯天然土料作为心墙堆石坝的心墙防渗土料已不能满足设计技术要求，需采用备制的掺砾土料作为心墙防渗土料，才能既满足防渗要求又提高变形模量，提高抗剪性能。本工程通过大量的现场生产性试验研究、总结，形成了初步的心墙堆石坝心墙掺砾石土料填筑施工工法，并在堆石坝心墙掺砾石土料填筑施工过程中不断修改、补充、完善。本工法技术、工艺先进，有利于加快心墙掺砾石土料填筑施工进度，同时也极大地确保了工程质量，具有明显的社会效益和经济效益。
2 工法特点
（1）掺砾石土料不直接与坝基基础接触，通过接触黏土料（高塑性黏土）与心墙垫层混凝土面接触。
（2）与心墙填筑无关的运输车辆不允许跨越心墙。
（3）心墙纵、横向埋设监测仪器。
（4）填筑体不允许留纵、横缝，水平层间接合面处理要求高。
（5）碾压设备设置监控装置对填筑碾压全过程实行数字化监控。
（6）掺砾石土料填筑受天气影响较大。
3 适用范围
本工法适用于心墙堆石坝掺砾土心墙和其他砾质土心墙填筑施工。
4 工艺原理
根据设计要求的各项技术指标，通过现场生产性碾压试验取得科学、合理的施工参数，利用相应的施工设备对掺砾土料进行运输、摊铺、整平和碾压、试验检测等，使其各项指标满足设计要求；同时根据大坝心墙重点是水平防渗，防渗方向从上游往下游的特点，有针对性提高搭接界面和层间结合面的处理质量，既保证工程质量，又合理利用资源，降低成本，缩短工期。
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺流程
掺砾石土料填筑工艺流程见图1。
5.2 施工操作要点
5.2.1 测量放线及范围标识
填筑前对基础面或填筑作业面进行验收，经监理工程师验收合格后，由测量人员放出掺砾石土料及其相邻料区的分界线，并洒白灰做出明显标志。
图1 掺砾石土料填筑工艺流程图
5.2.2 卸料、平料、层间处理及层厚控制
（1）心墙区掺砾石土料与岸坡接触黏土料、上下游侧反滤料平起填筑上升。先填上下游侧反滤料，再填掺砾石土料，然后填岸坡接触黏土料。
（2）掺砾石土料与左右两岸坡接触黏土料同层填筑，平起上升。
（3）掺砾石土料采用进占法铺料，湿地推土机平料，载重运输车辆应尽量避免在已压实的土料面上行驶，以防产生剪切破坏，参见图2。
图2 汽车进占铺料法示意图
1—自卸汽车；2—推土机
（4）掺砾石土料铺料过程中，应配与人工、装载机辅助剔除颗粒径大于150mm的块石，并应避免粗颗粒块体集中出现土体架空现象。
（5）掺砾石土料铺料层厚为27～35cm，实际填筑铺料厚度通过现场碾压试验确定。
（6）应严格控制铺料层厚，不得超厚。铺料过程中采用测量仪器网格定点测量以控制层厚。一旦出现超厚时，立即指挥推土机辅以人工减薄超厚部位。
（7）填筑作业面应尽量平起，以免形成过多的接缝面。由于施工需要进行分区填筑时，接缝坡度不得陡于1：3。
（8）进入填筑面的路口应频繁变换，以避免已填筑料层因车辆交通频繁造成过碾现象。
（9）每一填筑层面在铺填新一层掺砾土料前，应作刨毛处理。刨毛用推土机顺水流方向来回行走履带压痕的方法。
5.2.3 碾压及局部处理
（1）每一作业面掺砾石土料铺料完成后，碾压前，应采用湿地推土机通过测量网格定点控制进行仓面平整。
（2）掺砾石土料采用自行式凸块振动碾碾压，碾子自重应大于或等于20t，振动碾行进速度不宜大于3km/h，激振力宜大于300kN。碾压遍数根据现场生产性试验成果确定。
（3）碾压主要采用进退错距法。错距宽度根据碾子宽度和碾压遍数确定。为便于现场控制，碾压时可采用前进和后退重复一个碾迹，来回各一遍后再错距的方式。分段碾压时，碾迹搭接宽度应满足要求：①垂直碾压方向不小于0.3～0.5m；②顺碾压方向为1.0～1.5m。
（4）碾压机行驶方向应平行于坝轴线。局部观测仪器埋设的周边可根据实际调整行走方向。为便于控制振动碾行走方向，确保碾压质量，碾压前应对碾压区域按6～10m宽幅洒上白灰线。
（5）填筑面碾压必须均匀，严禁出现漏压。若出现砾石料集中或“弹簧土”等现象，应及时清除，再进行补填碾实。
（6）心墙掺砾石土料同其上下游反滤料及部分坝壳料平起填筑，跨缝碾压，应采用先填反滤料后填掺砾石土料的填筑施工方法，按照填一层反滤料，填两层掺砾石土料的方式平起上升。
（7）监测仪器周边铺料采用人工铺料，碾压采用手扶振动夯夯实。具体人工铺料厚度，根据现场取样试验成果确定。
（8）碾压设备应安装监控装置，对碾压设备碾压过程和相关参数进行实时监控，以确保碾压质量。
5.2.4 接触黏土填筑
（1）心墙区掺砾石土料与坝基之间一般通过接触黏土过度。
（2）垫层混凝土表面涂刷浓泥浆施工完成。并经现场监理工程师验收合格。
（3）接触黏土料基础面和与岸坡垫层混凝土接触表面铺料填筑前，由人工在其表面上涂刷一层5mm厚浓黏土浆。浓黏土浆的配比为：黏土：水=1：（2.5～3.0）（质量比），采用泥浆搅拌机搅拌均匀，然后由人提运到作业面边搅拌边涂刷，同时要做到随填随刷，防止泥浆干硬，以利坝体与基础之间的黏合。
（4）接触黏土与同层掺砾石土料同时碾压，碾压参数与掺砾石土料碾压基本一致，具体通过现场碾压试验确定。靠近岸坡50～80cm范围凸块振动碾碾压不到的条带，采用装载机胶轮压实。碾压遍数根据现场取样试验成果确定。
6 材料与设备
掺砾土填筑施工机具设备表见表1。
表1 掺砾土填筑施工机具设备表
主要劳动力组织情况见表2。
表2 主要劳动力组织表
7 质量检查与控制
7.1 碾压质量检查
在掺砾石土料填筑施工时，应按合同规定和有关技术要求进行质量检查和验收。
（1）对料源进行检查。掺砾石土料在装运上坝填筑前应进行抽样检查。每次取样不少于3组，每间隔2～3d定期或不定期进行抽样检测。
（2）在填筑时，进行抽样检查。检测的频次见表3。
表3 心墙区掺砾石土料压实检查频次表
7.2 质量控制标准
掺砾石土料填筑压实质量控制标准：按粒径小于20mm的细料压实度控制，采用三点快速击实法检测，按普氏595kJ/m3功能压实度应达到98%以上的合格率为90%，最小压实度不低于96%控制。
7.3 雨季施工措施
（1）在雨季填筑施工，应加强防雨准备，降雨前应采用光面碾及时压平填筑作业面，作业面可做成向上游侧或向下游侧微倾状，以利于排泄雨水。
（2）降雨及雨后，应及时排除填筑面的积水，并禁止施工设备在其上行走。
（3）雨晴后，经晾晒，填筑作业面的掺砾石土料经检测含水率达到要求后，才允许恢复施工。
7.4 铺料过程控制
（1）施工、质检人员在推土机铺料过程中，应用自制量尺或钢卷尺，随时对铺料厚度进行检测，不符合施工要求时，应及时指挥司机调整推土机刀片高度，对铺料超厚部位及时处理。同时，采用测量网格定点控制层厚。
（2）运输车辆进入料仓的路口应频繁变换，避免土料过压现象。
（3）推土机平料时，保证每层料厚度均匀。
7.5 验收
每单元铺料碾压完成后，经取样试验结果满足设计要求，并经质检人员“三检”合格后通知监理工程师进行验收，验收合格后方可进行下一循环的施工。
8 安全措施
（1）认真贯彻“安全第一、预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，工程实际组建安全管理机构，制定安全管理制度，加强安全检查。
（2）进行危险源的辨识和预知活动，加强对所有作业人员和管理人员的安全教育。
（3）加强对所有驾驶员和机械操作手等特殊工种人员的教育和考核，所有机械操作人员必须持证上岗。
（4）严格车辆和设备的检查保养，严禁机械设备带病作业和超负荷运转。
（5）加强道路维护和保养，设立各种道路指示标识，保证行车安全。
（6）加强现场指挥，遵守机械操作规程。
9 环保措施
（1）对交通运输车辆、推土机和挖掘机等重型施工机械排放废气造成污染的大气污染源，采取必要的防治措施，做到施工区的大气污染物排放满足《大气污染物综合排放标准》（GB 16297—1996）二级标准要求。
（2）本工法施工车辆多，运行中容易扬尘，必须加强对路面和施工工作面的洒水，控制扬尘污染。施工期间应遵守《环境空气质量标准》（GB 3095—1996）的二级标准，保证在施工场界及敏感受体附近的总悬浮颗粒物的浓度值控制在其标准值内。
（3）所有运输车辆必须加挂后挡板，防止掺砾土运输途中土块沿路洒落。
（4）对不合格的废料按规划妥善处理，严禁随意乱堆放，防止环境污染。
（5）做好施工现场各种垃圾的回收和处理，严格垃圾乱丢乱放，影响环境卫生。
10 经济效益分析
本工法填补了国内高心墙堆石坝心墙掺砾石土料填筑工法的空白，特别填筑碾压设备安装监控装置对碾压施工相关参数进行实时监控管理，进一步确保了施工质量，全面提高了大坝填筑的管理水平，为今后同类型坝的施工提供了重要经验，也为我国300m级高心墙堆石坝填筑规范编写提供了重要的依据。
本工法与以往的土料心墙坝工程的工法相比，程序规范，工程进度快，有利于文明施工，能更科学合理地利用各种施工资源，进一步推动我国高心墙堆石坝施工技术水平的发展，具有良好的社会效益和经济效益。
11 工程实例
11.1 糯扎渡水电站大坝工程
11.1.1 工程概况
糯扎渡水电站位于云南省普洱市翠云区和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上（坝址在勘界河与火烧寨沟之间），是澜沧江中下游河段八个梯级规划的第五级。坝址距普洱市98km，距澜沧县76km。水库库容为237.03×108m3，电站装机容量5850MW（9×650MW）。工程总投资600多亿元，大坝为直立掺砾土心墙堆石坝，坝顶高程为821.5m，坝顶长630.06m，坝顶宽度为18m，心墙基础最低建基面高程为560.0m，最大坝高为261.5m，上游坝坡坡度为1：1.9，下游坝坡坡度为1：1：8。
掺砾土总填筑量约480万m3，掺砾料场距大坝约6.0km，施工车道为双车道混凝土路面，施工工期为2008年11月至2012年10月，每年的6—9月为汛期，基本不能施工，净施工工期约36个月，平均月填筑强度11.1万m3。
11.1.2 掺砾土填筑情况
11.1.2.1 工程质量标准及施工参数
设计参数及技术要求：全料压实度按修正普氏功能2690kJ/m3应达到95%以上，掺砾土料干密度应大于1.90g/cm3，压实参考平均干密度平均1.96g/cm3，渗透系数小于1×10-5cm/s。级配要求最大粒径不大于150mm，小于5mm颗粒含量48%～73%，小于0.074颗粒含量19%～50%。
现场实际按粒径小于20mm的细料压实度控制，采用三点快速击实法检测，按普氏595kJ/m3功能压实度应达到98%以上的合格率为90%，最小压实度不低于96%控制。
通过碾压试验，获得施工参数：20～25t自卸汽车进占法进料，推土机摊铺、平料；铺料厚度33cm，后经专家组审定改为27cm，含水率按最优含水率-1%～+3%控制；三一重工20t自行式凸块振动碾碾压10遍，行走速度控制在3.0km/h以内。
11.1.2.2 施工质量及试验检测情况
（1）大坝填筑掺砾土料采用细料 （＜20mm）三点击实法，每层铺料厚度为27cm，共检测2333组。
全料干密度1.86～2.15g/cm3，平均值1.98g/cm3；细料压实度96.8%～104.6%，平均99.3%，细料压实度98%的压实标准合格率99.1%，达到优良等级评定标准。
检测结果表明：本阶段掺砾土料压实指标和级配指标满足设计要求。
（2）大型击实试验。在采用细料三点快速击实法控制的同时，每周做三点大型击实试验（300型）进行对比复核，统计期内共进行27组，同时还进行11组600型超大型击实试验，试验结果表明目前的质控标准和方法满足设计各项技术指标要求。
（3）渗透试验结果：2011年2月21日到2012年2月20日，现场原位水平、综合渗透试验检测各3组，试验结果满足设计要求。
11.1.3 掺砾土料施工进度情况
由于地质及气候影响，掺砾土料填筑比合同工期晚开工3个月，相比投标合同填筑层厚变薄、层数增加、碾压遍数增加，碾压工程量大大增加，采用了本工法后，在只增加2台凸块振动碾的情况下，赶回工期200多天，月最高峰填筑强度达到25万m3，最高月上升速度达到12.18m，提前9d达到500年一遇防洪度汛填筑高程。
11.1.4 工程质量评价
糯扎渡大坝心墙掺砾石土料于2008年11月底开始填筑，施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态。掺砾土料填筑过程中经施工、监理、设计、业主等单位取样多次检测，各项技术指标均满足设计要求。坝体内埋设的各种监测仪器监测的沉降变形、水平位移、渗流等测值均满足设计要求。多次被业主评为工区样板工程。同时也得到了国内很多知名专家的好评。
11.2 杂谷脑河狮子坪水电站大坝工程
狮子坪水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州理县境内岷江右岸一级支流杂谷脑河上，为杂谷脑河梯级水电开发的龙头水库电站，电站装机3台，单机容量65MW，总装机容量195MW。坝顶高程2544m，最大坝高136，坝长309m，坝顶宽12m，坝体填筑量约625万m3。
该工程采用掺砾土心墙堆石坝坝体填筑施工技术，大坝填筑创造月高峰65万m3和砾土心墙月上升15m的高峰速度，有效地保证了水电站防洪度汛和蓄水发电的双重目标顺利实现。创造了巨大的经济效益和社会效益。
心墙堆石坝心墙掺砾土料填筑施工工法图片资料见图3～图20。
图3 填筑全貌
图4 填筑分区
图5 进占法卸料
图6 推土机水平摊铺
图7 碾压前白灰撒出碾压参照线
图8 分区洒线碾压
图9 凸块碾碾压工艺
图10 进退错距法碾压
图11 与反滤料接界处齐缝碾压
图12 坝料铺层厚度测量控制
图13 推土机仓面平整
图14 洒水车层间结合补水
图15 人工喷雾补水
图16 安全监测仪器周边采用夯板人工夯实
图17 人工挑拣超径石
图18 现场颗分试验
图19 大型击实仪
图20 600mm大型击实仪击实试验