西藏墨竹工卡直孔水电站高塑性粘土土心墙坝设计

西藏墨竹工卡直孔水电站高塑性粘土土心墙坝设计

1工程地质及水文气象条件直接孔水库位于西藏墨竹工卡县拉桑河上。是西藏最大的水库。直接孔水库主要用于发电，同时考虑防洪和灌溉。枢纽由混凝土闸坝、堆石坝、引水系统及岸边厂房系统组成。堆石坝为碎石土心墙坝,坝壳料为砂砾石;坝顶宽6m,最大坝高56m,上游坝坡1∶2.1,下游坝坡1∶1.9。工程区域属于高原温带季风气候区,干湿季节分明,具有气温低、日温差大、年温差小、降水少、蒸发大的高原气候特征。多年平均气温5.6℃,极端最低气温-23.1℃,极端最高气温26.7℃。坝址区拉萨河河段河谷宽阔,由岩石孤岛将河床分为左右两支,左支为主河床,最深部位约28m。2堆石坝施工2.1与大坝坝壳料之间的反滤层碎石土心墙顶高程为3892.00m,顶宽3m,上、下游边坡均为1∶0.25,心墙与大坝坝壳料之间设反滤层。主要工程量:土方明挖192400m3;碎石土填筑111913m3;高塑粘土填筑13104m3;反滤料填筑94941m3;坝壳砂卵石填筑658600m3;干砌块石26418m3。计划工期为2004年4月开工,2006年11月完工。2.2完成施工(1)坝料坝料开放系统碎石土心墙防渗料、坝壳堆筑料位于坝区附近,高塑性粘土扎西岗料场距坝址40km,需自行组织开采。砂石料和反滤料的供应均由业主在坝区提供。各种坝料开采采用常规方法,分层剥离,自上而下分台阶开挖,主要设备为液压反铲、TY220推土机和15t自卸汽车。高塑性粘土设计参数由于粒径较小,含水率控制较严,故设置了专门料场库房生产储存,粘土料运到加工场地后进行摊晒,破碎机破碎至设计粒径后运至库房分层撒水堆放养护,严格控制含水率,检测合格后上坝填筑。(2)坝体填筑料现场压实试验复核坝料室内及现场碾压试验非常重要,其对大坝的填筑质量、设备选型、施工进度都起着关键性作用。通过坝体填筑料的现场碾压试验复核室内试验所测定、确定的有关技术指标、参数。坝料填筑试验碾压施工参数见表1。(3)坝体材料的填筑与铺料由于本工程地处高寒地区,为了保证施工质量,冬季停止施工,每年4～11月施工。填料顺序一般为高塑性粘土——碎石土心墙料——反滤料——坝壳料,但根据供料情况和设备配置情况填料顺序也进行了变换。高塑性粘土填筑范围为混凝土防渗墙周围上下游侧各1.5m,总高度6m,将防渗墙嵌入坝体的部分包裹在其中。填筑时,同一层高塑性粘土先于碎石土心墙料进行填筑,人工分层铺料,蛙式打夯机夯实。防渗心墙采用碎石土料,总高度为37m,底部最大宽度为20.5m,顶部宽度为30m。根据施工图纸在填筑面上逐层放出各区的分界线,立杆架线,标注各区填筑的厚度。每次铺料前洒水车洒水一遍,再用推土机履带或反铲在填筑面上匀速开行一遍,将前一层已填筑压实的碎石土心墙表面刨毛,采用进占法铺料,推土机推料摊铺。反滤料的铺设位置为坝体碎石土心墙上下游侧3m的范围,反滤料紧靠心墙填筑。填筑时采用10t自卸汽车运输上坝,液压反铲配合人工摊铺反滤料,平碾震动压实,应特别注意反滤层与心墙料或坝壳料接缝处的碾压,以保证压实度。大坝上下游坝壳料主要由砂卵砾石料构成。坝壳卵砾石料底部填筑宽度为6～189m,采用进占法铺料,T220推土机推料摊铺平仓。为保证边缘压实度、预留斜坡碾压沉陷量,其水平宽度向外超填60～80cm,以便填筑完成后进行削坡。大面采用21t振动凸块碾碾压,平碾收面。2.3质量控制(1)坝体施工过程控制首先采用全站仪测放点线,严格控制填筑边线和坝体的轮廓尺寸。坝体填筑时保证上坝料源不含杂物,严格控制各种坝体填料的级配并检测分层铺料厚度、含水率、碾压遍数及干容重等碾压参数,碾压施工过程中要严格按规范规定进行分组取样试验分析,其下面一层施工未达到技术质量要求不得进行上面一层料物的施工,施工后的坝面平整、顺直、洁净美观。(2)墙填筑面施工鉴于坝址地处高寒地区,为了保证填筑质量,碎石土心墙料和高塑性粘土料尽量安排在白天施工,冻土料一律不准上坝填筑;气温低于4℃时,对施工完的土心墙填筑面采用棉被进行覆盖保温;气温低于规范规定范围时,停止进行碎石土心墙料施工。冬季施工采用快速连续作业,协调好各个施工环节,尽量缩短铺料、碾压等工序之间的间歇时间。雨季填筑施工中,根据现场的施工条件采取防雨措施,下雨时停止碎石土心墙料、高塑性粘土等的填筑施工。雨前用振动碾快速压实表层松土,并注意保持填筑面平整,以防积水和雨水下渗,铺设防雨塑料彩条布等;雨后填筑面进行晾晒处理,挖除表面弹簧土层,经检查合格后进行下一工序施工。(3)反滤料区合格情况对于填筑料的质量控制,含水率和压实度及干密度是几个重要指标。通过抽检的9个单元得知,坝壳料区合格率100%,优良率89%,其中最小值2.3g/cm3,最大值2.39g/cm3。反滤料区合格率100%,优良率92.5%,其中最小值2.15g/cm3,最大值2.2g/cm3。碎石土心墙料区合格率100%,优良率91.2%,其中最小值1.89/g/cm3,最大值1.92g/cm3,压实度达98%。满足设计要求。3案例实施过程中没有成功的原因本工程共进行了两次导截流,第二次导截流成功。简单论述了第一次导截流失败的经过。直孔电站采用两期导截流,本工程为二期导截流。据进度要求,2005年10月下旬实现主河床截流,2006年10月30日坝体具备挡水条件。第一次导截流施工计划于2005年9月25日开始,2005年10月11日完成河床截流。在10月11日实施过程中没有成功的主要原因有以下几个方面:(1)对导截流工程的复杂和风险性认识不足,材料准备工作不到位。截流材料准备严重不足,由于拉萨河水流急且水量变化较大,上围堰距龙口合龙十几米时,截流大块材料已用完。按以往截流经验,截流材料准备量应是理论计算的2～3倍,但实际储备量没有达到。(2)右岸30m长戗堤的裹头没有加固好,即将合龙时,造成水流冲毁。(3)左岸戗堤进占时,戗堤面离水面过高,造成戗堤填筑量大,严重影响戗堤进占速度;同时,戗堤端头回车场太小,影响了汽车运输卸料速度。(4)河道分流不畅通,没有采取有效措施。通过对以上几方面进行改进,总结经验,在进一步完善技术方案,充分作好各项准备工作的前提下,第二次导截流于2005年10月19日成功。4坝体填筑料及护坡设计二期导截流成功后,堆石坝填筑到设计蓄水位高程是直孔电站确保2006年底首台机组发电的重要环节,工期非常紧迫。通过建设方、设计、施工等单位的密切协作,采取了以下几个方面的设计方案优化,简化了施工程序,缩短了工期,提高了效率:(1)基坑开挖:原设计截流围堰形成闭气后进行基坑排水,然后进行基坑覆盖层的开挖,开挖量约5万m3。由于坝基防渗结构为混凝土防渗墙及帷幕灌浆,防渗墙顶设计高程为3859.00m,碎石土心墙底高程为3855.00m,基坑水位高程为3851.00m,通过对河床地质条件的分析研究,取消坝基开挖,采用水下抛填石料填至水面以上再进行分层碾压填筑,满足防渗墙施工高程,节约工期约两个月。(2)填筑料优化:主要是高塑性粘土料的优化。设计技术要求为Dmax≤2mm;<0.075mm粒径的颗粒含量≥92%;塑性指标Ip≥15;压实后渗透系数K≤1×10-6cm/s。在实际施工中,开采的土料含水率较大,成块状。加工生产过程中,粒径很难控制在2mm以内,同时,塑性指标也无法达到要求。经过设计修改,Dmax≤10mm以下,加快了施工进度,技术指标也达到了要求。(3)坝面修改:干砌块石护坡用于堆石坝工程上、下游填筑坡面,其设计平均厚度为50cm,总面积达78750m2,技施设计工程量37866.90m3。块石料选用坝下游左岸荣朵村块石料场,但存在以下几个方面问题:①破坏山地生态植被,对环境保护不利,恢复非常困难,造成投资增加;②料场左侧是当地村民的居住地,且距料场直线最近距离为50m,料场开采存在较大安全隐患;③在料场的下方是电站的进场永久公路,施工爆破易造成对公路的损坏,危及车辆和行人的安全;④开采的石料粒径不规则,块石护坡面存在缝隙,对坝面填筑细料的保护较差,外观质量也不能充分得到保证;⑤制约施工进度。经施工单位建议,业主、设计、监理研究确定坝体上游坡面采用C20干砌混凝土预制块护坡,下游坡面采用C20干砌混凝土预制块网格内填充卵石的护坡方案,预制块采用正六面体,边长30cm,厚15cm,相比工程投资增加了20%,但远远小于恢复生态增加的投资。通过该方案的实施,加快了堆石坝施工进度,提高了坝面整体的内在和外观质量,保护了生态平衡,为直孔水电站下闸蓄水、发电创造了有利条件。5设计优化的重要性(1)在西藏高原地区施工要明确各种气候条件下的施工时段,尤其对心墙土料及反滤料在低温施工时要采取有效的保温措施,对暴雨的防范措施也非常重要。(2)根据现场实际情况,设计优化起到了关键作用,尤其是在环境保护、安全方面,