云荞水库混凝土面板堆石坝施工
黄龙江,周德青
(中国水利水电第九工程局,贵州 贵阳 550001)
摘 要:云荞水库在施工中成功地采用了洞室爆破开采坝体填筑料、垫层料,以及混凝土砂石骨料联合生产、混凝土面板的无轨滑模施工等多项新技术、新工艺,均取得了很好的较果。
关键词:水利工程施工;混凝土面板堆石坝;坝料开采;坝体填筑;趾板;面板;无轨滑模;云荞水库
中图分类号:TV641.43; TV52 文献标识码:B 文章编号:1007-0133 (2004)05-0048-06
工程概况
云荞水库位于云南省永善县景新镇胡家山村附近的井底小河上游,距县城24 km。水库为不完全年调节水库,总库容1 043万m³,主要为下游提供农田灌溉、城镇生活和工业供水。水库枢纽由拦河大坝、左岸输水隧洞、右岸开敞式溢洪道和导流隧洞组成。拦河大坝为混凝土面板堆石坝,坝顶高程1 949.00 m,坝高80 m,坝顶长321.96 m,坝顶宽10 m,上游坝坡1∶1.4,下游坝坡在1 899, 1 929 m高程设有2条马道,马道宽为2 m, 1 929 m马道以下坝坡为1∶1.5,以上为1∶1.6。坝体横剖面见图1。
云荞水库处于高寒山区,年平均气温10℃,多年平均日照900~1 000 h,年平均湿度90%。坝址区雾雨天气多,昼夜温差大,冰冻期较长(11月至次年的3月),洪水期为5月1日至9月30日,枯水期为10月1日至次年的4月30日。
工程于1999年1月1日开工,当年9月15日截流, 2000年2月开始坝体填筑, 2001年10月一期面板浇筑, 2002年6~9月二期面板浇筑, 2003年7月下闸蓄水,施工总历时4.5年。
1 施工总布置
1.1 料场及弃渣场布置
云荞水库在坝址区上、下游共选用了3个料场:荞棚子料场位于坝址上游,紧临昭永公路,距坝址约2km;胡家山料场位于坝址下游左岸,也紧临昭永公路,距坝址约2 km;灯盏窝料场位于坝址下游右岸,距坝址约1.8 km。
坝基开挖弃渣场布置于坝址下游右岸冲沟内,距坝址600 m左右,坝基开挖的55万m³土石方堆弃在此弃渣场,为了保证弃渣的稳定,在冲沟上游修建了截水沟将冲沟水引至下游主河道。
1.2 施工道路布置
混凝土面板堆石坝的施工道路布置是否合理至关重要,云荞水库的施工道路在充分利用已有道路的基础上,根据现场实际的地形地质、各施工期对施工道路的要求及料场的布置等情况,本着经济合理的原则进行了以下布置:
(1)左岸道路布置。将原来从坝址左岸1 890m高程经过的昭永公路改线从左坝肩1 953 m高程经过,新旧2条昭永公路将荞棚子料场、坝址和胡家山料场3个施工场地相连接。施工中,利用昭永公路作左岸施工主干道,并分别在上游1 869,1 890 m高程和下游1 895, 1 920 m高程及左坝肩共修建了5条上坝道路。
(2)右岸道路布置。在坝址下游的1 875,1 915, 1 939 m高程分别修建了下、中、上3条施工道路,其中下、中线主要承担坝基开挖出渣和坝体在前、中期填筑时灯盏窝料场上坝料的运输;上线跨溢洪道上坝(在已开挖成槽的溢洪道内填石渣),主要承担坝体后期填筑时灯盏窝料场上坝料及溢洪道下部施工的运输。
(3)另外,为了满足坝体分期分区填筑要求,在坝体内灵活地设置“之”字形道路。
1.3 施工风、水、电布置
(1)施工用风。在坝址下游左岸1 895 m高程道路边布置了1座40 m³的空压机站,主要为坝基开挖及左岸引水隧洞施工供风;主供风管采用Φ120 mm的钢管沿河道布置,向上游方向一直布置到趾板区,两岸施工部位用软风管从主管引风。各料场的施工用风采用移动式空压机供风,高峰期各料场空压机配备为:荞棚子料场1台20 m³和8台3.2 m³,胡家山料场1台9 m³和5台3.2 m³,灯盏窝料场1台20 m³和10台3.2 m³。
(2)施工用水。坝区施工用水主要从左右岸的冲沟中取水,其中1号取水点在上游左岸大火地冲沟内,取水高程为1 970 m,蓄水池容量为800m³,供水主管路采用Φ120 mm钢管,管路沿大火地冲沟和左岸改线昭永公路边布置至左坝肩; 2号取水点位于右岸上游冲沟内,取水高程为1 960m,蓄水池容量为300 m³,同样利用Φ120 mm钢管作主供水管将水引至右坝肩。由于右岸冲沟水的流量较小,又在上游围堰前布置1台高扬程水泵向2号水池补水。
(3)施工用电。有1条10 kV施工专线已架至坝址下游600 m处,坝址区、胡家山料场和灯盏窝料场的施工用电统一由1台布置于施工专线末端的600 kVA变压器提供。为满足荞棚子料场和砂石加工系统的用电需要,从10 kV施工专线另架了1条线路至荞棚子料场1台容量为400 kVA的变压器,并在线路经过砂石加工系统处设1台容量为450kVA的变压器。
1.4 加工修理车间布置
根据施工场面分散的特点,加工修理车间采取主辅相结合的方式布置。其中,主车间布置于坝址下游左岸胡家山料场与大坝之间的昭永公路边,承担施工中主要的加工修理任务;辅车间布置在各料场,负责料场的零星修理。
1.5 砂石料加工系统布置
砂石料加工场布置于坝址左岸大火地冲沟内,距坝址500 m。系统布置充分利用了地形的高差,毛料进口布置于昭永公路边,成品料仓布置于冲沟内。毛料运输完全利用已有的道路,成品料前期可直接沿冲沟向下运上坝,后期沿冲沟向上至昭永公路上坝。
施工总体平面布置见图2。
2 坝基开挖
坝址区岩性为志留系下统龙马溪组及中统石门坎组泥岩、钙质泥岩夹页岩、灰岩、泥灰岩,有3条规模比较大的断层穿过坝址区。
坝基开挖从上至下进行,先用1 m³反铲挖掘机将覆盖层和可挖动的全风化岩石全部挖除,然后用手风钻造孔对需处理的倒悬岩石和不到位的部位进行浅孔火花起爆爆破开挖,采用1.2 m³反铲挖掘机和3 m³装载机及15 t或20 t自卸汽车出渣。
趾板地基分2期开挖:一期按图纸先将覆盖层和强风化层挖除;二期由设计根据已揭露的地质情况进行二次定线后再开挖。趾板地基的开挖采用浅孔爆破,孔深一般为4 m,间排距为2 m×2 m,连续装药,药卷直径为25 mm和32 mm两种,炸药单耗0.3~0.45 kg/m³;在临近建基面时,严格控制钻孔质量和装药量,并采用小直径药卷预裂爆破。
3 坝料开采和运输
坝体ⅠA区的黏土料取自上游荞棚子料场,ⅠB区的石渣主要利用坝基和溢洪道开挖的弃渣,ⅡA区的垫层料全部由砂石料加工系统生产,堆石区所需的144万m³堆石料分别由荞棚子、灯盏窝和胡家山3个料场开采。
3.1 料场的地形、地质条件
荞棚子料场东面和南面均为高陡壁,西面为垭口,北面为40°左右的斜坡,昭永公路从南面陡壁下至北面坡脚绕过料场。岩性为奥陶系中统上巧家组灰岩、泥灰岩及泥质灰岩,岩层较薄,石料湿抗压强度平均值为47.2 MPa,密度为2.68 g/cm³。
胡家山料场位于坝址下游左岸胡家山村旁的条形山梁上,与昭永公路紧临。该料场的岩性为二叠统栖霞组厚层灰岩,石料湿抗压强度49.9 MPa,因开采范围内的山坡较陡,开采条件较差。灯盏窝料场位于坝址下游右岸山梁,与胡家山料场隔河相望,其岩性、质量、开采条件同胡家山料场。
3.2 坝料的开采和加工
上述3个料场均存在缺点:荞棚子料场的可采区域小,根本不能形成大规模开采工作面;胡家山料场和灯盏窝料场的开采面高陡,如采用梯段爆破开采,施工道路很难形成。为此,结合云荞水库的实际情况做了大量的洞室爆破开采试验,最后采用了洞室爆破开采坝体填筑料的方案,主要采用小洞室、群洞室分散装药,洞室间微差起爆等措施,以保证坝料开采的质量。
为保证填筑料级配组成要求、减小超径石含量及施工安全,在正式开采前对料场进行了大量的勘察和爆破试验工作,并在此基础上规划为:下游护坡料、过渡料、生产垫层料及砂石骨料的原料主要在荞棚子料场开采,而主堆石料、次堆石料主要在灯盏窝和胡家山2个料场开采。
砂石料加工生产系统的生产能力为60 t/h,可同时或分别生产砂石骨料和垫层料,完全可实现砂石骨料和垫层料的平衡生产。
3.3 坝料运输
坝料运输采用1.6 m³和2 m³反铲挖掘机及3m³装载机装料、15 t和20 t自卸汽车运输。施工高峰期各料场共投入7台挖掘机(2 m³挖掘机3台, 1.6 m³挖掘机4台)和2台装载机装料,自卸汽车共投入50辆。
4 坝体填筑施工
云荞水库混凝土面板堆石坝分7个区(见图
1),总填筑方量为154.52万m³,各分区的填筑量见表1。坝体填筑的平均月强度为7万m³,最大月填筑强度达12万m³。
4.1 坝体填筑技术要求及填筑施工参数
(1)云荞水库大坝填筑施工技术要求见表2。
(2)现场碾压试验确定的坝体填筑施工参数见表3。
4.2 ⅡA区垫层料和ⅢA区过渡料填筑ⅡA区垫层料和ⅢA区过渡料同时填筑,采取后退法铺料,要先倒垫层料、后倒过渡料。推土机平仓前,上游侧1 m宽的垫层料先用人工平整,平整时严格控制上游边线(比设计边线水平方向超20cm)和铺料层厚。推土机平仓时沿堆料方向进行,按人工平整的垫层条面控制层厚。推土机平整完后,再用人工对垫层料和过渡料面进行二次平整,清除侵占到垫层料中的过渡料,同时进行洒水。洒水完后即采用12 t拖式振动碾碾压,碾压方向平行于坝轴线,并尽可能地碾压到上游边,要保证振动碾距上游边沿的距离不大于40 cm。
ⅡAA特殊区垫层料和ⅡAB特殊垫层小区料,因大拖碾不能碾压到而采用薄层铺料(20 cm)、用小型电动或柴油夯进行碾压。
坝体每上升15~20 m要进行1次垫层料上游斜坡护面施工,包括削坡、斜坡碾压、铺抹砂浆等工序。削坡采用人工削坡,削坡前先在斜坡上按6m×6 m的网格放出坡面线(比设计坡线在法向超出8 cm,作预沉降量),削坡时按测量放样的挂线控制坡面。斜坡碾压用12 t斜拖碾,先静压4遍、后振压6遍(上下1次为碾压1遍;只在上坡时振压而下坡时不振压);碾压采用错距法。斜拖碾采用PC400挖掘机在坝体上游沿作锚锭,用TY220推土机平行坝轴线方向牵引。护面砂浆厚3~5cm,用人工抹铺,抹铺时严格控制砂浆厚度,并要求砂浆面的凸起不超过5 cm、下凹不超过8 cm。
4.3 ⅢB区主堆石料和ⅢC区次堆石料填筑
主堆石料和次堆石料按分区分单元填筑,填筑前测量放出单元分区边界线并立标志;铺料采用进占法,用TY220和TY230推土机平整,平整时严格控制厚度。在填筑过程中对各个料场的上坝料的质量进行全面监控,杜绝不合格料上坝;洒水后采用18 t拖式振动碾进行碾压,碾压采用错距法,每次错距不大于25 cm,碾压行走速度控制在1~2km/h。
4.4 ⅢD区大块石护坡施工
下游大块石护坡采用粒径大于50 cm的块石,码砌时在坡面拉线控制,用机械配合人工码砌,保证坡面平整、美观。
5 趾板和面板施工
5.1 趾板施工
云荞水库大坝的趾板全长448 m,断面宽为6m和5 m,厚60 cm,表面布置Φ22 mm@20 cm×20 cm的单层钢筋,以间排距为1.5 m的Φ28mm锚筋锚入基岩4 m;趾板与面板周边缝之间设3道止水(缝顶填GB料,缝中设橡胶止水,缝底设铜止水)。
趾板混凝土技术指标为:强度等级C25,抗渗等级ω12,抗冻等级N200,水灰比不大于0.45。趾板混凝土的配合比见表4。
趾板混凝土采用拌和站集中拌制,用2 m³斗车水平运输、溜槽入仓、人工平仓、软轴振捣器振捣。趾板从河床向两岸分段连续施工,分段长度一般控制在10~25 m,除设计结构缝外,分段间的接缝均按施工缝处理。
5.2 混凝土面板施工
云荞水库大坝的面板总面积28 177.14 m²,混凝土总方量10 735 m³。面板共分29块,除左右岸的2块和10A, 10B这2块外,其余板宽均为12m。面板顶厚30 cm,厚度从上至下逐渐变厚,底部最大厚度为55 cm。面板中设Φ22 mm@20 cm×20 cm单层双向钢筋,左右岸面板的张性缝设3道止水,河床段压性缝设2道止水。面板分2期施工, 1 897.00 m高程以下为Ⅰ期面板,以上为Ⅱ期面板,两期面板间的接缝按施工缝处理。
面板混凝土采用2台0.5 m³的自落式搅拌机拌制,Ⅰ期面板浇筑时搅拌机集中布置在上游30 m坝面上,混凝土用2 m³自卸斗车水平运输,在浇筑面板的同时,下游坝体仍继续填筑;Ⅱ期面板浇筑时搅拌机布置在坝顶,搅拌机出料口直接接混凝土榴槽的进口集料斗,免去了混凝土的水平运输。
5.2.1 面板混凝土的设计指标与配合比
面板混凝土的设计指标与趾板混凝土相同,其混凝土施工配合比见表5。
5.2.2 面板施工方法
面板采用滑模浇筑。滑模采用型钢作骨架,以6 mm厚钢板作面板,滑模长12.8 m (两节拼接)、宽1.1 m、自重3.55 t。浇筑时为防止滑模浮起,需再加2 t的配重,滑模牵引使用2台慢速5 t卷扬机。
面板从中间板块向两岸跳仓浇筑,其施工流程见图3。
6 施工质量控制
6.1 坝体填筑质量控制
6.1.1 坝体填筑料质量控制
云荞水库在采用洞室爆破开采填筑料时,为了保证开采料的级配组成和控制超径石,主要采取了以下措施:
(1)正式开采前,对料场的地质、地形情况进行充分的调查、勘察,制定总的开采方案,并经过多次爆破试验确定初步的爆破参数;
(2)开采前,清除开采区覆盖层,以避免坝料含泥量超标;
(3)每次爆破前,根据现场情况进行药室布置和装药量计算等爆破参数确定,在药室开挖过程中,对岩石内部情况进一步调查,及时调整爆破参数;
(4)采用小洞室、洞室群和洞室间微差爆破控制技术;
(5)针对爆破料堆一般为外面较粗、内部较细的实际情况,在进行装料时合理布置装料点,使填筑料掺配均匀,避免粗细料集中上坝;
(6)将洞室爆破料堆内部的细料清除超径料后用作过渡料,不足的过渡料采用梯段微差爆破开采,开采时合理调整爆破试验以保证开采料质量;
(7)垫层料由砂石加工系统生产,生产过程中严格控制质量。
对坝体填筑料共做了105组(垫层料52组、过渡料21组、主堆石20组、次堆石12组)颗分试验,级配曲线基本上在设计包络线内,其中垫层料和过渡料级配较好,但主、次堆石料中粒径20~50 mm的颗粒含量偏多,这与石料易被碾压破碎有关。
6.1.2 坝体填筑质量控制
坝体填筑时,采取控制填筑参数和取样检测干密度、孔隙率及渗透系数的“双控”质量管理措施。填筑参数主要包括填筑厚度、洒水量、碾压遍数、振动碾激振力及行走速度等,由专人负责控制并填写施工记录。取样检测由试验室负责,试验方法与碾压试验时相同,其检测结果见表6,均满足规范要求。
6.2 趾板及面板混凝土质量控制
6.2.1 趾板及面板混凝土质量控制情况
趾板和面板是堆石坝防渗体系的主要部分,施工过程中除了从原材料和各个施工工序进行严格的控制外,把优化混凝土配合比作为质量控制的重中之重,由业主委托中国水利水电科学研究院进行了配合比优化。
趾板、面板的混凝土抗压强度取样检测结果见表7。
由表7可知,所有检测结果均符合设计和规范要求,混凝土抗压强度偏高,这主要是为了让混凝土满足抗渗、抗冻指标。
6.2.2 趾板、面板裂缝情况及处理
趾板和面板混凝土浇筑完后,对混凝土定期进行裂缝检测分析,并在蓄水前进行了最终检测处理。经检测:裂缝大多在混凝土浇筑后1~2周出现;趾板发现6条裂缝,裂缝宽度为0.05~0.25mm,发展方向为垂直于趾板轴线;面板共发现16条裂缝,都发生在二期面板中,裂缝宽度为0.02~0.26 mm,裂缝方向均为水平向。趾板和面板裂缝经逐条凿缝测量,知最大发展深度为6.5 cm,其中趾板裂缝在钢筋处消失。
裂缝的产生主要有以下几个原因:
(1)为了保证混凝土抗渗、抗冻要求,混凝土配合比中的水泥用量较大,导致混凝土干缩量大而造成开裂;
(2)趾板裂缝大多发生在趾板拐角或地质情况不好的部位,说明趾板地基不平顺、不均匀是造成趾板裂缝的重要原因;
(3)二期面板在夏季浇筑,虽然坝址区夏季气温不高,但昼夜温差大,造成二期面板开裂;
(4)采用小型搅拌机和人工配料拌制混凝土,这虽然能解决施工场地有限和缺乏设备等困难,但也存在混凝土质量受人为影响较大的缺点;
(5)混凝土养护对混凝土裂缝的产生和发展影响较大,云荞水库面板采用盖麻袋洒水养护,在施工过程中由于麻袋准备不足,有几块没有及时盖麻袋,只进行了洒水养护,后来在这几块面板上均发现了裂缝。
对趾板和面板裂缝进行处理的方法是:用小型切割机沿缝切深5 cm、宽1 cm的槽,再用化学补缝材料将缝填满。
7 结束语
(1)科学合理的施工组织是工程顺利施工的前提,而新材料、新工艺、新方法的应用有利于工程的优质高效施工,这两方面在云荞水库施工过程中都得到了很好的体现。
(2)云荞水库工程采用洞室爆破开采大坝填筑料,大大降低了开采成本并提高了开采强度。
(3)云荞水库的砂石骨料系统有机地结合了垫层料和混凝土砂石骨料的生产,系统工艺流程简明、操作灵活、生产稳定,大大降低了垫层料的生产成本。
(4)云荞水库左右岸的施工道路交替上升,高差控制在10~20 m之间,从施工过程看,道路布置是合理的,有效地保证了大坝施工的进度。
(5)云荞水库混凝土面板施工中采用了自制的无轨滑模,该滑模结构简单、安装方便、易于操作,取得了很好的效果。
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