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1、麦洛维黏土心墙坝设计与施工技术研究水利水电施工2009?第4期总第115期麦洛维黏土心墙坝设计与施工技术研究鬟;伍夕国陆曼秋/(中国水利水电第七工程局有限公司)【摘要】麦洛维x-t.黏土心墙坝通过承包商合理的富有智慧的设计修改提议,大大降低了心墙坝的施工难度,消除了心墙坝原设计存在的严重隐患,也解除了承包商的合同风险.在实施过程中,通过采用各种自我创造的新工艺,新思路加快了施工进度,确保了施工质量.心墙坝在蓄水后的运行情况表明了心墙坝施工质量是优良的.【关键词】麦洛维心墙堆石坝设计施工1概述麦洛维工程在尼罗河坝址处分为左右两条河道,其中右河道为溢流坝及厂坝建筑物,左河道为黏土心墙堆石坝.黏土心
2、墙堆石坝坝轴线长884m,最大坝高67m,总填筑量810万.黏土心墙坝右坝肩的覆盖层为砾石,淤泥和砂,平均厚度约5m,下伏岩石岩性为伟晶岩和花岗片麻岩;左坝肩的覆盖层为淤泥砂,砾石及砂,平均厚度1lm,下伏岩石岩性为花岗片麻岩和侵入性的伟晶岩;坝基的覆盖层为松散的第四纪沉积物,由黏土夹层的特细砂,中细砂,淤泥砂和淤泥等组成,平均厚度428m,下伏岩石岩性以花岗片麻岩为主.2坝体结构最终的黏土心墙坝坝体结构主要由防渗系统,反滤过渡系统,坝体堆石料及上下游护坡组成(见图1).图1心墙坝断面图(优化后)黏土心墙坝防渗系统为:基岩帷幕灌浆,覆盖层及黏土心墙内的1_0m厚高塑性黏土防渗墙及上部黏土心墙(
3、1区料,为天然黏土).心墙上下游侧反滤过渡系统:位于黏土心墙两侧的3.0m(上游)/4.0m(下游)宽的细反滤料(2区料,为0.072.0mm粒径的天然河砂)一3.Om宽的粗反滤料?42?(3区料,为0.640mm粒径的天然砂砾料)一6.0m宽的过渡料(3A,粒径小于300ram的爆破级配石料).坝体堆石料:粒径小于10O0mm的爆破级配混合料(4区料).上下游护坡:上游库区边坡为粒径7001500mm的大块石,主要用于库区水位变化区防冲;下游坡面为粒径300600mm的块石,主要用于下游面护坡.3设计优化3.1问题的提出根据对黏土心墙坝基础勘探情况.左河道河床沉积层顶部淤积了一层23m厚的细
4、砂,由于细砂的低密度和在心墙坝填筑后由此而发生的大沉降量会带来心墙坝的结构稳定问题.工程师本来预计上述细砂在一期左河道导流期间会随着洪水流速的不断加大而被逐渐冲刷掉.苏丹麦洛维工程专辑攀但是洪水期过后通过对枯水位以下河床的调查显示,上述细砂依然存在.因此必须找到办法来清除上述细砂以确保心墙坝建在一个可靠稳定的基础上.另外,按照原设计(见图2),在上下游戗堤(图2中5区料)之间,将直接在原河床上进行水中填筑6b料(天然砂砾料)至水面以上,并对6b料进行振冲压实.但6b料的振冲压实不可能在整个高度范围内达到合适的压实效果,特别是最上层4m范围内必须在振冲压实以后再次通过冲击压实的方法才有可能达到合
5、适的压实效果.因此原设计中对6b料的施工问题难以找到合适的解决办法.:/=0026o50(,/,.3)的5O0铂/F丛一ORIGINALGROUN2心墙坝断面图(优化前)3.2设计优化措施一定把主坝填筑抢到洪水位高程以上,时间更加充裕.基于上述两方面的问题.承包商与拉美尔咨询工程(3)所有河床表层的淤砂都可以较为容易地在旱地师共同提出了修改的设计理念.即黏土心墙坝的坝基准条件下清除,消除了主坝的不安全因素.备和主坝填筑施工必须在旱地进行,并对心墙坝结构进(4)取消的6b料被堆石料和坝体心墙料替代,堆石行以下优化设计:料和心墙料填筑在旱地进行,填筑和碾压质量都容易控(1)在心墙坝上下游侧增加围堰
6、.该围堰由黏土斜制,可以提供一个较为稳固的坝基,有效避免原设计中墙和铺盖作为防渗系统.并有足够的堰体基础宽度以保将砂料抛填到深水中而发生分离的风险,同时也避免了证围堰基础砂层不会发生管涌或流土破坏.上层范围内必须在进行振冲压实后再进行冲击压实.(2)按照千年一遇的洪水标准设计围堰的顶部高程.(5)防渗墙不用穿过变形模量较低的6b区砂料?作(3)在上下游围堰内侧设置减压井以降低基坑地下用在防渗墙上的应力及应变将会有效减少.水位.减压井的设置对于防止发生管涌或流土以及保持(6)取消了水中抛填的6b砂料及振冲压实环节?能基坑的旱地状态很有效.够保证主坝填筑质量,缩短工期.(4)从围堰结构E.取消原设
7、计中的E下游戗堤.增加上下游围堰;取消原设汁中在河床上直接填筑的6b4黏土心墙坝施工天然砂砾料,改为在旱地条件下进行河床表层的淤砂开挖后.直接填筑心墙坝坝体.4.1坝料制备(5)在基岩中增加20m深的双排帷幕灌浆.降低在(1)黏土料:1区料和1.1区料.软弱岩石体中存在的渗漏可能性.(6)考虑到黏土材料的分散性特性.在黏土心墙(1区料)上下游侧分别增加2m宽的掺拌石膏粉的黏土料区(1.1区料).黏土心墙料的总宽度不变.将上述提议提交麦洛维大坝专家委员会后.很快达成了共识.通过上述优化设计.可以带来以下好处:(1)增加的围堰堰顶高程高于右河道二期导流期间洪水水位.主坝的填筑将完全在旱地进行.(2
8、)较之原设计方案.在洪水期到来之前没有必要根据黏土料的碾压试验结果,1区料的平均压实度为98.最小为96.施工时土料含水量控制在OMC1OMC4-3的范围内.碾压后土料的渗透系数不大于10m/s;在混凝土结构区域附近.平均压实度为97.最小为95,含水率控制在OMC+1()MC+5(目标值范围OMC十2OMC+4%).黏土料的均一性和含水量利用土料拌和站WKS一400调整,含水量调整好后堆存在成品料堆场养护34d,并进行质量控制测试,再运输至施工场面进行铺筑.粉末石膏在调整含水量时加入到土料中.掺加石膏的1.1区?43?誉水利水电施工2009?第4期总第115期料摊铺后和1区料共同碾压.(2)
9、2区料.2区料的碾压施工要求为适度压实(相对密度70%80%),碾压后的厚度为500mm.2区料采用自制抽沙船从尼罗河中抽取.(3)3区料.采用天然砂料过2.0mm孔径的筛网的筛余物作为坝体填筑的3区料,碾压后厚度为500ram,相对密度7585.(4)4区料和3A区料.从石料场直接爆破开采,松铺厚度1.1m左右,碾压后厚度1.0m,干容重应大于21kN/m.(5)7区料.利用石料场表层剥离的石料或基础开挖的风化料作为7区料进行填筑施工.(6)8区料.8区料为粒径7001500mm的大块石,主要用于黏土心墙坝上游面水位变化区防冲,无需碾压.可从石料场开采的4区料的超径部分中选取.(7)9区料.
10、9区料为粒径300600mm的块石,主要用于黏土心墙坝下游面护坡,无需碾压.利用混凝土砂石料加工系统中生产处理的超径石.4.2坝体填筑分期黏土心墙坝填筑施工包括围堰和坝体两部分.由于黏土心墙坝填筑受右河道一期围堰拆除,心墙坝右侧上下游混凝土挡墙,左侧过渡段混凝土挡墙,心墙坝基础防渗施工,施工导流程序等因素的影响,为满足2008年度汛及尽量减少坝料二次倒运的要求,黏土心墙坝分期进行填筑.总体施工顺序如下:(1)二期截流前进行围堰占压部分开挖及填筑,截流后进行围堰的闭气,加高.(2)二期截流后,在围堰闭气的同时开始基坑上下游侧排水减压井的施工.(3)在围堰闭气的同时进行坝肩和灌浆盖重的开挖,为坝肩
11、灌浆及早提供工作面.(4)围堰闭气工作完成后,开始基坑排水作业;为加快施工进度,随着基坑水位的下降,进行基坑大面开挖.(5)坝基开挖结束后,开始坝体填筑.基础开挖和坝基施工分区进行.(6)黏土心墙坝每个施工时段的填筑,因受帷幕灌浆,防渗墙等施工及导流程序的影响分期进行.4.3坝体填筑施工方法43.1料物填筑层厚及顺序1区和1.1区黏土心墙料碾压后层厚为25cm.2区细反滤料和3区粗反滤料碾压后层厚为50cm.4区堆石料,3A区堆石料和7区任意料碾压后层厚为100cm.8区上游抛石护坡料和9区下游护坡料采用反铲修坡整理,无需碾压.为方便坝体填筑施工,坝体1区料,2区料,3区料,3A料,4区料采用
12、平起填筑施工,铺料时应及时清理界面的粗粒径料.各种料物填筑顺序参见图3.说明:图中I,表示各种坝料填筑施T_IJ序.图3黏土心墙坝分层填筑顺序图(单位:cm)在实施过程中,由于受防渗墙施工进度的影响,坝体上下游侧的堆石体(4区料)采用平均坡度1:4台阶式上升的临时断面优先上升.43.2心墙黏土填筑流水作业坝料填筑流程按卸料,平土,碾压和质检四项作业内容进行流水作业.根据心墙坝轴线长,填筑工作面狭小的特点,采用坝面流水工作段垂直坝轴线布置.坝体高程280m以下每个流水作业间距100t150m,坝体高程280m以上每个流水作业间距约150200m.坝料流水填筑作业循环见图4,图5.?44?根据流水
13、作业要求,每间隔200300m在下游2区料和3区料上设置一个路口,上下两层之间的路口不允许设在同一个位置.一个路口负责相邻两个作业区域的填筑,高程280m以下在心墙上下游侧各设置路口,高程280m以上仅在心墙下游侧设置路口.每个路口用20mm厚的钢板铺垫保护使2,3区反滤料不受污染,每个路口的位置必须清除污染料物后才可进行下一层的填筑.4.3.3各种坝料的质量要求(1)1区料.黏土料的液限小于5O,塑性指数大于15,有机物.-苏丹麦洛维工程专辑JI【waterflow第一层路口第二层路口第一层路口第二层路ICll1ol50mIIlol50ml00l50mlllool5omlIII1llI11l
14、lIImplacementofsoillevellingcompactionqualityinspectionIlIIlIllII图4高程280m以下坝体填筑流水作业示意图J一【waternow图5高程280m以上坝体填筑流水作业示意图的含量应小于1.现场黏土料85的样品显示为非分散性.碾压后的黏土料的渗透系数小于10_.m一s.黏土料的最小摩擦角22.内聚力15kN.平均密度为干密度的98%.最小密度为干密度的96.根据碾压试验结果,现场可接受的含水量范围为()MC一1OMC+3%,最优含水量根据料场取样土料通过标准击实试验确定.(2)2区料和3区料.2区料和3区料由致密坚硬的颗粒构成.应具
15、备抗磨损和抗风化的性能.已经风化或具有一定脆性的材料不能使用.反滤料中不能含有黏土,淤泥或有机物等有害物质.被油料,油脂,化学品,水泥和类似物污染的反滤料不能使用.(3)4区料.堆石料由具有一定尖角,致密和坚硬岩块所构成.在填筑过程中应具备抗磨损和抗风化的性能.岩石的抗压强度最小应满足下列标准:85%的样品强度大于70MPa.1O的样品强度大于50MPa,小于70MPa.5的样品强度大于40MPa,小于50MPa.岩块不应含有裂纹,裂隙和其他缺陷.已经风化或具有一定脆性的材料不能使用.堆石料和过渡料中不能含有黏土,淤泥或有机物等有害物质.被油料,油脂,化学品,水泥和类似物污染的岩石不能使用.4
16、.3.4各区坝料摊铺碾压方法(1)l区和1.1区防渗料.坝体心墙料共约736112m,其中需掺石膏的黏土为185149m.掺合料中石膏含量为4.分布在坝体上下游侧2m宽度范围内.1)摊铺.由测量人员先在合格碾压面上用石灰撒出1区料和1.1区料防渗料的上下游边线及分界线.1区料铺筑沿坝轴线方向进行.采用32t自卸汽车进占法卸料.TY220推土机平料.铺料厚度约为28cm(碾压前).在铺料前,上一层土料基面必须抓毛并洒水湿润.推土机乎料过程中,采用水准仪或钢钎及时检查铺层厚度,发现超厚部位应立即进行处理.1.1区料采用WBS400稳定土搅拌机掺拌石膏并调节含水量.在l区料平料后进行1.1区料的卸料
17、和平料.2)掺拌及含水量调整.料场土料的自然含水率很低.在稳定土拌和站加水调整含水量,含水量控制在()MC+2()MC+4.含水量词整后由装载机倒运或由水平皮带机分料至成品料场进行熟化.熟化23d后检测含水量.若含水量在OMC一2OMC+4之间.料物可直接上坝填筑;若含水量小于OMC一2或大于()MC+4,采用在成品料场加水或翻晒调整含水量.3)碾压.土料压实采用CA602PD凸块碾(19t)碾压6遍.先静碾2遍,再振碾4遍;然后再用12t光面碾碾压2遍.碾压方向沿坝轴线方向进行.1区料与1.1区料一并碾压.凸块碾和光面碾采用分别一次压够遍数后再错碾的方法.此法碾压与铺土,质检等工序分段作业容
18、易协调,便于组织平行流水作业.分段碾压碾迹搭接宽度为,垂直碾压方向0.3m.顺碾压方向为1.Om.碾压行车速?45?T上一水利水电施工2009?第4期总第115期度小于3km/h.4)表面处理.土料压实后表面形成光面,在进行下一层填筑前采用松土器进行刨毛,用洒水车喷洒层间水,补充面层水分损失,以利土料层间结合.雨季暴雨来临之前,将已平整但尚未碾压的松土层,用平碾快速碾压形成光面,防止雨水渗入已经摊铺的土层.雨后视未压实表土含水率情况,可翻晒或挖除,至实测土料含水率不超过施工含水率上限1即可.(2)2区和3区反滤料.1)卸料.由测量人员先在合格碾压面(或基础面)上,用石灰画出2区料和3区料的上下
19、游边线和两种料的交界线.用32t自卸汽车运合格料至填筑工作面,2区料卸料至简易摊铺器中,推土机牵引铺料;3区料卸至2区料和3A堆石料形成的沟槽中.2)铺料.2区料由自制摊铺器铺料,摊铺器由推土机牵引.采用摊铺器铺料尺寸控制准确,施工快速,效率高.3区料按碾压试验成果控制铺料厚度,松铺厚度600ram,碾压厚度500mm.由EC210B液压反铲平料.3)界面处理.黏土料与反滤料采用犬牙交错法填筑,即填一层反滤料.填两层黏土料.反滤料与黏土料的超填部分不做处理.4)压实.采用12t振动平碾碾压,先静碾2遍,再振碾4遍,铺筑碾压层次分明,平起平升,以防漏振,欠振.当防渗体土料与反滤料,反滤料与坝壳堆
20、石料填筑齐平时,必须用平碾骑缝碾压,跨过界面50cm.(3)3A料,4区堆石料.坝壳料填筑施工分为卸料,铺平,碾压,质检四道工序.坝面填筑区段长度划分与心墙料区段长度相等,在各区段依次完成填筑的各道工序.1)卸料.用32t自卸汽车运合格料至填筑工作面,采用进占法或后退法分区卸料.堆石料在上坝前设置喷淋系统加水湿润,喷淋系统的加水量约为150L/m.2)铺料.靠近3区料6m范围内填筑的3A堆石料,在同层4区铺料并进行界面处理后进行.3A料,4区料铺料厚度为1.1m,TY320推土机平料摊铺.超径石应在料场内解小.少量运至坝面的大块石或漂石,在碾压前进行处理,采用推土机移至工作面前方或坝外坡附近做
21、护坡石料.靠近3区料不可填筑粗径堆石料,3A堆石料铺料后采用液压反铲修整与3区料的交接面,清除大块石.3)碾压.堆石料压实采用19t振动平碾碾压,静碾2遍,振碾?46?4遍,碾压方向沿坝轴线方向进行.在与岸坡及结构物结合处采用静碾6遍.碾压采用一次压够遍数后再错车的方法.分段碾压碾迹搭接宽度为,垂直碾压方向0.3m,顺碾压方向为1.Om.碾压行车速度不超过3km/h.堆石料每填筑34层,在坝面用白石灰标示出坝坡设计线,采用长臂反铲削坡,反铲沿线行走,逐条削除设计线以外的富裕填料,将其分散放置在已压实合格的坝面上.4)边坡修整.4区料的上游边坡设计为l:2,下游边坡为1:1.8.填筑上游和下游边
22、坡时要超填堆石料,形成1:1的边坡.每填筑2层堆石料,用石灰标出大坝的边坡设计线,用长臂反铲沿设计边坡线削掉超填部分,超填料放到大坝碾压未验收部分,并用铲斗拍打堆石料表面形成整齐坡面.边坡平整度要求是沿坡面任意一点周围10m范围内不容许有超过50cm的凹坑或凸起.滚落到坡底的大块石采用长臂反铲收集到未碾压的区域.边坡修整处理方法见图6.一图7心墙坝分区填筑图8自制2区料摊铺器裂隙岩面或软弱岩面上填土时,按设计要求用天然砂砾料(15区料)对岩面进行处理.土料填筑之前.应清理混凝土面上的杂质,浮渣,土壤,污物和松散岩块.最后用高压风或水清洗.在混凝土基面上填土前.基面的乳皮,粉尘等必须清除干净.在
23、基础层碾压时.找平层的范围较小时.对基础表面凹陷和凹凸不平的地方采用小型振动碾压实或装载机带负荷压实,找平层范围较大时可改用凸块碾压实.在坝肩与混凝土结构结合处凸块振动碾压实不到的23m范围采用小型振动碾沿接坡方向碾压.铺料厚度为15-20cm.防渗体与岸坡结合带的填土.其含水率应调至施工含水率上限,选用手扶振动碾薄层压实,不得使用凸块碾碾压,防渗体与结合带碾压搭接宽度为1.0m.如岸坡过缓.结合处碾压后土料因侧向位移,出现爬坡,脱空现象,应将其挖除.(2)4区料与岸坡接合部的施工.坝壳与岸坡或混凝土建筑物接合部位不应填筑大块石,否则施工时.汽车卸料及推土机平料,易出现大块石集中,架字现象.且
24、局部碾压机械不易碾压.该部位采用如下技术措施:1)与岸坡接合处2m宽范围内.可沿岸坡方向碾压.不易压实的边角部位应减薄铺料厚度,用轻型振动碾或平板振动器等压实.2)在接合部位铺料后出现的大块石集中,架空处.采用反铲清除大块石.回填细堆石料.(3)4区料坝体分期分段填筑时接合部的施工.坝体分期分段填筑时.在坝坡上容易产生松动堆石块.由于振动碾碾压时.振动碾距坡面边缘留有0.5lm的安全距离.坡面上存在一定厚度的松散或半压实料层.另外,铺料过程中难免有部分填料沿坡面向下溜滑.从而增加了坡面较大粒径松料层的厚度.同时由于施工道路和现场施工条件的影响.坝体填筑需设置纵缝(缝面沿坝轴线方向)和横缝(缝面
25、垂直坝轴线方向).针对本工程的特点.坝体4区料填筑的纵坡为1:1O.横坡为1:4.苏丹麦洛维工程专辑ll04区料分期填筑时可超填堆石料.形成l:l的边坡并预留3m宽的台阶.边坡处较大粒径的块石采用反铲清除.先填筑区12m范围内的堆石料与后填筑区采用骑缝碾压的方法.分期填筑边坡处理方法见图9.横缝接坡的处理同样采用骑缝碾压的方法.图9堆石料,临时边坡处理方法(单位:cm)5实施效果黏土心墙坝于2008年10月底全部填筑到顶,水库从2008年4月15日下闸开始蓄水.现在蓄水水位已经达到295m高程(最高蓄水位300m高程).在心墙坝左右侧坝基较低部位设置了两处量水堰用于观测心墙坝的渗漏情况.在蓄水
26、期前34个月,渗漏情况不稳定.但总体渗漏量不大.右侧量水堰从最初的60I,/ain经过3个月后逐渐降低为零;左侧量水堰从最初的121/min逐渐升高并趋于稳定,稳定在55L/min左右.2008年11月测得的心墙坝全部渗漏量仅55I,/min.可见心墙坝的防渗效果是非常好的.也证明了整个心墙坝的施工工艺及质量都控制在一个较高水平.已经实测的心墙坝渗漏量发展过程见图10./,oooo.000IJ卜.,000jII.昌害gNNWaterDischargeinMDISEW2LeftbankofECRDlIlI|,LkJ,厂Lrvf,.fy,1,f_!占g图10黏土心墙坝量水堰实测渗漏情况统计图表?47?O0O0OO000O0O0OO00O065432【sI基石苟0口矗00oo渤枷瑚啪伽瑚01000