长河坝水电站深厚覆盖层超高砾石土心墙堆石坝关键筑坝技术应用

张小春

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定626001)



长河坝水电站深厚覆盖层超高砾石土心墙堆石坝关键筑坝技术应用

张小春

(四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川康定626001)

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝建造于高山峡谷、高地震烈度及深厚覆盖层上，为深厚覆盖层上世界第一高坝，大坝设计及施工可供借鉴的经验不多。为此，该工程开展了大量的特殊科研并成功应用，其在大坝设计、筑坝技术及管理等方面的先进成果为300 m级大坝设计和施工积累了大量工程经验。

深厚覆盖层；超高；砾石土心墙堆石坝；筑坝技术；长河坝水电站

1 工程概况

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，为大渡河干流“3库22级”开发的第10级，采用水库大坝、首部式地下引水发电系统开发，为一等大(1)型工程，工程场地地震基本烈度Ⅷ度。拦河大坝采用砾石土心墙堆石坝，最大坝高240 m，天然坝基河床覆盖层最深79.3 m，心墙下部覆盖层利用深度53 m。长河坝是目前世界上唯一一座建于深厚覆盖层上的200 m级以上的大坝，具有“河谷狭窄、岸坡高陡、坝体超高、覆盖层深厚、设防烈度高”等特点。其工程规模、技术难度均超出了我国现行规范的适用范围，设计和施工可供借鉴的经验不多，工程面临着巨大考验，在工程设计论证和建设过程中，开展了大量的特殊筑坝技术科研和施工技术探索工作，并成功应用于工程实践。

2 大坝设计关键技术及应用

长河坝大坝设计面临的主要技术问题有：坝体与基础防渗体之间安全、可靠的连接问题；坝壳堆石体在不同应力路径下的应力变形协调问题、湿化变形问题、蠕变问题；水库蓄水速率过快问题；防渗心墙的抗水力劈裂问题；大坝防震抗震问题等。

针对工程大坝处于强震区、深厚覆盖层及超高坝3个突出特点，对以上关键技术问题进行了研究，研究成果全面应用于超高土石坝防渗土料勘察，坝体材料与结构设计、坝基防渗布置与结构设计、大坝抗震设计、坝体坝基监测设计以及大坝心墙料的实际生产过程，保证了大坝的顺利设计和建设。

2.1 坝基深厚覆盖层问题处理

若将覆盖层全部挖除对心墙应力及变形有利，同时也有利于基础防渗，但工程量大，且基坑排水难度大，施工工期长且不经济。经反复比对，最终决定利用覆盖层。但深厚覆盖层带来的的坝基不均匀变形问题、坝基抗滑稳定问题、坝基渗漏及渗透稳定问题、以及砂层液化等问题处理难度较大，研究确定采取了以下措施：

(1)挖除②-c砂层。河床覆盖层中分布较广的②-c砂层厚0.75～12.5 m，埋藏深度3.3～25.7 m，厚度较大，为饱水的少粘性砂土。开展大量室内试验的同时，进行了现场大剪试验，查明了其力学性能。该砂层存在力学强度较低、承载能力不足、不能满足坝基抗滑稳定要求、不利均匀变形问题，且在Ⅷ度地震工况下为可能液化砂层。经方案比选后采取了全面挖除处理措施。挖除②-c砂层后，基本消除了坝基不均匀沉降变形影响，坝体变形较平顺。采用极限平衡法圆弧滑动分析坝坡稳定性，结果表明各种工况下其稳定安全系数均满足规范要求且最危险滑弧均不经过坝基覆盖层，说明挖除坝基砂层后，坝基覆盖层能够满足堆石坝坝基抗滑稳定要求。

(2)覆盖层表面清理、整平及固结灌浆。为提高坝基覆盖层的承载力和土体密实度，增加压缩模量，减小坝基的不均匀变形和沉降，对未分布砂层部位的覆盖层表层淤泥质、松散堆积物、腐植土等进行挖除，将陡坎、出露较大孤石等挖除。心墙底部的覆盖层坝基开挖面在心墙填筑前应进行精细平整，并用振动平碾静碾4遍。对心墙建基面底部的覆盖层坝基进行固结灌浆处理，固结灌浆深5 m，灌浆孔采用梅花形布置，间、排距均为2.5 m。

(3)覆盖层防渗处理。坝基覆盖层除砂层外均具强至极强透水性，抗渗性能差，存在坝基渗漏及渗透稳定问题。两岸岩体及河床覆盖层下的基岩强卸荷岩体一般具强～极强透水性；弱卸荷岩体具中等～强透水性；微新岩体具弱微透水性，沿两岸及河床下的基岩存在绕渗问题。经研究，坝基覆盖层防渗采用一主一副两道全封闭混凝土防渗墙，墙厚分别为1.4 m和1.2 m，两墙之间净距14 m，最大墙深53 m，防渗墙深入基层1 m。通过渗流计算分析，坝基内的各层覆盖层渗透坡降均小于0.1，小于其允许渗透坡降，渗漏量也小于规范允许值。

(4)覆盖层基坑涌水问题研究。施工中基坑涌水较大，最大值达12 000 m3/h。为此进行了大坝基坑涌水渗流场专题研究，查清了基坑涌水无关坝基防渗墙的来源，认为在防渗体系完成的情况下覆盖层施工期涌水对大坝永久运行影响不大。

2.3 大坝断面

(1)防渗心墙及心墙与坝基防渗墙连接设计。大坝心墙顶高程1 696.40 m，顶宽6 m，心墙上下游坡度均为1∶0.25，底高程1 457.00 m，底宽125.70 m，约为水头的1/2。在最大横剖面的基础上，心墙左右坝肩从1 457～1 696.4 m高程顺河流向上下游加宽10～0 m，各高程在垂直河流向以1∶5的坡度向河床中心方向收缩。主防渗墙布置于坝轴线平面内，通过顶部设置的灌浆廊道与防渗心墙连接，防渗墙与廊道之间采用刚性连接，防渗墙底以下及两岸基岩防渗均采用灌浆帷幕，防渗要求按透水率q≤3Lu控制；副防渗墙布置于坝轴线上游，与心墙间采用插入式连接，插入心墙内高度9 m。

(2)反滤设计。心墙上下游侧均设反滤层。考虑心墙流向上游的水力坡降较小，设计简化了心墙上游反滤，上游为反滤层3，厚度8 m，降低了工程造价并便于施工；下游设2层反滤，分别为反滤层1和2，厚度均为6 m。心墙底部在坝基防渗墙下游亦设厚度各1 m的2层水平反滤层，与心墙下游反滤层相接。心墙下游过渡层及堆石与河床覆盖层之间设置反滤层4，厚度为1 m。上、下游反滤层与坝壳堆石间均设置过渡层，水平厚度均为20 m。堆石与两岸岩坡之间设置3 m厚的水平过渡层。

2.4 筑坝材料

坝体填筑总量约3 400万m3，其中堆石料2 500万m3，砾石土心墙料430 m3。主要筑坝材料有砾石土心墙料、高塑性粘土料、心墙下游侧第一层及心墙底部的反滤料1、心墙下游侧第二层及心墙底部的反滤料2、心墙上游侧的反滤料3、下游覆盖层建基面的反滤料4、过渡料、堆石料、护坡料、上下游压重料、土工格栅和土工膜。限于篇幅，结合长河坝工程的特点，本文重点介绍心墙料及过渡料的控制。

2.4.1 心墙料

考虑到超高坝心墙防渗抗渗性能及强度要求，对心墙的细粒含量、P5含量及压实参数进行了严格控制。原设计最大粒径不大于200 mm，后考虑到防渗性能的极端重要性，经项目审批机构技术评审，设计将心墙料的最大粒径调整为不大于150 mm，增设筛分系统剔除大于150 mm粗粒料的同时，进一步改善了土料的均匀性。P5含量不低于30%，不超过50%；小于0.005 mm的颗粒含量不少于8%，小于0.075 mm的颗粒含量不少于15%，颗粒应连续。心墙料铺料厚度为30 cm，采用26t凸块碾静碾2遍后振碾12遍。碾后压实度“双指标”控制，即全料压实度不小于97%，细料压实度要求达到100%；渗透系数应不大于1×10-5cm/s，抗渗透变形的破坏坡降应大于5，其渗透破坏形式应为流土。可研阶段规划了大坝上游距坝址约22 km的汤坝和新莲两个土料场，两个料场土料均具有较好的防渗性能和力学强度。施工阶段，在开采过程中汤坝土料场采区及后边坡发生较大变形，结合已变形的后边坡治理，经扩大范围查勘，扩大范围后的土料储量和质量均能满足大坝心墙填筑指标及用料需求，研究决定扩大该料场开采，最终一个料场即全部满足了大坝心墙填筑，未再启用新莲料场。扩大范围开采后，少部分料品质存在偏粗或偏细、含水不均等问题，采取了筛分、翻晒、掺配等专项处理工艺。其中，掺配工艺选定的“平铺立采法”属行业先进工艺，该工艺的成功应用使料场从两个优化为一个成为可能。

2.4.2 过渡料

过渡料采用石料场开采料，原设计要求为：最大粒径300 mm，小于0.075 mm的颗粒含量不宜超过5%，小于5 mm的颗粒含量不大于30%、不小于10%，D15≤8 mm。

响水沟料场料源为花岗岩，饱和湿抗压强度94.5～120 MPa，江咀料场料源为闪长岩、饱和湿抗压强度76.4～131 MPa。由于岩体致密坚硬、强度高，根据施工期多次过渡料爆破试验，爆破难以生产出满足设计要求的过渡料。

为降低过渡料爆破开采难度，设计通过研究将过渡料适当调粗，调整后，过渡料D15≤20 mm、最大粒径400 mm。试验和计算成果表明，过渡料级配调整后的渗透性、抗剪强度和压缩特性均变化不大，对大坝应力变形的影响也较小。但直接爆破仍难以满足大坝过渡料填筑要求为此，采用了“强爆破和机械加工料”生产工艺混合上坝。

2.5 抗震设计

由于本工程拦河大坝按Ⅸ度地震设防，抗震措施主要是选择了抗震性能较好的土质直心墙堆石坝，同时采用了宽心墙，加大了反滤层和过渡层的厚度。坝顶超高考虑了地震工况下坝体和坝基产生的附加深陷和水库地震涌浪。为防止大坝上部坝坡的地震破坏，在坝体上部1 645.00 m高程以上，坝坡表面内最大50 m深度范围过渡料和堆石料区域内，每隔2 m设置一层土工格栅。设置了放空洞，在地震预报时提前放低水库水位或大坝发生震害时，可及时放空库水，避免或减小对大坝下游的安全威胁。

2.6 大坝监测设计

本砾石土心墙堆石坝主要监测项目包括变形、渗流、应力、地震反应、环境量监测等。防渗墙及心墙内部水平变形监测以测斜仪为主，垂直变形监测使用了弦式沉降仪、电位器式位移计和电磁沉降环3种形式，其中，电位器式位移计用于心墙沉降监测为业内首例，位移计量程为1 200 mm；下游堆石区内部水平变形采用引张线水平位移计，垂直变形采用水管式沉降仪；坝坡水平变形、垂直变形及廊道垂直变形主要采用外观测量手段进行。心墙与混凝土垫层间的相对变形以位错计及土体位移计串为主要监测手段。覆盖层及坝体渗流渗压采用渗压计和测压管两种手段进行监测，绕坝渗流监测采用绕渗孔。堆石坝应力监测主要包括廊道内钢筋应力及心墙区填土压力，分别采用钢筋计及土压力计进行。地震反应监测以强震仪为主要监测手段，监测资料与枢纽区地震台网共享。

3 数字化大坝施工监控系统应用及改进情况

长河坝数字大坝系统采用了堆石坝填筑碾压施工过程实时监控技术、坝料上坝运输过程实时监控技术、堆石料运输车加水自动控制技术、灌浆施工实时监控技术等关键技术，实现了大坝填筑碾压参数、料源与卸料分区的匹配情况、堆石料单车坝外加水量、灌浆施工过程参数的全面、全过程、精细化在线监控，克服了常规质量控制受人为因素影响、管理难度大等难题，有效保证和提高了施工质量。

数字化大坝技术在糯扎渡工程中首次应用，与之相比，本工程在技术与内容方面实现了进一步的发展，新增了灌浆施工过程实时监控技术、堆石料运输车加水自动控制技术，改进了信号传输途径，采用双星定位技术(美国GPS卫星定位系统和俄罗斯GLONASS卫星系统)改进了在糯扎渡成果中使用的GPS技术，进一步摆脱了复杂地理条件下卫星定位受限的局面，使系统在施工车辆定位准确性和可靠性方面得到了大幅提升。

4 施工技术及质量管理

长河坝砾石土心墙堆石坝自2013年7月心墙开始填筑，至2016年9月份填筑至坝顶，大坝填筑施工历时3年零2个月。施工期平均强度82.2万m3/月，高峰强度134.8万m3/月。2014年1月～2015年9月，大坝填筑连续21个月实现了月平均填筑强度超过100万m3。

高强度、高标准的填筑施工，保证施工质量是关键。结合工程需求，在坝料开采、快速检测、砾石土掺配、重车过心墙、无人驾驶振动碾等方面开展了有益的创新与探索，为大坝填筑快速高效、保质保量施工提供技术保障。

质量管理方面，除数字化大坝监控系统外，施工单位和业主的试验检测中心对每个填筑单元均进行抽样试验检测；第三方检测单位每季度开展原位抗剪、原位渗透、大三轴等指标检测；质量监督总站每年不少于3次开展质量巡检；业主专门成立了参建四方联合的质量小组，重点对上坝各类料质量、摊铺料分界、碾压质量、雨后复工等环节进行严格管控，保证了大坝填筑质量。

5 结 语

长河坝砾石土心墙堆石坝作为目前深厚覆盖层世界第一高坝，在工程设计及建设无成熟经验可借鉴的情况下，开展了很多前沿性的筑坝技术研究和探索，为后续高土石坝向300 m级跨越积累了大量的设计和施工经验。

(1)深入研究筑坝材料性能，优化了坝体各材料的设计级配和控制指标，论证并提高了大坝的安全性和可行性，同时为应力变形、渗流及抗震分析及结构设计提供了可靠的基础数据。

(2)对防渗系统布置及结构研究进行了多方案比较，最终确定将副防渗墙从下游优化调整至上游。在对两道防渗墙共同分担水头的机理和敏感因素深入研究的基础上，优化了副防渗墙平面的帷幕设置及两道防渗墙之间的帷幕设置。在对两道防渗墙与土心墙连接的详细深入研究的基础上，解决了240 m高土心墙堆石坝廊道结构设计难题，节约了工期，方便了运行。

(3)多方案的抗震措施优选使工程的抗震设计更适宜、可靠。

(4)研究引入的新型大量程电位器式位移计，有效地满足了基础覆盖层沉降监测的要求。心墙分层实现水平沉降监测、增加水平沉降条带坡比等创新设计方法的使用，解决了常规监测方法无法适应本项目大变形量监测的问题。

[1]党林才， 方光达. 深厚覆盖层上建坝的主要技术问题[J]. 水力发电， 2011， 37(2)： 24- 28．

[2]马洪琪， 赵川. 糯扎渡水电站掺砾黏土心墙堆石坝基础理论与关键技术研究[J]. 水力发电学报， 2013， 32(2)： 208- 212．

[3]张宗亮， 袁友仁， 冯业林. 糯扎渡水电站高心墙堆石坝关键技术研究[J]. 水力发电， 2006， 32 (11)： 5- 8．

[4]马洪琪. 糯扎渡高心墙堆石坝坝料特性研究及填筑质量检测方法和实时监控关键技术[J]. 中国工程科学， 2011， 13(12)： 9- 14．

[5]胡金山， 刘永波， 唐世明， 等. 长河坝水电站枢纽区工程地质勘察与评价[J]. 四川水力发电， 2016， 35(1)： 6- 10．

[6]张丹， 何顺宾， 伍小玉. 长河坝水电站砾石土心墙堆石坝设计[J]. 四川水力发电， 2016， 35(1)： 11- 14．

(责任编辑 焦雪梅)

Key Technologies and Its Application in the Construction of Super-high Gravel Soil Core Wall Rockfill Dam on Deep Overburden in Changheba Hydropower Station

ZHANG Xiaochun

(Sichuan Datang International Ganzi Hydropower Development Co., Ltd., Kangding 626001, Sichuan, China)

The gravel soil core wall rockfill dam of Changheba Hydropower Station is built on deep overburden with a highest height of dam on deep overburden in the world. The dam site locates in mountain valley with high seismic intensity. The design and construction of dam cannot learn more experiences from other projects. For this reason, a large number of special scientific research are carried out and the results have been successfully applied in the design and construction of project. The research achievements on dam design, dam construction technology and project management will provide a lot of experiences for the design and construction of 300-meter level rockfill dam．

deep overburden; super high; gravel soil core wall rockfill dam; dam construction technology; Changheba Hydropower Station

2016- 06- 15

张小春(1976—)，男，湖南浏阳人，高级工程师，主要从事水电建设管理工作．

TV641.41(271)

B

0559- 9342(2016)10- 0005- 04