修建Усть-Среднеканск水电站土坝的结构和工艺特点

北极星电力网技术频道作者:电力论文3 2007/12/24 18:40:20

关键词: 水电站水电

Усть-Среднеканск水电站位于Колым.河上,工程地区的工程地质属永久冻土(河床融区除外)和基岩构造变动带,基岩为砂岩互层、粘土页岩和粉砂岩。

土坝地基为风化和破碎的基岩区。河床内分布有1米厚的冲积层，两岸为1-1.5米厚的坡积层，局部厚达20米。设计土坝时曾采取了Ⅱ建设原则，即允许采用解冻土。土坝地震计算烈度：左岸为8级，河床为7级。主要建筑物为Ⅱ级。土坝长2051米，最大坝高66米。用刺墙与砼建筑物连接，刺墙深入土坝坝体中。有关该水电站及其砼建筑物结构，本文参考文献[1]中有详细介绍。

下面介绍与本土坝施工有关的结构特点、施工工艺特点和现场试验工作。试验工作尚未结束，但其初步结果，也会很感兴趣。

土坝填筑量为1000万m3。土坝分成两部分：岸坡土坝长1068米，填筑量为524万m3；河床土坝长443米，填筑量为486万m3。该土坝的特殊之处是，坝基的施工工艺和一些结构措施。（图1、2）

图1河床土坝横断面

图2左岸坡土坝横断面

坝的反滤设施是垂直心墙，心墙土料是亚砂土-亚粘土，心墙并与上游铺盖相连。亚砂土-亚粘土的正常流限含水量WL=21.3，碾压含水量WP=14.1，塑性指数IP=7.2。塑性指数的平均平方变差等于1.01。河床土坝铺盖的最大厚度为8米。岸坡土坝铺盖长为2H，河床土坝铺盖长为1。8H，河床表面风化层已被水流冲掉。岸坡土坝铺盖上游齿墙穿过风化岩层，深入到渗透系数Kφ=0.3米/昼夜的范围。

河床土坝和岸坡土坝齿墙用亚砂土-亚粘土和砂砾土构成的混合料填筑，其他部分亚砂土-亚粘土料场土料填筑。土料的填筑土是有明显的不同。用带有砂子的料场砂砾料填筑上游坝体，但土坝与砼建筑物连接部位，使用了工地缺少的石料，目的是使该部位连接的更紧密。由心墙到坝体过渡层，为一层不同粒径的砂层。

在大坝范围内的上游坝体前端有临时坝，其方量为134万m3。

岸坡土坝，铺盖地基是风化基岩，其平均渗透系数Kφ=10米/昼夜。左岸和河床基岩构造缝与坝轴线夹角不大于35°。大部分基岩裂缝被不透水物充填。

为了增加上游坝坡的稳定性，由基坑挖出46.5万m3填筑到坝体上游坡。

下游坝体处于冻结状态，其地基亦为坡积物冻土层。为保持坡积层的冻结状态，从坝体下游一侧填筑到45米高程，方量14.3万m3。

大坝排水为钢筋砼管，位于与心墙相连的融区，将水排至河床土坝的排水体中。

为了减小投资和简化施工过程，设计时就考虑了用机械向水中倒土的方法完成铺盖的填筑,但要清基。因此，在清障到设计高程后，用无齿斗反向铲和推土机完成铺盖施工准备和清基工作。但不采用人力清基。基岩凸出点。如不能用机械清除，凸出高度不超过铺盖基础设计高程1.5米，面积不大于10m2时，则不必清除。按工程基坑的可能，事先就考虑了不采用爆破方法。采用爆破会逐渐增加基岩裂缝。

机械清基之后，在地基表面会留下一层厚200mm的碎石层，碎石层是清除风化层时留下来的，碎石尺寸为150－200mm。

把地面以下半米深的土层加温到正温度，然后进行水中倒土。土层的加温是靠日晒和向倒土池中注水的办法来完成。为了检查地层的加温情况，在地基0.5米深处放置了温度感应计。水中倒土在正温度期进行，例如5月到9月，也包括日平均温度－5℃的情况。向准备好的倒土池注水，水深到1.5米。倒土层厚2.0米。冬季时在已填筑的亚粘土表面上铺置保护层。保护层为砂砾－卵石层，厚3米。

铺盖齿墙是向8米的深水池倒土而成，土料为砂砾石－卵石和亚砂土－亚粘土的级配混合料。

岸坡土坝铺盖的设计土方量为53.7万m3。到此2001年年初已完成了38.26万m3的土方量，占铺盖设计土方量的71％。铺盖料特值的变化范围如下：平均容重为1.95g/cm3时，混合料密度为1.76-2.12g/cm3,含水量为6.5-15.7％，平均为11.1％；细粒混合料的含水量为12.2-22.1，平均为17.1％；含有细粒的混合料的含水量为31.3-91.6％，平均为62.1％。这里和本文下面提到细粒是指粒径小于1mm的细颗粒混合料。

河床土坝，采用无基坑法施工是河床土坝的特点。河床截流并从泄水道过水之后，进行水中倒土，泄水道的临时过水坎高程要降低。建议向8米的深水池中倒土，但同样也考虑了把水位降低到4米的方案。

河床土坝的排水为钢筋砼管，排水管非常靠近心墙融化区，排水有两个出处：一个出处是排向砼建筑物的排水系统，另一个出处是靠左岸顺河床排向大坝的下游排水棱体。高程要低于下游最低水位。

临时坝位于现大坝上游坡脚，也有自己的亚粘土心墙，心墙处于现大坝铺盖位置。在毗邻心墙的融区中铺设有钢筋砼排水管，将水排到砼建筑物的排水系统中。排水出口后来保留了下来。临时坝的最大坝高33.5米。

在开工前一年的九月底，坝的填筑与截流同时开始。随着用砼四面体进行下游截流，接着用砼四面体进行上游截流，在其旁侧是碎石屑导流堤。砼四面体上下游围堰和导流堤都是临时坝的组成部分，而导流堤是临时坝的排水棱体。最后用粘土浆将排水堵死，并作为大坝铺盖的一部分。

不等上游围堰与导流堤合垅，就开始向深水中填筑铺盖料。从截流和修建临时坝直到形成冰盖，总共用2-3周。到10月20－25日应当完成铺盖料的水中倒土任务，这就要求有高强度的施工和良好的组织工作。在此期间应完成34.0万m3土方量的填筑任务，其中包括铺盖的7.5万m3。随之在铺盖倒土表面覆盖一层3米厚的砂砾石－卵石。

在这项工作结束之后的冬季，向上游坝体填筑松散的冻结砾石－卵石料。心墙和心墙上下游面过渡带，冬季不要施工。

从下一年的四月开始要高强度的修建心墙和填筑上游坝体。为了迎接五月中旬的春汛，应当完成临时坝填筑到50.5米高程的任务，但这项任务没有完成，只好继续施工，而大坝填筑到60.5米高程，60.5米高程是为迎接雨季洪水规定的高程。

截流的最后期限与修建临时坝的复杂性有关，并取决于雨季洪水流量和保证九月底之前通航。

试验工作包括向水中填筑混合料，也包括向深水中的填筑，以及对填方试验分析。为了减少试验工作量，在试验开始之前，就按全苏水利科学研究院制定的试验方法，划定了混合料的颗粒级配变化范围。对混合料的颗粒级配，试验方法提出了下列要求，为保证混合料的粘结性，第一，混合料中粒径小于0.005mm的细粒含量不得少于5％，第二，混合料的细粒在填筑之后并完成了固结，应具有塑性稠密度。混合料中细颗粒含量应是这样，要保证细颗粒密实地充满粗颗粒之间的空隙，这个要求不仅当颗粒变位时要保证这样，就是当颗粒首次相互接触时，也要保证这样。这后一个要求，不仅保证提高了混合料在自重作用的密实性，也能保证在用机械碾压时混合料的密实性，因为粗颗粒相互接触以后，会使混合料的密实性降低。要保证工程防渗体填筑料裂缝的自愈性能，因为防渗体常建于留有碎石层的地基表面以及建于过渡带处。最后，要保证有高的固结速度而孔隙水压力增加不多。用下述试验完成对上列要求的评估。从填筑到大坝铺盖的混合料中，选取75个试样，并计算出这些试样的含水量。图3中的数据表示，填筑到铺盖中的混合料的含水量与细颗粒含量Fm的关系。减少混合料中细颗粒的含量，显然，可以改善混合料的排水条件。因此，按照铺盖混合料试样中细颗粒含水量的平均数据，当混合料细颗粒含量Fm＜55时，其含水量不超过0.8。这样就能保证有高的固结速度，而孔隙水压力没有大的增加。工程防渗设施土料颗粒级配允许变化范围曲线绘于图4中。开挖基岩时，会在地基表面残留一些碎石碴，因此直接填筑到大坝铺盖第一层的混合料中，细颗粒的最低含量必须从30％增加到40－45％，这样可帮助混合料与地基表面的残留碎石碴搅拌在一起。

图3细颗粒料含水量与其在混合料中含量的关系

◇－个别值；◆－平均值

图4Усть-Среднеканск水电站、岸坡土坝铺盖齿墙，从NO1、2试坑采集的混合料颗粒级配试样

◇试坑NO.1，深2.2米□试坑NO.1，深3.1米

○试坑NO.1，深2.5米×试坑NO.1，深5.51米

◆试坑NO.2，深2.5米■试坑NO.2，深3.1米

●试坑NO.2，深4.65米*试坑NO.2，深5.6米

作深水填筑试验的目的是选择混合料的颗粒级配，这样才能保证混合料有必需的渗透性质和渗透强度，并能保证填筑面有最陡的坡度，陡的填筑坡面就能在截流的同时，填筑铺盖。

填筑试验共选择了三个试验段：铺盖齿墙范围内的第一和第二试验段，以及铺盖体内的第三试验段。齿墙填筑后2个月。挖通了第一和第二试验段内的试坑，试坑实际上贯通了整个铺盖齿墙厚。NO.1试坑深6.8米，坑底离基岩表面还有约0.6米。NO.2试抗深7.5米，坑底离基岩面还有约1.0米。试坑不能挖到基岩面，因为有渗漏水流入：从Κοлым.河一侧，沿河谷岩石裂缝流入的渗水；从铺盖基坑涌入的融化水；以及从30米以外的水中倒土填筑段中流入的渗漏水。这个事实表明，还应进一步研究试坑底与基岩接触面的细粒沉积问题。为了确定填筑混合料的密度、含水量和颗粒级配，沿试坑不同深度采集试样。试样的颗粒级配绘于图4中。试验段NO.1的试样，细颗粒含量为40.6-54.3，平均值为49.7％；从试验段NO.2中采集的试样，细颗粒含量为28.2-37.8％，平均值为32.3％。在试坑NO.1中，按抬高的水位量测了铺料接触层的渗透系数，其值为1.2-3.0×10－3cm3/s。试坑壁观测表明，细颗粒完全充满了移动的粗颗粒之间的空隙。没有发现沿试坑深颗粒有任何离析现象或者颗粒级配有规律的变化。在填筑面前缘，从正在填筑的混合料中采集的试样表明，这些试样颗粒级配变化范围，同填筑到不同部位的填筑材料一样。没有发现计划填筑池中的细颗粒有明显“冲刷”。试坑土样的密度和含水量同土料填筑时的变化范围一样，这表明，土料并未“变稠”。细颗粒的含水量，特别是填筑到下面的半层，接近或者高于流限。

只有第三试验段填筑面的坡度可以陡一些，填筑层厚2米，填筑混合料的细颗粒含量为5－35％。第三试验段的填筑面坡度为1∶5，而在第二试验段的填筑面坡度为1∶12。但第三试验段的试验还没有进行，所以要得出任何结论都还早。

与进行水中倒土试验的同时，还做了混合料填方试验，试验目的是研究混合料与基岩接触面的渗透－管涌性质，因为在基岩面有碎石层。选择填方试验段的位置是，根据计算，该处地基中渗透水流的水位应低于接触面不小于1米，而且在地基表面有大量机械清基后留下来的碎石。填方试验段的尺寸为10×10米，是由计算而定，为的使将来研究的部分铺盖处于中心位置,试验段用土堤围起来。试验段中心位置坐标由测量测定。试验段的填方也是使用了混合料，类似于在第一试验段铺盖齿墙中使用的混合料。按一般的施工工艺水中倒土层厚2米，计划倒土池中水深1.5米。然后，再在倒土面填一层同样的干的混合料，高约5.0米。经过2个月的加荷后除去加荷。在填方体内留下一块1×1×1m尺寸的试验块。试块的上下游两侧扫净，基础比接触面深20cm。利用塑料薄膜和钢管作成无底渗透水槽装置，水槽的下游有沉砂槽。这个装置的基本点是来自有名的В.Η.Жиленков微型填方试验，本文作者要感谢В.Η.Жиленков对这次试验研究的宝贵意见。为了确定填方混合料的密度、含水量和颗粒级配，在工作过程中采集了土样。土样表明，土料处于未固结状态。在完成了试验装置之后，再将土样填回来，并用人工夯实，然后恢复加荷填方。在压力水槽出口量测通过试块的垂直渗透流量，压力水槽是向试块上游面供水之用。试И块与地基接触面的水平渗透流量在排水管出口测得。地基中的垂直渗透流量取两个压力水槽出口测得的流量和排水管出口测得的流量二者之差。图5示出了渗透流量和垂直渗透及水平渗透压力水槽溢流水位高出试块底部的高度随时间变化。在那以后，当垂直渗透水头梯度超过2.9,渗透流量开始跳跃式变化，这证明了在试块体内和在地基中有管涌过程。在试验的最后阶段，在靠近与地基接触面的试验块体内和在地基接触面产生落淤过程。在地基的其余部位，随着跳跃水头的增大，开始阶段的渗透流量值也随之增加。但是，经过几个小时后各个阶段的渗透流量值都趋于稳定。得到的结果表明，为了在地基中避免发生管涌过程，在铺盖与地基的接触范围，水头梯度的计算值应小于1.0。

曾预定一年后进行水头梯度为6的试验，但这个计划没有实现，并于2000年8月将填方和土样与地基接触面的检查孔全拆除了。

填筑到填方试验体中的混合料在其填筑2个月后和填筑14个月后的密度和含水量数据相比是很有意义的。1999年8月采集的混合料土样平均含水量为10.4％，变化范围为8.8-11.6％。2000年8月采集的混合料土样的平均含水量为9.3％，变化范围为8.7-10.0％。混合料的平均密度和变化范围，1999年8月和2000年8月分别为1.92g/cm3和1.86-1.99g/cm3；2.09g/cm3和2.03-2.18g/cm3。土样采集点以上的土层厚，在试验填方拆除以前大约为6－8米。这些数据表明，当混合料中细颗粒含量为43.3-48.0％，平均值为46.0％，以及在地基中有排水层的情况下，混合料的固结速度是很快的。

1．完成的试验工作表明，亚粘土混合料含有粒径小于1mm的细颗粒含量50％时，在有排水时，其固结足够快。定量的说出大坝承受水头后经过多久而不破坏，试验完成之后就会知道。那时将采取有关向深水倒土的最后技术措施。

2．现场的试验结果，并结合试验室的试验结果可以得到最后成果：大坝防渗体土料的颗粒级配和施工工艺。

3．基岩面准备工作和水中倒土采取的工艺措施，都被建设组织者采纳并得到好评。

4．河床土坝采用无基坑的施工方法，缩短了工期2－3年，并相应地减少了工程投资。

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