面板堆石壩墊層料坡面激光導向反鏟修坡施工工法

劉 攀 李虎章 帖軍鋒 范雙柱 韋順敏

1 前言

混凝土面板由于其幾何尺寸和環境條件的影響，極容易出現裂縫，墊層料上游坡面尺寸、平整度至關重要，墊層料上游坡面修坡增加坡面平整度，改善了混凝土面板的應力條件，避免混凝土面板薄厚不均勻使面板局部受力發生開裂，選用長臂激光導向反鏟修坡，可以節省大量勞動力，降低勞動強度，極大地提高了修坡效率和質量。

2 工法特點

（1）設備定位準確，操作靈活。

（2）削坡質量有保證。

（3）可節省勞動力、降低勞動強度、提高勞動效率。

（4）安全可靠。

（5）經濟效益明顯。

3 適用范圍

堆石壩墊層料坡面削坡。

4 工藝原理

該設備配有1145SX激光導向裝置，伸縮式挖掘臂，伸縮幅度8.5m，配有0.87m³和0.76m³兩種鏟斗，可在220°范圍內自由旋轉。

通過能進行坡度調節的激光器，并與加長臂反鏟配合工作，對面板壩墊層料削坡施工。

圖1 激光導向反鏟修坡施工工藝流程圖

5 工藝流程及操作要點

5.1 工藝流程

激光導向反鏟修坡施工工藝流程見圖1。

5.2 墊層料填筑

墊層料的鋪筑，應在上游坡面法線方向超填10～15cm，并應嚴格測量檢查。墊層料上游即是1：1.4的斜坡，為保證振動碾的行走安全，滾筒上游側邊距墊層料上游邊線留有30cm的安全距離碾壓不到。在振動碾水平碾壓完成后，要用振動夯板補振這30cm寬的條帶。

5.3 坡面測量放線

激光導向反鏟削坡前，采用網點控制修坡，方法是：坡面上按10m×10m網格布點，插上鋼筋，用細尼龍線綁在鋼筋上，激光反鏟按尼龍線的標定削坡至設計線。

5.4 激光器定位

5.4.1 激光發射器定位

（1）定基準線。因為激光發射器只能相對于儀器本身的x軸、y軸找坡度，所以要有能測量大壩三維坐標的全站儀協助，找出設計的墊層料坡面線與水平面的交線，并將這條線作為基準線（見圖2）。激光發射器應盡可能地靠近基準線，或將中心點對準基準線，或立樁在基準線上。因為基準線是以壩軸線為平行線的，這樣當激光器的橫坐標x軸自動找水平，y軸順坡向且垂直于大壩軸線時就能使光平面平行于坡面。

圖2 激光器定位原理圖

注：為表示出工作原理，此工作簡圖中激光發射器與接收器的比例有所擴大。激光發射器可安裝在壩上各個合適位置，此位置只是其中之一位置。

（2）安裝激光器的原則。激光器應安裝在壩上容易安全觀察和拆卸的地方，應考慮選擇使激光的發射和接收器之間無阻擋物的地點，每設立的一個定位點都保證在坡面上能最大限度地發送和接收激光。必須盡量使三腳架上的基座水平于地面，安裝于坡底。當安裝在坡底部時，可在此位置上用混凝土修筑一個安裝平臺，作為定位點，以便于激光反鏟修坡時安裝激光器，同時有了平臺也利于拆卸后的重定位。為保證激光坡度模式發射的準確性，安裝上合適的角度板以便使激光發射指向的坡度線在所需的坡度線上下，將激光發射器固定在角度板上（見圖3）。

圖3 激光器的安裝原理圖

（3）坡度窗口的設定。因激光發射器x軸平行于大壩軸線，x軸的角度設為0，y軸為設定的坡度，對角度的設定控制是根據查表計算輸入相應的坡度的換算值。如設計坡度為1∶1.4，近似值為71.4286%，在此基礎上1∶1.5坡度系列設置對比值見表1。

據此將激光器的設置窗調到3.27，可得到所需角度的激光發射，從而能在坡面的上方建立一個激光平面。

（4）立樁校準。由于坡面線長，點滴誤差都將導致激光面偏離設計坡面，所以要分別對發射器的x、y軸進行微調校準。x軸坡度校準一般在基準線上安裝兩個高度相等的木樁，在發射器的兩邊各一個；同發射器基本等距，以此微調校準x軸，確保激光發射器的x軸平行于基準線。在y軸方向再立一個木樁，樁上設接收器，接收器離地面的高度為h₂（見圖3）。如激光發射器上的望遠鏡瞄準，使用激光微調旋鈕，確保發射器的y軸坡度平行于坡面設計線，可得到完全平行于設計坡面的激光發射面。

（5）激光面與設計坡面的距離h₁的算法（見圖3）。當激光器的中心點安置在基準線上時，激光平面與設計坡面的距離h₁=h₂·cosα，式中h₂是激光發射點距地面的高度。因為工地環境條件的限制，有時不能將中心點安置在基準線上，當中心點距基準線距離為L時，發出的激光雖仍平行于坡面，卻使激光平面有了高低變化。如發射器在壩頂時中心點距基準線距離為L，則h_1低=（h₂-L·tanα）cosα；如發射器在壩底中心點距基準線距離為L₁，則h_1高=（h₂+L·tanα）cosα。

5.4.2 反鏟定位

（1）邊坡修整前按設計邊坡放線。

（2）激光導向反鏟的履帶外側邊沿與墊層料上游坡面邊線重合。

（3）激光接收器定位。反鏟大臂沿坡面放下，鏟斗始終與小臂垂直。此時激光接收器安裝在鏟斗的垂直于地面的3m標桿上，相當于標桿與反鏟小臂的夾角必須等于設計的坡度角，而且接收器到設計坡面的垂直距離（b₁+b₂+碾壓沉降量）必須等于發射的激光面與設計坡面的距離h。這樣才能保證接收器可以接收到發射器發出的激光。此時接收器安裝在標桿上的高度h=（h₁-b₂-碾壓沉降量）／cosα。

（4）顯示器裝在反鏟駕駛室操作手可視的位置，當反鏟鏟斗刃口沿設計坡面移動到合適位置時，接收器接到發射器發出的激光信號，向顯示器發出無線電信號。若顯示器上黃燈閃爍表示已靠近設計坡面，綠燈亮起表示是準確位置，反之亮紅燈。根據此信號，挖掘機操作手能準確控制刮削的深度。因所用的激光加長臂反鏟最大加長幅度為8.5m，按照坡度1：1.4推算，每填高4～5m，就需進行一次修坡。當墊層料每上升一層（以40cm計），則墊層料大約每上升12層就需進行一次反鏟削坡。考慮到斜坡碾壓后的坡面壓縮度在1～2cm，控制削坡底線為墊層料上游坡面設計線以上3cm。剩下的工作由人工進行。

5.5 一次修坡高度的確定

激光導向反鏟的一般最大伸縮幅度為8.5m，按照墊層料上游坡1：1.4推算，每填高4.8m，即墊層料每上升12層（一層40cm）進行一次修坡處理。

5.6 修坡

（1）通過激光發射器發射的信號指揮長臂反鏟的操作。

（2）激光導向反鏟沿設計線行走，削坡的控制底線為墊層料上游坡面設計線以上3cm。

（3）反鏟削下的墊層料存放在壩面墊層區，作為下一填筑單元的墊層料。

（4）當每一單元修坡結束后，在壩面設擋板，防止下一單元填筑的物料滾落。

（5）局部邊角部位由人工輔助修坡。

5.7 斜坡碾壓

用牽引機牽引8～10t振動碾進行坡面碾壓，先靜碾后振碾。靜碾4遍，振碾6遍，上下一次為一遍，振碾時，只在上坡時振動，下坡時不振動。

6 材料與設備

材料與設備配置見表2。

7 質量控制

（1）定期檢查、校定激光儀及接收裝置，確保激光反鏟的削坡精度。

（2）嚴格控制壩面高程和平整度。

（3）根據施工經驗，斜坡碾壓后，坡面壓縮度為10～20mm，故削坡放線時，應留有30mm的余度（此余度并沒有考慮壩體沉降）。

8 安全措施

（1）認真貫徹“安全第一、預防為主”的方針，根據國家有關規定、條例，結合施工單位實際情況和工程的具體特點，組成專職安全員和兼職安全員的安全生產網絡，執行安全生產責任制，明確各級人員的職責。

（2）建立完善的施工安全保證體系，加強施工作業中的安全檢查，確保作業標準化、規范化。

（3）削坡時派專人指揮，坡面下嚴禁站人。

（4）晚上削坡增加照明。

9 環保措施

（1）成立對應的施工環境管理機構，在工程施工過程中嚴格遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章。

（2）加強對燃油、工程材料、設備、生產生活垃圾、棄渣的控制和治理。

（3）做到標牌清楚、齊全，各種標識醒目，施工場地整潔文明。

10 效益分析

（1）采用該設備，可以節省大批勞動力，降低工人的勞動強度，提高勞動效率。

（2）提高了修坡效率，經濟效益可觀。

（3）用反鏟削破，減少人員工作量也減少了人員在坡面的活動，提高了施工的安全性。

（4）用反鏟削破，坡面平整度容易控制，提高了質量。

11 應用實例

11.1 洪家渡水電站

墊層料坡面激光反鏟修坡武警水電一總隊有貴州洪家渡水電站成功地運用實例。洪家渡水電站大壩為鋼筋混凝土面板堆石壩，最大壩高179.3m，壩頂長度427.79m，壩頂寬10.95m，上游邊坡為1：1.4，下游平均邊坡為1：1.4。填筑總量為902.56萬m³。最大橫斷面底寬約520m。系國內已建和在建200m級的面板堆石壩之一，坡面面積71280m²，分47單元修坡。

洪家渡水電站2004年4月1日開始蓄水，2004年7月1日首臺機組發電，經過運行監測大壩運行正常，面板變形觀測值和滲流量均在設計允許范圍之內，大壩運行安全。于2007年1月獲得貴州省“黃果樹”杯優質施工工程獎。

11.2 天生橋一級水電站

天生橋一級水電站位于廣西隆林、貴州安龍交界的南盤江干流上，是紅水河梯級開發水電站的第一級。電站總裝機容量120萬kW，設計壩高178m，實際壩高182.7m，總庫容量102.6億m³。

攔河壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程791m，壩頂長1141.2m，頂寬11m，上游壩坡為1：1.4，壩體填筑總量約1800萬m³。面板堆石壩施工中，對面板堆石壩上游坡面墊層料采取了激光導向反鏟進行修坡。采用該設備，修整坡面平整度高，質量保證，同時，提高了修坡效率，節省了大量勞動力，降低工人的勞動強度，提高勞動效率。