面板堆石坝垫层料坡面激光导向反铲修坡施工工法

刘 攀 李虎章 帖军锋 范双柱 韦顺敏

1 前言

混凝土面板由于其几何尺寸和环境条件的影响，极容易出现裂缝，垫层料上游坡面尺寸、平整度至关重要，垫层料上游坡面修坡增加坡面平整度，改善了混凝土面板的应力条件，避免混凝土面板薄厚不均匀使面板局部受力发生开裂，选用长臂激光导向反铲修坡，可以节省大量劳动力，降低劳动强度，极大地提高了修坡效率和质量。

2 工法特点

（1）设备定位准确，操作灵活。

（2）削坡质量有保证。

（3）可节省劳动力、降低劳动强度、提高劳动效率。

（4）安全可靠。

（5）经济效益明显。

3 适用范围

堆石坝垫层料坡面削坡。

4 工艺原理

该设备配有1145SX激光导向装置，伸缩式挖掘臂，伸缩幅度8.5m，配有0.87m³和0.76m³两种铲斗，可在220°范围内自由旋转。

通过能进行坡度调节的激光器，并与加长臂反铲配合工作，对面板坝垫层料削坡施工。

图1 激光导向反铲修坡施工工艺流程图

5 工艺流程及操作要点

5.1 工艺流程

激光导向反铲修坡施工工艺流程见图1。

5.2 垫层料填筑

垫层料的铺筑，应在上游坡面法线方向超填10～15cm，并应严格测量检查。垫层料上游即是1：1.4的斜坡，为保证振动碾的行走安全，滚筒上游侧边距垫层料上游边线留有30cm的安全距离碾压不到。在振动碾水平碾压完成后，要用振动夯板补振这30cm宽的条带。

5.3 坡面测量放线

激光导向反铲削坡前，采用网点控制修坡，方法是：坡面上按10m×10m网格布点，插上钢筋，用细尼龙线绑在钢筋上，激光反铲按尼龙线的标定削坡至设计线。

5.4 激光器定位

5.4.1 激光发射器定位

（1）定基准线。因为激光发射器只能相对于仪器本身的x轴、y轴找坡度，所以要有能测量大坝三维坐标的全站仪协助，找出设计的垫层料坡面线与水平面的交线，并将这条线作为基准线（见图2）。激光发射器应尽可能地靠近基准线，或将中心点对准基准线，或立桩在基准线上。因为基准线是以坝轴线为平行线的，这样当激光器的横坐标x轴自动找水平，y轴顺坡向且垂直于大坝轴线时就能使光平面平行于坡面。

图2 激光器定位原理图

注：为表示出工作原理，此工作简图中激光发射器与接收器的比例有所扩大。激光发射器可安装在坝上各个合适位置，此位置只是其中之一位置。

（2）安装激光器的原则。激光器应安装在坝上容易安全观察和拆卸的地方，应考虑选择使激光的发射和接收器之间无阻挡物的地点，每设立的一个定位点都保证在坡面上能最大限度地发送和接收激光。必须尽量使三脚架上的基座水平于地面，安装于坡底。当安装在坡底部时，可在此位置上用混凝土修筑一个安装平台，作为定位点，以便于激光反铲修坡时安装激光器，同时有了平台也利于拆卸后的重定位。为保证激光坡度模式发射的准确性，安装上合适的角度板以便使激光发射指向的坡度线在所需的坡度线上下，将激光发射器固定在角度板上（见图3）。

图3 激光器的安装原理图

（3）坡度窗口的设定。因激光发射器x轴平行于大坝轴线，x轴的角度设为0，y轴为设定的坡度，对角度的设定控制是根据查表计算输入相应的坡度的换算值。如设计坡度为1∶1.4，近似值为71.4286%，在此基础上1∶1.5坡度系列设置对比值见表1。

据此将激光器的设置窗调到3.27，可得到所需角度的激光发射，从而能在坡面的上方建立一个激光平面。

（4）立桩校准。由于坡面线长，点滴误差都将导致激光面偏离设计坡面，所以要分别对发射器的x、y轴进行微调校准。x轴坡度校准一般在基准线上安装两个高度相等的木桩，在发射器的两边各一个；同发射器基本等距，以此微调校准x轴，确保激光发射器的x轴平行于基准线。在y轴方向再立一个木桩，桩上设接收器，接收器离地面的高度为h₂（见图3）。如激光发射器上的望远镜瞄准，使用激光微调旋钮，确保发射器的y轴坡度平行于坡面设计线，可得到完全平行于设计坡面的激光发射面。

（5）激光面与设计坡面的距离h₁的算法（见图3）。当激光器的中心点安置在基准线上时，激光平面与设计坡面的距离h₁=h₂·cosα，式中h₂是激光发射点距地面的高度。因为工地环境条件的限制，有时不能将中心点安置在基准线上，当中心点距基准线距离为L时，发出的激光虽仍平行于坡面，却使激光平面有了高低变化。如发射器在坝顶时中心点距基准线距离为L，则h_1低=（h₂-L·tanα）cosα；如发射器在坝底中心点距基准线距离为L₁，则h_1高=（h₂+L·tanα）cosα。

5.4.2 反铲定位

（1）边坡修整前按设计边坡放线。

（2）激光导向反铲的履带外侧边沿与垫层料上游坡面边线重合。

（3）激光接收器定位。反铲大臂沿坡面放下，铲斗始终与小臂垂直。此时激光接收器安装在铲斗的垂直于地面的3m标杆上，相当于标杆与反铲小臂的夹角必须等于设计的坡度角，而且接收器到设计坡面的垂直距离（b₁+b₂+碾压沉降量）必须等于发射的激光面与设计坡面的距离h。这样才能保证接收器可以接收到发射器发出的激光。此时接收器安装在标杆上的高度h=（h₁-b₂-碾压沉降量）／cosα。

（4）显示器装在反铲驾驶室操作手可视的位置，当反铲铲斗刃口沿设计坡面移动到合适位置时，接收器接到发射器发出的激光信号，向显示器发出无线电信号。若显示器上黄灯闪烁表示已靠近设计坡面，绿灯亮起表示是准确位置，反之亮红灯。根据此信号，挖掘机操作手能准确控制刮削的深度。因所用的激光加长臂反铲最大加长幅度为8.5m，按照坡度1：1.4推算，每填高4～5m，就需进行一次修坡。当垫层料每上升一层（以40cm计），则垫层料大约每上升12层就需进行一次反铲削坡。考虑到斜坡碾压后的坡面压缩度在1～2cm，控制削坡底线为垫层料上游坡面设计线以上3cm。剩下的工作由人工进行。

5.5 一次修坡高度的确定

激光导向反铲的一般最大伸缩幅度为8.5m，按照垫层料上游坡1：1.4推算，每填高4.8m，即垫层料每上升12层（一层40cm）进行一次修坡处理。

5.6 修坡

（1）通过激光发射器发射的信号指挥长臂反铲的操作。

（2）激光导向反铲沿设计线行走，削坡的控制底线为垫层料上游坡面设计线以上3cm。

（3）反铲削下的垫层料存放在坝面垫层区，作为下一填筑单元的垫层料。

（4）当每一单元修坡结束后，在坝面设挡板，防止下一单元填筑的物料滚落。

（5）局部边角部位由人工辅助修坡。

5.7 斜坡碾压

用牵引机牵引8～10t振动碾进行坡面碾压，先静碾后振碾。静碾4遍，振碾6遍，上下一次为一遍，振碾时，只在上坡时振动，下坡时不振动。

6 材料与设备

材料与设备配置见表2。

7 质量控制

（1）定期检查、校定激光仪及接收装置，确保激光反铲的削坡精度。

（2）严格控制坝面高程和平整度。

（3）根据施工经验，斜坡碾压后，坡面压缩度为10～20mm，故削坡放线时，应留有30mm的余度（此余度并没有考虑坝体沉降）。

8 安全措施

（1）认真贯彻“安全第一、预防为主”的方针，根据国家有关规定、条例，结合施工单位实际情况和工程的具体特点，组成专职安全员和兼职安全员的安全生产网络，执行安全生产责任制，明确各级人员的职责。

（2）建立完善的施工安全保证体系，加强施工作业中的安全检查，确保作业标准化、规范化。

（3）削坡时派专人指挥，坡面下严禁站人。

（4）晚上削坡增加照明。

9 环保措施

（1）成立对应的施工环境管理机构，在工程施工过程中严格遵守国家和地方政府下发的有关环境保护的法律、法规和规章。

（2）加强对燃油、工程材料、设备、生产生活垃圾、弃渣的控制和治理。

（3）做到标牌清楚、齐全，各种标识醒目，施工场地整洁文明。

10 效益分析

（1）采用该设备，可以节省大批劳动力，降低工人的劳动强度，提高劳动效率。

（2）提高了修坡效率，经济效益可观。

（3）用反铲削破，减少人员工作量也减少了人员在坡面的活动，提高了施工的安全性。

（4）用反铲削破，坡面平整度容易控制，提高了质量。

11 应用实例

11.1 洪家渡水电站

垫层料坡面激光反铲修坡武警水电一总队有贵州洪家渡水电站成功地运用实例。洪家渡水电站大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，最大坝高179.3m，坝顶长度427.79m，坝顶宽10.95m，上游边坡为1：1.4，下游平均边坡为1：1.4。填筑总量为902.56万m³。最大横断面底宽约520m。系国内已建和在建200m级的面板堆石坝之一，坡面面积71280m²，分47单元修坡。

洪家渡水电站2004年4月1日开始蓄水，2004年7月1日首台机组发电，经过运行监测大坝运行正常，面板变形观测值和渗流量均在设计允许范围之内，大坝运行安全。于2007年1月获得贵州省“黄果树”杯优质施工工程奖。

11.2 天生桥一级水电站

天生桥一级水电站位于广西隆林、贵州安龙交界的南盘江干流上，是红水河梯级开发水电站的第一级。电站总装机容量120万kW，设计坝高178m，实际坝高182.7m，总库容量102.6亿m³。

拦河坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程791m，坝顶长1141.2m，顶宽11m，上游坝坡为1：1.4，坝体填筑总量约1800万m³。面板堆石坝施工中，对面板堆石坝上游坡面垫层料采取了激光导向反铲进行修坡。采用该设备，修整坡面平整度高，质量保证，同时，提高了修坡效率，节省了大量劳动力，降低工人的劳动强度，提高劳动效率。