錦屏一級水電站高拱壩施工中的技術創新

馬金剛

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 工程概況

錦屏一級水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1 885 m，建基面高程1 580 m，最大壩高305 m，是目前世界上最高的拱壩。大壩正常蓄水位高程1 880 m，死水位高程1 800 m，拱冠梁頂厚16 m，拱冠梁底厚63 m，頂拱中心線弧長552.23 m。大壩設置25條橫縫，分為26個壩段，橫縫間距20～25 m，平均壩段寬22.6 m，施工不設縱縫。該工程位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內，大壩河床兩岸陡峻，地質條件復雜，施工環境惡劣，布置困難，交叉作業干擾大，技術復雜。與國內外同類工程相比，其技術要求更高，施工難度更大。

2 工程施工難點

(1)施工工期緊，強度高。工程前期因地質條件原因影響基坑開挖，導致大壩混凝土澆筑滯后;而合同工期目標又不能改變，故需要趕回9個月工期，導致施工強度提高約36%。可以說是難上加難。

(2)場地狹窄，施工布置困難。工程所在地山體渾厚，兩岸陡峻，主要施工交通道路幾乎全部位于地下，地面場地條件非常有限，施工布置十分困難。

(3)施工項目多，相互干擾大，施工管理難度大。混凝土澆筑與基礎(斷層)開挖及處理、固結灌漿、接縫灌漿、金結制安等各專業相互交叉作業、共用起吊手段，相互制約工期，施工干擾很大，對施工組織與管理提出了很高的要求。

(4)氣候條件復雜，溫控技術要求高。壩址區地形、地勢非常復雜，立體氣候特征明顯，干、濕季分明，夏季日照強烈，冬季晝夜溫差大，溫控難度大。

(5)質量、安全、環保要求高。在地質條件較差的基礎上建設世界最高的拱壩，對施工質量要求非常高，部分技術標準高于規范要求;該工程壩高達305 m，且岸坡陡峻，斷層處理與大壩混凝土澆筑、水墊塘邊坡與水墊塘混凝土等上下交叉、高空立體作業同步進行，安全問題十分突出;在岸坡陡峻、場地狹窄、水文地質情況復雜的條件下打造“生態錦屏”難度非常大。

3 主要施工技術創新

針對施工中的重、難點問題，葛洲壩集團第二工程有限公司在右岸大壩的建設中大力采用新技術、新材料、新工藝、新設備，從而使右岸大壩高質量、快速、文明安全上升。下面主要介紹了6個方面的技術創新。

3.1 二次篩分污水處理技術

錦屏一級水電站高拱壩混凝土采用印把子溝砂石系統生產的砂巖骨料，骨料裹粉量大，二次篩分后產生大量高濁度污水。為避免這些污水污染環境，需要建立污水處理系統對這些污水進行處理，處理后的水還可以重復利用。但是右岸1 885 m和1 917 m高程平臺場地狹窄，不可能設平流沉淀池，而且已經布置了拌和系統和篩分系統，污水處理系統的設計和布置難度非常大。通過多方案比較，最終采用污泥干化污水處理技術，泥漿處理采用機械裝置提取、水回收泥排除方式，并開發了污水處理自動控制系統，實現了污水處理全過程自動控制，保證了污水處理的能力，提高了整個系統的效率。該系統布置充分結合現場地形地勢，緊湊實用，產生了顯著的經濟效益和環保效益。

3.2 4.5 m升層混凝土施工技術

拱壩混凝土澆筑的最大層高通常為3 m，在小灣水電站曾進行過4 m升層混凝土澆筑試驗，但未正式應用。為進一步提高混凝土澆筑速度，加快施工進度，趕回滯后的工期，經分析認為，錦屏一級水電站大壩進行4.5 m升層混凝土澆筑是可能的。2010年5月，在右岸15#壩段15#－17倉和15#－18倉(1 616～1 625 m高程)進行了4.5 m升層混凝土澆筑生產性試驗，其結果表明:在錦屏一級水電站高拱壩施工中采用4.5 m升層混凝土澆筑可行。

4.5 m升層混凝土澆筑的關鍵是模板變形控制和混凝土溫度控制。在試驗過程中，通過采用雙撐桿懸臂大模板、加大入倉強度、嚴格個性化通水、適當加大通水流量等技術措施，解決了模板變形、混凝土溫度控制等技術難題。模板變形監測結果表明，15#－17倉的最大變形量為20 mm;15#－18倉最大變形量為6 mm;15#－17倉成型壩體上下游面體型偏差為－10～21 mm;15#－18倉成型壩體上下游面體型偏差為－11～14 mm，均滿足設計要求。溫度監測表明:混凝土內部最高溫度出現在第88～144 h，平均溫升13.5℃，最大溫升15.3℃，最高溫度為24.6℃，小于設計允許的壩體最高溫度，溫控效果良好。采用4.5 m升層澆筑，減少了備倉和設備轉倉次數，與3 m升層澆筑相比，提高施工效率20%以上。

為驗證4.5 m升層混凝土澆筑應力狀況，進行了計算機仿真，其結果表明:除岸坡壩段基礎強約束區外，應力安全系數滿足規范要求。岸坡壩段基礎強約束區在采取加限裂筋、PVA纖維混凝土等措施后安全系數也滿足規范要求。為慎重起見，目前只在非基礎強約束區和非孔口部位采用4.5 m升層澆筑。

3.3 模板技術

(1)4.5 m升層雙撐桿懸臂大模板。

雙撐桿懸臂大模板是為滿足大壩4.5 m升層混凝土澆筑對模板強度和剛度的要求而專門設計的。模板采用雙支點、雙軸桿支撐方式以增強模板剛度，主要由面板系統、支撐系統、錨固系統及輔助系統四部分組成，通過由加強型爬升錐、懸掛螺栓、預埋蛇形筋等組成的錨固系統固定模板，摒棄了傳統的拉條加固方式，具有操作簡單、快捷、通用性強、調節靈活方便、安全性高、周轉次數多等特點，在錦屏一級水電站高拱壩施工中已廣泛應用。

(2)電梯井整體自動爬升模板。

錦屏一級水電站大壩電梯井位于18#壩段，為異型結構，井深超過270 m，井內結構復雜，可用空間狹窄，跨度大，混凝土澆筑采用4.5 m升層模板拆立困難，起重設備占用時間長，如果采用傳統模板，施工進度和質量難以得到保證。為保證電梯井施工能夠跟上大壩施工進度，我們研究并應用了整體液壓自動爬升模板。

據了解，國內外已應用的液壓自動爬升模板爬升高度大多為3 m，且多為單邊爬升模板，對于豎井混凝土結構尺寸偏差無法調整，爬升過程中液壓缸的同步誤差較大，無法適用于重載及偏載狀況下的模板爬升。錦屏一級水電站大壩電梯井應用的整體液壓自動爬升模板解決了這些問題，整體爬升平穩、快速，每次爬升高度為4.5 m，平均用時3 h，混凝土外觀平順、光潔，是采用傳統鋼模板無法比擬的。

(3)牛腿倒懸自動爬升模板。

錦屏一級水電站大壩導流底孔下游牛腿高度為30～33 m，寬16～18 m，澆筑層高為3 m，倒懸角度54.5°，結構復雜，施工難度大，是制約大壩快速上升的關鍵部位。為加快牛腿部位的備倉速度，提高施工質量，在15#壩段牛腿嘗試采用了液壓倒懸自動爬升模板施工。

在牛腿倒懸部位采用自動爬升模板難度很大，安全問題突出，在國外有倒懸角度50°、澆筑層高2 m的應用實例。錦屏一級水電站大壩導流底孔牛腿采用的自動爬升模板在倒懸角度和澆筑層高上均超越了其它工程，在15#壩段共澆筑8倉，上升24 m。

3.4 PVA纖維混凝土

PVA(聚乙烯醇)纖維具有高強、高彈模、親水性好、無毒等優點，并且與水泥基體的粘結性較高。在混凝土中摻入PVA纖維，可以改善混凝土的脆性，大大提高混凝土的抗裂能力。在錦屏一級水電站大壩施工中，為降低長間歇倉面和岸坡壩段強約束區部位混凝土開裂風險，在這些部位采用了PVA纖維混凝土，取得了較好的效果。

表1為不摻與摻PVA纖維的混凝土性能試驗結果。該結果表明:PVA纖維混凝土彈性模量降低，拉壓比和極限拉伸值提高，有利于提高混凝土的抗拉變形性能。

表2為現場抽樣檢測結果。該結果表明:摻PVA纖維混凝土的抗壓強度、極限拉伸值、抗凍、抗滲等各項指標均滿足設計要求。

3.5 大壩混凝土溫度自動監測和控制系統

表1 不摻與摻PVA纖維的混凝土性能試驗結果表

表2 摻PVA纖維混凝土的現場抽樣檢測結果表

實施混凝土溫度控制是為了避免大體積混凝土因內部溫度過高產生溫度應力而開裂以及拱壩達到設計要求的封拱溫度必須采取的工程措施。混凝土內部溫度監測、冷卻通水流量和進出水溫度監測的及時性和準確性以及冷卻通水流量的控制是混凝土內部溫度控制的關鍵因素。傳統的混凝土內部溫度監測方法是由人工攜帶采集設備與從壩內埋設的溫度計牽引出來的電纜相連讀取數據并手工記錄，其勞動強度大，及時性差。冷卻通水數據流量的監測方法主要為容積法和超聲波流量計法，這兩種方法均為人工測量、記錄，前者效率低，后者誤差大(10%以上);溫度監測采用筆式溫度計或紅外溫度計，前者需要拔除冷卻水管，效率低;而后者測量的是冷卻水管外壁的溫度，誤差大，數據采集的及時性、準確性均不高，不能滿足“個性化、精細化通水”的要求;冷卻通水流量的控制亦采用人工通過控制閥門的開合度調整流量大小，精確性不高。

為做好世界級高拱壩混凝土溫度控制工作，確保大壩施工質量和安全，葛洲壩集團在錦屏一級水電站右岸大壩施工中研究開發了大壩混凝土溫度自動監測和控制系統。該系統包括三個部分:混凝土內部溫度自動監測子系統、冷卻通水自動監測和控制子系統、混凝土內部溫度管理子系統。

混凝土內部溫度自動監測子系統由溫度傳感器(壩內埋設的溫度計)、數據集中采集設備、無線傳輸裝置等組成，通過預埋電纜的方式將倉內的溫度計引入其下層的廊道，在廊道內將若干組電纜聯網接入一臺數據集中采集設備，將所采集的數據通過無線的方式發射到數據服務器，從而實現混凝土內部溫度的自動監測。

冷卻通水自動監測和控制子系統由流量和溫度傳感器、電控閥門、數據集中采集和閥門控制設備、無線傳輸裝置等組成，在每組冷卻水管上安裝固定的溫度流量傳感器和電控閥門，將同一層棧橋上的若干組冷卻水管聯網接入一臺數據集中采集和閥門控制設備，通過無線傳輸裝置建立采集與控制設備和服務器之間的數據連接，實現數據的自動監測以及閥門的自動控制。

混凝土內部溫度管理子系統由數據庫服務器、數據處理和分析軟件系統、無線傳輸裝置、客戶端計算機等組成，混凝土內部溫度和對應的冷卻通水數據通過無線方式傳輸至數據庫服務器并存儲，數據處理和分析軟件系統負責對數據進行處理和分析并生成通水調整方案和日計劃，用戶通過客戶端計算機對系統進行管理、決策并發出通水調整指令。

3.6 施工信息管理系統

錦屏一級水電站大壩施工項目多，工程量大，工期緊，強度高，對施工組織與管理提出了非常高的要求。為加強右岸大壩施工組織和管理，進一步提高管理水平，保證工作效率和質量，確保大壩施工高效、有序進行，我們研究開發并建立了“錦屏一級水電站右岸大壩施工信息管理系統”，該系統于2010年10月投入運行，為大壩施工趕工發揮了重要作用。

錦屏一級水電站右岸大壩施工信息管理系統是一個集混凝土生產(拌和系統)管理、大壩施工管理(進度計劃、質量安全、設備物資、混凝土溫度控制)、視頻監控于一體的綜合性管理系統，主要包括混凝土生產信息監測與管理、大壩混凝土施工管理、視頻監控、網絡與數據庫等四個子系統，各系統間可實現數據共享。

4 結語

錦屏一級水電站是世界級的工程，其施工難度世界罕見。為加快施工進度，確保工程質量和安全，葛洲壩集團第二工程有限公司在施工中始終堅持技術先行，通過技術創新解決工程中的施工難題。以上介紹的僅為我們在錦屏一級水電站右岸大壩施工中創新工作的一部分，在其它方面，比如基礎處理、金屬結構等也有諸多創新。

錦屏一級水電站對我國水利水電工程建設是一個嚴峻的挑戰，更是對葛洲壩集團第二工程有限公司的挑戰，我們將在后續工程的建設中繼續踐行葛洲壩集團“創世界品牌，鑄世紀豐碑”的企業精神，努力將錦屏一級水電站建設成優質工程、精品工程。