高拱壩關鍵施工技術

楊忠興

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

拱壩是一種在平面上拱向上游，將荷載主要傳遞給兩岸的曲線形壩。按照設計規(guī)范，壩高高于70 m 的拱壩屬于高拱壩。在壩址河谷狹窄、地形地質(zhì)條件基本對稱，壩基壩肩巖體堅硬完整的情況下適合修建高拱壩。高拱壩具有超載能力強，抗震能力好，壩體混凝土工程較省等特點，已成為具有競爭力的壩型。近十年來，我國混凝土高拱壩施工技術得以飛速發(fā)展，已成為大型水利樞紐的主要壩型之一。

2 高拱壩施工特點及難點

(1)出渣難度大，高地應力大。高拱壩兩岸山體陡峻，施工道路布置困難，土石開挖出渣難度大;高拱壩一般處于高地應力區(qū)域，開挖揭露出來的基巖卸荷變形比較突出。

(2)壩體上升速度要求快。為了與需提前發(fā)揮效益的建筑施工相協(xié)調(diào)，并受汛期洪水導流的影響，要求高拱壩快速上升，及早具備擋水蓄洪條件，施工強度高。

(3)溫控防裂要求高。因拱壩陡坡壩段多，基礎約束區(qū)大;已封拱的壩體對上部約束作用大;壩體底部倉位大，混凝土標號高，溫控要求高。

(4)壩體要具備全年封拱條件。拱壩壩體由于受懸臂高度限制，為確保大壩連續(xù)均衡上升，壩體要具備全年封拱接縫灌漿條件。

(5)壩肩岸坡段固結灌漿對壩體施工干擾大。帷幕灌漿工程量大，灌漿壓力大。

3 高拱壩施工技術

隨著小灣、溪洛渡、錦屏一級、拉西瓦等超高拱壩的相繼開工和完建，高拱壩施工關鍵技術已取得突破性進展。

3.1 高拱壩土石方開挖出渣施工技術

高拱壩兩側山體險峻，施工道路布置困難。為了滿足山體開挖出渣要求并盡量減少對山體植被的破壞，減少對土地的占壓，一般采取以下合理的出渣方案:

(1)山體纜機平臺以上開挖主要利用山頂?shù)缆泛蜕襟w內(nèi)開挖的施工隧道配合出渣。

(2)纜機平臺至壩頂間山體開挖主要利用山體內(nèi)開挖的施工隧道、壩頂進場公路、設置集渣平臺以及纜機配合出渣。

(3)壩肩開挖主要設置溜渣豎井，利用交通洞出渣。

通過以上多種出渣方式相結合，解決了高拱壩開挖出渣施工難的問題，降低了施工成本，滿足了綠色環(huán)保施工要求。

3.2 高拱壩基巖高地應力開挖技術

高拱壩開挖一般地應力較高，開挖揭露出來的基巖卸荷變形比較突出，為解決高地應力開挖問題，多采用以下先進技術:

(1)壩基高地應力光滑反弧形開挖技術。

該技術是指由邊坡到河床按反弧形光滑過渡曲線開挖，不僅減少了開挖工程量，且應力集中強度降低，壩基回彈變位減少，卸荷松動范圍減小，基巖質(zhì)量得到了保證和提高。

拉西瓦水電站壩基地應力達30～70 MPa，其開挖采用了該施工方法，根據(jù)監(jiān)測成果，壩基槽內(nèi)卸荷回彈變位比計算值小很多，并且保護了基巖質(zhì)量，壩基物探波速較高，因開挖出的巖體質(zhì)量較好，最終使建基面抬高了2 m。

(2)壩肩應力釋放孔和緩沖孔技術。

高應力邊坡開挖過程中，為防止巖爆發(fā)生，可提前鉆設一定數(shù)量的應力釋放孔并向孔內(nèi)注水;另外，在深孔預裂孔與主爆孔之間，根據(jù)開挖梯段設置緩沖孔，采用孔內(nèi)填充黃土、巖粉等介質(zhì)以減少孔壁的壓力，達到爆破時對開挖邊坡減震的目的，利用爆破作用釋放應力。這樣實施所形成的高邊坡在開挖過程中只做簡易支護，即可保持穩(wěn)定;邊坡形成后，預裂面較平整，半孔率在90%以上，中高邊坡保持穩(wěn)定。

拉西瓦水電站左岸消能區(qū)邊坡開挖之后將形成落差達220 m 的高邊坡，具有較高的地應力，巖性變化大，開挖過程中采用了該施工技術，確保了開挖后的邊坡質(zhì)量。

(3)先錨后挖技術。

該技術是指在高地應力區(qū)域保護層開挖時，為防止建基面巖體卸荷松弛，在保護層開挖前先用埋入式錨桿或錨筋束對建基面巖體進行錨固，然后再進行保護層開挖的技術。

錦屏一級水電站壩肩開挖時設有3～5 m 保護層，保護層開挖時采用了先錨后挖的施工技術。

3.3 高升層混凝土施工技術

高升層施工技術主要是指高升層模板技術、多層冷卻水管鋪設技術、混凝土高強度入倉技術等，具體如下:

(1)高升層模板施工技術。

為滿足樞紐工程提前發(fā)揮效益和導流度汛的需要，高拱壩需要快速上升，采取高升層是一種切實可行的辦法。經(jīng)過小灣和錦屏一級水電站的試驗，高升層施工技術已趨成熟。

錦屏一級水電站研制了4.5 m 高升層雙撐桿懸臂大型平面模板，高拱壩特殊部位如牛腿采用了液壓提升模板，電梯井采用液壓滑模等，這些模板操作簡單，滿足大壩高升層施工;同時，利用現(xiàn)代化的編程技術開發(fā)監(jiān)測軟件，使用全站儀與開發(fā)的軟件相配合，模板安裝就位時，在短暫的數(shù)秒內(nèi)即可判斷出模板的偏差，為實現(xiàn)大壩快速上升提供了充分的快速檢測保障。

(2)多層冷卻水管鋪設技術。

目前拱壩最高施工升層為4.5 m，一般鋪設三層冷卻水管:第一層冷卻水管鋪設在已澆筑高程頂面，第二、三層冷卻水管在混凝土澆筑過程中進行鋪設;當混凝土澆筑到鋪設該層冷卻水管時，混凝土邊澆筑邊鋪設，確保不影響下一坯層混凝土澆筑。為了加快澆筑層中冷卻水管的鋪設速度，一般采用內(nèi)徑28 mm、外徑32 mm 的HDPE 塑料水管，水管的接頭采用膨脹式防水接頭，采用φ6～8圓鋼固定。考慮到二期冷卻需要，并為獲得壩體同一高程沿壩厚方向的溫度梯度，冷卻水管垂直水流方向鋪設，如采取一根主管配2～3根支管時宜采取同高程布置。冷卻水管布置精確定位，力求在平面投影重合并提供全部冷卻水管布置圖，以用于指導灌漿和鉆孔取樣。對鋪設的水管加以保護，避免冷卻水管移位或被破壞。

(3)混凝土高強度入倉施工技術。

為滿足拱壩高升層高強度入倉要求，須采取配套的砂石加工、運輸系統(tǒng)、拌和樓供料系統(tǒng)、澆筑混凝土纜機群及倉面配備平倉、振搗設備等資源，才能確保混凝土高強度入倉。

砂石加工、運輸系統(tǒng)必須根據(jù)工程所在地的地形特點、砂石料源特點以及工程所需要的最大強度的原材料，建立合理的砂石加工、運輸系統(tǒng)。

目前，由于強制式拌和機拌合的混凝土不僅質(zhì)量好，而且拌合時間短，很多拱壩都建立了適合本工程的強制式拌合系統(tǒng)。

拱壩施工一般采用多臺30 t 纜機掛吊罐澆筑。為了提高纜機的利用率，加快混凝土入倉強度，在配套設施充足的情況下，常采用無間隙轉倉澆筑技術和雙倉澆筑技術。小灣水電站大壩工程采用無間隙轉倉方案，日平均強度為6313.5 m3/d，日最高強度為7019 m3/d，實現(xiàn)了連續(xù)高強度混凝土澆筑高峰期。

3.4 大倉位混凝土纜機群澆筑入倉施工技術

高拱壩一般只設橫縫，不設縱縫，故拱壩底部倉面較大。為了減少混凝土坯層的覆蓋時間，加快混凝土入倉強度，確保大倉位的混凝土澆筑質(zhì)量，多采用纜機群分區(qū)、分條帶、平鋪法澆筑的施工技術。

纜機群澆筑大倉面混凝土時，由于纜機軸線與大壩倉面有一定的夾角，按照纜機控制軸線進行倉面澆筑分區(qū)，避免了纜機間的干擾;同區(qū)內(nèi)分條帶下料時，避免了纜機頻繁行走大車導致對位困難而降低效率。配置配套澆筑機械設備時，一般一臺纜機配置一臺平倉機和一臺振搗機;鋪料方向原則上自上游向下游鋪料，平倉機在鋪料條帶上平倉，振搗機在下游側進行振搗。由于倉內(nèi)平倉、振搗設備較多，必須合理的分區(qū)及規(guī)范倉面澆筑工藝，加強倉面協(xié)調(diào)，確保夏季澆筑混凝土過程中能及時覆蓋保溫被，防止混凝土溫度倒灌。

3.5 高拱壩溫控防裂施工技術

高拱壩由于受壩體懸臂高度限制，底部已澆混凝土需及時進行封拱灌漿形成一個整體，而已封拱的壩體對上部約束作用大，因此全壩定義為約束區(qū)，溫控標準高。壩基兩岸邊坡陡峻，陡坡壩段多，基巖和壩體孔口約束區(qū)多，這些部位的基礎溫度應力大，基礎溫差控制要求嚴。壩體混凝土設計強度高，相應膠凝材料用量大，混凝土水化熱溫升高，溫控難度大。高拱壩混凝土施工一般不設縱縫，倉面尺寸大且為窄長塊，混凝土溫降過程緩慢，內(nèi)外溫差引起的內(nèi)部約束時間長，易產(chǎn)生表面裂縫并可能導致貫穿裂縫，從而影響大壩結構的安全，所以拱壩施工溫控防裂難度較大。為減少溫度應力，防止或減少拱壩裂縫的產(chǎn)生，在拱壩施工中，對原材料加工、混凝土配比、拌合、運輸、入倉澆筑、冷卻通水等采取了一系列溫控措施。其中配置高性能混凝土、加強冷卻通水在高拱壩溫控防裂措施中尤為突出。

(1)配置高性能混凝土。

高性能混凝土是指具有“高強度、高極限拉伸值、低水化熱、溫升慢、低彈模、收縮小”性能的混凝土。高拱壩混凝土一般選用復合摻用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、減水劑和引氣劑，以改善混凝土的性能，在條件允許的情況下提高粉煤灰的摻量，以減少混凝土硬化過程中的溫度升高值，使拱壩混凝土的力學、變形、抗裂性、耐久性、溫控等性能滿足拱壩要求，

(2)分階段合理加強冷卻通水，使壩體混凝土達到設計溫控要求。

加強通水冷卻是控制混凝土最大溫升和將壩體溫度冷卻到滿足封拱要求的重要措施。不同階段采取不同的通水策略，控制單個倉位的降溫速率，使混凝土內(nèi)部溫度在上升階段緩慢上升且最高溫度不超過設計要求，在下降階段緩慢均勻下降，以達到拱壩的穩(wěn)定溫度要求。同時，在豎向保持合理的溫度梯度，有助于提高拱壩混凝土的抗裂性能。

大壩冷卻通水按照功能和時段一般分為初期冷卻、中期冷卻和后期冷卻三個階段。初期冷卻分為控溫和降溫兩個階段。控溫階段是控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過設計值;降溫階段是從最高溫度緩慢降溫至穩(wěn)定溫度;初期冷卻時段降溫幅度一般不超過6℃，降溫速率≤0.5℃/d。中期冷卻控制混凝土初期冷卻結束到后期冷卻前的溫度保持緩慢下降，不回升，降溫速率≤0.3℃/d。后期冷卻分為降溫、控溫兩個階段。降溫階段要求將壩體溫度降低至設計封拱溫度;控溫階段要求將混凝土溫度維持在封拱溫度附近(+0.5℃)，使混凝土滿足接縫灌漿要求，降溫速率≤0.3℃/d。混凝土冷卻通水過程中，除按照分期逐步冷卻外，同時還應對壩體進行溫度梯度控制，使不同高程各區(qū)的溫度、降溫幅度形成合適的梯度，以減小混凝土梯度應力，防止混凝土開裂。

為了滿足冷卻通水要求，結合高拱壩的特點，近年來多采用布置在壩后的移動式冷水機組，通過合理布置冷卻水主管以及智能通水等措施，確保了壩體冷卻通水效果。其中智能通水是通過現(xiàn)場采集通水溫度、流量等數(shù)據(jù)以及混凝土的內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，自動傳輸至后臺處理系統(tǒng)，結合混凝土溫控要求，通過處理分析，制定每一組冷卻水管的下一步通水計劃，并通過電磁閥實現(xiàn)自動調(diào)控，從而實現(xiàn)混凝土內(nèi)部溫度真正均勻緩慢下降。

3.6 高拱壩全年封拱灌漿施工技術

混凝土拱壩通常設有橫向接縫，間距15～20 m，當這些接縫周邊混凝土冷卻到規(guī)定溫度并進行灌漿后，水平方向拱圈就成為整體，可以承受荷載。由于高拱壩較高，施工工期較長，為不影響壩體均衡上升，要防止壩體懸臂高度過高，需要及時封拱灌漿;另外，考慮到大壩分階段擋水蓄洪要求，需要及時封拱灌漿。由于接縫灌漿工程量較大，且隨著壩體上升而增加，按照施工進度安排，如果接縫灌漿仍安排在低溫季節(jié)進行，已不能滿足拱壩快速施工和擋水蓄洪的要求。為滿足要求，經(jīng)研究提出了壩體封拱灌漿溫控梯度要求，自下而上順序分為已灌區(qū)、灌漿區(qū)、同冷區(qū)、過渡區(qū)和蓋重區(qū)等五區(qū)進行溫度控制，以確保接縫灌漿時上部各灌區(qū)溫度及降溫幅度形成合適的梯度，見圖1。

圖1 溫度梯度控制示意圖

壩體溫度控制須通過壩體內(nèi)冷卻通水予以解決。通過研究，找出了拱壩溫控要求與通冷卻水溫度、冷卻時間和總制冷水規(guī)模的關系，確定了采用移動式冷水機組。移動式冷水機組實現(xiàn)了壩體冷卻水流出后回收再冷卻循環(huán)利用，節(jié)約了水源，同時，將移動式冷水機組布置在拱壩后隨壩升高形成的棧橋上，距壩體較近，減少了冷水溫度損失，從而在成本不會增加很大的情況下即可以使大壩在高溫季節(jié)也能冷卻到灌漿溫度，使高拱壩全年封拱接縫成為可能。

3.7 拱壩岸坡段固結灌漿和帷幕灌漿技術

(1)拱壩岸坡段固結灌漿技術。

拱壩岸坡壩段較多，岸坡段固結灌漿與壩體混凝土施工干擾較大，為減少占壓混凝土倉面時間，減少倉面長間歇，不影響大壩混凝土快速上升，岸坡段固結灌漿采用了無蓋重固結灌漿和加固灌漿技術。

(2)拱壩帷幕灌漿施工技術。

拱壩帷幕灌漿在不同高程的多層平洞內(nèi)進行。按照帷幕灌漿設計布置，一般各層平洞主帷幕深入下層帷幕灌漿平洞以下10 m，各層主帷幕間采用銜接帷幕形式進行銜接，更好的確保了大壩帷幕防滲的效果。主帷幕工程量大，鉆孔深度大(錦屏大壩帷幕孔深達175 m)，灌漿壓力大(錦屏大壩灌漿壓力達6.5 MPa)，施工難度大，工期較緊。深孔帷幕灌漿主要采用“孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下灌漿”的方式灌漿。銜接帷幕工程量較大，工期較緊，灌漿壓力大(溪洛渡工程達3.5 MPa)，仰孔較多，封孔難度大。銜接帷幕一般與主帷幕交叉進行施工，選擇潛孔鉆機鉆孔。施工時，先施工底板的孔，再由側墻低處向側墻高處孔推進。葛洲壩集團研發(fā)了一種實用新型的灌漿阻塞器，解決了灌漿壓力大、阻塞難的問題。采用“循環(huán)式”方法對仰孔進行封孔，解決了仰孔封孔難的問題。

4 結語

隨著高拱壩關鍵施工技術的成熟，高拱壩已成為各國在高山峽谷地帶修建水電站大壩中最具有競爭力的一個重要壩型。未來高混凝土拱壩施工技術的主要發(fā)展趨勢將圍繞碾壓混凝土筑壩技術展開一系列課題研究，并向新型筑壩材料、特大型機械化、信息化、標準化、智能化、節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。