大崗山水電工程建設重大技術問題研究及處理

林 丹， 呂 鵬 飛， 李 方 平

(國電大渡河大崗山水電開發有限公司，四川 石棉 625409)

0 引 言

大崗山水電站位于四川省雅安市石棉縣境內的大渡河中游河段上，是大渡河干流規劃22級方案中的第14級。壩址處控制流域面積62 727 km2，多年平均流量1 010 m3/s，水庫正常蓄水位1 130 m，相應庫容7.42億m3，死水位1 120 m。電站總裝機容量2 600 MW(4×650 MW)，保證出力636 MW，年發電量114.5億kWh。電站樞紐由高210 m混凝土雙曲拱壩、左岸地下廠房和右岸泄洪洞等建筑物組成。工程于2005年開工籌建，2008年1月完成了河道分流，2011年9月啟動大壩混凝土澆筑，計劃2015年7月投產發電。

在工程建設過程中，針對高烈度地震區拱壩抗震安全、峽谷壩肩高邊坡開挖、右岸邊坡卸荷穩定、大壩基礎處理、混凝土溫控等技術難題，積極落實解決方案，為確保工程安全平穩建設提供了強有力的技術支持。

1 大壩抗震安全問題

大崗山水電站壩址地處青藏高原與四川盆地的過渡帶，川滇菱形塊體東側，NE向龍門山斷裂帶、NW向鮮水河斷裂帶和近NS向安寧河斷裂帶交匯形成的“Y”型區右下側，距鮮水河斷裂東南段磨西斷裂、大渡河斷裂南段得綏斷裂分別為4.5 km和4 km，工程場址位于地震活躍區。大崗山水電站壩高庫大，若遭遇地震破壞，除工程本身遭受損失外，其次生災害也將會對下游地區人民群眾生命財產帶來重大損失。因而大壩抗震安全是大崗山工程建設首要的關鍵技術問題，需要深入研究和落實應對措施。

1.1 大壩抗震措施

根據規范，大崗山水電站大壩按100年超越概率2%的標準進行抗震設防，按100年超越概率1%的標準進行抗震校核，其基巖場地水平峰值加速度分別為557.5 gal和662.2 gal，超出了現行規范所覆蓋的最高地震設防水平，為目前我國高拱壩抗震設防最高水平。結合工程建設條件和當前大壩抗震技術水平，選擇了抗震性能相對較好、抗震分析相對成熟的混凝土拱壩。

在大壩動力特性研究中，采用動力拱梁分載法、線彈性有限元法、拱壩-基礎系統三維非線性有限元整體計算法以及拱壩動力模型試驗等多種方法進行了大壩動力特性和地震反應分析。計算結果表明，在設計地震作用下，大崗山拱壩地震動反應規律與類似高拱壩一致，拱壩壓應力值均小于壩體混凝土強度控制指標，且有較大安全裕度，壩體大部分范圍的拉應力值均控制在設計要求之內；大壩上游面頂部拱冠部位、中部高程拱冠部位以及建基面附近靜動綜合拉應力水平較高，為抗震安全的薄弱部位。校核地震作用下，大壩橫縫張開度較設計地震情況沒有質的變化，與設計工況相比，壩體靜動綜合主拉應力大小沒有明顯變化，但下游面拉應力值有較大增長，主壓應力值明顯增大。拱壩動力模型試驗表明，極限抗震超載能力約為2.0倍設計荷載，在4.5倍設計荷載作用下大壩仍能保持穩定，不致潰壩。

根據拱壩動力特性分析成果，拱壩采取了配置梁向鋼筋、橫縫設阻尼器和上游壩面缺陷部位噴涂防滲材料等抗震措施。此外，在拱壩結構布置中還采取了其他綜合抗震措施：在體形設計中增加拱端厚度，減小壩頂區域的高拉應力區；適當加大中心角，增加拱的作用以承擔大部分地震力；壩體只設深孔，增加拱壩上部結構的完整性；拱壩上下游邊坡采用混凝土進行回填貼角處理，增強整體性；抗力體布置預應力錨索，增強兩岸壩肩的動力穩定性；左右岸均布置抗力體排水洞，降低巖體內的滲透壓力；大壩上游基坑957 m高程以下回填石渣，提高大壩抗震安全性。

汶川地震后，中國國電集團公司組織院士、專家對大崗山水電站進行了震后安全評估，認為大崗山拱壩抗震研究成果反映了當前國內外大壩抗震技術的先進水平，只要按規程規范開展設計、精心施工、確保質量，大壩抗震安全是有保障的。

1.2 抗震措施的效果

大壩混凝土于2011年9月開始澆筑，目前已完工程量達93%，各項抗震措施除壩頂阻尼器尚未實施外，其他均嚴格按設計要求完成。期間大壩工程經受了蘆山地震考驗，各項監測數據表明已完工程運行安全穩定。

2 峽谷高邊坡開挖問題

大崗山水電站邊坡最大開挖高度超過500 m，土石方開挖總量約880萬m3，與同類工程相比較，具有地質條件復雜，施工工期緊，施工干擾大等特點。按常規施工方法，在壩頂高程以上開挖容易造成石渣下河的環保水保問題，同時施工進度慢、安全風險大的問題也非常突出。

2.1 邊坡開挖技術

2.1.1 河道提前分流方案仿真

應用基于GIS的三維可視化技術模擬仿真分析導流洞施工、河道提前分流、圍堰分階段實施、壩肩開挖渣料基坑出渣的工程施工狀態，驗證了加快拱壩建設的“高陡邊坡優化先截后挖”方案的可行性，從而降低了導流建筑和分流的施工難度。

2.1.2 水保環保方案

通過對國內外高拱壩邊坡開挖方式調查，論證提前分流是環保水保的有效措施。以達到在提前分流、加快壩肩邊坡開挖施工進度的同時，減少土石方開挖，防止水土流失。

2.1.3 臨時擋水子堰可行性

分析大渡河水文資料及近年壩址洪水流量情況，結合工程防洪度汛條件，在過水圍堰的上部設置臨時擋水子堰，使其能夠抵擋常年洪水，進一步加強水土保持力度，創造良好的基坑集渣和出渣條件。結合設計技術，確定過水圍堰、自潰式子堰等結構參數，同時明確臨時子堰拆除的流量標準、拆除措施及相應的應急預案。

2.1.4 工程分流設計及施工方案

大崗山水電站在可行性研究及招標設計階段初期導流采用全年圍堰河道斷流、隧洞導流方案，上下圍堰采用土工膜斜墻土石圍堰。

根據河道提前分流的前期工程建設的指導思想，河道分流后圍堰形成的基坑用于集渣堆料，結合工程建設情況，基坑度汛設防等級可降低，對初期導流方案進行調整。在滿足低線公路汛期通行、基坑具備出渣條件、水土保持有保證的要求下，全年圍堰分期實施，分流后第一個汛期采用過水圍堰、基坑過流、隧洞導流方式度汛，第二個汛期圍堰加高至全年圍堰，以導流洞導流方式度汛。

2.1.5 壩頂以上邊坡快速開挖技術研究

陡邊坡施工由于提前截流形成的過水圍堰圍護基坑，具備渣料直接翻渣入基坑的條件，施工強度大幅度提高；原有運輸路線挖、裝、運變為挖、推，由零散的出渣改為大規模集中出渣。

2.2 邊坡開挖實施情況及效果

通過“圍堰分期實施、河道提前分流、壩肩開挖基坑集渣出渣”的導流、截流、圍堰填筑及陡坡開挖的綜合控制與施工技術應用，實現分區、分塊、分層“立體多層次”施工，成功解決了拱壩高陡邊坡開挖渣料下河引起的水土流失、河道污染等環境保護問題，同時極大地簡化了岸坡施工道路的布置與建設，實現了壩肩快速開挖。從2007年11月左右岸邊坡開挖啟動，到2009年2月壩頂以上邊坡開挖支護完成，邊坡下降高度達21 m/月，開挖強度達44萬m3/月，出渣強度達54萬m3/月，開挖及出渣強度均達到國內先進水平，施工工期較可研提前4個月，到目前為止兩岸邊坡已安全穩定運行超過7年。

3 右岸邊坡卸荷穩定問題

2009年8月右岸邊坡開挖至1 070 m高程時出現滑動變形，最大變形值達27 mm，多點位移計測值持續增長未收斂，邊坡開挖被迫中止。經補充勘探成果和設計院計算分析，發現受f231斷層影響邊坡穩定安全系數不滿足規范要求，需進行加固處理。

3.1 邊坡加固措施

3.1.1 邊坡加固方案

右岸邊坡按樞紐工程1級邊坡進行加固設計，邊坡穩定安全控制標準不低于規范的下限值，即持久狀況、短暫狀況(含施工期)和偶然狀況下安全系數不低于1.25、1.15、1.05，以三維剛體極限平衡計算成果作為邊坡穩定性判斷依據。對以XL09-15為底滑面的塊體采取錨索進行加固處理；對以XL316-1及f231斷層為底滑面的大塊體采取錨索+抗剪洞(錨固洞)+斜井措施進行加固處理，沿XL316-1及f231共布設6層抗剪洞進行置換處理，抗剪洞尺寸8m×9 m(寬×高)，上部3層沿抗剪洞間隔約32 m布置1條錨固洞；f231斷層出露前沿邊坡采用貼坡混凝土和預應力錨索加固。

3.1.2 邊坡安全監測方案

鑒于右岸邊坡的重要性及加固處理的危險性和緊迫性，在常規監測的基礎上采取了加強監測措施。右岸邊坡布置有4～6個常規監測斷面，有多點位移計、測斜孔、錨桿應力計和錨索測力計等儀器設施，對邊坡內部變形和錨桿(索)應力進行監測；在邊坡馬道設有監測墩對邊坡外部變形進行監測。邊坡出現宏觀變形裂縫后，針對XL316-1裂隙帶及f231斷層的變形進行了專門監測；結合勘探平洞，分別在1 320 m，1 195 m，1 100 m高程布置了跨深部裂隙及斷層的石墨桿多點位移計，并對勘探平洞出露的裂隙開展測縫監測；在右岸邊坡布設了有24個傳感器組成的微震監測系統，對邊坡巖體變形破壞發展過程進行監測。

3.2 邊坡加固實施情況及效果

根據XL316-1裂隙及f231斷層性狀和現場施工條件，采取了由表及里、自下而上、分期處理的施工方案。首先對前沿局部邊坡采取預應力錨索和貼坡混凝土進行加固，控制前沿邊坡變形繼續發展；然后對施工條件好和加固效果明顯的1 150 m，1 120 m，1 060 m高程下3層抗剪洞進行施工，使邊坡盡快達到施工期穩定要求。2010年6月中旬，右岸邊坡安全系數已基本達到1.15的施工期安全要求，壩肩恢復開挖。2013年底右岸邊坡加固處理全部完成。目前各項監測成果顯示，右岸邊坡整體穩定無異常，邊坡處理效果滿足設計要求。

4 大壩基礎處理問題

大崗山水電站工程地質復雜，大壩建基巖體主要為澄江期中粒黑云二長花崗巖，花崗巖中各類脈巖穿插發育，以輝綠巖脈為主，脈巖出露寬度一般0.5～10 m，最大寬度達26 m，其中寬度大于2 m或較破碎的輝綠巖脈共計203條，寬度大于5 m的輝綠巖脈約56條，主要為陡傾角。壩址區地下水一般無色、無味、透明，其中基巖裂隙水以HCO3-Ca2+型水為主，少量HCO3-SO42-Ca2+型水，屬弱—強堿性淡水，對混凝土具溶出性弱腐蝕性。巖體卸荷松弛問題突出，根據左岸建基面開挖以后長觀孔觀測數據，開挖24個月建基面0～20 m存在6%～18%的聲波衰減率，由于以上因素綜合影響，大壩基礎處理難度較大。

4.1 大壩基礎處理措施

4.1.1 大壩建基面處理

根據大崗山拱壩建基面對巖體質量的要求，拱壩建基面以微新Ⅱ類、弱風化下段的Ⅲ1類巖體為主，壩體上部約80 m建基面可局部利用Ⅲ2類巖體。輝綠巖脈主要為Ⅲ2、Ⅳ、Ⅴ類巖體，其承載能力和抗變形能力低，不能直接作為拱壩建基面，需進行處理。

水泥灌漿和混凝土置換是拱壩建基面缺陷處理常用的手段。為驗證水泥灌漿對大崗山建基面缺陷處理的適應性及處理效果，大崗山工程對需處理的花崗巖和輝綠巖脈開展了多次專項試驗研究。試驗成果表明采用常規水泥灌漿，灌后VI、V類輝綠巖脈的聲波保證率、變形模量和透水率還不能完全達到設計要求，需要采取細水泥加密灌漿或水泥-化學材料復合灌漿進行處理。根據灌漿試驗成果，結合建基面受力特點，對建基面高程的Ⅲ2類輝綠巖脈采用加密固結灌漿進行處理；對一般Ⅳ類輝綠巖脈表層采用混凝土塊置換，置換塊以內巖脈進行水泥加密固結灌漿處理；而對規模較大、性狀較差的左岸β21、右岸β8和β43等Ⅳ、Ⅴ類輝綠巖脈，采用深部混凝土網格置換及加密固結灌漿進行處理。

4.1.2 基礎防滲處理

大崗山壩基帷幕最大深度為158 m，除了面臨深部輝綠巖脈以外，還面臨腐蝕性承壓熱水影響。為了滿足基礎防滲要求，除了對淺部采取固結灌漿和置換開挖以外，對深部還開展了帷幕灌漿科研試驗研究。針對輝綠巖脈開展的水泥-環氧復合灌漿試驗成果表明，水泥灌漿灌后地層透水率能夠全部下降到2 Lu以內，超過50%的孔段能夠達到1 Lu以內。化學灌漿灌后100%的孔段透水率均達到了設計防滲標準(≤1 Lu)，根據疲勞壓水、破壞性壓水試驗結果，灌后Ⅴ1類輝綠巖脈地層具有穩定可靠的抗滲能力，足以承受壩前水頭壓力。通過對水泥漿材腐蝕性試驗研究，證實腐蝕水對試塊抗壓強度具有一定的影響，根據加速腐蝕條件成果推測101年后影響約為10%，漿液水灰比、腐蝕性水HCO3?濃度是影響帷幕性狀的主要因素，通過加厚帷幕幕體厚度，以及化學灌漿等綜合方式，可以提高帷幕的耐腐蝕性和耐久性。

在施工過程中，左岸及河床壩基940 m以下有80%的灌漿孔段出現了回漿返濃現象，回漿返濃的范圍及處理難度在國內罕見，現有規范及類似工程經驗都無法取得較好的灌漿效果。為此現場開展了不同灌漿材料、不同灌漿工藝的生產試驗，最終確定了細水泥灌漿方案，通過控制水泥細度，采取漿液置換，實現盡可能的多灌水泥漿液的目的，但以上措施只能將透水率減小至3 Lu以內，為了滿足設計1 Lu透水率標準，設計最終確定了化學灌漿補灌措施。

4.2 大壩基礎處理情況及效果

4.2.1 建基面處理

大壩深部基礎處理已于2012年6月完成并通過驗收；建基面置換處理已于2011年11月全部完成；目前1 030 m以下固結灌漿施工與檢查基本完成，除17壩段受低波速帶影響個別孔段聲波值不滿足設計要求外，其余壩段聲波檢測全部滿足設計要求，針對不合格孔段主要采取了長觀孔觀測及補灌處理措施。

4.2.2 基礎防滲處理

通過過程的嚴格管理、第三方質量檢測以及重大技術問題的過程跟蹤咨詢，目前1 030 m以下帷幕灌漿除局部巖脈裂隙影響段、導流洞影響段以外，其余部位施工及檢查基本完成，灌后檢查透水率滿足設計要求。

5 混凝土溫控問題

大崗山拱壩壩高210 m，混凝土方量約320萬m3，質量要求高。混凝土的特性及性能指標直接影響大壩的壩體溫度場、溫控指標、溫度荷載。溫度荷載是拱壩設計的重要荷載之一，對拱壩施工期及運行期的工作性態有著重要影響，因而必須對混凝土溫控問題進行充分的試驗、分析、論證，以確保混凝土的各項特性達到設計要求。

5.1 溫控技術

針對混凝土溫控問題，設計院開展了花崗巖人工骨料特性試驗研究、花崗巖混凝土摻合料特性試驗研究、花崗巖混凝土配合比及力學參數試驗研究、花崗巖混凝土熱學參數試驗研究、花崗巖混凝土變形性能試驗研究以及大崗山雙曲拱壩溫度徐變應力分析，研究成果表明大崗山拱壩混凝土具有高強度、中彈模、低熱、微收縮、大極拉、抗裂性能較好的特點。拱壩應力分析以拱梁分載法的計算成果作為評價強度安全的主要依據，分別計算基本組合和特殊組合工況應力成果，確定壩體混凝土最大極限抗壓強度不低于36 MPa，為滿足壩體混凝土結構及溫控防裂的要求，拱壩混凝土采用A、B、C三區混凝土，分區設計主要根據壩體結構應力分布確定。拱壩分縫設計根據孔口布置要求確定28條橫縫，將大壩分為29個壩段。結合壩區氣溫和水庫水溫計算拱壩穩定溫度場，研究確定拱壩溫度荷載、拱壩封拱溫度、混凝土最高溫度、混凝土入倉溫度。通過有限元進行基礎溫差應力分析，確定基礎溫差控制標準。采用有限差分法最高溫度進行計算比較，確定混凝土澆筑層厚。根據混凝土層厚及溫控要求，擬定5種不同的間距的水管冷卻效果進行比較計算，研究確定冷卻水管布置方案。對拱壩上下游壩面采用苯板隔熱保溫。根據以上研究成果和專家咨詢意見，設計院進一步明確了短間歇、均勻連續澆筑的混凝土施工原則，溫度控制過程中遵循早冷卻、小溫差緩慢冷卻的原則。

5.2 溫控措施實施情況及效果

施工過程中，利用溫控仿真監測成果指導通水冷卻，實現“個性化”通水，同時加強過程管理，嚴格按設計要求控制混凝土施工各道工序，保證了各項溫控措施的全面落實。截止目前，大壩混凝土澆筑量達300萬m3，僅發現7條淺表性裂縫，溫控管理效果顯著。

6 結 語

大崗山水電工程規模巨大，高拱壩、高邊坡、高地震烈度的工程特性使得工程建設難度大、工程技術復雜。突發性重大工程問題對工程建設影響巨大，右岸邊坡加固處理占用關鍵線路時間長達約10個月，迫使工程建設總進度計劃進行了重大調整。深入開展前期工程勘測設計、科學組織施工生產是順利推進工程建設的重要基礎。

大崗山水電站經過9年多的工程建設，在參建各方的共同努力下，目前面臨的重大工程技術問題基本得到解決。在技術管理工作中，業主單位必須要充分發揮主導作用，以設計為龍頭，充分調動設計單位的積極性，增強施工單位的主體責任意識，加強溝通協調，積極推動重大技術問題的研究和處理，才能保證工程建設目標的順利實現。

參考文獻：

[1] 張建華，吳基昌.大崗山水電站前期工程建設重大技術問題處理[J].人民長江，2011(14).

[2] 林丹，吳基昌.大崗山水電站提前分流決策及實施效果[J]. 人民長江，2011(14).

作者簡介:

林 丹(1966-)，男，福建福州人，總經理，主要從事水電工程建設管理工作；呂鵬飛(1965-)，男，山西運城人，副總經理兼總工程師，主要從事水電工程建設管理工作；李方平(1973-)，男，江西贛州人，副總工程師，主要從事水電工程建設管理工作.