黑龍江省奮斗水庫工程設計關鍵技術及建設模式實踐

王志興,蒲道巍,王天祎

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 基本情況

奮斗水庫位于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮東南14.1 km的穆棱河干流上游。壩址所在地氣候劃分屬于嚴寒地區[1-2]。水庫建成后，通過水資源的合理配置，近期可滿足穆棱、興源、下城子、馬橋河、河西、福祿、八面通7個城鎮，穆棱和八面通2個林業局及雞西市梨樹區的用水需求，緩解穆棱市各城鎮工業及居民生活用水緊張的現狀局面[3]。

奮斗水庫是以城鎮供水為主，結合防洪，兼顧灌溉和發電等綜合利用的大型水庫，水庫設計總庫容1.65億m3，水庫總庫容為1.91億m3。工程總投資14.16億元，采用PPP投融資模式。水庫近期補給城鎮供水量4100萬m3，遠期補水量6300萬m3；防洪保護面積(城鎮)6.42萬hm2；補償灌溉面積1.16萬hm2，多年平均灌溉年補水量970萬m3；生態基流量2800萬m3；總裝機容量4000 kW，多年平均發電量1060萬度，年利用小時數2650 h。

奮斗水庫工程等別為Ⅱ等，樞紐組成包括碾壓混凝土重力壩、壩后式電站廠房、引發電進水口、魚道工程等部分。其中，全斷面碾壓混凝土重力壩(RCC壩)最大壩高45.9 m，壩頂高程385.9 m，壩頂軸線長406 m，共分22個壩段。電站由主廠房、副廠房、尾水渠等部分組成，裝機3臺。豎縫式魚道主要解決細鱗魚、茴魚等繁殖期的上溯過壩問題，同時兼顧上下游其他魚類的交流。魚道布置在右側山坡上，主要建筑物包括進魚口、過魚池、休息池和出魚口等。

2 碾壓混凝土重力壩關鍵技術

2.1 碾壓混凝土壩特點

碾壓混凝土重力壩是采用自卸汽車或皮帶輸送機將干硬性混凝土運到倉面，以推土機平倉，分層填筑，振動壓實成壩。碾壓混凝土重力壩有以下特點：單位體積膠凝材料用量少，單位體積用水量少，抗凍、抗沖和抗滲等耐久性能比常態混凝土差。奮斗水庫重力壩采用碾壓混凝土筑成，是環保型、節約型和安全性大壩，該壩施工采用RCC工法。寒區碾壓混凝土是指干硬性的混凝土拌和分薄層攤鋪并經振動碾壓密實的混凝土，其抗滲、抗凍性指標應符合嚴寒地區的要求[4-5]。

碾壓混凝土突出特點是要求施工速度快，這對奮斗水庫壩體質量控制和溫度控制有利。該壩碾壓層面多而薄，快速施工的目的就是在下層碾壓混凝土初凝之前，上層碾壓混凝土必須碾壓完畢，從而使層間混凝土能夠達到良好的層面結合效果[6-7]。碾壓混泥土快速施工的優點，可以減少混凝土層面與外界的接觸時間，從而減少外界與碾壓混凝土的熱量交換，能更好的控制混凝土的澆筑溫度。

RCD和RCC是現行碾壓混凝土壩體施工的兩種工藝。其中，RCC工法采用類似土石壩填筑的施工技術和工藝，將干硬性混凝土快速的全面分層振動壓實。RCD工法連續澆筑，平倉幾層，一次碾壓，上下游面和基礎結合處用常態混凝土外包以解決壩體的防滲、抗凍、防沖。

根據奮斗水庫碾壓混凝土與常態混凝土的配合比及性能試驗資料分析，碾壓混凝土水泥用量少、高摻粉煤灰，早期強度比常態混凝土低，但后期(長齡期)強度增長顯著；早期變形性能和耐久性也比常態混凝土遜色，主要表現在碾壓混凝土的極限拉伸值和抗凍性能試驗結果不如常態混凝土；碾壓混凝土絕熱溫升明顯低于常態混凝土，對奮斗水庫大壩的溫控防裂十分有利。

2.2 設計關鍵技術

2.2.1 設計參數

奮斗水庫工程合理使用年限為100 a，碾壓混凝土重力壩合理使用年限100 a。防滲體系設計及層間滲流控制是奮斗水庫碾壓混凝土重力壩的關鍵難點。防滲體系包括壩體防滲和基礎截滲。

考慮到奮斗水庫年有效暖季施工期短，壩體防滲型式選擇是影響碾壓混凝土施工速度的重要因素。基礎截滲采用帷幕灌漿，屬于常規設計施工工藝。碾壓混凝土壩層、縫面處理的質量是層間滲流控制的關鍵點。防滲體系設計時，應正確選擇碾壓混凝土壩層、縫面的處理方案。奮斗水庫碾壓混凝土層間結合質量受拌和物特性、季節、天氣、施工方法、上下游不同區域等多元因素影響。

由于壩址所在地區，最冷月多年平均氣溫-17.9 ℃，防滲體系的抗凍等級為F300，抗滲性指標W6。

2.2.2 邊界分析

奮斗水庫層(縫)面是碾壓混凝土壩滲流的薄弱面，是形成集中滲漏的主要通道。層間滲水提供了豐富的可凍結水，對碾壓混凝土壩的整體抗凍性很不利，進而大大縮短碾壓混凝土壩的合理使用年限。

根據文獻[8-13]，碾壓混凝土在正溫與負溫交替作用下發生表面剝落、開裂、強度降低、結構疏松乃至破壞的現象稱為凍融破壞。碾壓混凝土凍融破壞以多種形式出現，有內部破壞、也有表面破壞。碾壓混凝土中出現相互連通的毛細孔隙和可凍結水越多，對碾壓混凝土的凍結破壞越大。

碾壓混凝土結構中孔的大小和分布對奮斗水庫碾壓混凝土的抗滲性有極大的影響，一般認為100 nm以上的孔對強度、抗凍性和抗滲性是有害的。碾壓混凝土滲流呈各向異性，其抗滲性受膠凝材料用量、水灰比、層(縫)面結合、壓實度等因素影響。

長間歇處理后的施工縫面有可能較連續上升的層面弱。沿著碾壓混凝土壩層(縫)面的滲流現象稱為層間滲流[14-15]。通過調查國內外已建碾壓混凝土壩的運行情況或在建碾壓混凝土壩的壓水試驗成果，層間滲流問題特別突出。

奮斗水庫碾壓混凝土本體的滲透性基本上與常態混凝土相當。當膠凝材料用量超過150 kg/m3時，碾壓混凝土本體的滲透系數可達到1×10-10cm/s或更低。本體不成為控制滲流的薄弱環節。碾壓混凝土本體配合比中膠凝材料過少，無法碾壓密實；或碾壓混凝土的灰漿量較少，運輸平倉時容易使骨料分離，留下松散的滲水層，是造成本體整體抗滲性能差的重要原因[14]。

2.2.3 防滲體系設計

對奮斗水庫碾壓混凝土重力壩上游面防滲體系擬定了三個可行方案[8]。方案一：上下游面均采用常態混凝土防滲，即“金包銀”結構型式的防滲方案。方案二：上游面設鋼筋混凝土面板防滲，簡稱鋼筋混凝土面板防滲方案。方案三：大壩上游面采用二級配碾壓混凝土，其中在上下游模板附近50 cm采用變態混凝土，死水位以下上游面涂防滲材料，簡稱二級配碾壓混凝土防滲方案。通過對三個方案的比較，方案一工期較長，方案二施工工序復雜、難度大，方案三施工簡便，目前國內工程應用較廣，推薦方案三。防滲層水力坡降i=15，上游面采用1.0 m厚變態混凝土，添加防滲劑，1.0 m變態混凝土后接2.5 m摻有防滲劑的碾壓混凝土過渡面。所有壩塊橫縫均設兩道止水，為紫銅片止水，止水片間距50 cm，其中第一道止水布置在樁號壩上0～002.45 m，溢流壩面橫縫內設一道紫銅片止水，穿過各壩段的廊道周圍設一道紫銅片止水。

各方案的材料分區詳見圖1～圖3。防滲方案上游面材料分區參數詳見表1。

表1 各擬定方案材料分區表

圖1 方案1 常態混凝土防滲分區剖面圖

圖2 方案2 變態混凝土防滲分區剖面圖

圖3 方案3 瀝青混凝土防滲分區剖面圖

各方案的冷縫、施工縫及越冬層面采取嚴格的處理措施，保證層間結合質量。連續上升鋪筑的碾壓混凝土，層面間隔時間應控制在直接鋪筑允許時間內。超過直接鋪筑允許時間的層面，應先在層面上鋪筑墊層拌和物，再鋪筑上一層碾壓混凝土。超過了加墊層鋪筑允許時間的層面應按施工縫處理。

奮斗水庫碾壓混凝土重力壩防滲體系各擬定方案均具有防滲性能好、可靠性高的優點。但是，變態混凝土防滲方案相對其他方案，具有施工速度快、水泥用量小、防滲性能好、可靠性高、感觀效果好等優點。因此，奮斗水庫壩體防滲采用變態混凝土。

2.3 施工關鍵技術

2.3.1 建設工期短

奮斗水庫工程位于我國嚴寒地區，該地區氣溫晝夜變化大、季節溫差大，最冷月(1月)極端氣溫-44.1 ℃，最熱月(6月)極端氣溫37.4 ℃，溫差幅度達81.5 ℃。根據本地氣象資料分析，本工程年暖季施工期很短，約6個月。若扣除雨季、高溫時段等影響，年有效暖季施工期就更短了。

因此，奮斗水庫整個設計過程中采用可視化的“三維協同設計”，可以清晰進行工程碰撞分析，可以快速進行專業交叉協調布置。整個設計過程中注重全方位考慮施工管理、施工工藝、施工材料供應等難易程度，確保了奮斗水庫工程在緊張的工期內順利實施，早日發揮工程效益。

2.3.2 梯級調節度汛

施工期間，為了降低圍堰度汛、壩體臨時度汛的難度，對具備條件的水庫群應考慮梯級調蓄及調度。穆棱河奮斗水庫壩址上游已建成的梯級為團結水庫，團結水庫屬于大(2)型水庫，與奮斗水庫形成串聯水庫。團結水庫原設計是以灌溉、供水為主，兼顧防洪、發電、養魚和多種經營的綜合利用大型水庫，其設計特性指標詳見表2。

表2 團結水庫設計特性指標表

奮斗水庫根據穆棱河干流中上游各水文站資料，插補延長及實測資料還原后組成的1956—2013年共58 a連續系列資料[3]。水庫群水利計算應在滿足各水庫承擔任務要求前提下，以水庫群整體效益最優為計算目標[16]。水庫群防洪水利計算應分析防洪保護對象的防洪要求，擬定水庫群的聯合防洪調度方式，計算確定各水庫防洪庫容和預留時間。

奮斗水庫施工導流方式是影響碾壓混凝土重力壩快速施工的關鍵因素之一。為了盡量降低對施工速度的影響，奮斗水庫采用一次攔斷河床圍堰法導流。該導流方式能形成較大作業面，便于兩岸交通布置，從而保證上壩強度。影響碾壓混凝土重力壩快速施工的因素主要有作業面大小、上壩強度高低、溫控措施難易、結構布置等，其中作業面大小與導流方式密切相關。奮斗水庫導流建筑物的洪水標準采用10 a一遇，壩體臨時度汛標準采用20 a一遇。導流建筑物由上游圍堰、下游圍堰及導流隧洞組成。

施工期間，充分利用團結水庫的調蓄及調度，從而降低圍堰度汛、壩體臨時度汛的難度。大汛期間利用團結水庫的調蓄能力進行削峰，從而緩解奮斗水庫施工期間度汛壓力，并取得了明顯的經濟、社會效益。

2.3.3 溫度及裂縫控制難度大

工程所在地區晝夜溫差大、季節溫差大，對壩體施工期及運行期的溫控很不利，對奮斗水庫碾壓混凝土重力壩的基礎溫差、內外溫差及上下層溫差波動保持在規定范圍內，其難度很大。為了控制裂縫，應選擇合適的澆筑時間及溫控措施，改善溫度場的分布，減小不利拉應力影響，確保混凝土的施工質量。

奮斗水庫碾壓混凝土重力壩溫度進行分區控制，共三個區：Ⅰ區(基礎強約束區)混凝土是指距基巖0.2 L以內的混凝土，L為澆筑塊的長邊。Ⅱ區(基礎弱約束區)混凝土是指距基巖0.2 L～0.4 L范圍內的混凝土。 Ⅲ區(非約束區)除Ⅰ區、Ⅱ區混凝土以外的混凝土。

奮斗水庫鋼襯管下彎段與斜直段連接、斜直段與壩體相接觸及壩體與上彎段相銜接等部位容易出現較大環向和軸向拉應力[17-19]。澆筑季節影響鋼襯管的溫度應力大小，對最高溫度區域的位置影響不大。通過優選澆筑季節，降低鋼襯管主要部位的溫度梯度，延緩因溫度場變化而引起較大拉應力的出現時間，降低施工期間外包混凝土開裂的可能性。鋼襯管各部位的進度計劃宜安排在低溫季節施工。

2.3.4 越冬保護

奮斗水庫工程所在地10月份進入低溫季節施工，考慮到碾壓混凝土的設計齡期為90 d，對9月份及以后澆筑的碾壓混凝土需要采取措施保證安全越冬。碾壓混凝土重力壩為少筋或不配筋結構，當碾壓混凝土內外溫差過大時，因缺少約束容易由表面裂縫發展成貫穿性裂縫。

根據以往的施工經驗，并總結國內失敗教訓，奮斗水庫施工現場積極采取混凝土溫控、未達齡期混凝保溫越冬等措施。壩體高程344 m以下混凝土采用水體保溫，保證壩體順利越冬。具體做法：向上下游圍堰圍成的基坑充填河水，被保護壩體頂上水深應超過當地最大凍結深度。第二年施工時，對越冬層面進行鑿毛處理，在上層混凝土澆筑前攤鋪一層高標號水泥砂漿，并于越冬層面設置鋼筋和止水。

3 奮斗水庫PPP模式

3.1 PPP模式運轉

奮斗水庫工程是國家開展社會資本參與重大水利工程建設試運營第一批試點項目之一[19]。對投資環境、投資收益機制、建設運營服務、監管方式方法、完善政府鼓勵引導政策等方面進行深入探索，并取得了一定的實踐經驗。

奮斗水庫是以城鎮供水為主，結合防洪，兼顧灌溉和發電等綜合利用的大型水庫，建設運營管理包括水源—取水—凈水—用水等部分。具有財務收入的功能有供水、灌溉、發電，特別是供水效益必須完成供水配套工程才能實現。

結合具體情況，奮斗水庫工程吸引社會資本參與項目建設的方案為：落實項目投資主體，確定項目合作范圍，抓好試點主要工作等(詳見圖4)。奮斗水庫工程采取社會資本參股方式，直接注入資金，按政府資本金與社會資本投資比例進行效益分配，共同參與工程建設和運營管理。從工程建設運營的投資、產品定價、財政補貼、金融支持等方面積極探索。

圖4 PPP模式運轉

截至目前，奮斗水庫PPP模式運轉順暢，為工程建設全面開展創造良好條件。該模式正常運轉對黑龍江省重大水利工程建設開展PPP合作機制起到積極試點效應。

3.2 PPP操作流程

水利是國民經濟和社會發展的重要基礎設施。對具備一定條件的重大水利工程，采用政府和社會資本合作模式(PPP)對于釋放社會投資潛力、轉變政府職能、促進治理方式和管理模式創新具有重要意義。對新建項目，建立PPP合作機制，鼓勵社會資本以特許經營、參股控股等多種形式參與重大水利工程建設運營，有利于水利多渠道籌措資金，有利于提高水利管理效率和服務水平，有利于加快完善水安全保障體系。奮斗水庫工程PPP項目全生命周期操作流程參照圖5。

全生命周期是指項目從設計、融資、建造、運營、維護至終止移交的完整周期。物有所值(VFM)是指一個組織運用其可利用資源所能獲得的長期最大利益[20-21]。VFM評價是國際上普遍采用的一種評價傳統上由政府提供的公共產品和服務是否可運用PPP模式的評估體系，旨在實現公共資源配置利用效率最優化。

圖5 PPP項目操作流程圖

4 結 語

奮斗水庫作為國家PPP第一批試點項目，推廣實施PPP模式對于深化投融資體制改革、提高公共產品和服務供給效率、擴大有效投資等具有重要意義，并全生命周期注重生態環保效益。奮斗水庫建設過程中，碾壓混凝土壩溫控及裂縫控制難度大，層、縫面處理的質量是層間控制的關鍵點。建設過程中，碾壓混凝土重力壩溫控采用分區控制，選擇合適的澆筑時間及溫控措施，改善溫度場分布，總結了溫度及裂縫控制經驗。施工中注重碾壓混凝土層間控制質量，保證了工程建設質量。奮斗水庫的建設為寒區建設碾壓混凝土重力壩，積累了寶貴的經驗。