白鶴灘水電站左岸地下廠房百萬千瓦機組蝸殼外包混凝土施工技術

李 洪 偉，薛 本 垚，唐 毓 才

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站位于川滇交界的金沙江上，上接烏東德水電站，下鄰溪洛渡水電站。左、右岸地下廠房各布置8臺、單機容量為100萬kW的水輪發電機組。左岸地下廠房長438 m,寬34 m(巖錨梁以下31 m),高88.7 m,從南到北依次布置有副廠房、輔助安裝間、1#～8#機組及安裝場。

白鶴灘水電站左岸地下廠房單機組蝸殼分為34節，采用鋼支墩、拉緊器拉錨的方式固定。蝸殼層混凝土施工高程為564.9～576.15 m，總高度為11.25 m(圖1)。蝸殼外包混凝土為C9030W10F100。主要輸料通道為下游側母線洞、進廠交通洞南側支洞及上游側引水下平洞。入倉方式為立柱式布料機及混凝土泵機。

圖1 蝸殼外包混凝土示意圖

左岸地下廠房采用墊層蝸殼結構，在蝸殼上部外表面一定范圍鋪設聚氨脂軟木柔性墊層。蝸殼外側布置了三層外包鋼筋，隨蝸殼結構漸變施工凈空尺寸較小。機電管路布置集中，座環與蝸殼連接處的陰角區域空間狹窄。

2 施工過程中的技術難點及重點

蝸殼作為地下廠房的關鍵和核心，是確保其外包混凝土施工質量的重中之重。白鶴灘水電站地下廠房因其單機容量大致使其蝸殼體型巨大、結構復雜、埋管埋件眾多，加之座環、蝸殼間形成的陰角部位空間狹小，施工難度較大。為確保蝸殼混凝土優質、高效地澆筑完成，需要解決以下幾方面的混凝土施工技術難題:

(1)蝸殼外包混凝土施工凈空尺寸較小，蝸殼底部距離混凝土面的最小間隙為0.85 m，且蝸殼內側外包鋼筋層數多達三層、鋼筋直徑大并隨蝸殼結構漸變，鋼筋的制作、安裝為一大難點。

(2)座環與蝸殼陰角部位體型復雜、空間狹窄、鋼筋密集、埋管眾多，混凝土入倉振搗困難。如何確保陰角部位以及蝸殼底部混凝土澆筑密實是施工的難點，也是蝸殼混凝土澆筑施工的關鍵。

(3)混凝土澆筑期間，如何防止座環、蝸殼在混凝土澆筑過程中發生抬動、位移是施工的難點，做好澆筑過程控制及抬動、位移監測是其關鍵。

(4)做好蝸殼層混凝土的溫控措施是關鍵，特別是陰角部位、蝸殼底部需采用高流態、一級配或自密實混凝土，膠凝材料摻量大，絕熱溫升高，溫控難度大。

3 蝸殼外包混凝土施工技術

白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼層混凝土在基礎環、座環、蝸殼安裝完成并進行蝸殼焊接探傷、外部防腐、內外支撐焊接檢查后進行混凝土澆筑施工。混凝土施工程序為：金結安裝交面→縫面處理→鋼筋施工、驗收→預埋管路及預埋件施工→模板施工→混凝土澆筑→通水冷卻、養護。在蝸殼施工程序中，鋼筋制安、混凝土澆筑、抬動位移監測、溫控防裂四大工序是施工的關鍵。

3.1 鋼筋制作及安裝施工技術

白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼內側設2層鋼筋網，部分蝸殼節布置有第3層鋼筋網。第1、2層鋼筋網環向(豎向)主筋為Φ36螺紋鋼，順水流向分布筋為Φ32螺紋鋼,第3層鋼筋網環向(豎向)主筋為Φ32螺紋鋼，順流向分布筋為Φ28螺紋鋼。蝸殼層結構外側鋼筋以Φ32(豎向)、Φ28(水平)鋼筋為主。

蝸殼內側的鋼筋隨蝸殼結構漸變而漸變，順流向和垂直流向的鋼筋布置間距為20 cm(最小間距13.3 cm，最大間距27.5 cm)。蝸殼鋼筋下料前需繪制鋼筋料表，明確每一根鋼筋的型號及尺寸，漸變鋼筋每3～5根為一組統一編號加工，以料表規格、型號選取原材料加工制作，成品及半成品需經質檢員及時檢查驗收，合格品轉入成品區分類堆放與標識。將加工好的同一型號的鋼筋綁扎成捆，統一掛牌。根據鋼筋種類及安裝的先后順序堆放與運輸。

鋼筋安裝按從里到外、從低到高的原則進行。首先安裝蝸殼底部的鋼筋，一次安裝至腰線附近，待彈性墊層施工完成后再進行上半部的鋼筋安裝。每層先安裝環向鋼筋，后安裝徑向分布筋。

鋼筋安裝前應測量放樣以確定架立定位筋的位置，架立定位筋不得與蝸殼焊接，蝸殼腰線以下的鋼筋外側采用Φ36螺紋鋼支撐，內側采用Φ28螺紋鋼支撐。順水流方向每1.5 m設置一個斷面，每個斷面布置3～5個支撐。鋼筋支撐底部鉆孔(深度20 cm)注漿固定。對蝸殼腰線以上跨度較大處采取在蝸殼與內層鋼筋之間設置支撐鋼筋的方式，支撐鋼筋與墊層接觸處采用100 mm×100 mm×5 mm的鐵墊片或采用與蝸殼混凝土同標號的混凝土預制墊塊將架立筋與蝸殼隔開。

鋼筋接頭主要采用直螺紋套筒連接。環向封閉鋼筋的最后一個接頭因存在加工誤差及累計誤差而采用幫條焊焊接。

3.2 混凝土施工技術

(1)施工分層與分倉。白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼層總高度為11.25 m。考慮到技術供水泵房、蝸殼進人廊道、蝸殼結構布置等因素，共分為4層澆筑，分別為蝸Ⅰ層～蝸Ⅳ層[1]。

為防止蝸殼受混凝土澆筑中的上浮力抬動影響，在蝸殼外側間隔焊接拉錨，該拉錨需在第一層混凝土澆筑完成、第二層澆筑前割除，并對焊接部位進行打磨與探傷。

蝸殼第一層的分層高度應重點考慮以下因素：分層高度應確保陰角部位澆筑密實；分層高度應低于外側拉錨高度，以便于拉錨的割除打磨；分層的內外高差不宜大于60 cm，以防止混凝土高差過大產生側向力而導致蝸殼發生偏移。

基于以上因素并結合蝸殼層的其他結構布置，蝸殼層混凝土第一層的分層高度為3.5 m，其中蝸殼編號23～30段受蝸殼與座環間陰角部位高度的限制，澆筑高度為4.05 m。第一層分為4個象限進行澆筑，南側、上游為第Ⅰ象限，其它象限按照逆時針方向依次為Ⅱ～Ⅳ象限[2]。

蝸Ⅱ層頂高程為570.85 m；蝸Ⅲ層因蝸殼直徑為漸變結構，受蝸殼頂高以上覆蓋混凝土不宜超過1.5 m的限制(防止澆筑厚度過大導致其壓力影響蝸殼形體)，蝸Ⅲ層分為兩個臺階澆筑，蝸殼南側的澆筑高程為574.5 m，北側澆筑至高程573.9 m；蝸Ⅳ層頂高程為576.15 m(圖2)。

圖2 廠房蝸殼混凝土施工分層示意圖

(2)澆筑方式及布置。蝸殼鋼襯底部內側及陰角部位采用泵機送料，泵機布置在引水下平段內，直接對蝸殼底部進行供料。

蝸殼層大體積混凝土主要采用立柱布料機送料，布料機布置在機組之間，其中對于南、北兩端的1#、8#機組布料機覆蓋不到的區域以及其他機組布料機覆蓋不到的區域采用溜管、溜槽輔助入倉[3]。采用橋機掛吊罐的方式作為臨時備用輔助澆筑手段。

蝸殼層混凝土第Ⅰ層分四個象限對稱澆筑，澆筑順序為Ⅳ象限→Ⅱ象限→Ⅲ象限→Ⅰ象限。蝸Ⅱ層～蝸Ⅳ層一次性澆筑成型。

(3)蝸Ⅰ層混凝土澆筑。

①蝸Ⅰ層混凝土。先澆塊混凝土澆筑。蝸殼層混凝土先澆塊為第Ⅳ象限，澆筑手段為2臺泵機+布料機。布料機用于蝸殼外側澆筑。泵機一用一備，主要用于蝸殼內側混凝土的澆筑，布置在引水下平段或相鄰機組，泵送自密實或一級配混凝土。蝸殼座環陰角部位布置有3根高泵管、2根低泵管(圖3)。

第Ⅳ象限從蝸殼半徑較大側開倉澆筑，采取內高外低擠澆法，外側采用布料機入倉，坯層厚度為30 cm，先澆筑蝸殼底部范圍，再向外輻射，振搗人員同時平倉振搗，蝸殼底部澆筑寬度超過3 m后，開始澆筑內側混凝土，內側采用泵機澆筑，坯層厚度30 cm，先啟用低泵管澆筑一級配混凝土，內側澆筑速度不能超過外側。待澆筑到蝸殼底部人員難以振搗時，啟用高泵管澆筑自密實混凝土并降低外側澆筑速度，使內側澆筑速度略快于外側，以便于內側自密實混凝土將蝸殼底部填滿，但內外側高差不宜超過60 cm，防止混凝土側壓力影響蝸殼形體。陰角部位澆筑自密實混凝土時，在蝸殼基礎環板上布置有振搗孔，待混凝土料澆滿溢出后及時進行清理并用沙袋或木塞封堵孔口。高泵管澆筑過程中，需密切注意觀察基礎板上各窗口、孔洞等的冒漿情況，一旦發現，對冒漿相應的泵管立即停止泵送混凝土，待最高層振搗孔全部冒漿并堵壓后，采用麥斯特注漿機利用注漿管往陰角頂部預埋的注漿花管灌漿(圖4)，直至頂部通氣孔冒漿后停止，確保陰角部位澆筑飽滿、密實。

圖3 蝸殼陰角部位高低泵管布置示意圖

圖4 廠房蝸殼下部內高外低擠澆法示意圖

注意：a.在澆筑過程中，注漿壓力均按不大于0.2 MPa控制，以確保將泵送混凝土過程中的抬動變形值控制在機組廠家允許的范圍內；b.重點監控蝸殼內側的混凝土澆筑，同時，蝸殼外側混凝土澆筑亦需滿足澆筑要求，有序進行平倉，合理下料，及時進行接頭覆蓋；c.蝸殼內、外側混凝土的垂直上升速度均要求不大于0.3 m/h。在蝸殼鋼支撐或蝸殼本體上標識坯層線，以便于控制坯層厚度及澆筑速度。

②后澆塊混凝土澆筑。第Ⅳ象限澆筑完成后，依次進行后澆塊第Ⅱ象限、第Ⅲ象限和第Ⅰ象限的混凝土澆筑。澆筑手段為2臺泵機+2臺布料機，澆筑方法與先澆塊基本相同。

③1#、8#機組布料機覆蓋不到的部位。對于1#機組南側和8#機組北側布料機覆蓋不到的部位其蝸殼內側澆筑方法不變，1#機組外側采用布置在進廠交通洞南側支洞的溜管溜槽系統進行澆筑，8#機組外側采用布置在主廠房安裝間的溜管溜槽系統進行澆筑。

(4)蝸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層混凝土澆筑。蝸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層混凝土采用2臺立柱式布料機入倉(1#、8#機組采用1臺立柱式布料機、1套溜管溜槽系統入倉)、平鋪法澆筑，坯層厚度為30 cm。

(5)振搗工藝。自密實混凝土不需要振搗，泵送混凝土振搗采用Φ100、Φ70振搗棒進行振搗。振搗時要避開金結埋件并與側模保持5～10 cm的距離，按一定的順序和間距逐點振搗，其間距為振搗棒作用半徑的一半，振動棒要快插慢抽并插入下層混凝土面5 cm，待振搗至其表面停止明顯下沉、周圍無氣泡冒出、泛漿為止。

3.3 溫控措施

白鶴灘水電站蝸殼外包混凝土強度等級為C9030W10F100。根據設計要求,混凝土的入倉溫度為4～9月不高于20 ℃、10月～次年3月不高于18 ℃、12月和1月自然入倉。混凝土的允許設計最高溫度為4～9月不高于45 ℃，10月～次年3月不高于41 ℃[4]。為滿足溫控要求,混凝土澆筑過程中應采取嚴格的溫度控制措施以降低混凝土的入倉溫度和混凝土水化熱的溫升。

為滿足蝸殼混凝土高標準的溫控要求，蝸殼層混凝土采用水化熱低的硅酸鹽水泥并優化其混凝土配比。為降低混凝土的澆筑溫度，主要采取冷水預冷骨料的方式降低料倉骨料的溫度；混凝土攪拌時，采用加冰措施降溫，并適當延長拌和時間；混凝土運輸過程中在攪拌罐上加帆布覆蓋隔熱并對帆布噴水保濕保溫，避免運輸過程中溫度升高。對于混凝土骨料，一定要做好溝通協調，防止混凝土料不能及時入倉，在罐車中的時間過長而不滿足入倉溫度要求。

蝸殼混凝土每層澆筑時，在倉內布置1～2層冷卻水管，冷卻水管布置間距為1 m，材料采用塑料冷卻水管，冷卻水管采用Φ25鋼筋和Φ16鋼筋進行預埋加固。冷卻水管的布置可根據現場需要進行調整，在采用一級配、自密實混凝土澆筑的部位適當加密布置。

混凝土收倉8～12 h后進行養護，主要采取在混凝土面上鋪設1～2層土工布覆蓋的方式，對土工布灑水養護，土工布具有較好的保濕效果，可使混凝土表面經常保持濕潤狀態。

3.4 抬動監測

蝸殼外包混凝土澆筑前，在座環上平面架設垂直百分表和水平百分表用以監測混凝土澆筑過程中的變形及位移量，并根據監測情況調整混凝土的澆筑順序[5]。

抬動監測主要監控座環、蝸殼在第一層混凝土澆筑及接觸灌漿過程中的位移情況，確保混凝土澆筑及回填過程中座環和蝸殼處于質量受控狀態。

(1)監測位置和支架形式。座環監測點是在座環底環基礎板的+Y 、+X、-Y、-X方向旋轉45°布置4個測量位置，各布置了1個徑向測點和高程測點(共8個測點)。測點支架采用槽鋼加工制作，與蝸殼、座環獨立，下部與錐管內支撐連接。座環監測點位置見圖5。

圖5 廠房開挖分層初步設計方案示意圖

蝸殼監測點的布置。在蝸殼頂部均布14個監測點，采用全站儀進行監測。在地面做一個基準校正點用于儀器校正，防止儀器移動或因氣溫等因素造成的零點漂移。

(2)監測要求。根據設計要求，座環的抬動和變形應≤0.25 mm，蝸殼的抬動應≤2.5 mm。相應抬動監測要求如下：

①座環的抬動和變形應≤0.25 mm，當座環上抬0.1 mm時，向現場監理及相關人員提示；當座環上抬0.2 mm時，向現場監理及相關人員報警，暫停座環混凝土澆筑。座環上抬≤0.1 mm時，每30 min監測一次；座環上抬>0.2 mm時，每10 min監測一次或根據現場監理指令加密監測次數，同時降低混凝土的澆筑速度。

②澆筑過程中，每天用水準儀對上環板水平進行測量并記錄一次。

③澆筑(灌漿)時蝸殼偏移不超過2.5 mm。當蝸殼偏移超過1.5 mm時，向現場監理及相關人員提示；當蝸殼偏移超過2 mm時，向現場監理及相關人員報警，暫停混凝土澆筑。正常情況下，每30 min監測一次，根據現場監理指令加密監測次數，同時降低混凝土的澆筑速度。

蝸殼采用全站儀進行測量易出現零點漂移現象，當測量結果出現異常時，應及時與基準校正點進行核對，并采用座環百分表測量結果進行驗證，避免出現偶然誤差而導致出現誤判。

④座環、蝸殼第一層混凝土澆筑或底部灌漿監測過程中，監測人員應輪班作業，作好交接班工作，確保監測工作的連續性。

⑤在監測部位現場布置照明燈，禁止無關人員在監測部位附近活動，要防止百分表的碰撞、損壞和丟失。

⑥在布置百分表的支架上焊接螺母，澆筑前(灌漿前)采用塞尺測出螺母平面到底環基礎板表面之間的間隙并用石筆寫在角鋼上，同時亦寫在記錄中，防止百分表被碰時有應急監測措施。

⑦澆筑過程中，通過測量數據分析座環形位尺寸的變化規律，測量成果必須如實記錄，根據記錄分析座環和蝸殼位移是否正常。

⑧所有測量點和基準點都必須用油漆作出可靠的標識。

⑨所使用的測量儀器、量具都要經過校驗合格后方可投入使用。

3.5 特殊情況的處理

(1)泵送混凝土堵管。對于蝸殼鋼襯底部內側及陰角部位采用泵機澆筑。澆筑過程中，由于塌落度不穩定、粗骨料過多、泵管接頭滲漏或操作不當可能會引起泵管堵管，應采取有效的措施避免或減少泵管堵管的影響。

①澆筑時配置足夠的澆筑人員，在主泵管堵管時及時進行更換和疏通。

②在蝸殼座環陰角部位增加支管數量并保證混凝土供料。該方案布置了3根高泵管，2根低泵管。

③當蝸殼座環陰角部位的所有支管堵管時，采取在蝸殼座環陰角部位最高層布置的振搗孔內布置受料斗，采用橋機+吊罐供料。

(2)立柱式布料機故障。蝸殼層混凝土主要采用布料機澆筑。由于機械本身磨損或操作不當可能會引起立柱式布料機出現故障，應采取有效措施避免或減少影響。

①配備專業的維修人員，立柱式布料機一旦發生機械故障，立即進行搶修。

②在機械故障不能及時維修或不能短時間正常運轉的情況下，立即采用備用入倉手段入倉：a.采用160 t/50+25 t橋機掛6/3 m3吊罐作為備用輔助澆筑手段；b.在廠房上游側3條運輸通道位置布置溜管、溜槽系統作為備用輔助澆筑手段。

4 結 語

白鶴灘水電站蝸殼層外包混凝土結構復雜、埋管埋件眾多、工期緊張、施工難度大、溫控要求高，在借鑒以往工程經驗的基礎上，施工局針對白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼外包混凝土特性，通過對分層分區、入倉方式、鋼筋制安、混凝土級配等進行優化，采用低熱水泥對混凝土拌制、運輸等方面實施有效的溫控措施，采取全過程變形監測，圓滿地完成了蝸殼外包混凝土澆筑施工，并在施工中形成了一整套巨型地下廠房蝸殼層混凝土施工關鍵技術，其成功經驗可為后續類似工程提供借鑒。