魯地拉、功果橋水電站施工組織設計關鍵技術

黃天潤

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

魯地拉水電站位于云南省大理州賓川縣與麗江地區永勝縣交界的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段規劃的一庫八級梯級電站的第七級，上游為龍開口水電站，下游為觀音巖水電站。電站是以發電為主，兼顧灌溉等綜合利用的一等大(1)型工程。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、右岸地下廠房、泄水底孔及表孔等組成，最大壩高140 m，水庫正常蓄水位1 223.0 m，總庫容17.18億m3，電站裝機6臺，總裝機容量2 160 MW。工程施工采用右岸導流隧洞枯水期導流、汛期導流洞和基坑(壩體缺口)聯合度汛的導流方式，圍堰擋水標準采用枯水期20年一遇，流量為2 170 m3/s，圍堰過水標準為全年20年一遇，流量為10 700 m3/s。工程于2007年7月開工，2009年1月截流，2013年7月首臺機發電，2014年10月完工。

功果橋水電站位于云南省大理州云龍縣瀾滄江干流上，上游為苗尾水電站，下游為小灣水電站，為大(2)型工程。樞紐建筑物由碾壓混凝土重力壩、右岸地下廠房、泄水底孔及表孔組成，最大壩高105 m，正常蓄水位1 307.0 m，總庫容3.16億m3，電站共裝機4臺，總裝機容量為900 MW。工程施工采用右岸導流隧洞枯水期導流、汛期導流洞和基坑(壩體缺口)聯合度汛的導流方式，圍堰擋水標準采用枯水期10年一遇，流量為2 110 m3/s，圍堰過水標準采用全年20年一遇，流量為7 710 m3/s。工程于2007年8月開工，2008年11月截流，2011年9月首臺機組發電，2012年6月完工。

2 施工組織設計關鍵技術

2.1 大斷面導流隧洞進口布置及施工技術

魯地拉、功果橋水電站均采用枯水期導流方案，各布置一條導流隧洞。魯地拉導流洞斷面尺寸為14.5 m×17.0 m(寬×高)，進口漸變段最大開挖斷面尺寸為24.5 m×24.5 m；功果橋導流洞斷面尺寸為16.0 m×18.0 m，進口漸變段最大開挖斷面尺寸為28.0 m×24.0 m。魯地拉水電站導流洞布置受地下廠房布置制約，布置在靠河側，進口段洞頂及河側圍巖厚度相對較薄；兩工程導流洞進口段裂隙發育、巖體破碎、地質條件差、圍巖均為Ⅳ類，漸變段開挖尺寸大，存在較大的施工安全風險。根據地形地質條件，經布置方案綜合比較，提出漸變段拉出洞外，采用明洞布置方案，大大減小了導流洞進口段開挖跨度，有利于進口段圍巖及洞臉邊坡安全穩定，有效降低了施工安全風險，取得了良好的技術經濟效果。

圖1 魯地拉水電站上游土石-碾壓混凝土混合過水圍堰剖面示意(高程：m)

采取上述布置方案后，兩導流洞進口段開挖尺寸分別為17.5 m×20.0 m及24.0 m×23.2 m，開挖跨度仍較大，合理的開挖程序和支護方案對洞室圍巖穩定至關重要。通過多方案開挖程序、支護方案仿真計算、分析研究，提出采用“小分層、短進尺、小臺階”分序開挖，及時支護，控制圍巖變形；頂層采用兩側導洞領先開挖，下部各層層厚4～5 m，采用“先中間開挖，后兩側開挖，先開挖靠河巖體厚度較薄地質條件較差的一側”的開挖程序；采用鋼支撐+系統錨桿(局部錨筋樁)+噴鋼纖維混凝土支護，洞進口及裂隙發育段采用管棚或超前錨桿、超前灌漿加固措施；施工過程中加強變形監測，采用反演分析動態調整支護參數。功果橋導流洞進口段開挖跨度大，巖體風化強、卸荷嚴重、裂隙發育，為保證進口段圍巖及洞臉邊坡安全穩定，在洞臉邊坡馬道布置垂直懸吊錨筋樁，洞口周圍布置4排水平鎖口錨筋樁，洞口正上部洞臉布置一排100 t預應力錨索，鎖口錨筋樁起到鎖導流洞洞口及鎖洞臉邊坡坡腳雙重作用。魯地拉、功果橋水電站導流洞進口段開挖程序及支護方案的選擇為復雜不良地質條件，特大斷面洞室開挖、支護提供了成功實踐經驗及技術借鑒。

2.2 深厚覆蓋層、大流量、高水頭、長過水歷時高土石過水圍堰關鍵技術

魯地拉水電站上游過水圍堰堰基覆蓋層厚度10～15 m，堰頂高程1 156.5 m，最大堰高34.5 m，圍堰過流標準為全年20年一遇洪水，流量為10 700 m3/s，其中圍堰過流6 940 m3/s，上下游水位差約17.5 m，單寬流量44.4 m3/(s·m)，最大流速23.5 m/s，具有圍堰高、單寬過流量大、水頭高、流速大、過水歷時長等特點，根據已建工程經驗，宜采用混凝土過水圍堰；但混凝土過水圍堰需在臨時土石圍堰保護下修建，施工程序復雜、工期長、工程量大、造價高。結合該工程過水圍堰水力指標特點，通過水力學模型試驗，對過水圍堰堰型進行深入研究比較，創新提出土石—碾壓混凝土混合過水圍堰新堰型；對截流戧堤加高培厚形成土石堰體，上游邊坡1∶1.5～1∶2，下游邊坡1∶1.75，在下游邊坡1 139.0 m(低于下游圍堰堰頂2.0 m)高程設20 m寬消能平臺，堰體采用混凝土防滲墻防滲，堰頂及下游堰面采用碾壓混凝土防護，考慮碾壓混凝土施工要求，混凝土厚度采用4.0 m，下游堰面碾壓混凝土設置消能臺階，形成臺階堰面。魯地拉水電站上游土石—碾壓混凝土混合過水圍堰剖面示意見圖1。

該圍堰具有以下創新點：①首次將土石堰體與碾壓混凝土有機結合，形成土石—碾壓混凝土混合過水圍堰新堰型，極大提高了堰面的抗沖效果及圍堰的安全性，充分發揮了兩種材料施工簡便、快速的特點，加快了過水圍堰施工進度，大大節約了工程投資；②首次將臺階消能技術應用于過水圍堰下游堰面，形成了過水圍堰“大陡坡臺階消能+下游消能平臺面流消能”兩級聯合消能模式，提高了消能效果；③圍堰過水初期，利用圍堰過流直接對基坑充水，不需設置預充水設施，簡化了基坑充水方式；④發展了過水圍堰“金邊銀腳”防沖理念，對圍堰下游堰肩岸坡清坡開挖，錨桿錨固及貼坡混凝土防護，達到過流順暢及堰肩防沖的目的，對下游堰腳挖除覆蓋層，堰腳混凝土坐落在基巖上，滿足基礎抗沖要求。圍堰運行了4個汛期，其中2009年～2010年兩個汛期圍堰過水歷時近4 300 h，2009年過流期間未斷流，過流歷時達2 230 h，過流期間壩址最大流量9 000 m3/s，圍堰最大過流量5 225 m3/s，最大過堰單寬流量32.5 m3/(s·m)，上下游水頭差17.1 m，消能平臺最大流速約20 m/s，圍堰安全度汛。該圍堰的成功應用，為大流量、高水頭、高流速、長過水歷時過水圍堰提供了新選擇[1]。

功果橋水電站上游圍堰采用土石過水圍堰，堰基覆蓋層厚度約30 m，堰頂高程1 262.5 m，堰頂至基坑基巖面高度達52.5 m，圍堰過流設計標準為全年20年一遇洪水，流量為 7 710 m3/s，其中，圍堰過流量4 710 m3/s，上下游水位差約10.5 m，圍堰過流單寬流量28.4 m3/(s·m)，屬于深厚覆蓋層、大流量、高土石過水圍堰。通過水力學模型試驗及水力學數值仿真分析計算，對上下游過水圍堰水頭落差合理分配、消能平臺布置、堰面及堰腳水力特性與防護方式、基坑充水、堰面排水等進行系統研究；提出圍堰下游堰面采用1∶4.5緩坡，后接二級寬消能平臺(平臺寬度分別為30 m及20 m)的堰型布置。對“面、邊、腳”三個防護重點進行深入研究，提出了“固面、金邊、銀腳”防護的設計理念，堰面采用1.0 m厚混凝土板防護，堰肩采用貼坡混凝土防護，消能平臺及堰腳覆蓋層邊坡采用厚6.0 m C7.5膠凝砂礫石(CSG)防護。形成了深厚覆蓋層、大流量、高土石過水圍堰設計成套技術。圍堰經過兩個汛期過水，堰面最大流速12.83 m/s，圍堰完好無損，安全度汛[2- 4]。功果橋水電站上游土石過水圍堰剖面示意見圖2。

圖2 功果橋水電站上游土石過水圍堰剖面示意(單位：尺寸cm；高程m)

2.3 高碾壓混凝土重力壩岸坡非溢流壩段缺口導流關鍵技術

魯地拉、功果橋水電站中期導流均采用導流隧洞與壩體缺口聯合過流的導流度汛方式。魯地拉水電站度汛流量12 200 m3/s，缺口下泄7 500 m3/s；功果橋水電站度汛流量7 710 m3/s，缺口下泄4 700 m3/s。一般情況下，大壩度汛缺口布置在河床溢流壩段，有利于缺口過流消能防沖，但溢流壩段是控制大壩施工進度的關鍵項目，缺口過流對溢流壩段施工產生較大影響。鑒于此，提出在大壩岸坡非溢流壩段布置導流缺口的設計理念，開展了《高碾壓混凝土重力壩岸坡壩段缺口導流關鍵技術研究》專題研究。通過水力學模型試驗、數值仿真計算、分析論證，對缺口布置、缺口水力特性、運行模式、消能防沖、溫控防裂、缺口施工進行了系統深入研究，確定魯地拉工程缺口寬度45 m，缺口單寬流量167 m3/(s·m)，功果橋工程缺口寬度67 m，缺口單寬流量67 m3/(s·m)。研究提出：①在統籌施工進度安排及度汛要求的條件下，合理確定缺口高程，缺口高程宜盡可能降低，以減少上下游水位差，有利于消能防沖；②缺口寬度應適中，從簡化消能防沖措施、降低工程費用考慮，缺口單寬流量不宜過大，缺口布置不宜進入壩肩槽開挖范圍，使過缺口水流順暢進入下游河床，減輕對岸坡沖刷；③功果橋水電站缺口上下游水位差較小，約5.0 m，單寬流量小于70 m3/(s·m)，采用缺口跌流+面流擴散消能，消能效果良好，對下游基坑及岸坡采取適當防護可滿足防沖要求；④魯地拉水電站上下游水位差較大，約25 m，單寬流量大，采用“導墻疏導+高尾坎消力池+側向迭流至溢流壩后戽式消力池+擴散”多級消能方式，有效控制了對河床基坑及下游圍堰的沖刷；⑤缺口出口消能區基坑及岸坡加強防護，其他下游岸坡防護與永久防護結合；⑥做好下游圍堰上游面抗沖保護，確保下游圍堰安全運行；⑦缺口過流前采用冷卻水管通水冷卻及表面流水養護，降低缺口混凝土溫度，布設防裂鋼筋網，防止過流冷擊產生溫度裂縫，缺口回填施工采用大升層或連續上升快速施工方案。岸坡非溢流壩段缺口導流度汛綜合技術成功應用于魯地拉、功果橋水電站，大大加快了大壩施工進度，實現了首臺機發電工期目標，技術經濟效益顯著[5]。

2.4 PL摻合料

魯地拉水電站大壩碾壓混凝土工程量較大，摻合料用量多，面對云南粉煤灰供應緊張等現實條件，通過摻合料調研分析，提出采用攀枝花磷礦渣+永保水泥廠石灰巖(PL)混合料作為摻合料的方案，針對PL摻合料及粉煤灰+火山灰摻合料進行摻合料細度、摻合料配比、摻合料摻量對混凝土性能影響及堿活性抑制等系統試驗研究，推薦采用PL混合料作為魯地拉水電站大壩碾壓混凝土摻合料，摻量55%～60%，P、L料各占50%，磷礦渣粉比表面積按350 m2/kg控制，石灰石粉細度按45 um篩余量20%控制，磷礦渣粉及石灰石粉均在永保水泥廠加工，按1∶1混合后出廠。PL摻合料具有以下特點：在摻量為50%以上時對骨料堿活性有明顯抑制作用，可降低水泥用量8～9 kg/m3，混凝土抗壓強度略高于粉煤灰混凝土，軸拉強度及極限拉伸值略高，干縮大于粉煤灰混凝土，自生體積變形膨脹值略低于粉煤灰混凝土等，是性能良好的碾壓混凝土摻合料[6-7]。

2.5 干熱河谷高碾壓混凝土重力壩溫控防裂技術

魯地拉水電站壩址所處地區年平均氣溫21.9 ℃，年降雨量483 mm，多集中在7月～9月，年蒸發量2 353.9 mm，年平均日照時數2 842.6 h，年平均風速1.9 m/s，與黃河拉西瓦水電站相當，最大風速30 m/s，全年日溫差大于10 ℃的天數平均達236.2 d，多集中在旱季10月～6月。綜上所述，魯地拉水電站具有年平均氣溫高、日照強烈、氣候干燥、日溫差大、風大、干熱季時間長等特點，氣象條件差，碾壓混凝土施工及溫控防裂難度大。為此開展了《干熱河谷高碾壓混凝土重力壩溫控技術研究與應用》專題研究。通過混凝土碾壓性能仿真試驗及混凝土性能與配合比試驗、多方案大壩混凝土溫度、應力仿真分析計算，系統研究了環境溫度與VC值及凝結時間的關系、VC值與凝結時間的關系、混凝土外加劑與混凝土性能及配合比，揭示了大壩初期、中期(度汛期)、后期(蓄水期)溫度應力分布規律及氣溫驟降、日溫差、年氣溫變幅引起的表面應力變化規律。

結合研究成果及已建工程經驗，可得到如下結論：①水泥內MgO含量控制在3.5%～5.0%，采用高效緩凝堿水劑、PL摻合料，優化混凝土配合比，以降低水泥用量；②采用低VC值，出機口VC值控制在1～3 s，倉面VC值控制在3～5 s，保證層面良好結合；③預冷骨料、加冰及冷水拌和混凝土，控制出機口溫度不大于12 ℃；④加強運輸過程及倉面保溫覆蓋，卸料平鋪后及碾壓后立即覆蓋保溫材料遮陽隔熱，倉面噴霧保濕降溫，有效減小混凝土溫度回升及VC值損失，控制混凝土澆筑溫度不大于17 ℃；⑤全壩埋設冷卻水管，在混凝土碾壓完畢后及時通水冷卻，降低混凝土溫升，控制混凝土最高溫度；⑥對混凝土表面覆蓋保溫材料，防止日溫差及氣溫驟降產生的溫度應力不利影響，加強混凝土表面保濕養護，層面采用流水養護，上下游壩面及側面采用花管噴水養護，上下游永久暴露面養護時間不小于混凝土設計齡期，澆筑塊側面及頂面養護時間不小于28 d或至混凝土覆蓋；⑦采用溫控智能控制系統，實時監測壩體溫度分布，實現冷卻通水智能化控制，根據監測資料進行壩體溫度應力反分析，實時調整溫控措施。干熱河谷碾壓混凝土重力壩溫控防裂成套集成技術在魯地拉工程成功應用，溫控效果良好[6-7]。

3 結 論

在魯地拉、功果橋水電站中成功應用的一系列關鍵技術，為工程建設提供了重要技術保障，取得了顯著的技術經濟效益。

(1)魯地拉、功果橋水電站導流洞進口段開挖程序及支護方案的選擇為復雜不良地質條件，特大斷面洞室開挖、支護提供了成功實踐經驗及技術借鑒。

(2)以魯地拉水電站工程為依托，提出了土石—碾壓混凝土混合過水圍堰新堰型，形成了高土石過水圍堰設計、施工成套關鍵技術，為大江大河大流量、深厚覆蓋層、高水頭、長過水歷時高土石過水圍堰設計施工提供了安全可靠的技術方案及實踐經驗，發展和完善了過水圍堰設計施工技術，推進了過水圍堰技術進步。

(3)提出了高碾壓混凝土重力壩采用岸邊非溢流壩段缺口導流度汛的新思路，針對大單寬流量、高水頭差的岸坡壩段缺口度汛，提出“大導向+多級消能+分層次防護”的消能防沖方式，形成了岸邊非溢流壩段缺口導流度汛系列技術，有效加快了大壩施工進度，取得了顯著的技術經濟效益。

(4)提出了PL摻合料摻配比例、加工工藝及質量控制標準，為PL料的推廣應用提供了重要依據。

(5)集成提出了干熱河谷高碾壓混凝土重力壩溫控防裂綜合技術，可在類似工程建設中推廣應用。