特高拱壩建設管理與施工技術總結與展望

程 立，吳亞軍，魏志遠

(水電水利規劃設計總院，北京 100120)

0 引 言

據不完全統計，目前國內外已建成壩高超過200 m的特高拱壩共23座，其中我國建成7座[1]。二灘拱壩是我國自行設計建設的第一座200 m級特高拱壩，為我國特大型水電工程建設管理現代化開創先河[2]；錦屏一級拱壩是目前世界第一高壩，左岸邊坡及壩基處理施工極其困難；小灣拱壩是目前總水推力最大的特高拱壩，混凝土方量世界第一；溪洛渡拱壩是目前壩身泄洪設施規模最大的特高拱壩；拉西瓦拱壩是目前唯一在高寒高海拔地區建成的特高拱壩；大崗山拱壩是目前全世界地震動參數最高的壩，施工安全風險高。以上6座特高拱壩的建設管理過程，是我國從不斷學習借鑒，到不斷自主研究創新和發展完善的過程；上述6座特高拱壩建設管理實踐，為今后特高拱壩建設管理發展與技術創新應用奠定了堅實基礎，中國特高拱壩建設與管理成就已成功躋身世界領先水平。因此，對我國特高拱壩建設管理與施工技術進行總結，指導未來特高拱壩建設是十分必要的。

本文從建設管理、開挖控制、基礎處理、混凝土材料、混凝土溫度控制以及混凝土澆筑等6個方面，系統總結已建6座特高拱壩工程的施工技術、質量控制和建設管理經驗，以及新工藝、新方法、新材料使用經驗，提出特高拱壩建設管理與施工中需要重點關注的問題。

1 特高拱壩建設管理與成效

6座特高拱壩在工程建設管理過程中，管理體系不斷得到完善和改進，形成了“業主主導、專家把關、設計保障、監理控制、施工保證、政府監督”的六位一體管理體系，保證了工程建設質量全面受控。

針對特高拱壩超規范、超經驗特點，集合國內國際頂級專家開展技術決策咨詢活動。二灘水電站最早成立了世界銀行特別咨詢團(SBC)[2]，對工程技術問題全面把關；小灣成立了以潘家錚、譚靖夷院士為顧問的瀾滄江流域質量專家組，錦屏一級、溪洛渡水電站均成立了以譚靖夷院士牽頭的專家咨詢團隊，拉西瓦、大崗山水電站也均成立由國內頂級水電咨詢機構牽頭的技術咨詢專家組，通過專家咨詢對工程技術和質量進行全面把關，保證了工程建設的順利進行。

在特高拱壩建設過程中，由建設單位牽頭，以設計、監理、施工單位為核心開展了大量試驗、研究等科研攻關，取得了豐富成果。推行了精細化、標準化的施工，溪洛渡、大崗山等水電站通過開展樣板倉評選和質量評比等活動[3-4]，調動了各方積極性，施工過程不斷規范，管理水平逐步提升，例如溪洛渡等水電站建立了企業控制標準，成效十分明顯。

6座特高拱壩也均建立了完善的質量監督體系。按照國家相關規定，由國家級工程質量監督單位等組織對施工全過程進行質量監督巡視和驗收，對工程全過程進行總體把關。除此之外，溪洛渡、錦屏一級、大崗山等水電站在現有工程監理的基礎上，委托獨立第三方對混凝土、灌漿等工程實體質量進行檢測，對施工及監理行為進行抽查。小灣、錦屏一級水電站還聘請外籍混凝土質量總監常駐工地開展質量監督工作。這些措施進一步保證了工程質量。

二灘、小灣、錦屏一級、大崗山等水電站受邊坡開挖、基礎處理等因素影響，大壩混凝土澆筑開始時間均有不同程度推遲，通過建立工程進度分級管理體系，明晰參建各方進度管理職責，采用先截流后開挖的邊坡開挖程序、無蓋重+有蓋重固結灌漿[5]、4.5 m升層澆筑[6]、數字化管理系統[7]等措施，在保證工程建設質量的前提下，6座特高拱壩混凝土澆筑工期均得到了有效控制。

2 特高拱壩開挖與控制

6座特高拱壩最大開挖邊坡高度超過700 m，高邊坡卸荷松弛拉裂等問題突出，不良地質體發育，施工安全風險大；高地應力地區巖石開挖卸荷松弛給拱壩壩基帶來的不利影響大，增加施工控制難度。6座特高拱壩結合地質條件特點，對邊坡和壩基開挖程序、施工方法、工藝參數和質量控制等方面進行了大量研究，提出了“自上而下、挖錨結合、及時支護、少擾動、嚴施工、周密監測、動態調整”的基本控制要求，制定了符合本工程特點的特高邊坡開挖支護總體程序和方法。

壩基開挖爆破與巖體卸荷松馳控制是特高拱壩壩基開挖的難點，經反復試驗研究，結合地應力等情況設置不同厚度的保護層[8]，例如小灣2 m(地應力20～57 MPa)、錦屏一級5 m(地應力40.4 MPa)，同時輔以先錨后挖、及時錨固措施，可取得較好實施效果，基本解決了巖體卸荷松馳爆破控制開挖的技術難點。另外，拉西瓦將傳統的水平開挖調整為由壩肩到河床按光滑過渡的反弧形曲線開挖，改善了壩基巖體的卸荷損傷。爆破參數根據巖性情況依據爆破試驗確定，開挖質量通過超欠挖、不平整度、預裂半孔率、聲波衰減率等多項指標控制，其中溪洛渡、大崗山水電站增加了“爆破影響(松弛)深度”的檢測指標[9]，實踐證明是十分有效的。

特高拱壩一般位于高山峽谷區，窄河谷、邊坡高陡、施工場地有限，場內交通布置非常困難，其中以錦屏一級水電站交通條件最具代表性。各特高拱壩施工中，結合現場地形和永久交通，布置了覆蓋各開挖面的施工便道和集渣平臺，并動態調整，以保證材料運輸及施工棄渣強度需求。拉西瓦、大崗山結合河床截流或分流進度，將河床作為高邊坡開挖石渣的轉運平臺，既提高了邊坡開挖施工效率，又避免了常規“石渣入江”的環保問題，是特高拱壩壩肩開挖的一個有效方法。

3 特高拱壩壩基灌漿施工與控制

特高拱壩壩基灌漿的特點為“一深三高”，即灌漿深度深，施工控制要求高、質量要求高、工藝要求高。灌漿工程作為隱蔽特性工程，高標準、嚴要求則必須始終貫穿于特高拱壩的設計施工全過程。嚴格進行過程控制，通過有效技術手段進行檢測，從而確保灌漿工程的有效性。

特高拱壩除在混凝土倉面安裝抬動觀測外，還利用壩體安全監測布置的滑動測微計、多點位移計、測縫計等進行壩體混凝土澆筑與壩基變位、灌漿抬動的綜合觀測。同時，提出動態施工的理念，首先進行充分的生產性試驗，確定灌漿設備、壓力調整方法、適用區域等相關要素，根據觀測情況，在施工過程中適時調整灌漿參數，保證無大抬動情況出現。

無蓋重灌漿在節約工期中優勢明顯，同時有利于表面裂隙漏漿的堵漏和其他異常問題的判斷與應對。但無蓋重灌漿的質量控制困難，需進行合理的分區，選定適用區域和對應灌漿壓力，同時保證抬動要求。拉西瓦等工程對無蓋重灌漿和有蓋重引管灌漿進行結合應用，先對采取無蓋重灌漿后進行大壩混凝土澆筑，當混凝土蓋重達到要求后，再利用引管進行有蓋重混凝土灌漿，有效避免了鉆孔破壞冷區水管等問題[10]。

化學灌漿可灌性好、凝膠時間可控、強度可控、抗滲性好，在常規水泥帷幕灌漿不能完全滿足工程安全需要時，繼續采用水泥—化學復合灌漿進行加強灌漿處理，保證灌漿質量，提高灌漿耐久性。目前，化灌材料以環氧樹脂類、磨細水泥為主，慢速長灌，取得了良好的應用效果。

特高拱壩的智能灌漿涉及工程整體進度、材料控制、質量控制、安全控制等方面，通過實踐已取得比較豐富的經驗和成果。采用多參數自動記錄設備、監測設備，實現數據實時傳輸，計算機后臺評估，數據各方共享研判，可以確保灌漿過程的信息真實，進而更有效、科學、全面地評價灌漿質量。灌漿工程的發展將不斷向“動態科學調整、智能機械施工、減少人工介入、全面檢測評價”的目標不斷邁進。

4 特高拱壩混凝土原材料和配合比

針對特高拱壩壩體混凝土結構復雜、應力水平高、抗滲和抗凍指標要求高等特點，提出了混凝土“高強度、中等彈模、高極拉值、低水化熱、低收縮性”的總體要求。

性能優良的骨料是保證特高拱壩大體積混凝土良好耐久性能及高抗裂能力的先決條件。除拉西瓦拱壩混凝土采用當地砂礫石作為骨料外，其他均采用人工骨料，經試驗研究對人工骨料強度特性、耐久性、粒形控制及級配等方面均提出了嚴格要求。其中，錦屏一級拱壩混凝土選擇大理巖加工人工砂，與砂巖加工的粗骨料組合成大壩混凝土骨料[11]，從而彌補砂巖具有潛在堿硅反應活性以及線膨脹系數較大的不足；溪洛渡拱壩混凝土選擇采用組合骨料形式，由灰巖人工砂彌補玄武巖骨料存在彈性模量較大的不足[12]。

各拱壩均針對中熱水泥提出了更高的技術指標要求，除要求滿足國家標準的有關規定外，還對水泥的抗壓強度、抗折強度、水化熱、堿含量、比表面積(細度)和MgO含量以及熟料的礦物組成等進行了控制。同時小灣、溪洛渡等拱壩通過駐廠監造方式控制水泥生產質量的穩定性，確保水泥質量穩定。

各拱壩粉煤灰均要求滿足Ⅰ級灰的標準(二灘為準Ⅰ級灰)，其摻量不低于30%。為提高混凝土的耐久性，部分拱壩對粉煤灰的堿含量也提出了控制指標的要求，例如小灣拱壩最嚴格為不大于1.5%。同時為了保證粉煤灰抑制堿骨料反應的效果，錦屏一級和拉西瓦拱壩要求粉煤灰的CaO含量不得大于5%。

混凝土配合比設計中，均采用較低的水膠比和較低的單方用水量，高摻優質粉煤灰、復摻一定量的緩凝高效減水劑和引氣劑，混凝土的膠凝材料單位用量為170～220 kg/m3、用水量為77～90 kg/cm3；從而達到有效降低混凝土溫升、提高混凝土抗裂性能和耐久性能的目的。拱壩混凝土設計強度均為180 d齡期，有效地利用了高摻粉煤灰混凝土的后期強度，采用四級配人工骨料混凝土，實現了真正意義具有較高耐久性及抗裂性的高性能混凝土。

5 特高拱壩混凝土溫度控制

6座特高拱壩溫度控制要求高、難度大，在研究混凝土耐久性及抗裂性的基礎上，提出具有“高強度、高耐久性、高極拉值、中彈模、低水化熱、低收縮性”的優選配合比，制定嚴格的溫度控制標準及允許的溫度變化過程控制曲線，實施全過程、全方位、動態、系統的綜合溫控防裂措施，同時采用智能實時溫控措施嚴格控制施工質量[13]。

特高拱壩澆筑倉面大、溫度應力高、結構應力復雜、開裂風險大，均采用不設縱縫通倉澆筑方式，采取了較嚴的溫度控制標準，并首次提出了全過程精細化控制的溫度變化過程控制曲線，如圖1所示。混凝土溫度應力控制標準按綜合安全系數法或分項系數法確定，確定拱壩施工期混凝土溫度應力控制標準時，采用應力和溫差標準雙控取嚴者的方法。

圖1 全過程精細化控制的溫度變化過程控制曲線[14]

傳統的溫控設計對于通水冷卻主要強調其削減溫升及冷卻至目標溫度的作用，而對于特高拱壩，混凝土在經歷分層澆筑、分期分批冷卻、分批封拱、分期蓄水的復雜過程中，若未對通水冷卻過程提出精細化要求，往往會出現冷卻后溫度回升、同時冷卻高度過低，冷卻降溫幅度過大、冷卻降溫速率過快等問題，不可避免地產生較大的溫度梯度，從而帶來開裂風險。通過6座特高拱壩建設，提出了壩體后期冷卻程序自下而上應包括可灌區、冷卻保溫區、冷卻區、冷卻過渡區和蓋重區，且冷卻保溫區、冷卻區和冷卻過渡區的總高度不宜小于壩段最大底寬的2/5，蓋重區厚度不應小于6 m的要求[14]。

錦屏一級、溪洛渡、小灣、大崗山等特高拱壩結合實際條件開發了混凝土溫度智能實時檢測和控制系統，建立集成了環境溫度、混凝土澆筑信息、溫度計讀數、冷卻水管通水溫度和流量等數據的拱壩施工管理信息系統，實時掌握從局部到總體的溫控狀態，借助信息系統，實施一套行之有效的管控措施。從實際效果分析智能溫控系統起到重要作用，是今后工程應繼續采用的關鍵方法和措施。

6 特高拱壩混凝土施工與控制

6座特高拱壩混凝土規模大、施工場地布置困難、壩體結構復雜應力水平高、壩體混凝土質量要求嚴格，代表了當今世界大體積混凝土澆筑的最高水平。例如，小灣拱壩混凝土845萬m3，澆筑工期52個月，高峰強度22.24萬m3/月；錦屏一級拱壩最大單倉澆筑面積2 000 m2。

6座拱壩因地制宜，通過纜機布置、明暗交通結合等措施，成功解決了高山峽谷地區大方量混凝土運輸困難的難題。混凝土垂直運輸均選擇大額定起重噸位、高吊鉤總揚程的中高速纜機，二灘、拉西瓦拱壩采用輻射式纜機布置，其他4座特高拱壩采用平移式布置，也有力推動了我國纜機制造國產化。錦屏一級拱壩混凝土運輸道路采用明暗結合布置并在兩岸設置供料線平臺；溪洛渡水電站采用高、低線混凝土運輸道路布置等都是解決高山峽谷區大型水電工程施工布置的典型代表。

特高拱壩壩址區河床狹窄，壩體結構復雜，拱壩混凝土間歇期和施工期三大高差控制要求嚴格，施工進度控制難度大。通過采用高強度混凝土拌和系統就近布置、大噸位中高速纜機、通倉澆筑、高效倉面混凝土平倉振搗設備等措施，實現了大倉面連續高強度澆筑的要求，同時創新進度管理手段，采用進度數字仿真分析和控制、壩體智能溫控系統等措施為壩體混凝土施工進度控制提供有力技術保證。錦屏一級還開展了4.5 m倉層厚度關鍵技術研究[6]，將研究成果在大壩施工中推廣應用，同時將1.5、3.0 m和4.5 m結合使用，使得施工組織更加靈活。

特高拱壩在建設過程中逐步建立了基于“互聯網+自動檢測和監測”的質量管理和控制系統，通過自動監測與檢測，數據集成、實時分析、仿真分析、及時反饋預警等功能，提升了拱壩施工質量管理水平[7]。錦屏一級水電站開展了施工期全壩全過程真實工作性態跟蹤實時仿真分析(見圖2)，小灣、溪洛渡水電站在建設過程分階段開展了真實工作性態跟蹤仿真分析，為優化溫控設計和施工方案、評價工程質量缺陷處理效果提供了技術支撐，為特高拱壩施工質量控制發揮了重要技術支撐作用。

圖2 錦屏一級拱壩施工質量及進度實時監控系統

7 關鍵問題與展望

圍繞特高拱壩施工建設管理，各工程均組織開展了相關創新技術的研究，在700 m級高邊坡開挖支護，高壩混凝土原材料優選、性能及配合比研究，混凝土高強度澆筑施工技術，混凝土溫控防裂技術及信息化等方面形成了一套行之有效的技術體系，建設管理方法和措施，為今后特高拱壩建設管理發展與技術創新應用奠定了堅實基礎。但仍有一些問題有待進一步研究：

(1)特高拱壩壩肩邊坡普遍陡峭高聳、深拉裂隙等不良地質體發育，開挖支護施工條件差、難度大，且近年來安全生產要求不斷提高，“鴿子籠”等粗獷施工方法難以為繼。因此，壩肩高邊坡設計中，應高度重視開挖方案研究，在繼續推廣“推渣下江，河床裝渣”方案的基礎上，減少壩肩邊坡明挖量，探索“窯洞式”開挖，并探索新型纜機布置方案，盡量減少占地。

(2)由于灌漿工程的不確定性與隱蔽性，使得以注入量為主的灌漿工程量難以精確測量統計，且各工程灌漿工程量和灌漿質量可能會存在很大的差異。因此，建立不同基巖條件固結灌漿、帷幕灌漿參考試驗值非常重要。針對工程實際地質情況，差異化地提出灌漿計量方式，通過精細的自動化灌漿記錄設備，同時采用科學的計量方式進行結算，保證業主、承包商、分包商的利益，確保灌漿質量和效果。

(3)低熱硅酸鹽水泥具有低水化熱、高后期強度增進率、良好的外加劑相容性、優異的耐久性等特點，使得該水泥在配制水工高性能混凝土上具有優越性，應用前景廣闊，目前低熱水泥已經在白鶴灘、烏東德兩座特高拱壩壩體中全面采用。但低熱水泥在使用中需注意早期強度及極限拉伸值偏低等問題，還需在配合比設計中等結合工程實踐進行更多的探索。

(4)隨著信息技術的發展，信息技術與施工管理的融合程度越來越高，如何將其與工程施工緊密融合，實現施工方案優化、施工布置合理、施工過程安全、施工質量檢測手段先進、施工質量優良，并將施工過程與工程安全運行緊密結合，實現真正意義上的全生命周期的管理，還需要更多的探索和積累。未來特高壩建設可以“全生命周期管理，全方位風險預判，全要素智能調控”為目標，將信息技術、工業技術、管理技術深度融合，最終實現以數據驅動的自動感知、自動預判、自主決策的工程智能管理模式。

(5)常規的拱壩施工期溫度應力計算方法，無法準確反映高拱壩，尤其是特高拱壩的三維整體效應以及施工過程中壩體應力的時空特性，計算出的拉應力偏小。研究大體積混凝土熱學、力學性能在其特定賦存環境下的時空演化規律，對混凝土澆筑過程、溫控措施、邊界環境等進行逼近真實的模擬仿真，揭示拱壩溫度場及溫度應力的時空特性及變化規律，是研究制定特高拱壩有效溫控措施的重要途徑。

(6)現有規范對“三大高差”控制是基于200 m級高拱壩施工技術要求，對于300 m級特高拱壩，因結構復雜、溫控要求嚴格，再加上施工時間長，即需要分期蓄水來調節拱壩施工期應力，同時也面臨著施工期度汛形象面貌要求的壓力。按照現有規范要求，必然會帶來長間歇問題，且對工程施工進度極其不利。建議結合小灣、錦屏一級和溪洛渡拱壩“三大高差”和間歇期的控制等成果和經驗，研究提出具體改進要求。

致謝：本文在研究過程中得到了中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司、昆明勘測設計研究院有限公司、西北勘測設計研究院有限公司，中國長江三峽集團有限公司，雅礱江流域水電開發有限公司，國家電投集團黃河上游水電開發有限責任公司，國電大渡河流域水電開發有限公司，華能瀾滄江水電股份有限公司等單位領導、專家們的全力支持，在此深表謝意!