高拱壩關(guān)鍵施工技術(shù)

楊忠興

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

拱壩是一種在平面上拱向上游，將荷載主要傳遞給兩岸的曲線(xiàn)形壩。按照設(shè)計(jì)規(guī)范，壩高高于70 m 的拱壩屬于高拱壩。在壩址河谷狹窄、地形地質(zhì)條件基本對(duì)稱(chēng)，壩基壩肩巖體堅(jiān)硬完整的情況下適合修建高拱壩。高拱壩具有超載能力強(qiáng)，抗震能力好，壩體混凝土工程較省等特點(diǎn)，已成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型。近十年來(lái)，我國(guó)混凝土高拱壩施工技術(shù)得以飛速發(fā)展，已成為大型水利樞紐的主要壩型之一。

2 高拱壩施工特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)出渣難度大，高地應(yīng)力大。高拱壩兩岸山體陡峻，施工道路布置困難，土石開(kāi)挖出渣難度大;高拱壩一般處于高地應(yīng)力區(qū)域，開(kāi)挖揭露出來(lái)的基巖卸荷變形比較突出。

(2)壩體上升速度要求快。為了與需提前發(fā)揮效益的建筑施工相協(xié)調(diào)，并受汛期洪水導(dǎo)流的影響，要求高拱壩快速上升，及早具備擋水蓄洪條件，施工強(qiáng)度高。

(3)溫控防裂要求高。因拱壩陡坡壩段多，基礎(chǔ)約束區(qū)大;已封拱的壩體對(duì)上部約束作用大;壩體底部倉(cāng)位大，混凝土標(biāo)號(hào)高，溫控要求高。

(4)壩體要具備全年封拱條件。拱壩壩體由于受懸臂高度限制，為確保大壩連續(xù)均衡上升，壩體要具備全年封拱接縫灌漿條件。

(5)壩肩岸坡段固結(jié)灌漿對(duì)壩體施工干擾大。帷幕灌漿工程量大，灌漿壓力大。

3 高拱壩施工技術(shù)

隨著小灣、溪洛渡、錦屏一級(jí)、拉西瓦等超高拱壩的相繼開(kāi)工和完建，高拱壩施工關(guān)鍵技術(shù)已取得突破性進(jìn)展。

3.1 高拱壩土石方開(kāi)挖出渣施工技術(shù)

高拱壩兩側(cè)山體險(xiǎn)峻，施工道路布置困難。為了滿(mǎn)足山體開(kāi)挖出渣要求并盡量減少對(duì)山體植被的破壞，減少對(duì)土地的占?jí)海话悴扇∫韵潞侠淼某鲈桨?

(1)山體纜機(jī)平臺(tái)以上開(kāi)挖主要利用山頂?shù)缆泛蜕襟w內(nèi)開(kāi)挖的施工隧道配合出渣。

(2)纜機(jī)平臺(tái)至壩頂間山體開(kāi)挖主要利用山體內(nèi)開(kāi)挖的施工隧道、壩頂進(jìn)場(chǎng)公路、設(shè)置集渣平臺(tái)以及纜機(jī)配合出渣。

(3)壩肩開(kāi)挖主要設(shè)置溜渣豎井，利用交通洞出渣。

通過(guò)以上多種出渣方式相結(jié)合，解決了高拱壩開(kāi)挖出渣施工難的問(wèn)題，降低了施工成本，滿(mǎn)足了綠色環(huán)保施工要求。

3.2 高拱壩基巖高地應(yīng)力開(kāi)挖技術(shù)

高拱壩開(kāi)挖一般地應(yīng)力較高，開(kāi)挖揭露出來(lái)的基巖卸荷變形比較突出，為解決高地應(yīng)力開(kāi)挖問(wèn)題，多采用以下先進(jìn)技術(shù):

(1)壩基高地應(yīng)力光滑反弧形開(kāi)挖技術(shù)。

該技術(shù)是指由邊坡到河床按反弧形光滑過(guò)渡曲線(xiàn)開(kāi)挖，不僅減少了開(kāi)挖工程量，且應(yīng)力集中強(qiáng)度降低，壩基回彈變位減少，卸荷松動(dòng)范圍減小，基巖質(zhì)量得到了保證和提高。

拉西瓦水電站壩基地應(yīng)力達(dá)30～70 MPa，其開(kāi)挖采用了該施工方法，根據(jù)監(jiān)測(cè)成果，壩基槽內(nèi)卸荷回彈變位比計(jì)算值小很多，并且保護(hù)了基巖質(zhì)量，壩基物探波速較高，因開(kāi)挖出的巖體質(zhì)量較好，最終使建基面抬高了2 m。

(2)壩肩應(yīng)力釋放孔和緩沖孔技術(shù)。

高應(yīng)力邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，為防止巖爆發(fā)生，可提前鉆設(shè)一定數(shù)量的應(yīng)力釋放孔并向孔內(nèi)注水;另外，在深孔預(yù)裂孔與主爆孔之間，根據(jù)開(kāi)挖梯段設(shè)置緩沖孔，采用孔內(nèi)填充黃土、巖粉等介質(zhì)以減少孔壁的壓力，達(dá)到爆破時(shí)對(duì)開(kāi)挖邊坡減震的目的，利用爆破作用釋放應(yīng)力。這樣實(shí)施所形成的高邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中只做簡(jiǎn)易支護(hù)，即可保持穩(wěn)定;邊坡形成后，預(yù)裂面較平整，半孔率在90%以上，中高邊坡保持穩(wěn)定。

拉西瓦水電站左岸消能區(qū)邊坡開(kāi)挖之后將形成落差達(dá)220 m 的高邊坡，具有較高的地應(yīng)力，巖性變化大，開(kāi)挖過(guò)程中采用了該施工技術(shù)，確保了開(kāi)挖后的邊坡質(zhì)量。

(3)先錨后挖技術(shù)。

該技術(shù)是指在高地應(yīng)力區(qū)域保護(hù)層開(kāi)挖時(shí)，為防止建基面巖體卸荷松弛，在保護(hù)層開(kāi)挖前先用埋入式錨桿或錨筋束對(duì)建基面巖體進(jìn)行錨固，然后再進(jìn)行保護(hù)層開(kāi)挖的技術(shù)。

錦屏一級(jí)水電站壩肩開(kāi)挖時(shí)設(shè)有3～5 m 保護(hù)層，保護(hù)層開(kāi)挖時(shí)采用了先錨后挖的施工技術(shù)。

3.3 高升層混凝土施工技術(shù)

高升層施工技術(shù)主要是指高升層模板技術(shù)、多層冷卻水管鋪設(shè)技術(shù)、混凝土高強(qiáng)度入倉(cāng)技術(shù)等，具體如下:

(1)高升層模板施工技術(shù)。

為滿(mǎn)足樞紐工程提前發(fā)揮效益和導(dǎo)流度汛的需要，高拱壩需要快速上升，采取高升層是一種切實(shí)可行的辦法。經(jīng)過(guò)小灣和錦屏一級(jí)水電站的試驗(yàn)，高升層施工技術(shù)已趨成熟。

錦屏一級(jí)水電站研制了4.5 m 高升層雙撐桿懸臂大型平面模板，高拱壩特殊部位如牛腿采用了液壓提升模板，電梯井采用液壓滑模等，這些模板操作簡(jiǎn)單，滿(mǎn)足大壩高升層施工;同時(shí)，利用現(xiàn)代化的編程技術(shù)開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)軟件，使用全站儀與開(kāi)發(fā)的軟件相配合，模板安裝就位時(shí)，在短暫的數(shù)秒內(nèi)即可判斷出模板的偏差，為實(shí)現(xiàn)大壩快速上升提供了充分的快速檢測(cè)保障。

(2)多層冷卻水管鋪設(shè)技術(shù)。

目前拱壩最高施工升層為4.5 m，一般鋪設(shè)三層冷卻水管:第一層冷卻水管鋪設(shè)在已澆筑高程頂面，第二、三層冷卻水管在混凝土澆筑過(guò)程中進(jìn)行鋪設(shè);當(dāng)混凝土澆筑到鋪設(shè)該層冷卻水管時(shí)，混凝土邊澆筑邊鋪設(shè)，確保不影響下一坯層混凝土澆筑。為了加快澆筑層中冷卻水管的鋪設(shè)速度，一般采用內(nèi)徑28 mm、外徑32 mm 的HDPE 塑料水管，水管的接頭采用膨脹式防水接頭，采用φ6～8圓鋼固定。考慮到二期冷卻需要，并為獲得壩體同一高程沿壩厚方向的溫度梯度，冷卻水管垂直水流方向鋪設(shè)，如采取一根主管配2～3根支管時(shí)宜采取同高程布置。冷卻水管布置精確定位，力求在平面投影重合并提供全部冷卻水管布置圖，以用于指導(dǎo)灌漿和鉆孔取樣。對(duì)鋪設(shè)的水管加以保護(hù)，避免冷卻水管移位或被破壞。

(3)混凝土高強(qiáng)度入倉(cāng)施工技術(shù)。

為滿(mǎn)足拱壩高升層高強(qiáng)度入倉(cāng)要求，須采取配套的砂石加工、運(yùn)輸系統(tǒng)、拌和樓供料系統(tǒng)、澆筑混凝土纜機(jī)群及倉(cāng)面配備平倉(cāng)、振搗設(shè)備等資源，才能確保混凝土高強(qiáng)度入倉(cāng)。

砂石加工、運(yùn)輸系統(tǒng)必須根據(jù)工程所在地的地形特點(diǎn)、砂石料源特點(diǎn)以及工程所需要的最大強(qiáng)度的原材料，建立合理的砂石加工、運(yùn)輸系統(tǒng)。

目前，由于強(qiáng)制式拌和機(jī)拌合的混凝土不僅質(zhì)量好，而且拌合時(shí)間短，很多拱壩都建立了適合本工程的強(qiáng)制式拌合系統(tǒng)。

拱壩施工一般采用多臺(tái)30 t 纜機(jī)掛吊罐澆筑。為了提高纜機(jī)的利用率，加快混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度，在配套設(shè)施充足的情況下，常采用無(wú)間隙轉(zhuǎn)倉(cāng)澆筑技術(shù)和雙倉(cāng)澆筑技術(shù)。小灣水電站大壩工程采用無(wú)間隙轉(zhuǎn)倉(cāng)方案，日平均強(qiáng)度為6313.5 m3/d，日最高強(qiáng)度為7019 m3/d，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)高強(qiáng)度混凝土澆筑高峰期。

3.4 大倉(cāng)位混凝土纜機(jī)群澆筑入倉(cāng)施工技術(shù)

高拱壩一般只設(shè)橫縫，不設(shè)縱縫，故拱壩底部倉(cāng)面較大。為了減少混凝土坯層的覆蓋時(shí)間，加快混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度，確保大倉(cāng)位的混凝土澆筑質(zhì)量，多采用纜機(jī)群分區(qū)、分條帶、平鋪法澆筑的施工技術(shù)。

纜機(jī)群澆筑大倉(cāng)面混凝土?xí)r，由于纜機(jī)軸線(xiàn)與大壩倉(cāng)面有一定的夾角，按照纜機(jī)控制軸線(xiàn)進(jìn)行倉(cāng)面澆筑分區(qū)，避免了纜機(jī)間的干擾;同區(qū)內(nèi)分條帶下料時(shí)，避免了纜機(jī)頻繁行走大車(chē)導(dǎo)致對(duì)位困難而降低效率。配置配套澆筑機(jī)械設(shè)備時(shí)，一般一臺(tái)纜機(jī)配置一臺(tái)平倉(cāng)機(jī)和一臺(tái)振搗機(jī);鋪料方向原則上自上游向下游鋪料，平倉(cāng)機(jī)在鋪料條帶上平倉(cāng)，振搗機(jī)在下游側(cè)進(jìn)行振搗。由于倉(cāng)內(nèi)平倉(cāng)、振搗設(shè)備較多，必須合理的分區(qū)及規(guī)范倉(cāng)面澆筑工藝，加強(qiáng)倉(cāng)面協(xié)調(diào)，確保夏季澆筑混凝土過(guò)程中能及時(shí)覆蓋保溫被，防止混凝土溫度倒灌。

3.5 高拱壩溫控防裂施工技術(shù)

高拱壩由于受壩體懸臂高度限制，底部已澆混凝土需及時(shí)進(jìn)行封拱灌漿形成一個(gè)整體，而已封拱的壩體對(duì)上部約束作用大，因此全壩定義為約束區(qū)，溫控標(biāo)準(zhǔn)高。壩基兩岸邊坡陡峻，陡坡壩段多，基巖和壩體孔口約束區(qū)多，這些部位的基礎(chǔ)溫度應(yīng)力大，基礎(chǔ)溫差控制要求嚴(yán)。壩體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度高，相應(yīng)膠凝材料用量大，混凝土水化熱溫升高，溫控難度大。高拱壩混凝土施工一般不設(shè)縱縫，倉(cāng)面尺寸大且為窄長(zhǎng)塊，混凝土溫降過(guò)程緩慢，內(nèi)外溫差引起的內(nèi)部約束時(shí)間長(zhǎng)，易產(chǎn)生表面裂縫并可能導(dǎo)致貫穿裂縫，從而影響大壩結(jié)構(gòu)的安全，所以拱壩施工溫控防裂難度較大。為減少溫度應(yīng)力，防止或減少拱壩裂縫的產(chǎn)生，在拱壩施工中，對(duì)原材料加工、混凝土配比、拌合、運(yùn)輸、入倉(cāng)澆筑、冷卻通水等采取了一系列溫控措施。其中配置高性能混凝土、加強(qiáng)冷卻通水在高拱壩溫控防裂措施中尤為突出。

(1)配置高性能混凝土。

高性能混凝土是指具有“高強(qiáng)度、高極限拉伸值、低水化熱、溫升慢、低彈模、收縮小”性能的混凝土。高拱壩混凝土一般選用復(fù)合摻用優(yōu)質(zhì)的粉煤灰、減水劑和引氣劑，以改善混凝土的性能，在條件允許的情況下提高粉煤灰的摻量，以減少混凝土硬化過(guò)程中的溫度升高值，使拱壩混凝土的力學(xué)、變形、抗裂性、耐久性、溫控等性能滿(mǎn)足拱壩要求，

(2)分階段合理加強(qiáng)冷卻通水，使壩體混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)溫控要求。

加強(qiáng)通水冷卻是控制混凝土最大溫升和將壩體溫度冷卻到滿(mǎn)足封拱要求的重要措施。不同階段采取不同的通水策略，控制單個(gè)倉(cāng)位的降溫速率，使混凝土內(nèi)部溫度在上升階段緩慢上升且最高溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)要求，在下降階段緩慢均勻下降，以達(dá)到拱壩的穩(wěn)定溫度要求。同時(shí)，在豎向保持合理的溫度梯度，有助于提高拱壩混凝土的抗裂性能。

大壩冷卻通水按照功能和時(shí)段一般分為初期冷卻、中期冷卻和后期冷卻三個(gè)階段。初期冷卻分為控溫和降溫兩個(gè)階段。控溫階段是控制混凝土內(nèi)部最高溫度不超過(guò)設(shè)計(jì)值;降溫階段是從最高溫度緩慢降溫至穩(wěn)定溫度;初期冷卻時(shí)段降溫幅度一般不超過(guò)6℃，降溫速率≤0.5℃/d。中期冷卻控制混凝土初期冷卻結(jié)束到后期冷卻前的溫度保持緩慢下降，不回升，降溫速率≤0.3℃/d。后期冷卻分為降溫、控溫兩個(gè)階段。降溫階段要求將壩體溫度降低至設(shè)計(jì)封拱溫度;控溫階段要求將混凝土溫度維持在封拱溫度附近(+0.5℃)，使混凝土滿(mǎn)足接縫灌漿要求，降溫速率≤0.3℃/d。混凝土冷卻通水過(guò)程中，除按照分期逐步冷卻外，同時(shí)還應(yīng)對(duì)壩體進(jìn)行溫度梯度控制，使不同高程各區(qū)的溫度、降溫幅度形成合適的梯度，以減小混凝土梯度應(yīng)力，防止混凝土開(kāi)裂。

為了滿(mǎn)足冷卻通水要求，結(jié)合高拱壩的特點(diǎn)，近年來(lái)多采用布置在壩后的移動(dòng)式冷水機(jī)組，通過(guò)合理布置冷卻水主管以及智能通水等措施，確保了壩體冷卻通水效果。其中智能通水是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集通水溫度、流量等數(shù)據(jù)以及混凝土的內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)傳輸至后臺(tái)處理系統(tǒng)，結(jié)合混凝土溫控要求，通過(guò)處理分析，制定每一組冷卻水管的下一步通水計(jì)劃，并通過(guò)電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)混凝土內(nèi)部溫度真正均勻緩慢下降。

3.6 高拱壩全年封拱灌漿施工技術(shù)

混凝土拱壩通常設(shè)有橫向接縫，間距15～20 m，當(dāng)這些接縫周邊混凝土冷卻到規(guī)定溫度并進(jìn)行灌漿后，水平方向拱圈就成為整體，可以承受荷載。由于高拱壩較高，施工工期較長(zhǎng)，為不影響壩體均衡上升，要防止壩體懸臂高度過(guò)高，需要及時(shí)封拱灌漿;另外，考慮到大壩分階段擋水蓄洪要求，需要及時(shí)封拱灌漿。由于接縫灌漿工程量較大，且隨著壩體上升而增加，按照施工進(jìn)度安排，如果接縫灌漿仍安排在低溫季節(jié)進(jìn)行，已不能滿(mǎn)足拱壩快速施工和擋水蓄洪的要求。為滿(mǎn)足要求，經(jīng)研究提出了壩體封拱灌漿溫控梯度要求，自下而上順序分為已灌區(qū)、灌漿區(qū)、同冷區(qū)、過(guò)渡區(qū)和蓋重區(qū)等五區(qū)進(jìn)行溫度控制，以確保接縫灌漿時(shí)上部各灌區(qū)溫度及降溫幅度形成合適的梯度，見(jiàn)圖1。

圖1 溫度梯度控制示意圖

壩體溫度控制須通過(guò)壩體內(nèi)冷卻通水予以解決。通過(guò)研究，找出了拱壩溫控要求與通冷卻水溫度、冷卻時(shí)間和總制冷水規(guī)模的關(guān)系，確定了采用移動(dòng)式冷水機(jī)組。移動(dòng)式冷水機(jī)組實(shí)現(xiàn)了壩體冷卻水流出后回收再冷卻循環(huán)利用，節(jié)約了水源，同時(shí)，將移動(dòng)式冷水機(jī)組布置在拱壩后隨壩升高形成的棧橋上，距壩體較近，減少了冷水溫度損失，從而在成本不會(huì)增加很大的情況下即可以使大壩在高溫季節(jié)也能冷卻到灌漿溫度，使高拱壩全年封拱接縫成為可能。

3.7 拱壩岸坡段固結(jié)灌漿和帷幕灌漿技術(shù)

(1)拱壩岸坡段固結(jié)灌漿技術(shù)。

拱壩岸坡壩段較多，岸坡段固結(jié)灌漿與壩體混凝土施工干擾較大，為減少占?jí)夯炷羵}(cāng)面時(shí)間，減少倉(cāng)面長(zhǎng)間歇，不影響大壩混凝土快速上升，岸坡段固結(jié)灌漿采用了無(wú)蓋重固結(jié)灌漿和加固灌漿技術(shù)。

(2)拱壩帷幕灌漿施工技術(shù)。

拱壩帷幕灌漿在不同高程的多層平洞內(nèi)進(jìn)行。按照帷幕灌漿設(shè)計(jì)布置，一般各層平洞主帷幕深入下層帷幕灌漿平洞以下10 m，各層主帷幕間采用銜接帷幕形式進(jìn)行銜接，更好的確保了大壩帷幕防滲的效果。主帷幕工程量大，鉆孔深度大(錦屏大壩帷幕孔深達(dá)175 m)，灌漿壓力大(錦屏大壩灌漿壓力達(dá)6.5 MPa)，施工難度大，工期較緊。深孔帷幕灌漿主要采用“孔口封閉、孔內(nèi)循環(huán)、自上而下灌漿”的方式灌漿。銜接帷幕工程量較大，工期較緊，灌漿壓力大(溪洛渡工程達(dá)3.5 MPa)，仰孔較多，封孔難度大。銜接帷幕一般與主帷幕交叉進(jìn)行施工，選擇潛孔鉆機(jī)鉆孔。施工時(shí)，先施工底板的孔，再由側(cè)墻低處向側(cè)墻高處孔推進(jìn)。葛洲壩集團(tuán)研發(fā)了一種實(shí)用新型的灌漿阻塞器，解決了灌漿壓力大、阻塞難的問(wèn)題。采用“循環(huán)式”方法對(duì)仰孔進(jìn)行封孔，解決了仰孔封孔難的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著高拱壩關(guān)鍵施工技術(shù)的成熟，高拱壩已成為各國(guó)在高山峽谷地帶修建水電站大壩中最具有競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要壩型。未來(lái)高混凝土拱壩施工技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)將圍繞碾壓混凝土筑壩技術(shù)展開(kāi)一系列課題研究，并向新型筑壩材料、特大型機(jī)械化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。