水庫大壩加高工程的施工技術研究

楊 楠

(遼寧石佛寺供水有限責任公司，沈陽 110000)

1 水庫大壩加高工程特點

1.1 工程概況

遼寧省某水庫工程承擔著盤錦、鞍山、沈陽、遼陽、大連等城市的生活供水任務，庫區水產養殖規模有自然“大水缸”之稱，也是全國重點城市供水水源地之一。該水利樞紐工程兼具供水、灌溉、防洪、發電、養殖等功能，主要由電站廠房、升船機、混凝土壩和土石壩等構筑物組成。1958年水庫開始建設施工，受歷史條件限制于1966年完成初期工程。2016年，為滿足工農業生產和城市用水需求，經反復論證決定實施大壩加高工程。完工后將大大提升水庫的總庫容，明顯改善水庫的多年調節功能，對促進區域經濟發展和水資源調控發揮著巨大作用。

水庫大壩加高工程主要涉及機電設備更新改造、電站機組改造、新建右岸土石壩、改擴建升船機、加高培厚混凝土壩和左岸土石壩等項目，其中混凝土澆筑、土石方開挖和填筑工程量為81.46萬m3、56.30萬m3、435.27萬m3，計劃工期1650d。

1.2 工程特點

為充分發揮水庫的功能作用、保證水庫安全運行和下游居民安全，在正常運行的情況下建設大壩加高工程，較新建工程其施工技術存在以下特點：

1)建設年代和要求不同。1958年開工至1966完工的水庫大壩初期工程和2016年開工計劃至2021完工的大壩加高工程，兩個項目經歷較長的時間跨度，此期間的施工條件、工程設計和經濟狀況發生很大變化。其一，水利工程行業規范和相關國家標準幾經修改，當年的行業規范、國家標準與現行的存在明顯差異。所以，大壩加高工程要認真研究新老規范、標準的異同點，將兩者有機協調用于同一座構筑物，通過充分的論證分析制定合適的技術方案；其二，工程所用的材料隨著經濟狀況的改變發生明顯的變化，如初期工程建設時鋼材比較緊缺，使得施工過程中鋼材的使用較少，工程設計普遍存在安全系數偏低的現象。但長期的運行過程中，該工程也未曾發生千年一遇的設計水位，可見當年的施工質量和設計標準能夠達到要求。因此，水位提高后的擋水能力是否滿足要求為研究的重點問題。

2)運行年限較長。截止現今，水利樞紐初期工程已投入運行50余年，加之維修、檢查的不徹底和不全面使得水庫功能明顯下降。此外，經過長期運行的閘門、機電設備等金屬結構的工作狀態，能否滿足水利工程今后的需要也要有明確的結論。

3)運行與施工并行干擾。水庫工程擔負著工農業用水、農田灌溉、生態保護及下游防護安全的任務，也是大連地區電網調峰的重點工程。所以，加高工程施工過程中必須最大限度的降低水庫運行受干擾程度，特別要將防汛工作擺在首位，保證每年汛期防汛不受到任何的干擾，為滿足防汛要求還要時刻準備投入加高工程施工力量。

4)新技術的應用要求。國外有許多混凝土大壩后期加高的先例，其原因為歐美國家所建高壩的年限較長，經長期的運行已無法滿足現在的需求，所以改造加高工程較多且發展較早。20世紀60年代我國開始建設有混凝土高壩，水庫運行過程中未發生較大的問題且建設年代較早。因此，該大壩加高工程施工時可供借鑒的經驗較少，對于施工過程中發現的問題必須認真深入的研究，在保證質量安全的條件下制定切實可行的技術方案。

2 技術難點與解決方法

2.1 壩基開挖爆破施工技術

培厚加高的水庫大壩加高工程，需要利用爆破施工技術將下游坡面培厚部分開挖至基建面，爆破開挖周圍有基礎帷幕灌漿體、微波通訊樓、電廠中控室、電站廠房、開關站、輸變電線塔、高壓電線、生活用水鋼管及通訊電纜等重要建筑物，并且鄰近初期工程壩址。其中，左岸爆破開挖部分距離城區生活供水泵房、微波通訊樓和電站廠房的最近距離為1.5m、1.0m、4m，并且防汛電站廠房與大壩之間存在右岸爆破開挖部分，其安全控制標準嚴格且施工環境極為復雜。為保證爆破施工時構筑物的安全，采取嚴格安全防護、加強爆破振動安全監測和控制爆破技術等措施[1]。

1)試驗確定爆破參數。為保證開關站、微波樓、電站廠房、大壩等重要構筑物在爆破施工期的安全運行，對擬采取的爆破方式在現場爆破施工前開展試驗，并將爆破振動安全控制標準依據《爆破安全規程》和試驗數據合理確定。根據技術規程要求選用的乳化炸藥藥經32mm，鉆孔深度2.0m，孔徑40-42mm；臺階爆破的單孔藥量0.3-1.06kg，單位耗藥量0.35-0.41kg/m3，單段最大藥量1.8kg，堵塞長度0.5-1.2m，孔距0.5-1.2m，抵抗線0.5-1.0m，臺階高度不超過2.0m；光面爆破的線狀藥密度100-110g/m，孔距0.5m，抵抗線最小值0.6m，選用單卷藥重50g的導爆索傳爆，裝藥結構為成串狀，孔口堵塞50cm，中間距到藥卷中45-50cm。由于開關站、電廠等均在運行且高壓電源距離爆破施工點較近，為安全起見選用一孔一段、火雷管起爆、非電塑料導爆管的孔間微差爆破網絡。

2)爆破振動安全監測。所有需要控制振動的建筑物都屬于爆破振動的安全監測范圍，若振動速度監測值過大，應及時采取控制起爆方向、改善爆破臨空面條件和減少單段藥量等措施，由此降低爆破振動效應及確保受控建筑物的振動安全。電廠及相關設施在爆破施工的整個過程中正常運行，未發現新的變形及裂縫存在于被保留的老混凝土內。

3)安全防護措施。必須保證重要構筑物及電廠在爆破施工期的正常運行，所以必須做到安全防護措施在爆破施工期的萬無一失。實際工程中，重要設施及構筑物防護、爆區防護為現場安全防護的主要措施。①按照不同的位置將爆區防護進一步分為平面、立面防護，其中平面防護防止孔口飛石的方式為沙袋覆蓋，膠皮帶-沙袋設置于網絡干線與炮孔孔口節點處；立面防護控制爆渣拋擲距離的措施為插入鉆孔的鋼筋上拴掛鐵絲膠皮帶，將膠皮帶用沙袋壓住。②重要設施與構筑物的防護方法，采用鋼管搭設排架將對著爆區的構筑物立面和竹跳板緊密聯系，在排架上固定后形成一道較高的直立墻以防止正面的飛石；對于重要的電纜管道、供水管道和交通道路，為防止大塊石渣滾入壓壞管道用沙袋修筑不低于1.5m的攔渣墻，此外采取壘砌沙袋的措施保證供水泵房內部設備的安全。

2.2 壩體初期混凝土拆除技術

大壩加高混凝土施工前需拆除壩體下游局部混凝土，以及初期工程的土壩頂房屋、板梁等混凝土結構，其拆除范圍大、技術復雜且干擾其它施工項目，拆除施工質量對整體施工進度、新老混凝土結合質量將產生直接影響。不同結構和部位的混凝土拆除施工，采取了線鋸切割、人工鑿除、靜態爆破和控制爆破等方法[2]。

1)線鋸切割。采用WS-15金剛石線鋸對不適用普通拆除方式的部位切割，通過將混凝土分解成10t的塊體輸送出施工場地。

2)人工鑿除。溢流壩段閘墩頂部混凝土拆除和初期壩體表面碳化層施工比較適用人工鑿除的方法。由于拆除難度低、施工范圍廣，初期壩體表面碳化層施工利用人工持風鎬拆除的方法即可；針對拆除部位為不平整面、施工作業面狹窄的溢流壩段閘墩頂部混凝土，拆除過程中要不損壞出露的鋼筋且每個部位僅拆除50-100cm，因此人工拆除為最佳的方式。施工拆除過程中閘墩頂部混凝土存在以下要點：作業人員的布置應考慮工作面狹窄情況；對于各拆除部位的厚度事前要充分掌握；防止門槽落入碎塊對閘門啟閉產生影響；安全防護措施要全面有效的落實；堆積在腳手架上的碎塊應及時清除。

3)靜態爆破。拆除的結構為四面或三面臨空的情況下，如初期工程所用升船機柱墩頂部、大壩下游牛腿和施工棧橋橋墩等，這些結構的位置相鄰且距離構筑物30-60m，為保證結構安全一般選用靜態爆破的拆除方式。施工前，為防止破碎過程中碎塊的墜落利用粗細不同的鋼絲繩編制成“安全網”，并將“安全網”安裝于待拆除部位的上方；然后遵循分層破碎、自上而下的原則，結合待拆除結構的實際狀況合理布設鉆孔，并將膨脹劑倒入鉆孔內。嚴格控制破碎后的碎渣下落區域與方向，保證施工現場人員及構筑物安全。

4)控制爆破。控制爆破是大壩初期混凝土結構拆除比較常用的方法，將其進一步分為光面、梯段和預裂爆破等方式，其安全監測布置原則、爆破參數的確定類似于巖石開挖爆破，但具有更高的安全防護要求，這是因為重要建筑物的上方多為待拆除的部位，高陡臨空面具有更高的事故發生概率。所以，還要在大壩下游坡腳壘砌沙袋以及用竹跳板與鋼管搭設垂直防護排架，由此攔截坡上滾落的混凝土碎渣并形成建筑物與爆區之間的安全屏障。

2.3 新老混凝土結合技術

新老混凝土結合問題屬于下游壩坡帖坡混凝土施工的關鍵技術難題，由于受原壩體混凝土約束溫度變化引起的帖坡混凝土變形而產生應力、外界環境溫度影響大、帖坡厚度相對薄弱、新老混凝土彈性模量存在較大差異等原因，壩體應力受以上因素的影響程度較大[3-6]。為解決以上問題，經過多年的研究當地科學院和設計院提出了有效的施工技術和結構措施，全面落實這些要求和措施為施工控制的重點。

1)新增鍵槽切割。設計上，在水庫大壩初期工程施工時預留了下游壩面施工鍵槽，然而受多種條件限制，預留施工鍵槽在下游部分壩面中未按要求施工，所以加高工程施工要補做施工鍵槽。施工單位通過充分的試驗論證最終選用“鋸割靜裂法”，對鍵槽長邊、短邊利用液壓盤踞和鉆孔導向器合理控制，切割出76.0cm深的縫隙后用風鉆鉆出50cm深的排孔，將膨脹劑灌入排孔后使壩體與三角形鍵槽混凝土預裂剝離，由此形成的鍵槽比較規則。

2)錨桿施工。將鎖口錨桿與砂漿錨桿合理布置于新老混凝土結合面上，為提高新老混凝土結合力設置錨桿間距為2m×2m。

3)溫控措施。采取嚴格的下游帖坡混凝土澆筑溫控措施，主要有優化混凝土配合比、摻加優質粉煤灰和選擇低熱礦渣水泥等減少水化熱溫升措施；澆筑季節嚴格控制，帖坡混凝土在每年的6-9月停止澆筑；為保證出機口混凝土溫度不超過10℃實行風冷、加冰等手段，采取有效的措施減少混凝土澆筑、運輸等各個環節不必要的溫度回聲。采用水庫下層10℃左右的低溫水或制冷水及時對澆筑完成后的初期帖坡混凝土通水冷卻，為防止后期混凝土降溫產生的應力將新澆混凝土溫度降低至15℃-18℃。

4)表面防護。針對新形成的混凝土表面和永久暴露的帖坡混凝土面，分別選用聚乙烯材料(厚1.2-2.0cm)和聚苯板材(厚3.0-3.5cm)保溫覆蓋。

5)預留接縫灌漿。為解決未來可能存在的結合面張開問題，將接縫灌漿系統埋設于新老混凝土結合面，通過接縫灌漿防止出現結合面滲漏。

2.4 土石壩加高技術

原土石壩帖坡加高和新建黏土心墻壩為加高工程左、右岸土石壩的處理方式，質量保證和防滲體施工是加高施工的關鍵環節。施工過程中防滲體的控制要點包括：嚴格控制土料質量；原防滲體與新填筑的斜墻或黏土心墻的結合；因施工工序不同斜墻與心墻交接部位的質量控制；基巖、混凝土與新延長的防滲體接觸部位的處理。

此外，施工過程中要妥善處理原埋設于土石壩壩體內的觀測儀器，事先合理規劃其上引、保護和觀測問題。

2.5 溢流壩加高技術

一個枯水期內完成單個壩段施工、原閘墩與加高溢流面有效結合以及原閘墩混凝土鋼筋量偏少等為溢流壩段加高施工存在的技術難題，具體的解決方法如下：

1)閘墩植筋加固。受當時技術水平、資金投入和歷史條件等因素限制，水利樞紐初期工程施工時溢流壩段閘墩鋼筋用量偏少。考慮到加高完成后這些閘墩還要發揮相應的作用，所以要提高其含鋼量[7]。經反復論證確定原閘墩鉆孔植筋的加固方式，施工時該方案存在一次完成植筋灌漿、保證鉆孔精度等技術難點。為了更好的控制22m鉆孔深度的孔斜率不超過0.4%選用加裝鉆孔扶正器、導向管、剛度較大的副鉆桿、大型鉆機等方法；為有效解決以上問題，使用與老混凝土各項物理性能指標相似的無機黏結灌注材料、鋼筋與灌漿管一次入孔以及分開設置鋼筋接頭的方法。

2)界面劑試驗。對于鋼筋較多、閘墩較薄的溢流壩段不宜選用切鍵槽方式，選用涂裝界面劑的方式加強與新澆溢流面混凝土之間的結合力[8]。在現場實驗室開展澆筑取芯、抗彎折、劈裂抗拉等試驗，對比分析廠家提供的多種純水泥漿和界面劑，結果顯示界面劑效果最好的是水泥基類的無機材料，而純水泥漿的膠結性能與環氧樹脂類的有機界面效果類似。

3)溢流面加高。按照以下工藝流程完成溢流面加高施工：混凝土疊梁門下方完成后澆筑→鋼疊梁門下方后抽出工作門上游積水→工作門提升→處理裂縫缺陷、鑿毛原溢流面→混凝土澆筑、鋼筋安裝126-151m高程→冷卻通水后預留寬槽回填→二期混凝土澆筑及安裝工作門底坎→工作門下方后提起鋼疊梁門。科學、認真的安全施工為溢流面加高施工的難點，為了不影響樞紐度汛必須在7個月內完成施工。

2.6 混凝土壩基防滲

丙凝灌漿、磨細水泥和普通水泥為初期工程帷幕灌漿的主要材料，通過全面檢測帷幕情況，發現加高工程施工期間能夠基本符合防滲要求，對于局部滲透超標的情況還要做補充灌漿[9]。考慮到水庫正常運行期開展的帷幕灌漿作業，試驗研究了帷幕灌漿在高水頭作用下的施工工藝及材料。

2.7 機電設備與金屬結構改造

截止目前，該水利樞紐工程已投入運行50余年，大壩加高工程涉及到以檢測修復為主的埋件、閘門等金屬結構，以及以更新為主的機電設備等。

1)檢測修復門槽埋件、閘門。針對水位變化區或水下長期運行的大部分門槽埋件，采用超聲波測厚、無損探傷設備和水下測量電視系統等由專業檢測潛水員實行水下檢測，由此判定結構的銹蝕、腐蝕、氣蝕和變形程度，合理選擇改造、補強、加固和修復方案，并且水下作業需要安排專業的隊伍施工。

由于大壩加高工程提高了水位使得深孔檢修門無法滿足要求，對此需要更新替換，修復后水利樞紐所用其他閘門均可再次投入運行。經過長期的運行，加之維修管理不善水利樞紐的許多結構已發生明顯的變形，無法達到現行規范要求，由于長期運行中這些閘門均未發現較大的問題，水利樞紐整體狀態良好。因此，針對每扇閘門按照個案處理的方式，全面檢測后提出合理的整治方案，利用針對性處理程序滿足工程運行要求。

2)壩頂門機。添置一臺500t門機和改造兩臺原有400t門機為大壩壩頂門機初設要求，通過檢測原有門機發現其修復難度較大，門機主體存在較大的變形。因此，對于改造的兩臺舊門機報價采購招標各廠家報價明顯超預算，報經主管部門批準后改為添置一臺500t門機，改造方案選擇放棄。

3)其它機電設備。更新原有機電設備時存在的技術難點包括：更新或保留原有電纜；保證運行需要的同時更新原有機電設備；土建施工對設備更新的干擾較為明顯。所以，必須合理組織、科學安排和詳細規劃。此外，由于前期竣工圖不全使得更換電站廠房部門機組時，必須停機拆開機組，經詳細測量和科學設計后方可制造機組。

2.8 工程缺陷處理

在認識水平上當年的大壩建設與現今的工程施工存在明顯的差異，加之運行年限長且維修管理不善，使得大壩構筑物出現許多工程缺陷，所以加高工程還要有效處理這些缺陷，保證水利樞紐的安全運行和功能效益的發揮[10]。

1)鋸縫施工及水平縫的處理。在大壩下游面和壩頂上游側橫縫處鉆11個直徑108mm鉛直間距2m的水平縫、鉆1個直徑145mm的垂直孔，要求垂直孔與這些孔相交形成可切割的11個單元，然后沿水平方向垂直面利用金剛石繩鋸機切割，由此可構成貫通的橫縫。對于在多個高程上分布的上游水平裂縫，在全壩面覆蓋鋼筋混凝土保護板與SR蓋片，按照此方法完成工程缺陷的處理[11]。

2)檢查與處理上游壩面水下裂縫。采用專門的工具和高壓水槍在水下由專業檢測潛水人員清理壩面，并利用水下電視系統錄像及完成水下檢測，裂縫檢測水下部分的上游壩面，按照不同的水下裂縫類型安排專業隊伍開展施工。

3)檢查處理大壩裂縫。全面普查原壩體混凝土存在的裂縫，將加高工程施工期間檢查出的裂縫分為Ⅰ-Ⅳ類，并依據有關設計標準分類處理，針對嚴重裂縫提出專門的處理方案[12-13]。

4)壩面表面保護材料。按照設計要求將水泥基結晶材料涂刷至大壩上游壩面水上部分，從而提高壩面的抗碳化和抗滲能力。為更好的檢驗材料的防護性能，現場組織涂刷試驗并委托有關單位開展抗碳化、抗滲、抗凍、取芯電鏡掃描和拉拔試驗[14]。

3 結 論

受歷史條件、施工水平、建設標準、工藝技術等條件限制，加之運行年限長、維修管理不善等大多數混凝土大壩均存在一定缺陷，為保證水庫安全運行和功能效應的發揮，有必要實施修復和加固工程。為滿足經濟發展要求有些水利工程還要實施擴建、加高工程，通過對加高工程特點和水庫大壩運行情況的分析，從多個不同層面提出了加高工程的技術要點，可為其它類似工程的加高設計和加固整治提供科學指導。