黃天潤(rùn)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

1 工程概況

魯?shù)乩娬疚挥谠颇鲜〈罄碇葙e川縣與麗江地區(qū)永勝縣交界的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段規(guī)劃的一庫(kù)八級(jí)梯級(jí)電站的第七級(jí)，上游為龍開(kāi)口水電站，下游為觀音巖水電站。電站是以發(fā)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(kù)正常蓄水位1 223.0 m，總庫(kù)容17.18億m3，電站裝機(jī)6臺(tái)，總裝機(jī)容量2 160 MW。工程施工采用右岸導(dǎo)流隧洞枯水期導(dǎo)流、汛期導(dǎo)流洞和基坑(壩體缺口)聯(lián)合度汛的導(dǎo)流方式，圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用枯水期20年一遇，流量為2 170 m3/s，圍堰過(guò)水標(biāo)準(zhǔn)為全年20年一遇，流量為10 700 m3/s。工程于2007年7月開(kāi)工，2009年1月截流，2013年7月首臺(tái)機(jī)發(fā)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(kù)容3.16億m3，電站共裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量為900 MW。工程施工采用右岸導(dǎo)流隧洞枯水期導(dǎo)流、汛期導(dǎo)流洞和基坑(壩體缺口)聯(lián)合度汛的導(dǎo)流方式，圍堰擋水標(biāo)準(zhǔn)采用枯水期10年一遇，流量為2 110 m3/s，圍堰過(guò)水標(biāo)準(zhǔn)采用全年20年一遇，流量為7 710 m3/s。工程于2007年8月開(kāi)工，2008年11月截流，2011年9月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2012年6月完工。

2 施工組織設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大斷面導(dǎo)流隧洞進(jìn)口布置及施工技術(shù)

魯?shù)乩?、功果橋水電站均采用枯水期?dǎo)流方案，各布置一條導(dǎo)流隧洞。魯?shù)乩瓕?dǎo)流洞斷面尺寸為14.5 m×17.0 m(寬×高)，進(jìn)口漸變段最大開(kāi)挖斷面尺寸為24.5 m×24.5 m；功果橋?qū)Я鞫磾嗝娉叽鐬?6.0 m×18.0 m，進(jìn)口漸變段最大開(kāi)挖斷面尺寸為28.0 m×24.0 m。魯?shù)乩娬緦?dǎo)流洞布置受地下廠房布置制約，布置在靠河側(cè)，進(jìn)口段洞頂及河側(cè)圍巖厚度相對(duì)較??；兩工程導(dǎo)流洞進(jìn)口段裂隙發(fā)育、巖體破碎、地質(zhì)條件差、圍巖均為Ⅳ類，漸變段開(kāi)挖尺寸大，存在較大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)地形地質(zhì)條件，經(jīng)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(dǎo)流洞進(jìn)口段開(kāi)挖跨度，有利于進(jìn)口段圍巖及洞臉邊坡安全穩(wěn)定，有效降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

圖1 魯?shù)乩娬旧嫌瓮潦?碾壓混凝土混合過(guò)水圍堰剖面示意(高程：m)

采取上述布置方案后，兩導(dǎo)流洞進(jìn)口段開(kāi)挖尺寸分別為17.5 m×20.0 m及24.0 m×23.2 m，開(kāi)挖跨度仍較大，合理的開(kāi)挖程序和支護(hù)方案對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定至關(guān)重要。通過(guò)多方案開(kāi)挖程序、支護(hù)方案仿真計(jì)算、分析研究，提出采用“小分層、短進(jìn)尺、小臺(tái)階”分序開(kāi)挖，及時(shí)支護(hù)，控制圍巖變形；頂層采用兩側(cè)導(dǎo)洞領(lǐng)先開(kāi)挖，下部各層層厚4～5 m，采用“先中間開(kāi)挖，后兩側(cè)開(kāi)挖，先開(kāi)挖靠河巖體厚度較薄地質(zhì)條件較差的一側(cè)”的開(kāi)挖程序；采用鋼支撐+系統(tǒng)錨桿(局部錨筋樁)+噴鋼纖維混凝土支護(hù)，洞進(jìn)口及裂隙發(fā)育段采用管棚或超前錨桿、超前灌漿加固措施；施工過(guò)程中加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，采用反演分析動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。功果橋?qū)Я鞫催M(jìn)口段開(kāi)挖跨度大，巖體風(fēng)化強(qiáng)、卸荷嚴(yán)重、裂隙發(fā)育，為保證進(jìn)口段圍巖及洞臉邊坡安全穩(wěn)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(yù)應(yīng)力錨索，鎖口錨筋樁起到鎖導(dǎo)流洞洞口及鎖洞臉邊坡坡腳雙重作用。魯?shù)乩⒐麡蛩娬緦?dǎo)流洞進(jìn)口段開(kāi)挖程序及支護(hù)方案的選擇為復(fù)雜不良地質(zhì)條件，特大斷面洞室開(kāi)挖、支護(hù)提供了成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)借鑒。

2.2 深厚覆蓋層、大流量、高水頭、長(zhǎng)過(guò)水歷時(shí)高土石過(guò)水圍堰關(guān)鍵技術(shù)

魯?shù)乩娬旧嫌芜^(guò)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(guò)流標(biāo)準(zhǔn)為全年20年一遇洪水，流量為10 700 m3/s，其中圍堰過(guò)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(guò)流量大、水頭高、流速大、過(guò)水歷時(shí)長(zhǎng)等特點(diǎn)，根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn)，宜采用混凝土過(guò)水圍堰；但混凝土過(guò)水圍堰需在臨時(shí)土石圍堰保護(hù)下修建，施工程序復(fù)雜、工期長(zhǎng)、工程量大、造價(jià)高。結(jié)合該工程過(guò)水圍堰水力指標(biāo)特點(diǎn)，通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)，對(duì)過(guò)水圍堰堰型進(jìn)行深入研究比較，創(chuàng)新提出土石—碾壓混凝土混合過(guò)水圍堰新堰型；對(duì)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(shè)20 m寬消能平臺(tái)，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(hù)，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(shè)置消能臺(tái)階，形成臺(tái)階堰面。魯?shù)乩娬旧嫌瓮潦雺夯炷粱旌线^(guò)水圍堰剖面示意見(jiàn)圖1。

該圍堰具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：①首次將土石堰體與碾壓混凝土有機(jī)結(jié)合，形成土石—碾壓混凝土混合過(guò)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(fā)揮了兩種材料施工簡(jiǎn)便、快速的特點(diǎn)，加快了過(guò)水圍堰施工進(jìn)度，大大節(jié)約了工程投資；②首次將臺(tái)階消能技術(shù)應(yīng)用于過(guò)水圍堰下游堰面，形成了過(guò)水圍堰“大陡坡臺(tái)階消能+下游消能平臺(tái)面流消能”兩級(jí)聯(lián)合消能模式，提高了消能效果；③圍堰過(guò)水初期，利用圍堰過(guò)流直接對(duì)基坑充水，不需設(shè)置預(yù)充水設(shè)施，簡(jiǎn)化了基坑充水方式；④發(fā)展了過(guò)水圍堰“金邊銀腳”防沖理念，對(duì)圍堰下游堰肩岸坡清坡開(kāi)挖，錨桿錨固及貼坡混凝土防護(hù)，達(dá)到過(guò)流順暢及堰肩防沖的目的，對(duì)下游堰腳挖除覆蓋層，堰腳混凝土坐落在基巖上，滿足基礎(chǔ)抗沖要求。圍堰運(yùn)行了4個(gè)汛期，其中2009年～2010年兩個(gè)汛期圍堰過(guò)水歷時(shí)近4 300 h，2009年過(guò)流期間未斷流，過(guò)流歷時(shí)達(dá)2 230 h，過(guò)流期間壩址最大流量9 000 m3/s，圍堰最大過(guò)流量5 225 m3/s，最大過(guò)堰單寬流量32.5 m3/(s·m)，上下游水頭差17.1 m，消能平臺(tái)最大流速約20 m/s，圍堰安全度汛。該圍堰的成功應(yīng)用，為大流量、高水頭、高流速、長(zhǎng)過(guò)水歷時(shí)過(guò)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(guò)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(dá)52.5 m，圍堰過(guò)流設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為全年20年一遇洪水，流量為 7 710 m3/s，其中，圍堰過(guò)流量4 710 m3/s，上下游水位差約10.5 m，圍堰過(guò)流單寬流量28.4 m3/(s·m)，屬于深厚覆蓋層、大流量、高土石過(guò)水圍堰。通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)及水力學(xué)數(shù)值仿真分析計(jì)算，對(duì)上下游過(guò)水圍堰水頭落差合理分配、消能平臺(tái)布置、堰面及堰腳水力特性與防護(hù)方式、基坑充水、堰面排水等進(jìn)行系統(tǒng)研究；提出圍堰下游堰面采用1∶4.5緩坡，后接二級(jí)寬消能平臺(tái)(平臺(tái)寬度分別為30 m及20 m)的堰型布置。對(duì)“面、邊、腳”三個(gè)防護(hù)重點(diǎn)進(jìn)行深入研究，提出了“固面、金邊、銀腳”防護(hù)的設(shè)計(jì)理念，堰面采用1.0 m厚混凝土板防護(hù)，堰肩采用貼坡混凝土防護(hù)，消能平臺(tái)及堰腳覆蓋層邊坡采用厚6.0 m C7.5膠凝砂礫石(CSG)防護(hù)。形成了深厚覆蓋層、大流量、高土石過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)成套技術(shù)。圍堰經(jīng)過(guò)兩個(gè)汛期過(guò)水，堰面最大流速12.83 m/s，圍堰完好無(wú)損，安全度汛[2- 4]。功果橋水電站上游土石過(guò)水圍堰剖面示意見(jiàn)圖2。

圖2 功果橋水電站上游土石過(guò)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(dǎo)流關(guān)鍵技術(shù)

魯?shù)乩?、功果橋水電站中期?dǎo)流均采用導(dǎo)流隧洞與壩體缺口聯(lián)合過(guò)流的導(dǎo)流度汛方式。魯?shù)乩娬径妊戳髁?2 200 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(guò)流消能防沖，但溢流壩段是控制大壩施工進(jìn)度的關(guān)鍵項(xiàng)目，缺口過(guò)流對(duì)溢流壩段施工產(chǎn)生較大影響。鑒于此，提出在大壩岸坡非溢流壩段布置導(dǎo)流缺口的設(shè)計(jì)理念，開(kāi)展了《高碾壓混凝土重力壩岸坡壩段缺口導(dǎo)流關(guān)鍵技術(shù)研究》專題研究。通過(guò)水力學(xué)模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真計(jì)算、分析論證，對(duì)缺口布置、缺口水力特性、運(yùn)行模式、消能防沖、溫控防裂、缺口施工進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，確定魯?shù)乩こ倘笨趯挾?5 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(tǒng)籌施工進(jìn)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(yīng)適中，從簡(jiǎn)化消能防沖措施、降低工程費(fèi)用考慮，缺口單寬流量不宜過(guò)大，缺口布置不宜進(jìn)入壩肩槽開(kāi)挖范圍，使過(guò)缺口水流順暢進(jìn)入下游河床，減輕對(duì)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(kuò)散消能，消能效果良好，對(duì)下游基坑及岸坡采取適當(dāng)防護(hù)可滿足防沖要求；④魯?shù)乩娬旧舷掠嗡徊钶^大，約25 m，單寬流量大，采用“導(dǎo)墻疏導(dǎo)+高尾坎消力池+側(cè)向迭流至溢流壩后戽式消力池+擴(kuò)散”多級(jí)消能方式，有效控制了對(duì)河床基坑及下游圍堰的沖刷；⑤缺口出口消能區(qū)基坑及岸坡加強(qiáng)防護(hù)，其他下游岸坡防護(hù)與永久防護(hù)結(jié)合；⑥做好下游圍堰上游面抗沖保護(hù)，確保下游圍堰安全運(yùn)行；⑦缺口過(guò)流前采用冷卻水管通水冷卻及表面流水養(yǎng)護(hù)，降低缺口混凝土溫度，布設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)，防止過(guò)流冷擊產(chǎn)生溫度裂縫，缺口回填施工采用大升層或連續(xù)上升快速施工方案。岸坡非溢流壩段缺口導(dǎo)流度汛綜合技術(shù)成功應(yīng)用于魯?shù)乩⒐麡蛩娬?，大大加快了大壩施工進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)了首臺(tái)機(jī)發(fā)電工期目標(biāo)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著[5]。

2.4 PL摻合料

魯?shù)乩娬敬髩文雺夯炷凉こ塘枯^大，摻合料用量多，面對(duì)云南粉煤灰供應(yīng)緊張等現(xiàn)實(shí)條件，通過(guò)摻合料調(diào)研分析，提出采用攀枝花磷礦渣+永保水泥廠石灰?guī)r(PL)混合料作為摻合料的方案，針對(duì)PL摻合料及粉煤灰+火山灰摻合料進(jìn)行摻合料細(xì)度、摻合料配比、摻合料摻量對(duì)混凝土性能影響及堿活性抑制等系統(tǒng)試驗(yàn)研究，推薦采用PL混合料作為魯?shù)乩娬敬髩文雺夯炷翐胶狭?，摻?5%～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(xì)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(diǎn)：在摻量為50%以上時(shí)對(duì)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(qiáng)度略高于粉煤灰混凝土，軸拉強(qiáng)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(shù)

魯?shù)乩娬緣沃匪幍貐^(qū)年平均氣溫21.9 ℃，年降雨量483 mm，多集中在7月～9月，年蒸發(fā)量2 353.9 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 842.6 h，年平均風(fēng)速1.9 m/s，與黃河拉西瓦水電站相當(dāng)，最大風(fēng)速30 m/s，全年日溫差大于10 ℃的天數(shù)平均達(dá)236.2 d，多集中在旱季10月～6月。綜上所述，魯?shù)乩娬揪哂心昶骄鶜鉁馗摺⑷照諒?qiáng)烈、氣候干燥、日溫差大、風(fēng)大、干熱季時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，氣象條件差，碾壓混凝土施工及溫控防裂難度大。為此開(kāi)展了《干熱河谷高碾壓混凝土重力壩溫控技術(shù)研究與應(yīng)用》專題研究。通過(guò)混凝土碾壓性能仿真試驗(yàn)及混凝土性能與配合比試驗(yàn)、多方案大壩混凝土溫度、應(yīng)力仿真分析計(jì)算，系統(tǒng)研究了環(huán)境溫度與VC值及凝結(jié)時(shí)間的關(guān)系、VC值與凝結(jié)時(shí)間的關(guān)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(yīng)力分布規(guī)律及氣溫驟降、日溫差、年氣溫變幅引起的表面應(yīng)力變化規(guī)律。

結(jié)合研究成果及已建工程經(jīng)驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：①水泥內(nèi)MgO含量控制在3.5%～5.0%，采用高效緩凝堿水劑、PL摻合料，優(yōu)化混凝土配合比，以降低水泥用量；②采用低VC值，出機(jī)口VC值控制在1～3 s，倉(cāng)面VC值控制在3～5 s，保證層面良好結(jié)合；③預(yù)冷骨料、加冰及冷水拌和混凝土，控制出機(jī)口溫度不大于12 ℃；④加強(qiáng)運(yùn)輸過(guò)程及倉(cāng)面保溫覆蓋，卸料平鋪后及碾壓后立即覆蓋保溫材料遮陽(yáng)隔熱，倉(cāng)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(shè)冷卻水管，在混凝土碾壓完畢后及時(shí)通水冷卻，降低混凝土溫升，控制混凝土最高溫度；⑥對(duì)混凝土表面覆蓋保溫材料，防止日溫差及氣溫驟降產(chǎn)生的溫度應(yīng)力不利影響，加強(qiáng)混凝土表面保濕養(yǎng)護(hù)，層面采用流水養(yǎng)護(hù)，上下游壩面及側(cè)面采用花管噴水養(yǎng)護(hù)，上下游永久暴露面養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于混凝土設(shè)計(jì)齡期，澆筑塊側(cè)面及頂面養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于28 d或至混凝土覆蓋；⑦采用溫控智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壩體溫度分布，實(shí)現(xiàn)冷卻通水智能化控制，根據(jù)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行壩體溫度應(yīng)力反分析，實(shí)時(shí)調(diào)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(shù)在魯?shù)乩こ坛晒?yīng)用，溫控效果良好[6-7]。

3 結(jié) 論

在魯?shù)乩?、功果橋水電站中成功?yīng)用的一系列關(guān)鍵技術(shù)，為工程建設(shè)提供了重要技術(shù)保障，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

(1)魯?shù)乩?、功果橋水電站?dǎo)流洞進(jìn)口段開(kāi)挖程序及支護(hù)方案的選擇為復(fù)雜不良地質(zhì)條件，特大斷面洞室開(kāi)挖、支護(hù)提供了成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)借鑒。

(2)以魯?shù)乩娬竟こ虨橐劳?，提出了土石—碾壓混凝土混合過(guò)水圍堰新堰型，形成了高土石過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)、施工成套關(guān)鍵技術(shù)，為大江大河大流量、深厚覆蓋層、高水頭、長(zhǎng)過(guò)水歷時(shí)高土石過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)施工提供了安全可靠的技術(shù)方案及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展和完善了過(guò)水圍堰設(shè)計(jì)施工技術(shù)，推進(jìn)了過(guò)水圍堰技術(shù)進(jìn)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(dǎo)流度汛的新思路，針對(duì)大單寬流量、高水頭差的岸坡壩段缺口度汛，提出“大導(dǎo)向+多級(jí)消能+分層次防護(hù)”的消能防沖方式，形成了岸邊非溢流壩段缺口導(dǎo)流度汛系列技術(shù)，有效加快了大壩施工進(jìn)度，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

(4)提出了PL摻合料摻配比例、加工工藝及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，為PL料的推廣應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

(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(shù)，可在類似工程建設(shè)中推廣應(yīng)用。