小湾水电站建设中的几个技术难题概要.doc

小湾水电站建设中的几个技术难题马洪琪(华能澜沧江水电有限公司,昆明650214 [关键词]混凝土双曲拱坝;技术难题;创新;小湾水电站[摘要]小湾水电站混凝土双曲拱坝是即将建成的世界最高拱坝,许多技术难题位居世界第一,工程建设极具挑战性结合对关键技术的研究实践与认识,介绍了建设中遇到并成功攻克的700m高工程边坡处理、坝基岩体开挖卸荷松驰、拱坝混凝土温控防裂、泄洪消能及雾化研究、拱坝抗震安全等主要技术难题小湾水电站是国家实施西部大开发和“西电东送”战略的标志性工程电站位于云南省大理州南涧县和临沧市凤庆县的澜沧江中游,是澜沧江中下游河段八个梯级电站的第二级,也是该河段的“龙头水库”水库正常蓄水位1240m,相应库容150亿m3,调节库容99亿m3,具有不完全多年调节性能工程以发电为主,兼有防洪、航运、旅游等综合利用效益电站装机容量4200MW,保证出力1778MW,多年平均年发电量约190亿kW.h枢纽工程主要由混凝土双曲拱坝、坝身泄洪孔口、坝后水垫塘和二道坝、左岸泄洪洞和右岸地下引水发电系统组成最大坝高294.5m,是即将建成的世界最高拱坝小湾水电站枢纽布置见图1小湾水电工程地形地质条件复杂,工程规模巨大,许多技术难题位居世界第一,没有可供借鉴的经验。

现将建设过程中遇到的主要技术难题概述如下1 700m高工程边坡处理设计小湾坝址河谷深切、岸坡陡峻、沟梁相间、地应力高左岸坝顶以上分布有2、4、6号山梁边坡及饮水沟堆积体、龙潭干沟堆积体边坡右岸坝顶以上主要分布有3号山梁边坡、大椿树沟堆积体边坡边坡出露岩层主要是黑云花岗片麻岩、角闪斜长片麻岩,岩层产状为近横河的EW,陡倾上游边坡内III、IV级结构面发育,按产状主要可分为3组:①近SN向陡倾角组;②近EW向顺片麻理组;③顺坡的中缓倾角组这些结构面构成后缘拉裂面、侧向切割面及顺坡向中缓倾角节理裂隙组成的结构体,易向河谷方向呈一陡一缓状滑动破坏,进而向周边扩展,形成平面型坍滑,是边坡稳定处理的重点边坡上部的强风化、强卸荷变形岩体及堆积体,是边坡开挖及支护的难点小湾拱坝左岸边坡开挖高度约700m,右岸边坡高度约600m,边坡陡峻,开挖体型复杂,变形破坏样式多,边坡稳定对主要建筑物施工期和运行期安全影响大,为此设计对此进行专题研究,施工中结合实际情况,总结形成了“高清坡、低开口、陡开挖、强支护、先锁口、排水超前”的开挖支护原则在开口线以外,进行了较彻底的清坡,做好地表排水,并在开口线外侧打三排锚筋桩,采用较陡的开挖边坡,坡面采用系统锚杆、喷混凝土和预应力锚索加固、地下排水洞超前施工等综合加固措施。

在强风化、强卸荷岩体和崩坍堆积体中,采用组合螺旋钻跟管钻机造孔、钻孔固壁注浆、土工布包裹锚索止浆等技术,解决了造孔难、穿索难、漏浆量大等技术难题对岩质边坡,规定按10m高度的梯段开挖,每台阶留3m宽施工马道,边坡预裂,严格控制主爆破区、缓冲区及预裂爆破的单响装药量,以控制爆破振动影响要求随机锚杆紧跟开挖面,系统锚杆及喷混凝土滞后开挖工作面一层,锚索支护滞后二层,由表及里、自上而下,稳扎稳打,逐层加固目前,边坡已经历5个雨季考验,变形监测表明,枢纽区边坡工程处于整体稳定状态处理后的工程高边坡见图2、图3小湾电站高边坡的处理原则、施工程序和方法、控制标准,已被其它工程高边坡广泛采用2 坝基岩体开挖卸荷松驰小湾拱坝建基面岩体以微风化岩体为主,其中II类岩体占89.3%,IIIa类岩体占3.0%,需要处理的IIIb类以下岩体仅占7.7%,主要是F11断层,其它属Ⅲ、IV级结构面,此外部分坝段还分布有蚀变带坝址区地应力水平较高,两岸高程1100m~1170m部位,σ1′=8MPa~17MPa,河床深部40m~50m处,最大主应力一般为22MPa~ 35MPa,局部应力集中可达50MPa左右小湾大坝坝基开挖过程中,两岸坝肩特别是低高程坝基岩体出现强烈的卸荷松驰现象,成为主要工程地质问题。

坝基岩体开挖卸荷松驰的主要表现形式为:两岸坝肩部位沿已有裂隙错动、张开和扩展;上、中高程坝基完整岩体呈“葱皮”现象;低高程部位岩体“板裂”,特别是在缺陷槽二次开挖和灌浆、排水洞与坝基交界处,“板裂”强烈;河床坝基浅部岩体沿新生或原有水平卸荷裂隙发生差异回弹和蠕滑,局部岩体发生岩爆见图4、图5、图6小湾坝基开挖爆破前后的声波检测成果表明,大多数坝段开挖爆破声波衰减小于10%的影响深度小于1.0m,但201个长期监测孔声波检测表明,卸荷松驰深度随时间而增加,一般在爆后60d~90d增幅最大,90d~180d增幅减缓,180d后趋于平稳设计按松驰程度将坝基松驰岩体分为松驰带、过渡带和基本正常带根据声波实测资料,松驰带主要集中在深度3.0m以内现场变形试验表明,黑云花岗片麻变形模量因卸荷而显著降低,角闪斜长片麻岩受卸荷影响较轻为抑制卸荷松驰变形,对坝基的重点区域进行锚固在高程975m~1070m,系统布置450kN预应力锚杆,间距3.0m,高差3.0m,梅花型布置在高程1070m~1110m按“1排预应力锚杆+4排普通砂浆锚杆+1排预应力锚杆”的间隔布设1110m以上用普通砂浆锚杆加固对975m以下卸荷松驰较强烈的部位,进行了二次开挖,即将河床22#、23#坝段整体下挖2.5m至950.5m高程,并沿该高程面两侧伸入21#和24#坝段10m后,顺势向上放坡,左岸按原975.0m高程顺坡下挖约6m后连接,右岸接原975.0m高程坡面。

二次开挖的处理原则和程序为:①超前锚固,将3×∮32砂浆锚筋桩预锚到开挖面以下,锚筋桩长9m,间排距2m×2m;②采用小梯段薄层光面爆破开挖建基面;③对建基面及时进行预应力锚固,预应力锚杆采用∮32,长4.5m,间排距2m×2m,张拉力150kN;④用冲击锤对建基面进行彻底清基;⑤立即浇筑大坝混凝土覆盖建基面为增强岩体的整体性、均匀性,提高岩体变形模量,对卸荷松驰岩体进行了高质量的固结灌浆小湾大坝要求一律采用有盖重固结灌浆,即当坝段混凝土厚度达6m,相邻坝段混凝土厚达4.5m后,对本坝基进行有盖重固结灌浆,如混凝土龄期达21d,则撤出灌浆设备后再浇筑一层1.5m混凝土,再做剩余固结灌浆,一般要三进三出才能完成一个坝段的固结灌浆在12#~32#坝段固结灌浆孔中内布设了长12.0m、入岩9.0m的3×∮32锚筋桩共3066根,在这些坝段坝趾贴角部位的固结灌浆孔内布设了1654根锚筋桩,加上基础二次开挖中设置的2000根超前锚筋桩,共6720根另外在坝趾贴角混凝土上,最低高程965m,左岸至高程1085m,右岸至高程1142m,共布置了4000kN级、6000kN级拉力分散型锚索共502根,总加固力27.4万t。

建基面浅表部位岩体开挖卸荷松驰后,在一定范围内降低了基岩变形模量和抗剪强度,影响其完整性和均质性,从而会改变拱坝的应力、变形分布,带来不利后果为进一步评价处理效果和拱坝—地基系统稳定状况和安全度,澜沧江公司牵头有关科研单位,开展拱坝安全性评价科技攻关研究多拱梁和有限元计算成果表明,抗剪安全系数都大于2.0为了评价小湾拱坝整体安全度,做了两个物理模型试验,四川大学的地质力学模型试验采用超载结合降强的试验方法,软弱结构面降强20%,综合超载安全系数为3.96~4.20;清华大学的模型采用超载法,得到小湾拱坝的上游起裂、非线性变形、超载极限破坏安全系数分别为1.4~2.0、2.9~3.5和大于6.5,在坝高200m以上的同类工程中属中等水平小湾拱坝严格清除了坝基浅层开挖卸荷强松驰岩体,并对岩体进行了必要的锚固和铺设钢筋网;对坝基进行了高质量固结灌浆处理;坝踵设置了诱导缝,以改善坝踵应力状况;上游面高拉应力区采用了坝面喷涂聚脲和坝前回填粉煤灰等防渗淤堵措施;两岸坝肩及抗力体布设了完善的渗控系统;坝趾重点区域和两岸拱座设置了预应力锚索小湾拱坝整体抗滑稳定和坝基浅层抗滑稳定安全性有了明显的恢复和提高。

小湾坝基岩体开挖卸荷松驰现象之强烈实属罕见,实践使我们认识到,在深山狭谷高地应力区开挖坝基,应遵循边挖边锚或先锚后挖的方法;建基面上的地质缺陷应一次开挖到位,尽量避免二次刻槽开挖;对小的地质缺陷可在混凝土浇筑前采用冲击锤、风镐等清挖处理,开挖面应平顺,用孤线连接;建基面上出露的灌浆洞、排水洞、置换洞、传力洞等应遵循先洞后坡的原则,并在交界面上的10m范围内对已形成的洞井先做好支护处理这些处理原则对类似工程有重要的借鉴价值3拱坝混凝土温控防裂小湾拱坝混凝土总量870万m3,混凝土采用C18040、C18035、C18030强度等级,拱冠梁底宽73m,河床坝段基础部位与上下游贴角通仓浇筑,最大坝块厚度达90m,浇筑仓面2200m2小湾拱坝混凝土具有工程量大、混凝土标号高、坝块厚、浇筑仓面大、施工强度高等特点,坝体混凝土温控防裂技术十分复杂,难度极大为此,对混凝土性能及温控防裂技术进行了系统的研究,制订了小湾拱坝混凝土应具有“高强度、中等弹模、低热、微膨胀、大极拉值”的技术路线,对中热水泥生产厂家进行技术改造,优选粉煤灰及外加剂,优化混凝土配合比,按现行规范,制定了从严的温控防裂措施和相应的施工工法,经过5年的试验研究和12次相关的咨询会和审查会确定了施工方案,应该说技术准备是非常充分的。

施工质量检查表明,混凝土原材料、拌和物性能、混凝土施工各环节温度控制均满足设计要求,混凝土强度和性能检测结果,小湾大坝混凝土强度高于设计值,极限拉伸、弹性模量和徐变性能与其它工程类比处于较好水平;混凝土的干缩较大,劈拉强度偏低,对混凝土抗裂相对不利,混凝土自生体积变形呈先收缩后膨胀型,前期收缩与通水冷却温降重合时不利于混凝土抗裂,但总体而言,小湾拱坝混凝土的性能是比较好的小湾拱坝混凝土1000m高程以下,即基础以上50m高度范围内均未出现混凝土温度裂缝,说明基础约束区混凝土的温控防裂措施是有效的但是,2007年11月中旬在1060m廊道巡检时,发现部分坝段出现了平行于坝轴线的内部裂缝按照以往经验及现行规范控制,拱坝在非约束区出现此类裂缝的几率很小,原因何在?结合监测资料分析发现,一冷结束后,由于残余水化热的作用,混凝土内部温度回升较大,平均为4.5℃,致使二冷降温幅度过大;大坝浇筑块体厚,二期冷却高程范围过小,未在高程方向上形成合理的温度梯度;由于要求沿坝体厚度方向从上游到下游形成三个不同的封拱温度,实施时采用了先上游后下游的三个分区不同步二期冷却,在界面上形成较大的温度梯度;混凝土自生体积变化尚处理于收缩期。

以上因素使混凝土内部的拉应力接近或超过混凝土极限抗拉强度,导致混凝土开裂采取的针对性措施是:①一冷结束后,采取间歇性的中期冷却,控制混凝土温度回升;②二期冷却的高度进一步细化,在拟灌区以上设同冷层和过渡层,冷却高度为0.4倍坝块厚度(原来的同冷层高度仅为6m;③取消了二期冷却同高程三个分区而采用同一封拱温度此外还要求降温速率﹤0.5℃/d,通水温度与混凝土内部温度之差不大于15℃等更为严格的要求,采取这些措施后,坝体混凝土尚未发现裂缝见图7进一步研究分析认为:①高标号混凝土内高掺粉煤灰,延缓了水泥的放热过程,一冷结束后残余水化热仍较大,必须采取不间断的中期冷却,控制温度回升[3];②传统的基础约束区、脱离约束区的概念对特高厚拱坝不完全适用小湾拱坝在基础以上120m高度,拱坝厚度仍有60m,在此范围内,下部已封拱的拱坝整体刚度很大,将对上部坝块产生类似于基础的“二约束”,因此,二冷的高度及温度梯度要适应这种特殊情况,现行规范在这方面无明确要求;③理论分析表明,通水温度与混凝土内部温度相差过大,会在冷却水管附近产生较大的局部拉应力,现行规范规定偏宽[3];④混凝土的全级配试验与湿筛二级配试验成果对比,全级配混凝土的抗拉强度和极限拉伸值仅为湿筛试件的0.7左右,混凝土的实际抗裂能力较。