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1、小湾水电站建设中的几个技术难题,马 洪 琪二一年十月,小湾水电站工程概况,小湾水电站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。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，是已建成的世界最高拱坝。小湾水电工程地形地质条件复杂，工程规模巨大，许多技术难题没有可供借鉴的经验。,技 术 难 题,700m高工程边坡处理设计 饮水
2、沟堆积体蠕滑变形治理 坝基岩体开挖卸荷松弛处理 特高拱坝混凝土温控防裂 泄洪消能及雾化研究 高拱坝抗震技术措施,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：近SN向陡倾角组；近EW向顺片麻理组；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
3、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。,1、700m高工程边坡处理设计,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。小湾工程总结形成了“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。在开口线以外进行较彻底的清坡，做好地表排水外，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
4、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，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。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。,1、700m高工程边坡处理设计,小湾电站坝坡坝肩开挖历时三年半，共开挖1757万m3，高峰年开挖强度630万m3，1000m高程以上平均每月下挖20m。拱坝建基面的半孔率、不平整度、爆破后声波衰减率均处于优良水平。目前，边坡已经历了5个雨季的考验，变形监测表明，枢纽区边坡工程处于整体稳定状态
5、。小湾电站工程高边坡的处理原则、施工程序和方法、控制标准，已被其它工程广泛采用。,1、700m高工程边坡处理设计,饮水沟堆积体位于左岸坝前，沿F7断层形成的山沟两侧岩体崩坍堆积而成。其后缘高程约1650m，前缘高程为1180m，总量达540万m3，其中40万m3位于水库水位以下。堆积体主要由块石、特大孤石夹碎石质土、碎石层和砂质粉土组成。堆积体物质总体上相对较为密实，仅局部地段较为疏松，并存在架空现象。堆积体底部与下伏基岩之间分布有一层颗粒相对较细、厚度不等的接触带土。下伏基岩面起伏不平，其总体形态似一倒置的葫芦，上大下小，纵向平均坡度2530。堆积体部位地下水类型主要为基岩裂隙潜水和上层滞水
6、，接触带土具有相对隔水层特征。,2、饮水沟堆积体蠕滑变形治理,2、饮水沟堆积体蠕滑变形治理,可研究阶段专题研究表明，堆积体在各种工况下是稳定的。招标阶段，初拟方案是沿堆积体与下伏基岩接触带，开挖一系列“L”型竖井与平洞，回填钢筋混凝土，以提高其抗滑能力。考虑到地下洞井施工的难度及安全风险，决定结合左岸1380m高程公路及坝顶公路开挖、缆机平台开挖及1245m高程混凝土拌和系统布置和混凝土供料线的开挖，对堆积体采取以挖为主的处理方案。1245m高程以上开挖成稳定边坡，坡顶设截水沟，坡内设分层排水洞，坡面打排水孔，并用网格梁及植草对坡面进行保护。开挖后剩余方量约170万m3，其中水下部分约24万m
7、3。,在堆积体开挖到1245m高程后，2004年1月，因连续降雨，开挖坡面1300m高程左右开始出现拉裂缝，并逐步向高处延伸，上部裂缝扩展至1600m高程，变形监测显示堆积体最大蠕滑变形速率达2mm/d。分析认为，饮水沟堆积体局部失稳破坏机制以推移式滑动为主，继而可能引发沿接触面的自下而上牵引式整体滑动，为保证边坡整体稳定，必须立即采取相应支护处理措施。,2、饮水沟堆积体蠕滑变形治理,饮水沟堆积体采用了“削、锚、排、挡”综合治理措施。对堆积体上游侧坡的中上高程部位，采取削坡减载。对坡面主要采用预应力锚索加固，共设1000kN和1800kN预应力锚索1438束，其中，1380m高程以上边坡435
8、束，1245m1380m高程间的边坡1003束，锚索长度一般为60m70m,采用组合螺旋钻跟管钻机造孔、固壁灌浆处理、锚索张拉段采用外裹土工布和细帆布止浆。在1310m和1460m变形影响较大地区布置断面为3m5m两排抗滑桩，桩顶用联系梁联结，抗滑桩最深达70m。在1245m高程设置15根抗滑桩和1道基础衡重式挡墙，以钢筋混凝土板墙结构联成整体，桩、墙后回填石渣至1274m高程，对坡面反压。在360m高坡体内部设9层排水洞，洞内向接触带打排水孔，孔内安装反滤透水管。边坡表面采用挂网喷混凝土、网格梁、自进式锚杆、土锚杆等支护措施。,2、饮水沟堆积体蠕滑变形治理,变形监测成果表明，堆积体经上述综合
9、加固措施后，表面变形和深部变形自2005年8月后已趋于平缓，地表排水和各排水洞实施有效。计算分析成果表明，加固后，饮水沟堆积体运行期稳定安全系数满足规范要求。证明堆积体综合治理措施是非常成功的。围绕饮水沟堆积体处理前稳定性评价和发生蠕滑变形后的争论启示我们，对类似的复杂边坡仅仅依靠数学模型分析是远远不够的，必须根据地质条件，结合变形监测资料综合分析评价。这样，处理措施才更具针对性并行之有效。,2、饮水沟堆积体蠕滑变形治理,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、IV级结构面。此
10、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1100m1170m部位，1=8MPa17MPa,河床深部40m50m处，最大主应力一般为22MPa35MPa，局部应力集中可达50MPa左右。坝基开挖的主要工程地质问题是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。其主要表现形式为：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。,3、坝基岩体开挖卸荷松弛处理,沿已有裂隙错动、张开和扩
11、展,葱皮现象,板裂现象,3、坝基岩体开挖卸荷松弛处理,岩爆现象,差异回弹和蠕滑现象,为抑制卸荷松驰变形，对坝基的重点区域进行锚固。在高程975m1070m，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1070m1110m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。对于975m高程以下卸荷松驰较强烈的部位，进行了二次开挖。二次开挖的处理原则和程序为：超前锚固，将332砂浆锚筋桩预锚到开挖面以下，锚筋桩长9m,间排距2m2m；采用小梯段薄层光面爆破开挖建基面；对建基面及时进行预应力锚固，预应力锚杆采用32，长4
12、.5m，间排距2m2m,张拉力150kN；用冲击锤对建基面进行彻底清基；立即浇筑大坝混凝土覆盖建基面。,3、坝基岩体开挖卸荷松弛处理,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。在12#32#坝段固结灌浆孔中内布设了长12.0m、入岩9.0m的332锚筋桩共3066根，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。
13、,3、坝基岩体开挖卸荷松弛处理,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，河床坝段高程948.5m为最不利浅层滑动面，其他单滑面和复合包络面抗剪作用较为明显。进一步仿真模型计算成果表明，考虑施工与蓄水影响后，整个坝基的应力水平更加均匀，抗剪安全系数都大于2.0。采用两种物理模型试验对小湾拱坝整体安全度进行评价，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3.964.20；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
14、系数分别为1.42.0、2.93.5和大于6.5，在坝高200m以上的同类工程中属中等水平。,3、坝基岩体开挖卸荷松弛处理,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，实践表明，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
15、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、坝基岩体开挖卸荷松弛处理,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
16、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，按现行规范从严制定温控防裂措施和相应的施工工法，施工方案经5年的试验研究和12次相关的咨询会和审查会确定。,4、特高拱坝混凝土温控防裂,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相对较好；但混凝土的干缩较大，劈拉强度偏
17、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。,4、特高拱坝混凝土温控防裂,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。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，
18、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。,4、特高拱坝混凝土温控防裂,进一步研究分析认为：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；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
19、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；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；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湿筛二级配混凝土试验值低，抗裂安全系数不大。,4、特高拱坝混凝土温控防裂,采取了以下针对性措施：一冷结束后，采取间歇性的中期冷却，控制混凝土温度回升；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，同冷层高度为坝块厚度的0.2-0
20、.3倍（原来的同冷层高度仅为6m）；取消了二期冷却同高程三个分区，采用同一封拱温度；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。采取这些措施后，坝体混凝土未发现裂缝。,4、特高拱坝混凝土温控防裂,自发现裂缝后，公司组织开展了全面系统的检查，对裂缝采取高质量的化学灌浆（CW）处理，布置安装了裂缝专项监测仪器，铺设防裂限裂钢筋，还联合多家科研单位和高等院校就裂缝对拱坝整体安全性影响和稳定性进行了大量的科学计算和试验研究工作。分析认为经过精细化学灌浆处理后，坝内温度裂缝对拱坝总体变形和应力分布影响不大，在正常蓄水位1240m下，裂缝的存在使拱坝顺河向位移增幅小于1.5%；坝趾、坝
21、踵最大应力变幅均小于0.2MPa。缝面最大压应力变幅小于0.6MPa。动力计算分析表明，裂缝对拱坝的变形、位移和横缝开度影响较小。地质力学模型试验成果表明，在超载情况下，裂缝处理拱坝与无缝拱坝工作状况及失稳破坏模式基本一致，裂缝稳定，起裂安全系数（k1）、非线性变形（k2）、超载安全系数（k3）比无缝拱坝略有降低。经1167m水库蓄水的监测成果表明，坝内裂缝稳定，大坝工作性态正常。,4、特高拱坝混凝土温控防裂,5、泄洪消能及雾化研究,泄洪消能措施。小湾水电站坝址区山高谷窄，最大泄洪落差226.26m，最大泄洪流量20683m3/s（校核洪水），相应下泄功率46000Mw，其“大泄量、高水头、窄
22、河谷”的泄洪消能问题突出。泄洪功率为世界同类坝型前列。小湾水电站泄洪消能建筑物由坝身5个表孔、6个中孔、水垫塘、二道坝和左岸泄洪洞组成。坝身泄洪采用“横向单体扩散、纵向分层拉开、整体入水归槽”的泄洪碰撞消能方式，达到了较好的消能效果，提高了泄洪安全度。常年洪水采用左岸泄洪洞和过机流量泄洪，也可采用表孔或中孔泄洪，运行调度灵活。,5、泄洪消能及雾化研究,泄洪雾化问题 小湾工程泄洪雾化较严重,防护措施要求高。由于表、中孔联合泄洪，空中碰撞，水舌在水垫塘内的溅水引起的雾化十分严重，将在坝后较大范围内形成强烈的泄洪雾化区。两岸坝肩抗力体均位于强暴雨区，须设置有效的坡面保护和地表、地下排水措施，确保边坡
23、稳定。对于泄洪雾化的研究，直接从多座水电站泄洪雾化原型观测资料入手，发现泄洪雾化纵向范围与水舌平均入水流速、入水角以及泄流量之间的关系。考虑水舌碰撞因素对泄洪雾化的影响，基于量纲分析方法建立了估算泄洪雾化纵向范围的经验关系式。根据二滩水电站泄洪雾化原型观测得到的雾化降雨量等值线图，绘制了小湾电站坝身表孔单独泄洪、中孔单独泄洪、中表孔联合泄洪以及泄洪洞泄洪各典型工况下泄洪雾化降雨的等值线图。采用人工神经网络方法，考虑水力学因素与地形因素对泄洪雾化的影响，建立“泄洪雾化的人工神经网络预测模型”。这些研究成果对工程下游防护措施设计具有较好的指导作用。拱坝泄洪流激振动问题 通过水弹性模型，研究了拱坝泄
24、洪流激振动问题。研究表明：小湾拱坝泄洪时表、中孔孔口的脉动荷载振动对坝体产生流激振动影响不大。研究工作为坝体泄洪建筑物结构设计优化提供了参考。,6、高拱坝抗震技术措施,小湾高拱坝抗震技术措施 小湾工程建筑物地区地震基本烈度为度，经地震危险性分析，坝址场地超越概率为100年1%时的基岩水平向加速度峰值为359gal，由构造法发震构造得到的基岩水平峰值加速度最大值为299gal。小湾大坝采用超越概率为100年1%的地震动加速度峰值359gal。小湾大坝地震设防标准按500年超越概率为10的基岩峰值水平加速度为0.308g，设计烈度为度。小湾大坝经研究确定采取了抗震钢筋结合阻尼器的综合抗震措施。,6、高拱坝抗震技术措施,6、高拱坝抗震技术措施,梁向抗震钢筋分区区：1层梁向抗震钢筋；区：2层梁向抗震钢筋；区：3层梁向抗震钢筋,拱向抗震钢筋从1190m高程开始。上游配2层、下游配1层跨缝抗震钢筋。,谢谢大家！,
