大岗山混凝土双曲拱坝施工关键技术研究

大岗山混凝土双曲拱坝施工关键技术研究

王国胜

葛洲坝集团第一工程有限公司王国胜

摘要：本文通过对大岗山水电站双曲拱坝施工过程中的坝基开挖、复杂地质条件下坝基处理、拱坝的固结灌浆、高性能混凝土配合比试验、混凝土高效入仓、高拱坝的温控防裂、后期冷却和全年封拱接缝灌桨施工等方面的关键技术进行研究和总结，意在进一步探讨和提升高拱坝工程施工技术。

关键词：大岗山；双曲拱坝施工；关键技术；研究1、概述大岗山大坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程1135.0m，建基面高程925.0m，最大坝高210.0m，坝顶厚10m，坝底厚52m，坝顶中心线弧长635.467m，坝体混凝土工程量约325万m3。

坝体设置28条横缝，计29个坝段，横缝间距在22m左右，平均坝段宽度为22.6m，施工不设纵缝。坝体设置4个泄洪深孔沿溢流中心线对称布置，进口堰顶高程分别为1050.00m、1049.00m。进口尺寸为6.00m×12.40m（宽×高），进水口为喇叭形，孔顶采用椭园曲线，体型设计采用“压力下弯型”。出口断面尺寸6.00m×6.60m（宽×高），出口底坎高程分别为1042.60m和1045.94m，进口段设事故检修闸门，出口设弧形工作闸门。

坝身临时导流底孔分别设置在1000.00m、1011.00m高程，其中在14#、15#坝段内1000.00m高程布置2个导流底孔，17#坝段1011.00m高程布置1个导流底孔，孔口尺寸均为5.50×7.00m（宽×高）。

2、拱坝开挖施工技术2.1大坝拱肩槽爆破施工技术大岗山大坝坝肩开挖受坝基卸荷裂隙、断层、辉绿岩脉带和开挖轮廓面呈扇形扩散的扭曲结构影响，爆破成型难度大，同时由于拱坝受力复杂，对建基面开挖质量要求高，因此在开挖前建立开挖精细化爆破施工技术管理体系，按照设计技术要求，采用质点振动速度，岩石声波，孔内电视，平整度和超欠挖检测等手段，实现对爆破效果的定量化评价；采用多段毫秒延时，预裂控制爆破技术，实现定量的精细化爆破设计；采用精细化的施工管理，定量化的爆破设计，精细爆破的施工工艺和管理体系，保证了大坝建基面达到设计要求，并一次性通过专家验收。

2.2土石方开挖出渣施工技术大坝工程地处峡谷地区，两侧山体陡峻，施工道路布置困难，为确保坝肩开挖过程中减少对山体植被的破坏，出渣采用“推渣（或汽车倒渣）下河，河床装渣”的方式进行，沿边坡开挖外边线布置溜渣点，并在各溜渣点下部的基坑布置出渣工作面，各出渣工作面相互独立，有效缓解了边坡下渣与基坑出渣的矛盾，加快了出渣进度；下河的渣料利用原左右岸低线公路出渣，解决了开挖出渣施工难的问题，降低了施工成本，满足环保施工要求。

2.3坝基及边坡开挖支护处理施工技术综合采用预应力锚索加固技术、表层覆盖式框格梁、系统砂浆锚杆（随机锚杆）、挂网喷护、贴坡混凝土、排水工程及抗剪洞（斜井）等综合支护处理措施，并结合安全监测数据分析，解决高陡边坡开挖安全稳定技术难题。

3、坝基基础处理施工技术3.1复杂地质条件下坝基及边坡处理技术大坝边坡及坝基辉绿岩脉带、断层和破碎带较多，地质条件复杂，按设计要求，本工程采用混凝土垫座、置换和固结灌浆等对断层和岩脉带置换加固处理技术，采用抗剪洞和固结灌浆施工技术等综合措施对边坡进行深层地质缺陷处理，以提高边坡的稳定和基础承载能力。如：右岸边坡XL316卸荷裂隙带及f231断层采取了布置抗剪洞、锚固洞为主，结合锚索、锚杆、排水、灌浆和贴坡混凝土等综合加固处理措施；右岸1090m~1135m高程拱肩槽采取垫座置换加固处理；河床部位917m~925m采取混凝土置换加固处理等。

3.2坝基固结灌浆综合施工技术大坝基础固结灌浆工程量大，与混凝土施工存在较大干扰。

基础固结灌浆处理方式：河床坝段采用有盖重固结灌浆、缓坡坝段采用无盖重加有盖重固结灌浆、陡坡坝段采用无盖重加引管有盖重灌浆等不同组合方式的设计与施工技术及其配套措施。为避免有盖重固结灌浆钻孔损坏冷却水管和监测仪器（包括电缆线），在缓坡及河床坝段基础仓位施工时采用1.5m分层浇筑，冷却水管（钢管）布设采用测量放样精确定位（冷却水管铺设自下而上均要求在铅垂面上），在固结灌浆过程中，对每个灌浆孔按布孔图的要求进行测量定位，钻机按放样点垂直混凝土面造孔，并控制好钻杆的偏差；通过以上措施，冷却水管被打断的几率大大减少。另外精细化的固结灌浆施工工艺与钻灌作业，也是保证基础固结灌浆效果、岩体加固质量和坝体通水冷却的关键。

由于大坝固结灌浆工程量大，且在不同的区域采用不同灌浆方式，导致固结灌浆对大坝的混凝土施工进度有很大的影响，且占用大坝施工直线工期。因此，为了减少固结灌浆对大坝工期的影响，在实施过程中，先集中所有的资源将河床坝段的有盖重灌浆全部完成，然后加大资源投入将灌浆工作转移到左右岸的缓坡坝段，并由低到高进行无盖重固结灌浆施工。对于缓坡坝段的有盖重灌浆，在满足混凝土盖重厚度时，采取左右向条带法灌浆施工的方法（每个坝段需三至四个条带施工才能完成有盖重灌浆，每个条带灌浆必须在混凝土间歇期14d范围内）。通过固结灌浆施工程序的调整和加大资源的投入，减少了固结灌浆对大坝混凝土施工进度的影响，解决了复杂地质条件下高强度固结灌浆的快速施工技术问题。

因此，合理安排固结灌浆和混凝土施工程序是防止基础混凝土出现贯穿裂缝和保证工程进度的主要措施。故如何选择最有利的程序进行浇筑，以保持浇筑块之间的高差满足设计要求，同时避免没有坝段可浇筑的情况，从而避免导致大坝混凝土施工进度的滞后，是保证大坝混凝土施工质量和在高差限制条件下均匀上升并保障大坝混凝土施工进度的关键。

4、大坝安全优质高效施工技术4.1大坝快速高效入仓施工技术（1）4台30t国产缆机合理调配使用规划及安全运行技术措施；（2）坝后临时栈桥及交通规划布置优化研究与应用；（3）大坝冷水机组规划设计布置研究与应用；（4）大坝混凝土缆机取料平台设计的优化研究及应用；（5）缆机高效运行及无缝转仓综合技术措施；（6）研究如何减少干扰、提高设备效率的措施，充分发挥缆机、塔机等各种入仓设备的优势，实现大坝高效快速、连续高强度的施工。

4.2大坝施工配套技术措施工艺大坝高效施工仓面综合配套技术，包括仓面施工机械设备配置、仓面设计及工艺等。优化模板、钢筋工程、埋件施工和混凝土浇筑等施工组织技术方案，完善仓面浇筑工艺（包括模板安装、拆除工艺和止浆止水连接安装工艺）、混凝土冲毛和层间结合工艺、钢筋连接工艺等。对大坝混凝土施工，从仓面准备、拌和、运输、浇筑、平仓、振捣及收仓后的保温和养护等一条龙施工布置及工艺措施进行分析，研究解决混凝土浇筑机械设备配套技术，实现混凝土高强度快速施工。

根据施工总进度计划，为保证浇筑强度和合同工期，按一台缆机配备两台水平运输自卸汽车和一台套平仓振捣设备，即4台缆机配备4台平仓机和4台振捣机；另外，为减少缆机辅助吊运设备材料的时间，在大坝下游布置三台塔机（其中两台6024型和一台7050型）、上游布置一台7050型塔机，并在仓面布置8~10台16~20t的汽车吊，满足了大坝混凝土施工的要求。

4.3大坝悬臂部位施工技术大坝导流底孔和泄洪深孔上下游均设计有悬挑牛腿，其中深孔下游牛腿外挑22.2m；通过对模板面板材质和型式对混凝土表面质量影响效果、模板支撑系统对模板安装和拆卸时间影响及模板操作施工工艺流程分析研究，决定采用内拉式组合钢模板施工技术，形成一套为大坝施工提供方便实用、安全可靠的悬臂模板施工技术。

4.4大坝孔口部位及钢衬施工专项施工技术大坝设计有三个导流底孔和四个泄洪深孔；研究解决孔口、高流速等部位施工技术及施工工艺、底孔（深孔预应力大梁）封顶快速施工技术、深孔钢衬分节整体安装施工工艺；研究解决深孔钢衬安装制约坝体混凝土快速施工的技术难题；研究解决深孔钢衬底部混凝土浇筑和接触灌浆施工工艺，形成了一套切实可行的孔口部位快速施工技术和深孔钢衬安装施工技术。

4.5大吨位和超长U形闸墩预应力锚索施工技术研究及应用大坝四个深孔坝段设计有80根3000KN的有粘结U形闸墩预应力锚索（最大长度78m）和68根2000KN有粘结预应力大梁锚索（长度18m），研究超长U形闸墩预应力锚索施工技术，单束穿索整体张拉施工工艺，孔道真空灌浆施工技术，形成一套拱坝闸墩预应力锚索施工技术。

4.6大坝金属结构制造安装施工技术大坝泄洪深孔及导流底孔施工技术难度和要求高，质量与安全问题突出，是控制大坝混凝土施工进度的关键，直接占用大坝的直线工期。其门槽、埋件、钢衬、工作门、检修门（封堵门）以及启闭机设备的安装精度要求高，安装场地狭小，与混凝土施工交叉或平行作业，干扰大。特别是泄洪深孔的钢衬安装与混凝土浇筑交叉进行，设计结构复杂、施工工序多且相互衔接，金结制安与埋件等对大坝混凝土施工工期产生直接的影响，其安装程序和工艺对坝体混凝土浇筑进度的影响相当大。

对此，重点研究其安装程序、工艺和施工方法，以加快金结安装的施工进度从而确保坝体混凝土的均衡、快速上升。

在金结安装前要对各部位金结安装工作进行详细分析，提出安装程序及所需设备和具体安装方法，使结构安装工作顺利进行。系统分析研究泄洪深孔、导流底孔、坝顶等部位金结安装与混凝土施工的逻辑关系，并进行多种安装方案的比较，编制详细施工程序图及进度计划。根据金属结构安装程序及混凝土浇筑进度要求，提出各部位金结安装与混凝土浇筑先后顺序及相关控制要求，优化施工配合方案，减少金属结构安装对混凝土浇筑的影响。

5、大坝高性能混凝土配合比试验研究大坝工程在混凝土开浇前，安排充足的时间委托葛洲坝试验检测公司进行混凝土施工配合比优化设计试验研究。采用业主指定的符合大坝工程质量要求的水泥和优质粉煤灰及外加剂，选择发热量较低的中热硅酸盐水泥、较优骨料级配和优质粉煤灰，优选复合外加剂（减水剂和引气剂），降低混凝土单位水泥用量，以减少混凝土水化热温升和延缓水化热发散速率，降低混凝土内部温度。经过一年多时间的试验，配制出了满足大岗山大坝工程要求的具有“大极限拉伸值、低水化热、高强度、中弹模、收缩小、温升慢”的高性能混凝土（即耐久性长、强度等级高、抗裂能力优越的高性能混凝土）。

6、大坝温控防裂施工技术6.1大坝工程的特点大岗山大坝坝高210m，混凝土工程量大，下部块体尺寸较大、施工期暴露面多，气温变化大，夏季高温历时长，日温差大，春季、冬季气温骤降现象多，混凝土温控要求严格。大坝混凝土温控工作的重点主要体现在最高温度控制、温差、表面保护和混凝土后期冷却上；对此采取严格的温控措施，包括预冷混凝土、混凝土运输和浇筑过程的温控、混凝土表面保温、养护、混凝土冷却通水等，是确保混凝土不出现裂缝的关键。

大坝混凝土温控工作的重点和难点如下：混凝土强度等级高，C18036、C18030混凝土的最高温度较难控制，特别是在高温季节，要求混凝土原材料降温幅度大，混凝土原材料温降问题突出；（2）浇筑温度控制难，因仓面混凝土暴露时间长，浇筑时仓面温升控制难度大，需加强浇筑仓面的保温及收仓后的表面养护，防止混凝土出现裂缝；（3）大坝中部孔洞多，结构复杂，施工难度大；底部厚度大，基础约束作用强，相应地温控标准严；（4）坝基约束和已浇混凝土对上部的混凝土约束作用较强，允许基础温差小，温度控制难度大，应力控制较难；（5）大坝施工进度紧，混凝土浇筑强度大，封拱温度较低（13℃），混凝土预冷及后冷系统规模大，相应地后冷运行管理复杂，难度大。

（6）混凝土通水冷却降温幅度大，需要冷却时间较长（≧120d）；（7）大坝孔口坝段设计限制悬臂高度为45m、非孔口坝段为60m，需要对已浇筑混凝土进行及时通水冷却和封拱灌浆；（8）混凝土浇筑收仓和拆模后必须做好仓面和表面的保温、养护和温度监测工作，防止出现温度裂缝。

6.2大坝混凝土温控防裂技术措施研究与应用（1）研究大坝混凝土全面温控、长期表面保护、有效防裂技术措施；①高温季节，采取控制浇筑层厚和间歇期的浇筑方法，对于高标号的强约束区混凝土，夏季浇筑的部位，采用1.5m的升层，间歇期为5～14天，冷却水管按照1.0m×1.5m加密布置，加大通水流量，强化混凝土降温。

②建立施工管理体系和温控管理体系。编制大坝混凝土施工工法和混凝土温控手册，严格按手册和工法施工；成立混凝土温控小组，负责混凝土温控措施的实施及特殊情况处理等；实行混凝土温度控制及主要温控指标预警预控制度，严格仓面工艺设计和施工管理；积极推广应用新技术、新工艺、新材料及新设备（采用葛洲坝试验检测公司生产的流量温度检测仪）。

③统筹安排大坝各项工程施工，配备足够的施工设备及资源，合理安排混凝土施工进度及浇筑时段，尽量做到大坝混凝土短间歇、均匀连续上升，尽量避开高温时段浇筑约束区温控要求严的部位。

④昼夜温差较大或特殊天气情况下，新浇混凝土表面易受外界气温变化影响而出现裂缝，采取及时保温养护措施，拆模后及时覆盖保温材料。

⑤高温时段浇筑混凝土时，采取多种综合措施，如：混凝土骨料预冷、加冰、加冷水，以控制出机口温度；混凝土运输车外加保温板及遮阳棚；定期用凉水冲洗车箱和吊罐；加快混凝土入仓及覆盖速度；仓面喷雾降温；及时用保温被覆盖浇筑仓面接头等；以最大限度地降低混凝土浇筑温度。

⑥足量配置一期、中期、二期冷水站制冷系统，合理布置冷水站，加强冷水站及冷却供水管网的管理，减少大坝施工与冷却供水之间的干扰，确保冷水站安全可靠，并能及时地向大坝提供保质保量的制冷水（两套不同温度的制冷系统，即12~15℃和8~10℃，分别供应一期、中期和二期冷却）；⑦主体混凝土冷却采取个性化通水，动态控制的方法，加强混凝土内部温度监测，使混凝土内部温度处于动态控制中，确保混凝土内部最高温度、降温速率和降温幅度符合设计要求；⑧对有特殊温控要求的部位，如大坝基础及孔口部位，除合理安排施工时段外，采取有针对性的特殊温控措施，如用钢管代替塑料冷水管、采取个性化通水、仓面采用冷水喷雾、表面流水养护等，以确保满足设计温控要求；⑨加强气象资料的收集工作，以便在每年秋、冬交替季节或气温骤降时段内，有充足的时间做好大坝混凝土表面保温及孔洞封闭保护工作。

（2）全过程实时动态温控仿真技术及温控预警预控的应用；根据工程实际，实时采集大坝建筑物的参数、施工进度、温控措施与状态数据，为科研单位的实时温控仿真提供及时、准确的处理参数（如：大坝浇筑高度、相邻坝段高差、最大悬臂高度、间歇期、进水温度、出水温度、混凝土内部温度、横缝张开度等）；实现温控仿真成果的分析管理与实时发布；并由科研单位将研究的预警指标、参数集成到系统平台，通过消息提醒、短信通知等实现预警预控。

（3）采用“小温差、早冷却、缓慢冷却”方式，实行精细化、个性化温控管理，尽可能减小冷却降温过程中的温度梯度和温差，降低温度徐变应力；总之，通过上述温控防裂技术措施的应用及实施，到目前为止，大岗山大坝已浇筑混凝土300万m3，大坝主体混凝土没有出现一条危害性裂缝。

6.3后期冷却与接缝灌浆施工技术研究高拱坝混凝土后期冷却施工技术及均匀降温工艺、拱坝接缝灌浆施工技术，采用了小温差通水冷却连续缓慢降温施工工艺和全年通水冷却、全年接缝灌浆施工技术。

研究采用小温差均匀连续缓慢降温施工工艺是确保混凝土不出现裂缝的关键技术。

研究大坝混凝土接缝灌浆技术及施工期横缝开度的动态变化控制，同时研究面接缝灌浆技术。

7、大岗山大坝施工节能减排技术开展大岗山大坝工程混凝土生产及制冷系统节能减排技术，一期、中期和二期通水冷却节能减排技术研究。

大坝混凝土拌和系统预冷工艺和大坝混凝土后冷系统是混凝土温控措施的两项重要手段，也是本工程混凝土施工中的能耗大户。进行混凝土预冷系统实际运行工况测试，获取混凝土预冷系统的运行数据，对数据进行分析整理，制订合理的技术参数应用于后续混凝土预冷系统的设计，可提高混凝土预冷系统运行的经济合理性、冷量的利用率，节能降耗，降低预冷混凝土成本。对于大坝混凝土的后冷系统，根据不同季节和天气变化情况，坝体通水冷却对于混凝土的温度变化影响，实时进行各种通水数据参数的采集，并对数据进行分析整理，找出温控的规律，应用于后续混凝土工程后冷系统的设计。

8、结束语高拱坝施工是一个极其重要而又复杂的过程，其施工工期长、强度高、施工约束条件复杂，施工过程要考虑到组织方式、施工工艺、浇筑机械布置和浇筑能力等诸多因素影响。大岗山高双曲拱坝施工在诸多关键技术上有所突破，尤其是在基础加固处理、高效人仓技术、垂直运输设备选型及布置优化方案决策、施工配套技术、混凝土温控防裂技术、数字化施工和信息化、仿真技术等方面有所创新，对今后的高拱坝施工具有极大的参考价值。