大型重力坝快速优质施工技术研究与应用.docx
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1、向家坝大型重力坝快速优质施工技术 研究与应用成果报告中国葛洲坝集团三峡建设工程有限公司 二一六年十二月1向家坝大型重力坝快速优质施工技术研究与应用成果报告1 、研制背景金沙江向家坝水电站为国家重点工程,是实现“西电东送 ”的骨干工程,工程的开发任 务以发电为主,同时改善航运条件,兼顾防洪、灌溉,并具有拦沙和对溪洛渡水电站进行反 调节等作用。工程建筑物主要由混凝土重力挡水坝、左岸坝后厂房、右岸地下引水发电系统 及左岸河中垂直升船机等组成。大坝挡水建筑物从左至右由左岸非溢流坝段、冲沙孔坝段、 升船机坝段、坝后厂房坝段、泄水坝段及右岸非溢流坝段组成,坝顶高程 384.00m,最大坝高 162m,坝顶
2、长度 909.26m。向家坝大型重力坝分两期施工。 一期先进行左岸施工,在一期基坑中进行左岸非溢流坝 段、冲沙孔坝段的施工,并在非溢流坝及冲沙孔坝段内共留设 6 个 10m14m(宽高)的导 流底孔及宽 115m 的缺口;同时在一期基坑中进行二期混凝土纵向围堰、上下游引泄水渠等 项目的施工,由束窄后的右侧主河床泄流及通航; 二期进行右岸施工,待导流底孔和缺口具 备泄水条件后,拆除一期土石围堰的上、下游横向部分, 进行主河床截流;在二期基坑中进 行右岸非溢流坝、泄水坝段、消力池、左岸坝后厂房及升船机等建筑物的施工,由左岸非溢 流坝段和冲沙孔坝段内留设的 6 个导流底孔及高程 280 m、宽 11
3、5 m 的缺口联合泄流。实施过程主要面临以下技术难题:(1)左岸一期大坝基础在按要求开挖至设计高程 222.00 后,现场地质勘探发现,在冲砂孔左非 6#坝段坝基存在大规模的层间软弱挤压破碎带,该层间挤压破碎带的成份复杂、强度低、变形模量小、厚度变化大、遇水软化,不能满足高坝对地基变形和承载能力的 要求。不良地质体须全部挖除,最深挖至 200.50m,并置换回填碾压混凝土至 222.00m 作为 大坝基础。不良地质体存在地质情况复杂、开挖深度大、排水困难等困难,不良地质体开挖 历时 5 个月,其中冲砂孔、左非 1#坝段在原设计建基面基础上最大下挖深度为 26.2m,最低 处为高程 195.8m
4、 ,左岸一期大坝混凝土具备浇筑条件时间较投标计划推迟 5 个月时间, 若 按原方案实施,则浇筑至高程 280.00m 的时间约在 2009 年 3 月,随即进入汛期,主河床截流将推迟到 2009 年 11 月,由此将导致整个工程推后一年发电和完工。(2)原计划于 2008 年 11 月下旬主河床截流(大江截流) ,转入二期施工。根据水 电工程施工组织设计规范规定,截流标准可采用该时段重现期为 5 10a 的洪水月(或旬)平均流量,故招标设计阶段的截流设计标准选择为 11 月下旬 10a 一遇旬平均流量(3500m3/s)。 实际施工过程中,根据左岸明渠上下游围堰拆除及断航时间,将故流时段改2为
5、 12 月中下旬,截流流量为 2 600m3/s。大江截流受河床状况、分流条件及抛投强度影响, 主要有以下难点: 河床覆盖层深厚,抗冲能力低。向家坝工程坝址区域河床覆盖层层次结 构复杂,地基覆盖层深厚(最深达 61 m),自上而下依次为砂卵砾石层、砂层、含崩(块)石 的砂卵砾石层。截流河段河床覆盖层未进行护底,经多年汛期冲刷,河床板结粗化,但砂卵 石覆盖层含砂量大、卵石粒径偏细,在高于 3m/s 的流速下,仍易起动。对现场观察和地形 测量结果的综合分析表明,龙口处河床覆盖层受水流冲刷,部分河底形成局部冲坑,导致截 流俄堤堤头小范围坍塌,截流难度增大。 分流比增长缓慢。截流进占前,导流明渠分流比
6、 达到 30%一 34%,初始分流状况较好。但截流开始至 12 月 21 日 21:00,进占 12h,分流比 仅增至 49.1%,增长缓慢。这是因为,导流明渠和底孔泄流特性决定了分流比的上升主要依 赖于水位差的增加。受该段河势条件影响,进占过程中上游水位壅高缓慢,因此分流比上升缓慢。另外,导流明渠进、出口段淤沙侵占过流断面,且截流阶段性进占初期水流流速较缓,进出口段成为初期分流的控制断面,也影响了阶段性进占初期分流比的提升。随着截流 工作的持续推进,至 12 月 21 日 21:00 以后,导流底孔逐渐成为分流控制的断面。 12 月 22 日 05:00,分流比增加至 82% 。截流困难时段
7、持续时间长。 2008 年 12 月 21 日 09:00 截流 阶段性进占正式开始, 22 日 10:00 形成合龙龙口,持续 25h。其中, 12 月 21 日 16:0022 日 05:00 为截流相对困难时段,尤其 21 日 19:0022 日 02:00 是截流最困难时段。 龙口抛投强 度高。导流底孔分流后左侧成为孤岛,截流备料场布置较为困难,设备投入也受到限制。为确保合龙抛投强度,拟采取左右岸双向进占,以右岸进占为主.左岸进占为辅。(3)右岸二期泄水坝段坝基高程设计为 240.00m,坝基存在较大范围的挤压破碎带和 挠曲核部破碎带。坝基部位的挠曲核部破碎带宽度 4070m。界面不规
8、则、厚度变化大,厚 度 1060。破碎带内岩体多呈碎裂结构和碎块状或碎块碎屑状结构, 一般夹有多段碎屑状 结构或碎屑夹少量碎块结构的岩体。为此,在大坝坝基设开挖齿槽,从泄水坝段左侧斜穿大 坝下游至消力池部位,以对坝基出露的挠曲核部破碎带和挤压破碎带进行槽挖置换,扩大了 齿槽范围和深度,碾压混凝土回填总量由 35 万 m3 骤增至 85 万 m3。受坝基齿槽扩大施工 影响,齿槽碾压混凝土浇筑至高程 240.00m 的时间较原计划滞后约 6 个月。同时,大坝全线达到高程 362.000 m 以上、工程具备蓄水发电条件的控制性工期要求不变,齿槽坝段高程362.000m 以下施工工期由原 31 个月缩
9、减为 25 个月。同时泄水坝段具有混凝土工程量大、 浇筑强度高、持续时间长等特点。混凝土浇筑总量达 507.8 万 m3,最高月浇筑强度达 24.8万 m3,高强度混凝土施工持续时间长达 12 个月。3(4)泄洪消能建筑物主要由泄水中、表孔和消力池组成。泄水坝段共分为 13 个坝段, 标准坝段宽度 20m,最大坝高 184m。每个坝段设置 2 条纵缝,将坝体自上游至下游分成甲块、乙块和丙块三部分。泄水坝段共设有 10 个中孔、 12 个表孔,采用中、表孔间隔布置、高低坎底流消能。泄水中孔布置在每个泄水坝段中部,采用短有压喇叭型进口。表孔采用开 敞式 WES 堰,堰顶高程 354.0m,均跨坝段
10、横缝对称布置。消力池位于泄水坝段下游,由底 板、导墙、尾坎、护坦等组成,消力池长 228m,由中导墙均分为两个对称的左、右泄洪消 能分区。 主要有以下难点: 泄洪消能建筑物规模巨大,仅次于已建成的三峡工程,流道总 长度 7075m ,过流面总面积 9.2 万 m2,混凝土总方量 409 万 m3 。中表孔需在工程蓄水前 具备运行条件,前期受坝基不良地质体施工影响,整个泄洪消能建筑物工期十分紧张,原规 划的一期预留台阶、二期浇筑方式工期不能满足要求。中表孔设计为间隔布置、高低坎底 流消能方式, 相对于于挑流或底流消能方式流道出口低、距离长、流速高(最高流速 40m/s左右)、体型更加复杂。过流面
11、混凝土施工质量要求高,体型控制难度大。坝体结构复杂,表孔出口高程与中孔出口高差仅 8m ,中表孔施工由下至上可分为中孔施工区、中表孔 施工区和表孔施工区。施工区高度达到 60m,仓内要施工 1 个中孔和 2 个表孔,类似工程尚无前例。(5)供料线输送混凝土受外界气温的影响大,输送过程中温升控制难度大,尤其是在 高温季节时段浇筑约束区混凝土时,供料线混凝土运输过程中温度回升大,入仓温度高,为 浇筑温度的控制带来了很大的困难与风险;大体积混凝土温控要求严,坝体基础约束区温控要求严格,昼夜温差大,新浇混凝土表面易受外界气温变化影响出现裂缝。(6)在大坝混凝土施工过程中,雨水、混凝土泌水、高压水冲毛、
12、仓面冲洗等都会造 成积水,混凝土备仓的必要程序之一就是处理仓面污水,将它们排出仓外,以便继续浇筑上 层混凝土。若不能及时有效地将仓面污水处理掉,既影响工程施工进度,也不利于现场的安 全文明施工。对于单个坝块小范围内的污水处理,采用传统的抽排及人工处理方法有一定效 果,对于具有一定规模的坝体结构而言,由于大坝分块较多,仓位面积较大,如果完全依赖 上述方法,需要投人大量人力、物力,生产效率较低。尤其是大型水利枢纽工程,坝体分块 数目更多,施工仓位面积更大,大坝仓面污水处理将更加困难。如果施工组织管理不到位或 劳动力及设备资源紧张,就只能让仓面污水“放任自流 ”,往往造成各坝块备仓施工时反复 进行污
13、水处理。另外,部分位于低处的仓位可能被相邻坝块“ 四面包围 ”,污水排放异常艰难,处理成本较高。4图 1-1 金沙江向家坝水电站特大型复杂洞室群三维效果图图 1-2 金沙江向家坝水电站大型重力坝三维效果图52 、技术原理2.1 深齿槽不良地质体开挖施工技术大坝坝基不良地质体最大下挖深度为 26.2m ,处于坝基开挖最低处,开挖后在大坝中下 部形成开挖深槽,按照分区域、分高程的原则对施工道路进行规划布置。采取“永临结合 ” 的方案,即在开挖过程中,将施工道路修建成永久结构。结合齿槽结构尺寸,先期浇筑部分结构混凝土,作为临时施工道路,后期再与结构混凝土结合,不予挖除。结合深齿槽结构形式,利用大面积
14、渗水坡面集中引排水装置将渗水引排至集水井内,避免渗水对不良地质边坡的冲刷、侵蚀。先在基础坡面的渗水点处钻孔(孔径 7690mm),钻孔为水平孔(或略向上倾), 孔深 35m,钻孔完毕后向孔内下设直径 60mm 的花管,花 管孔口段用棉纱封闭扎紧以免渗水沿钻孔孔壁流出。孔内花管的水通过支管进入集水主管, 支管采用 DN80 或 DN100 钢管,主管采用 DN400 钢管,布置在坡面的较低处,将渗水汇集排至最低处的集水箱内。针对不良地质体强度低、易风化等特性,采用小台阶开挖方法,尽早提供支护施工工作面,缩短开挖与支护工序间转换时间,缩短地质缺陷边坡暴露时间。大坝坝基地质缺陷深基坑开挖在施工排水、
15、钻爆施工技术上进行创新,提高了施工效率,降低了安全风险,较好的解决不良地质体深基坑开挖施工技术难题。不良地质体深基坑开挖施工质量优良,整个施工期无任何安全事故,施工进度满足总体工期要求。为克服不良地质体带来的影响,使工程施工进度更有保障,采用了碾压混凝土替代常态 混凝土,以加快不良地质体齿槽回填速度。齿槽回填碾压混凝土采用大面积通仓碾压方式, 由于周边为齿槽边坡,采取了高升层连续碾压上升,且通仓浇筑整体性较好,避免齿槽内接缝过多以及减少齿槽边岩体卸荷变形。基础强约束区碾压混凝土施工安排在低温季节施工。采用翻转模板连续上升, 一次最大 浇筑高度达 18m;高温雨季的升层高度一般不超过 4.56m
16、,并合理规划仓面面积。碾压混凝土施工时埋设有水平冷却水管进行初期冷却,后期固结灌浆钻孔施工时,由于盖重厚度大,加之钻孔精度控制难度较大,施工时很难避免打断部分冷却水管。故利用固结灌浆孔布 置垂直冷却水管进行中、后期冷却通水,部分温控要求高的部位需补充钻孔加密水管布置。 正常情况下碾压混凝土施工层面间隔时间按照 4h 控制,应经常根据气温等边界条件动态监 测碾压混凝土初凝时间,如因施工组织问题及下雨等因素导致覆盖时间过长而停仓的标准时间为:混凝土初凝时间的一半减去 1h(如碾压混凝土初凝时间为 16h,则停仓标准为 7h)。6向家坝工程在施工过程中边界条件发生了较大变化,为保证工程总体进度的实现
17、,在确 保施工质量的前提下,经过不断研究和探索,逐步在枢纽工程不同部位使用了碾压混凝土,丰富了碾压混凝土筑坝技术,形成了具有特色的常态混凝土和碾压混凝土混合筑坝技术。图 2-1-1 大面积渗水坡面集中引排水装置图 2-1-2 深齿槽不良地质体开挖2.2 大江(二期)截流技术主河床截流时,由左岸坝体中预留的 6 个进口高程 260m、尺寸为 10l4 m (宽高)的导流底孔分流。截流时,龙口左侧建筑物依次为一期纵向土石围堰、冲沙孔坝段(二期纵 向围堰)、坝体导流底孔和缺口,从左岸公路到龙口,需架设专用栈桥跨越导流底孔上游明渠或坝体缺口。坝体缺口宽 115 m,栈桥架设施工难度大、造价高。此外,右
18、岸上游 12 号7公路、下游 8 号公路直达围堰堰肩。根据施工组织规划,右岸上游新滩坝弃渣场及下游尾水 渠平台均可作为截流及围堰填筑备料堆存场地, 戗堤填筑及合龙抛投料可就近利用右岸工程 标开挖弃渣,从而缩短运输距离,避免备料堆存转运。因此,合龙方案初步考虑以从右岸向 左岸单向进占为宜。 因截流合龙困难段施工历时较长,对抛投强度要求较高,而龙口左侧的 一期纵向土石围堰能够在江中形成施工平台,且可布置较多工程设备。 且一期土石围堰纵向 段存留的大量围堰填筑料亦可直接用于戗堤填筑。因此,为提高抛投强度并降低截流难度,采用上游单戗双向立堵截流方式,以右岸进占为主,左岸进占为辅。截流戗堤布置。为缩短二
19、期纵向围堰长度,减小纵向围堰及二期横向围堰施工工程量, 截流戗堤与上游土石围堰填筑体相结合,以不影响围堰混凝土防渗墙施工为原则,将戗堤布置于围堰背水侧, 戗堤轴线与围堰轴线平行,距离约为 30 m。戗堤全长为 301.2 m,其中一、二期纵向围堰之间段长 41.2 m ,一期纵向围堰占压段长 67.3 m,右岸河床段长 192.7m 。可在围堰保护下预先填筑完成一、二期纵向围堰之间的戗堤,并根据二期围堰结构要求确定其填筑断面。龙口位置选择。 戗堤轴线处河床地形总体上呈左高右低的态势,靠一期纵向围堰的坡脚 处河床高程为 261264m,靠右岸河床高程约为 256258m。龙口布置在左岸,水深较小
20、,可 以减小抛投强度。但基岩出露线为右高左低, 一期纵向围堰坡脚处覆盖层厚约 1037m,右 岸覆盖层约 4 10m ,覆盖层主要为卵砾石夹砂和砂层,局部夹有崩石、块石。右岸覆盖层相 对较薄,有利于戗堤堤头及抛投料的稳定,但与右岸主进占的施工方案有所冲突。为方便施 工,同时考虑到在一期工程度汛期间,土石围堰纵向段坡脚部位曾抛投大量块石护底,因此将龙口设置于左岸。截流抛投料选择。根据国内、外截流工程实践经验,选择截流材料的基本依据应是: 截流的水力条件;当地可用于截流的材料;工地的起重、运输设备条件;截流材料的 获得、装运、抛投条件等,力求简易、安全、可靠,并尽可能满足截流快速进占及设计的抛 投
21、强度要求;满足经济、合理性要求。 戗堤预进占区段,抛投材料以粒径 0.4m 以下的混 合石碴料或河床卵砾石为主,堤头采用粒径 0.7m 块石适当保护。龙口段分 3 区抛投,第 1区段以粒径为 0.40.7m 的混合石碴料为主,在上挑角处抛投少量大石;第 2 区段 80%为0.7 1.1m 粒径的大石,另外采用 10%的一般石碴料和 10%的中石,第 3 区段 90%为 0.10.4 m 粒径的一般石碴,另外采用 10%的中石。采用挑选过的大块石和部分钢筋石笼作为合龙抛投料。8龙口截流共历时 27h,截流过程中截流流量 2350m3/s ,最大流速 6.1m/s,龙口落差2.34m。投人大型挖装
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