桐柏抽水蓄能电站过流面板堆石坝(坝身溢洪道)工程施工

('桐柏抽水蓄能电站过流面板堆石坝（坝身溢洪道）工程施工沈益源（中国水利水电第十二工程局有限公司）桐柏抽水蓄能电站位于浙江省天台县城关百丈村，是一座日调节纯抽水蓄能电站，装机1200MW。电站建成后，在电网中担任调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。电站枢纽由上水库、上游引水系统、地下厂房、尾水系统、下水库及开关站等组成。下水库建于百丈溪之上，集雨面积21.4km2，总库容1204万立方米，由挡水主坝、溢洪道、导流泄放洞、副坝等水工建筑物组成。挡水主坝为钢筋混凝土面板堆石坝，泄水建筑物为溢洪道和右岸导流泄放洞，挡水坝和泄水建筑物均为一级建筑物。设计洪水标准为：按0.5%频率（二百年一遇）洪水设计，设计洪水位145.60m，总下泄流量361m3/s，相应下游水位86.06m。以频率0.1%（一千年一遇）洪水为校核洪水，校核洪水位146.60m，总下泄流量496m3/s，相应下游水位86.6m。下水库主体工程——混凝土面板堆石坝最大坝高68.25m，坝顶长434m，上游坡比1：1.4，下游坡比：1：1.5，总填筑量约157万立方米。溢洪道为敞开式，宽27m，设计单宽流量18.4m3/s·ｍ。根据原批准的可行性研究，溢洪道布置于主坝右岸，在大坝与导流泄放洞之间。由于大坝右侧原岸坡式溢洪道部位地质条件较差，场地峡窄，与主坝及导流泄放洞施工干扰很大，建设费用较高。鉴于下水库所在百丈溪的集流面积和洪水流量较小，工程设有的导流泄放洞，可泄放50年一遇洪水，溢洪道实际上过流的机遇较小；同时考虑到桐柏抽水蓄能电站主体工程由具有丰富混凝土面板堆石坝施工经验的中国水利水电第十二程局施工承建，质量和安全能够保证，为节约工程投资，提高经济效益，推动我国筑坝技术的发展，2001年初以潘家铮院士为团长的世界银行特咨团向工程业主——浙江省电力公司建议，将溢洪道移到大坝上，布置于主河床中部面板堆石坝的坝身上，采用坝身溢洪道型式，即主坝采用坝身过流面板堆石坝。此建议经业主单位和建设各方认真研究并经中国水电顾问集团公司咨询后，得到了中国水电水利规划总院的批准。据测算，溢洪道由岸坡式改为坝身溢洪道，节约工程投资约660万元。1、坝身溢洪道结构布置优化后的坝身溢洪道位于大坝河床部位（轴线位置为坝0+241.00）的坝体上，由溢流堰、泄槽、挑流鼻坎、护坦、预挖冲坑及出水渠等部分组成，全长200米，堰形为驼峰堰，宽27m，堰顶高程141.90m，比水库正常蓄水位高0.73m，堰上不设闸门，为敞开式。面板堆石坝坝身溢洪道结构布置如下图所示：⑴溢流堰溢流堰为驼峰堰，分两孔，每孔净宽13m，中间设一宽为1m的中墩。为敞开式溢洪道，堰顶高程141.90m。中墩、边墩及底板为分离式结构，底板及边墩通过埋入堆石体的锚筋与坝体连成一体。⑵泄槽段溢洪道泄槽为矩形，净宽27m，坡比1:1.5，底板厚60cm。下设碎石垫层和过渡层，水平宽分别为2.0m和4.0m。泄槽混凝土底板通过钢筋混凝土锚固板和锚固钢筋网与大坝坝体连成一体，为泄槽提供抗滑锚固力。泄槽底板沿纵轴线设一条结构缝将底板一分为二。底板与两侧边墙均设施工缝。底板沿水流方向每隔15m（水平投影长），设一道横缝和掺气槽，将底板分成5段。泄槽边墙墙高在进口段溢0+012.5～溢0+024.50由5.28m渐变为2.4m，以下其余为等高2.4m，墙顶坡比1:1.5。边墙亦分为5段，每段水平长约15.0m，采用“\uf05e”（倒T型）形断面。边墙同泄槽底板一样，采用水平钢筋混凝土锚固板和锚固钢筋网将其与坝体堆石连成一体，以增加抗滑稳定。⑶挑流鼻坎挑流鼻坎基础置于弱风化的霏细斑岩和晶屑玻屑熔结凝灰岩上，基础高程80.0m，反弧半径8.0m，坎底高程89.25m，坎顶高程90.0m，挑射角25o。与泄槽底板相接处分一横向结构缝。⑷预挖冲坑预挖冲在挑流鼻坎以下82.12m~97.12m处。冲坑底高程为70.5m，上游坡度为1:7.0，下游坡度为1:2.0，与下游出水渠衔接。根据检索，目前坝身上设置溢洪道的砼面板堆石坝，世界上已建成的仅有两座，其中国内一座。分别为：克罗蒂坝（Crotty坝），坝高83m，坝顶长240m，在下游堆石体上设有一条非常溢洪道，泄槽宽12.2m，设计流量为245m3/s，设计单宽流量20m3/s·ｍ，于1990年建成，水库蓄水后，已泄洪多次，其中有两次泄洪持续时间达一个月之久，堰上水头最大时达0.7m，最大过流量为14m3/s。我国新疆哈密市的榆树沟坝。最大坝高67.5m，坝顶长度306m，坝顶宽度6m，总库容1072×104m3，有效库容848×104m3。在左岸一级阶地坝体上布置溢洪道，其泄槽段座落在基岩，坝体溢洪道段高30m，溢洪道宽20m，长83m，纵向等宽布置，单宽流量q=21m3/s·ｍ。仅2002年汛期有一次小流量过流。在水位日变幅很大的抽水蓄能电站水库的坝身上设置坝身溢洪道，至今尚没有先例。本工程桐柏抽水蓄能电站下水库面板堆石坝，坝高68.25m，坝顶长434m，坝身溢洪道布置于大坝中部主河道部位，溢洪道部位坝高68.25m（最大坝处），溢洪道宽27m，泄槽底坡1：1.5，设计单宽流量q=18.4m3/s·ｍ，设计泄洪流量496m3/s，最大落差约55m，最大流速约29m/s。其在规模上、溢洪道下坝高、泄洪流量、坝前水位变幅等方面均超过已建的工程。对坝身溢洪道在设计方面，国内有设计院做过研究，但尚没有系统深入地进行施工工艺技术方面的研究，因其所具有的科技含量和技术难度，坝身溢洪道施工工艺研究课题被列为中国水电水利建设集团公司的科研课题。2、科技攻关为成功建好目前国内乃世界上规模最大的过流混凝土面板堆石坝和坝身溢洪道，为我国筑坝技术的发展作出贡献，施工承建单位——中国水电水利第十二程局第一分局高度重视施工的每一个环节，成立科技攻关小组，制定科研计划，投入资金，开展科技攻关和试验工作，工程局副局长孙阳亲自挂帅。从溢洪道泄槽基础堆石料的选择、填筑碾压试验、泄槽锚固板和锚固筋的结构型式、泄槽锚固板和锚固筋的抗拔力、混凝土在堆石体中碾压安全性、带有锚固板、锚固筋及掺气槽的斜坡碾压与保护、高性能耐磨混凝土泄槽施工、施工程序、施工工艺、大坝与溢洪道施工之间的关系、施工度汛等十一个方面进行了专题研究，总工程师沈益源与第一分局局长方飞来领导组织试验研究的全过程。在一系列科学试验的基础上，制定出可操作性较强的施工作业指导书，指导和控制施工全过程。溢洪道泄槽基础是垫层区、过渡区和主堆石区，要求具有高密实度、低孔隙率、强透水性等特点，满足控制变形要求。施工前，科技攻关小组根据桐柏抽水蓄能电站主体工程开挖料的料源特点，通过多次的开挖爆破试验，提出了用于溢洪道泄槽基础部位坝料的料源区域规划、质量要求、不同部位的开挖爆破参数级配要求等。并经过一系列的填筑碾压试验，结合溢洪道泄槽基础垫层区、过渡区和主堆石区结构特点，确定溢洪道区域和坝体其它部位的填筑碾压施工参数，编制作业指导书。锚固筋、锚固板是溢洪道泄槽抵御高速水流和脉动压力保证抗滑稳定的关键结构，设计上没有现成的结构型式可以借鉴，必须通过试验来确定结构型式、锚固力和施工工艺，为设计提供依据。为此，施工前课题组组织了锚固试验。他们首先按设计指标要求设计试验方案，再根据不同的锚固筋长度、结构形式、保护措施、施工工艺，进行了12个组合的试验，测定锚固筋变形与锚固力的关系，并进行施工难易程度的比较。经试验后选定各项指标满足设计要求，施工容易实现的方案为首先方案，向设计推荐，并制定相应的施工艺，即：采用长度10m，直径φ28㎜的钢筋作为锚固筋，外套3吋钢管并注浆保护，端部采用断面为40㎝×40cm的现浇钢筋混凝土梁作为锚固梁。设计方最终选择了这个方案，并以测定的变形与锚固力数据作为设计参考依据。锚固梁、锚固板是埋在坝料堆石体中的混凝土结构，填筑碾压施工过程的安全性尤为关键。25T振动碾在锚固梁和锚固板上部振动碾压施工，其强大的激振力会不会将混凝土结构振碾破坏？这是课题组最为关注的问题之一。经试验，锚固梁和锚固板混凝土上，覆盖25㎝垫层料、60㎝过渡料或主堆石区坝料，3天龄期的砼可确保25T振动碾碾压后结构安全，表面不会出现裂缝破坏。溢洪道堰首基础垂直锚筋施工，又是一道难题，间距1.5m×1.5m，深4m，锚固于坝体堆石体之中，钻孔施工难度大，普通的潜孔钻、手风钻无法在坝体堆石体中钻进成孔，采用先预埋钢筋再填筑的方法施工堆石体无法碾压，采用预埋短钢管逐层接长的方法又恐质量难以保证，锚固力不足。怎么办？课题组想到了基础处理的施工工艺，经探索研究，把高效的高风压钻机与偏心钻结合起来，改进高风压钻机，特配偏心钻头，进行钻孔试验，设计出套管跟进，灌水泥砂浆后，拔管的施工方案。结果难关顺利攻克。泄槽底板是坝身溢洪道的关键，它承受着29m/s的高速水流及由此带来的强大的脉动压力，它的抗滑稳定决定了大坝的安全。要求做到表面光滑平顺，高强度，具有耐气蚀和耐磨特性，设计采用60㎝厚双层钢筋混凝土结构。它对混凝土的配合比、性能、施工工艺都有极为严格的要求。施工前，水电十二局一分局针对工程特点，对各个环节进行了详细研究，决定采用无轨滑模施工工艺，从混凝土的配合比、拌制、运输、浇筑施工、养护、止水工艺等，都作了详细规划制定相应的作业指导书。3、坝身溢洪道施工⑴坝身溢洪道施工顺序：挑流鼻坎混凝土施工→预埋水平锚固筋→主堆石、过渡层、垫层分层填筑→锚固板施工→人工削坡→斜坡碾压→斜坡固坡砂浆保护→堰首基础处理→堰首垂直锚筋施工→堰首混凝土施工→掺气槽基础处理→钢筋架立、止水安装及侧模架立→泄槽底板混凝土浇筑→侧墙及通气孔混凝土浇筑。⑵坝身溢洪道部位坝体施工为了控制坝体在溢洪道建成以后的沉降变形值，将溢洪道中心线两侧各35m范围内的坝基覆盖层（砂卵石层）挖除，在此范围内的坝体填筑料全部采用主堆石料；溢洪道基础坝体结构采用与上游面板基础相同的型式，即铺设水平宽为2m的碎石垫层和水平宽为4m的堆石过渡层。施工工艺与面板堆石坝相应的施工工艺基本相同。主要是要严格控制各种坝料的来源和质量。主堆石体料采用15t自卸汽车运输上坝，层厚0.8m，采用25t振动碾碾压8遍，碾压前适量洒水。过渡层、垫层料平起填筑，采用15t自卸汽车运输上坝，薄层填筑，压实层厚0.4m，采用25t振动碾碾压8遍。为控制填筑碾压施工质量，水电十二局一分局派出了经验丰富的施工员和专职质检员，负责坝面指挥、铺料、碾压施工的协调和管理，并在料场设专人控制料源的质量。⑶锚固筋和锚固板施工1）锚固筋施工：锚固筋在坝体中埋设的间距为2m×2.4m，坝体填筑至各层锚固筋相应施工高程时，在锚固筋及其端部横梁部位铺一层15cm厚的碎石垫层，压实后，铺上50cm宽，5cm厚(压实层厚)M7.5砂浆，碾压密实；然后进行锚筋端部锚固横梁的钢筋和Φ28锚筋及3吋钢管的制安施工，进行锚筋端部锚固横梁的立模、混凝土浇筑，向钢管内灌注M25水泥砂浆，待混凝土达到三天龄期后，在锚固筋端部横固梁上铺25cm厚的碎石垫层，在锚固筋外包钢管上铺10cm厚的碎石垫层，开始其上部各填筑层施工。2）锚固板施工：锚固筋在坝体中埋设的间距为垂直高差10m与掺气槽设置相对应。当坝体填筑至各层锚固板相应施工高程时，先铺一层25cm厚的碎石垫层，碾压密实后，铺5cm厚水泥砂浆，用平板碾压实；然后进行锚固板的钢筋制安、立模和混凝土浇筑，待锚固板的混凝土达到三天龄期后，在其上部再铺25cm厚的碎石垫层，用手持振动夯夯实。当锚固板上方堆石体填筑厚度大于0.8m，且锚固板混凝土龄期超过3天后，允许进行振动碾压；⑷斜坡碾压及砂浆固坡施工溢洪道泄槽基础垫层区，每填筑15~20m进行一次斜坡碾压及砂浆固坡施工。施工工艺与面板堆石坝相应的施工工艺基本相同。为便于垫层区斜坡碾压，锚固筋分为二段施工，在坝体填筑期间，锚固筋外端不露出垫层表面，伸到垫层表面以下15cm，。余下的外端部分在泄槽混凝土施工前，从垫层中找出，采用熔槽焊焊接，接长到设计长度。距离底板60cm范围的锚筋涂二道环氧沥青底漆。垫层坡面上因锚筋挖出的孔洞用垫层料回填、压实，外坡面找平至设计底坡。此外，对锚固板也作了分期施工处量，将锚固板在掺气槽的里侧分施工缝，施工缝外侧“L”型部分，暂不浇筑，以利垫层区斜坡碾压，待浇筑泄槽底板时，再将“L”型部位的垫层挖除，并用15cm厚的C20砼固壁，与泄槽底板混凝土同时浇筑。⑸堰首施工溢流堰底板顶高程141.17m，低于坝顶7.08m，考虑到坝体填筑及上游面板施工需要，堰首部位填筑时，设置1.0m的超高。待堰首施工时，再将溢流堰体基础部分开挖至设计高程，用垫层料找平，待堰首基础锚筋施工结束后，铺设水泥砂浆垫层，进行堰首混凝土施工。堰首基础垂直锚筋，间距1.5m×1.5m，深5m，锚固于坝体堆石体之中，施工难度大。经探索研究，采用高风压钻机配偏心钻头钻孔，套管跟进，然后插筋灌水泥砂浆，拔管的施工方案。⑹泄槽底板混凝土浇筑泄槽底板与边墙为分离式结构，底板宽25m，沿溢洪道轴线设一道纵向结构缝，将底板一分为二，每块宽12.5m，与边墙间设施工缝。泄槽底板采用无轨滑模工艺施工，从挑流鼻坎起滑，一次性施工至泄槽顶部，对掺气槽段浇筑采用滑模“过桥”的方案施工。泄槽底板与堰首交接处圆弧过渡段采用翻模工艺。底板钢筋由人工现场安装、焊接，与埋入坝体的锚固板和锚固钢筋网连成整体，混凝土通过溜槽送入仓面浇筑。混凝土脱模后，立即进行抹面处理，采用二次压面的施工工艺。首次抹面在脱模后立即进行，二次压面在混凝土终凝前进行，压面完成后，在表面覆盖塑料布保湿，混凝土终凝后盖养护毯，流水养护。为了提高泄槽底板混凝土的耐久性，提高抗裂及抗气蚀能力，采用了C30和CF35高性能耐磨砼。挑流鼻坎表面砼为CF35钢纤维砼，采用可变桁架翻模工艺施工。⑺泄槽侧墙及通气孔混凝土浇筑泄槽侧墙为重力式结构，墙高2.4m～5.28m，在泄槽底板混凝土浇筑后进行施工，采用人工立模，混凝土用溜槽入仓。⑻溢洪道混凝土结构缝柔性处理为吸收基础变形，限制底板开裂，坝身溢洪道混凝土横向结构缝采用结构叠合缝形式，并且与掺气槽相结合进行布置，掺气槽起挑流作用，可隔绝高速水流与伸缩缝的接触，同时兼有掺气功能。⑼溢洪道与大坝之间的施工关系处理溢洪道基础锚固板、锚固筋埋设于坝体之中，为提高溢洪道基础部位坝体施工质量，减少不均沉降，溢洪道部位坝体与大坝其它部分同步施工，全断面填筑。为减少坝体后期沉降，精心做好施工组织，加快大坝前期填筑施工速度，使坝体在面板浇筑之前至少有6个月以上的沉降期。泄槽底板按排在大坝面板浇筑完成后施工，使坝身溢洪道比大坝面板有更长的预沉降期，并可减少面板与溢洪道混凝土施工间的干扰。度汛问题也是过流面板堆石坝施工的关键问题，在大坝蓄水之前必须完成坝身溢洪道混凝土的全部施工项目，以确保水库蓄水之后的度汛安全。截止2005年9月，桐柏电站下水库坝身溢洪道已全部施工结束，共验收单元工程，合格率100%，质量优良，没发生任何质量、安全事故。桐柏电站下水库采用坝身溢洪道方案与岸坡式溢洪道相比，不仅避免了深开挖而形成高边坡，也避免了不利的地质条件引起的边坡失稳或处理困难以破坏环境及等问题。而且枢纽布置紧凑，水流通畅，显著地节省了单项工程投资。面板堆石坝坝身溢洪道研究在国内外均处于起步阶段，经过本工程的实践，证明面板堆石坝采用坝身溢洪道的过流形式是完全可行的，对以后面板堆石坝工程泄流方案的选择有较大的指导意义，发展前景广阔。我局通过桐柏电站坝身溢洪道过流面板堆石坝的施工，掌握了坝身溢洪道和过流面板堆石坝的结构布置特点，对坝体填筑与坝身溢洪道施工相互间的关系，坝身溢洪道施工工序和工艺，坝身溢洪道细部施工难点及解决方法有了较为深刻的认识，进一步丰富了我局混凝土面板堆石坝的施工经验，提高了我局的筑坝技术水平，树立了一个新的工程品牌。',)