發(fā)布時(shí)間：2020-12-30所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：錦屏一級(jí)水電站拱壩高305m，是世界已建第一高壩。工程遇有復(fù)雜地址條件高陡邊坡、地下廠房圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比世界最低、首次在高混凝土壩采用堿活性骨料、超高水頭泄洪消能、高山峽谷區(qū)施工場(chǎng)地稀缺等重大技術(shù)難題，工程建設(shè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。參建各方
摘要：錦屏一級(jí)水電站拱壩高305m，是世界已建第一高壩。工程遇有復(fù)雜地址條件高陡邊坡、地下廠房圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比世界最低、首次在高混凝土壩采用堿活性骨料、超高水頭泄洪消能、高山峽谷區(qū)施工場(chǎng)地稀缺等重大技術(shù)難題，工程建設(shè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。參建各方通過科學(xué)研究、精心論證和精細(xì)管理，形成了復(fù)雜地形地質(zhì)條件下拱壩邊坡處理與抗力體加固、高性能混凝土制備、溫控防裂與高效施工、地下廠房大變形控制、施工場(chǎng)地優(yōu)化利用技術(shù)等創(chuàng)新技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用，保障了錦屏一級(jí)水電站工程的成功建設(shè)，可為后續(xù)類似工程提供借鑒。目前，錦屏一級(jí)水電站工程已安全運(yùn)行6年，運(yùn)行狀態(tài)良好。
關(guān)鍵詞：超高拱壩;壩基變形控制;無碰撞消能;4.5m層厚澆筑;大變形控制;施工場(chǎng)地拓展
1研究背景
錦屏一級(jí)水電站是我國(guó)西電東送的骨干工程，是雅礱江下游的控制性工程，電站總裝機(jī)3600MW，多年平均發(fā)電量166.2億kWh，水庫(kù)總庫(kù)容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容49.1億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程對(duì)長(zhǎng)江上游的水土保持、生態(tài)環(huán)境改善和減輕長(zhǎng)江中下游防洪負(fù)擔(dān)具有重要作用。同時(shí)，工程位于貧困的四川大涼山地區(qū)，工程的建設(shè)與運(yùn)行對(duì)地方經(jīng)濟(jì)促進(jìn)作用顯著[1]。工程于2005年9月8日獲項(xiàng)目核準(zhǔn)，2006年12月4日大江截流，2013年8月30日首批兩臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2014年7月全部機(jī)組投產(chǎn)，2014年8月24日工程首次蓄水至正常蓄水位1880m。
相關(guān)期刊推薦：《水利學(xué)報(bào)》JournalofHydraulicEngineering(月刊)1956年創(chuàng)刊，是中國(guó)水利學(xué)會(huì)主辦的綜合性學(xué)術(shù)刊物。刊登反映水利、水電、水運(yùn)領(lǐng)域較高水平的學(xué)術(shù)論文、專題綜述和工程技術(shù)總結(jié)，開展學(xué)術(shù)論文的討論和評(píng)論，介紹國(guó)內(nèi)外科技動(dòng)態(tài)和消息。主要專業(yè)范圍包括：水文及水資源、防洪、灌溉及排水、水力學(xué)、泥沙、河港及水運(yùn)、巖土工程、水工結(jié)構(gòu)及材料、水利水電施工及監(jiān)理、水力機(jī)電、水利經(jīng)濟(jì)、水環(huán)境、水利史研究等。
工程規(guī)劃設(shè)計(jì)開始于1960年代，2003年完成可行性研究。錦屏一級(jí)水電站設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)已建成200m級(jí)的高拱壩僅有二灘拱壩(240m)和拉西瓦拱壩(250m)，小灣水電站(294.5m)正在建設(shè)，可供參考的成熟的高拱壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)較少。其壩址河谷狹窄，為非對(duì)稱V型河谷，利于建設(shè)拱壩，但壩址左岸斷層交匯、軟弱巖體和深部裂縫發(fā)育，左、右岸壩基地形地質(zhì)不對(duì)稱，工程邊坡、壩基和拱壩抗力體處理難度大;大壩砂巖骨料具有堿活性，拱壩高性能混凝土制備困難;240m高水頭、50~80m寬窄河谷泄洪消能與岸坡穩(wěn)定的矛盾突出;地下廠房洞室群圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比僅為1.5~3，地下廠房洞室群圍巖出現(xiàn)大變形(達(dá)245mm)特征，變形控制問題突出;窄河谷拱壩壩段少(僅26個(gè)壩段)，混凝土澆筑跳倉(cāng)跳塊受限，施工進(jìn)度難以滿足度汛要求;工程區(qū)山高坡陡，施工場(chǎng)地稀缺，施工布置困難;高拱壩蓄水歷時(shí)長(zhǎng)，復(fù)雜地質(zhì)條件高拱壩運(yùn)行影響因素眾多，蓄水安全監(jiān)控與預(yù)測(cè)難。針對(duì)工程重大技術(shù)難題，業(yè)主單位通過與國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共同出資設(shè)立了“雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合研究基金”、成立院士和大師組成的特別咨詢團(tuán)、聘請(qǐng)國(guó)內(nèi)外知名咨詢機(jī)構(gòu)咨詢、自立科研課題等多層次、多形式十余年聯(lián)合攻關(guān)，成功建成世界第一座壩高超過300m高的水電站工程。本文是對(duì)錦屏一級(jí)水電站工程建設(shè)的主要重大技術(shù)難題解決方案的總結(jié)性回顧。
2壩肩復(fù)雜地質(zhì)工程高陡邊坡的穩(wěn)定處理、長(zhǎng)期變形及對(duì)拱壩安全性影響
工程樞紐區(qū)邊坡高陡，基巖裸露，高程1900m以下坡度為60°～90°，由大理巖和變質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)板巖組成，斷層較發(fā)育，主要有f5、f8、f2、f13、f14、f42-9、f7及f18等斷層，并發(fā)育有煌斑巖脈(X)、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶(g)、深部裂縫、卸荷松弛巖體等不良地質(zhì)條件，尤其是左岸深部卸荷裂縫水平埋深超過300m。左岸拱肩槽邊坡開挖高度為530m，中上部為砂板巖，傾倒拉裂變形嚴(yán)重，下部為大理巖，完整性較好;邊坡中部存在由斷層與軟弱破裂面組成的潛在不穩(wěn)定大塊體控制邊坡的整體穩(wěn)定;建設(shè)期工程邊坡的安全穩(wěn)定問題十分突出[2]。
2.1邊坡穩(wěn)定性分析與控制措施針對(duì)復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定問題，采用非連續(xù)介質(zhì)DDA方法和離散元法、三維極限平衡法、有限差分法、彈簧元法、三維黏彈塑性有限元法和多重網(wǎng)格法等數(shù)值分析方法對(duì)工程高邊坡地質(zhì)條件、巖體力學(xué)參數(shù)、變形破壞機(jī)制、邊坡穩(wěn)定性、加固處理措施等進(jìn)行了大量的分析研究。最終確定了“深層抗剪洞、中層大噸位長(zhǎng)錨索、淺表系統(tǒng)錨固、立體排水、坡面防滲”的壩肩工程邊坡綜合加固處理方針，針對(duì)不同邊坡部位采取針對(duì)性與差異化處理措施。施工過程中，跟蹤開展了地質(zhì)條件研究與預(yù)報(bào)、實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)、安全監(jiān)測(cè)反饋分析、爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)與反饋、微震監(jiān)測(cè)與預(yù)警等科研工作[3]，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方案，確保了樞紐區(qū)工程邊坡的安全穩(wěn)定。
2.2左岸壩肩潛在不穩(wěn)大塊體處理左岸壩肩邊坡開挖后，潛在不穩(wěn)大塊體前沿剪出口的阻滑區(qū)巖體被挖除，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)較開挖前明顯降低且小于規(guī)范的安全標(biāo)準(zhǔn)。為此，進(jìn)行了系統(tǒng)加固處理，重點(diǎn)針對(duì)作為塊體滑移失穩(wěn)的底滑面f42-9斷層，分別在高程1883、1860和1834m設(shè)置3層抗剪洞，并在坡面設(shè)置深層錨索穿過斷層f42-9;進(jìn)行系統(tǒng)的坡面噴錨支護(hù)，加強(qiáng)對(duì)f(5f8)以外剪出口的阻滑區(qū)Ⅳ類巖體的保護(hù);在高程1915m坡體設(shè)置“U”型排水洞，設(shè)置系統(tǒng)坡面和深部排水。
2.3左岸邊坡長(zhǎng)期變形及對(duì)拱壩結(jié)構(gòu)安全影響自開挖完成至初期蓄水，邊坡變形存在緩慢增加的趨勢(shì);在蓄水期，左岸邊坡開口線附近高程1990~2015m以上出現(xiàn)變形加速的現(xiàn)象，隨著蓄水至正常蓄水位，邊坡變形速率逐漸降低;經(jīng)過多個(gè)水庫(kù)水位蓄、降循環(huán)，邊坡的變形速率進(jìn)一步降低(見圖1)。采用基于巖體流變變形的邊坡監(jiān)測(cè)反饋分析方法，揭示了裂隙水壓力改變巖體平衡狀態(tài)是蓄水后邊坡巖體塑性變形的主要驅(qū)動(dòng)力的機(jī)理，并預(yù)測(cè)邊坡變形于2032年左右基本穩(wěn)定。以左岸邊坡最終變形值為基礎(chǔ)，采用基于變剛度的強(qiáng)度折減法和邊界位移法分析左岸邊坡長(zhǎng)期變形對(duì)拱壩安全性影響，研究成果表明：左岸邊坡長(zhǎng)期變形可控，在承受邊坡變形時(shí)有較高的安全度[4]。
3復(fù)雜抗力體處理
錦屏一級(jí)拱壩左岸抗力體由大理巖及砂巖、粉砂質(zhì)板巖組成，中上部巖體破碎，巖體內(nèi)發(fā)育f5、f8、f2斷層、層間擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、后期侵入的煌斑巖脈(X)及深卸荷巖體，透水性強(qiáng)，聲波、變形模量低，左岸壩基上軟下硬;右岸壩基上陡下緩，巖性為大理巖，底部為綠片巖，右岸壩基上硬下軟。左岸壩基綜合變形模量?jī)H1.3~5.4GPa，而右岸壩基綜合變形模量超過20GPa，左右岸地質(zhì)條件不對(duì)稱(見圖2)，必須對(duì)左岸復(fù)雜地質(zhì)條件的抗力體進(jìn)行處理。
3.1抗力體處理范圍抗力體處理設(shè)計(jì)過程中，對(duì)初擬加固處理方案采用有限元計(jì)算，以特征部位拱端變形趨于收斂為控制目標(biāo)(見圖3)，并結(jié)合三維有限元整體安全分析，確定墊座及高壓固結(jié)灌漿范圍。混凝土墊座的上下游寬度范圍取拱端厚度的1.8～2.0倍，抗力體高壓控制灌漿范圍取拱端厚度的2.5～3.0倍。
3.2抗力體綜合處理措施施工圖階段，為進(jìn)一步改善拱壩變形對(duì)稱性，在原可研方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)左岸壩基加固處理，經(jīng)仿真分析與地質(zhì)模型試驗(yàn)[5]，建立了復(fù)雜地質(zhì)抗力體增大受力范圍、加大傳力深度、提高抗變形能力相結(jié)合的多向傳力加固結(jié)構(gòu)體系(見圖4)。采用56萬m3大墊座改造左岸壩基中上部破碎巖體的抗變形能力，采用洞井與傳力洞的混凝土置換、高壓固結(jié)灌漿和立體排水等綜合處理措施(見圖5)，分散拱推力并提高抗力體剛度和強(qiáng)度，左岸壩基處理后綜合變模提高了2.3～9.7倍，大幅改善了拱壩最大變形嚴(yán)重傾向左岸的扭轉(zhuǎn)變形問題。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)研究表明：壩體及左、右兩岸壩肩的變位對(duì)稱性得到明顯改善，變位量值減小，壩肩壩基的加固措施提高了壩體出現(xiàn)大變形和出現(xiàn)整體失穩(wěn)趨勢(shì)的超載系數(shù)[6]，拱壩安全性明顯提高。——論文作者：王繼敏，鄭江
