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中国水布垭面板坝(坝高233m)
发布时间: 2010-01-26 来源: 作者: 访问次数:

国际里程碑堆石坝工程

中国:水布垭面板堆石坝工程

    水布垭大坝是目前世界上已建和在建的最高的面板坝,最大坝高233m,坝前最大作用水头200m。坝顶高程409m,坝轴线长670m,坝顶宽度12m,大坝上游坝坡1∶1.4,下游平均坝坡1∶1.4,总填筑工程量1570万m3。左岸开敞式溢洪道最大下泄流量为18280m3/s,相应单宽流量204m3/s•m。右岸引水式地下电站装机4台,总装机容量1840MW,年平均发电量39.84亿KW•h。右岸放空洞最大下泄流量1600 m3/s,最大挡水水头154m,最大操作水头110m。

    水布垭工程于2002年10月截流,2003年2月开始坝体填筑,工程建设过程中质量、进度和投资均得到有效控制,2006年10月大坝填筑基本完成并下闸蓄水,2007年7月首台机组发电,2008年9月4台机组全部移交电厂正常运行,水布垭水电站现累计发电量84.73亿kW•h,实现产值29.64亿元。截止2008年底,大坝已经历正常蓄水位考验,坝体最大沉降2473mm、面板最大挠度573mm、坝后量水堰观测到的最大流量为40L/s。监测资料综合分析表明,大坝各项性态指标均在设计控制范围内,大坝工作状态安全、良好。2008年4月时任国际大坝委员会主席的Luis Berga先生评价认为:“最高的水布垭面板堆石坝(233m)去年已经建成,这是中国已经走在世界混凝土面板堆石坝建设前列的标志,水布垭混凝土面板堆石坝无疑是世界同类工程的里程碑”。

    水布垭面板坝筑坝关键技术

    1)坝料选择与坝体分区

    2) 控制不均匀变形的集成措施

    3) 优化施工程序

    ①合理规划填筑工期与面板浇筑时机,使分期浇筑的面板对应的“临时坝体”有一定的预沉降期,保证坝体的大变形收敛时机早于对应部位面板浇筑,以减小坝体后期变形对已浇面板的影响;
    ②分期浇筑的面板顶部与“临时坝体”顶部需留有足够的高差发挥“预压”作用,以减小坝体后期变形对已浇面板的影响;
    ③沿坝轴线方向填筑均匀上升,使平行坝轴线方向堆石体变形连续;顺水流向创造条件采用“反抬法”填筑施工(下游坝体先行上升),实现坝体变形的预沉降。

    (1)坝体渗透特性

    模拟面板局部破损和面板完全失效的极端工况的研究成果表明:在过渡区的反滤保护下,垫层可以安全经历226.7的比降,远超过面板失效极端条件下垫层区可能出现的最大比降,垫层的渗透稳定得到了过渡区的有效保护;因过渡料的内部结构欠稳定,临界比降达0.5~1.29,在面板失效的极端工况下,存在发生渗透变形的可能性,但试验同时表明,其渗透变形是非发展性的,由于存在主堆石区的支撑保护,变形是趋于稳定的。

    通过渗流数值分析手段,研究了坝基和坝肩山体绕渗的渗透稳定问题, 进行了防渗帷幕的效果和帷幕深度比选,研究了坝体堆石料性质对渗流场的影响;研究了坝基断层对渗流场的影响。

    (3) 止水新结构和新材料

    在接缝止水方面,提出了强化表层止水结构,表、中、底层止水结构各自自成一体,外设自愈系统,以防渗为主、兼有自愈功能的多重止水、限漏的结构体系。

    针对高面板坝的特点,对表层止水的主要材料“GB”和“SR”塑性填料进行了改进。改进后的塑性填料具有塑性大、抗渗、耐寒热、耐老化性好,与混凝土胶结性强、抗击穿性能好、方便施工等优点。

    面板裂缝可分为结构裂缝和温度裂缝。水布垭面板坝面板最大斜长392m,为世界之最,其防裂问题十分突出。经研究,采用了结构改进、混凝土配合比优化、施工工艺改进与保温保湿等综合集成的面板防裂技术。

    ①混凝土面板合理分缝分块,改善面板的应力状态。面板宽度在面板受压区域采用16m、受拉区域采用8m。
    ②国内外首次在面板上设置永久水平缝。经分析,设置永久水平缝可显著减小面板的顺坡向拉应力。为此,在二期面板高程332m处设置了一条永久水平缝。施工期的面板裂缝检查表明,防裂效果明显。
    ③面板的下伏支撑面减小约束综合措施。将面板下伏的支撑面—挤压边墙与垂直缝对应部位切槽(见图1.11)、在挤压边墙表面喷涂乳化沥青(“三油两砂”)、割断面板钢筋架立筋等措施减弱挤压边墙对于面板的约束。
    ④在面板垂直缝中敷设缓冲隔板。为减小周边缝的变形,一般工程的面板垂直缝之间为硬接触,即“硬拼缝”。高坝因顺坝轴线方向变形引起面板垂直缝间应力高度集中,硬拼缝导致面板挤压破坏严重。水布垭面板垂直缝之间设置可压缩的隔缝材料,隔缝材料采用厚5mm的高密聚乙烯泡沫板,既防止了面板被挤压破坏,又不至于使周边缝产生过大的位移。
    ⑤面板近缝部位全面设置加强筋。水布垭面板在周边缝附近以及面板分期浇筑的施工缝附近布设双层钢筋,以抵抗这些部位可能产生的不均匀变形。

    ①控制42.5级中热硅酸盐水泥中的MgO含量在3%~5%(实际含量为3.91%),降低水化热,产生微膨胀,补偿混凝土的收缩,增强混凝土的抗裂能力。
    ②适量掺加粉煤灰,降低混凝土的弹性模量,降低水化热,提高混凝土后期极限拉伸值。
    ③优选高效减水剂。采用聚羧酸系高效减水剂,不仅能减少用水量,还具有1h内混凝土坍落度小、不泌水、抗分离能力强、触变复原性好等良好的工作性。
    ④掺用聚丙烯腈纤维。为提高面板混凝土的抗裂能力,尤其是提高初裂强度和韧性,减小混凝土的干缩收缩和塑性收缩,在一、二、三期面板混凝土中掺用聚丙烯腈纤维(单丝型),该纤维弹性模量不小于13000 MPa,比其他合成纤维(如聚丙烯纤维弹性模量一般为3000~3500MPa)的弹性模量高一个量级,与混凝土的弹性模量量级相当,便于和混凝土协调变形。

    3)施工措施

    大坝施工与质量控制新技术

    水布垭大坝堆石体填筑总量达1570万m3,填筑分区种类多、质量要求高,且每年的节点进度必须满足工程渡汛的要求;而坝址区河谷狭窄、岸坡陡峻、地形高差大,填筑施工道路布置十分困难。为此,采用了系统的大坝施工及质量控制技术,保证了工程的质量和工期。

    2)开展系统的大型综合试验,科学确定施工参数。在坝体填筑施工前,进行了15次现场爆破试验,获得了爆破参数、开采特性参数等一系列试验成果,成功实现了过渡区、主堆石区、次堆石区填筑料由料场直接上坝;进行了2次现场大型碾压综合试验,得出了材料可碾性、破碎性、碾压设备吨位、碾压遍数及洒水量等相关关系,确定了坝体填筑的施工机械优化选型和最优施工控制参数。

    4)引入、改进并完善挤压边墙施工技术。挤压边墙技术使传统工艺中垫层料的斜坡碾压变为垂直碾压,降低了施工难度,加快了施工进度,但能否用于水布垭超高坝尚需要论证。对此开展了三维仿真研究论证、室内配合比试验,并在应用中加以了改进和完善。创新提出挤压边墙结构性状(渗透、强度)居于面板与垫层间的“过渡”、采用混合料作为边墙原材料,自行试验研究的配合比,具有低强度、低弹模、半透水等特点;采用将挤压边墙顺坡面与面板同缝凿断,顺应了面板变形,有效保障了面板稳定安全运行。

    面板坝大坝基础处理的传统做法是:清除不宜作为地基的松散料,提供一个坚固可靠的地基面,以保证趾板及坝料与坝基及岸坡间的良好结合。水布垭大坝河床基础处理引入强夯技术,通过现场强夯试验,以河床砂卵石层的干密度、渗透系数、颗粒级配、承载力等物理力学参数变化为指标确定强夯施工的设备、工艺以及质量控制标准。施工结束后的基岩变位计监测表明,覆盖层累积沉降变形值仅占坝体总沉降的4%左右,坝基强夯处理效果明显。

    (3)超长止水铜片连续加工新技术

    水布垭工程研制发明了超长止水铜片整体连续滚压成型机,能够在现场根据止水铜片需要的长度连续整体加工止水铜片,实现了连续无焊点止水长度达到141m,减少和避免了中间焊点这一薄弱环节;并采用整体冲压成型工艺制作T型、十字型、L型接头,有效解决了长止水整体接头成型的技术难点,有效提高了铜片止水系统在高水头条件下运行的可靠性。

    面板坝坝体填筑质量的好坏,直接关系到坝体的安全运行。水布垭大坝填筑碾压质量采用干密度和碾压遍数“双控制”。传统的控制方法是干密度采用人工试坑注水法检测,碾压遍数由作业人员现场点数,因此存在劳动强度大、检测速度慢、测点不连续、易人为出错等不足。

    (5)大坝导流度汛新技术

    2)围堰“上降下抬”的坝面过水保护方案。通过降低上游土石围堰过水高程(由高程223m降低至215m)、抬高下游碾压混凝土围堰堰顶高程(由高程211m抬高至214m)、控制坝体填筑高程不超过210m的临时坝面保护方案,控制了过水流速,上游围堰、临时坝面最大过流流速分别降低至10.48m/s、5.43m/s,且水流平顺,大大降低了围堰和坝面保护难度和风险,缩短了保护工程施工工期,为大坝填筑争取了宝贵的工期。

    (1)新型监测技术研发与应用

    1)研发的量测范围达520m的超长水平垂直位移计,其长度为国内外之最,测量范围和技术性能居世界领先,同时也是唯一实现遥测遥控的超长水平垂直位移计;
    2)沿面板周边缝布设自主研发的高精度分布式光栅测温系统进行坝体周边缝渗漏监测,利用渗漏水低温原理,解决面板坝周边缝渗漏点无法定位的难题;
    3)研制光纤陀螺(FOG)面板挠度变形和坝体水平垂直位移监测系统。沿面板顺坡向布设的光纤陀螺挠度监测系统,解决了传统的测斜仪监测精度低和测点不连续的不足;在高程371m布设的光纤陀螺坝体水平垂直位移监测系统,解决了传统的水平垂直位移计监测点不连续的不足。

    为全过程掌握和优化世界最高面板坝的性态,建立了全过程的动态反馈体系。在水布垭大坝建设期间,根据实测的变形监测成果、实际的坝体填筑程序,分三个阶段进行了大坝动态反馈优化研究,应用正交设计原理和正反分析法,对大坝进行多参数三维变形反分析,再应用反分析所得参数进行应力应变正分析预测,预测水布垭面板坝最终变形值不超过2700mm。

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