小浪底水利枢纽建设中的重要技术创新

1小浪底水利枢纽建设中的重要技术创新曹征齐孙国纬（小浪底水利枢纽建设管理局，河南济源454681）[关键词]小浪底水利枢纽；技术成果；高土石坝；防渗墙；GIN灌浆；洞室群；孔板消能；预应力[摘要]黄河小浪底水利枢纽战略地位重要，枢纽布置独特，地质条件复杂，水沙条件特殊，运行要求严格，工程规模巨大，技术要求高，施工难度大，是国内外专家公认的世界上最具挑战性的大型水利工程之一。参建单位的中外建设者以工程建设为中心，以合同为依据，落实技术管理负责制，健全技术保障体系，尊重科学，勇于创新，采用新技术、新方法、新工艺、新材料和先进配套的大型施工设备，克服了工程建设中各种技术难题，取得了一批重要技术成果，创造了多项优质高产新记录。曹征齐（1943），江苏阜宁人，小浪底水利枢纽建设管理局总工程师，教授级高级工程师，从事技术管理工作。孙国纬（1942），湖南沅陵人，小浪底水利枢纽建设管理局副总工程师，教授级高级工程师，从事技术管理工作。2小浪底水利枢纽工程是治理开发黄河的关键性控制工程，其战略地位重要，工程规模宏大，地质条件复杂，水沙条件特殊，运用要求严格，施工强度高，质量要求严，施工技术复杂，组织管理难度大，是中外专家公认的世界上最具挑战性的水利工程之一。在党中央、国务院的关怀下，在全国人民支持和广大水利同行的帮助下，我们坚持以工程建设为中心，以“建设一流工程，总结一流经验，培养一流人才”为总体目标，全面推行项目法人责任制、招标投标制和建设监理制，在建设管理模式上实现与国际惯例接轨；以合同为依据，充分调动设计、监理和承包商（包括外国承包商）的积极性和创造性，妥善处理进度、质量和投资三者关系；建立健全技术、质量管理规章制度，落实技术、质量管理责任制，明确了以项目业主总工程师为中心的技术管理体系即项目业主总工程师代表业主进行工程技术问题决策，对水利部和国家负责，小浪底咨询公司对工程建设的质量、进度和投资进行全面控制，并向业主负责，黄委会设计院承担工程设计责任并向业主负责，承包商落实施工技术措施并保证工程质量；同时，建立了由国内知名专家组成的技术委员会，聘请了加拿大CIPM公司国际咨询专家组和世界银行大坝安全特别咨询专家组，与参建各方的技术机构相结合，形成了完善、高效、权威的小浪底工程建设技术保障体系；在项目实施过程中，严格管理，尊重科学，积极引进，大胆创新，积极采用新技术、新方法、新工艺、新材料和先进配套的大型施工设备，成功地解决了工程建设中一系列高难度课题，取得了一批重要技术成果创造了多项优质高产新记录。一、高土石坝联合机械化作业高强度施工小浪底大坝为壤土斜心墙堆石坝，设计坝高154m，右岸深槽实际施工3最大坝高达160m，坝顶长度1667m，总填筑量5185万m3，填筑量位居全国同类坝型第一位，在世界上也名列前矛。坝体由防渗土料、反滤料、过渡料、堆石、护坡、压戗等多达十七种材料组成，每种材料按合同技术规范规定，都有严格的材质、级配、含水量、干密度、压实度等要求，结构复杂，质量要求高。大坝工程于1994年5月30日发布开工令，要求1997年11月1日截流，2001年12月31日竣工。根据施工进度安排，分为两个阶段施工：第一阶段为截流前，在纵向围堰保护下进行右岸滩地的施工，坝体填筑量约占20%；第二阶段为截流后大坝工程主要施工期，按计划要求完成80%的坝体填筑量和主坝混凝土防渗墙、上游围堰高压旋喷防渗墙工程。由于采用了高效率大型配套的联合机械化作业、计算机控制的反滤料加工系统，严格有序的料场开采和便捷的交通布置，科学合理的管理和冬季施工措施，并且经试验采用了堆石填筑中不加水技术、先进快捷的核子密度仪质量检测技术等，工程进度始终超前合同目标。大坝填筑较合同工期提前13个月，于今年6月下旬达到坝顶高程。工程质量良好。截流后从1997年11月到2000年6月共32个月的平均月填筑强度为105.5万m3。其中，在大坝主要填筑期，从1998年7月17日到2000年4月底21个月中，达到了平均月强度120.4万m3，平均月上升高度6.66m。1999年创造了坝体填筑的最高年、月、日强度记录，分别达到了1636.1万m3/年、158.0万m3/月（3月）、6.7万m3/日（元月22日）。大坝月上升最大高度，在截流前右岸填筑时为12.5m（1997年元月），截流后主填筑期为9.5m（1998年11、12月）。截流后大坝填筑月不均匀系数达到了1.31，截流前为1.44。以上指标表明，小浪底大坝施工水平位居全国同类坝型第一位，达到世界先进水平。4二、大坝基础深复盖层防渗墙施工的技术创新考虑黄河多泥沙在坝前淤积后可形成天然铺盖的特殊条件，小浪底大坝采用带内铺盖的斜心墙堆石坝。坝基砂砾石层最大厚度超过80米，坝基深复盖层防渗处理是小浪底工程的一大难题。经过多年研究论证，并经现场试验，采用厚1.2m的砼防渗墙，其最大造孔深度81.9m，是目前中国最深的防渗墙。防渗墙轴线总长407.4m，总截渗面积21800m2。其中右岸台地部分，由中国水利水电基础工程局完成，左岸河床部分由黄河承包商（YRC）及其分包商法国地基建筑公司（BSG）承建。左岸河床部分防渗墙长151m，最大深度70.3m，成墙面积5086m2，共建造23个主槽孔和22个横向接头槽孔，采用HF4000履带自行式液压铣槽机（双轮铣），KL1200型机械抓斗等先进设备，在国内外首次采用“横向槽孔填充塑性砼保护下的平板式接头”新工艺。这是防渗墙施工技术的一项创新。该项创新技术的要点是：在一、二期槽孔接头处先开挖一个横向槽孔，在槽孔内回填塑性混凝土（12Mpa）；在开挖一期槽孔时伸入二期槽孔10cm；在一期槽孔浇筑完混凝土并将二期槽孔开挖完成后，用先进的“双轮铣”将一期槽孔伸入的10cm砼铣掉；最后浇筑二期槽孔砼。这样就在一、二期槽孔间形成了一个有波纹状铣刀痕迹的、紧密的竖直平面接缝，而开挖后留存的横向接头槽塑性混凝土包裹在接缝的上、下游端，起着附加防渗和保护的作用。施工完成后布设了12个检查孔，检查槽孔接缝质量。结果表明：大部分芯样的一、二期槽孔混凝土已融为一个整体，但可据不同颜色找出接缝位置；少量芯样在非常密合的缝面内，膨润土干粉末不足1mm（国内工程一般1cm，有的达23cm），取芯率97%以上；接缝间压水试验共作了13段，透水率均小于规定的5Lu，最大仅2.42Lu，大于1Lu的5段，0Lu的5段。51999年10月25日下闸蓄水以来的观测资料表明，混凝土防渗墙防渗效果良好。三、在帷幕灌浆中采用GIN新型灌浆技术GIN法灌浆即“灌浆强度值法”，是目前国际上正在推广应用的一项新的灌浆技术。小浪底工程两岸山体帷幕灌浆中采用了GIN法灌浆技术。通过大量室内试验和678m的现场试验，经专家鉴定后，在工程中进行试验性生产和推广应用共28970m。这是在我国广泛使用的孔口封闭、自上而下孔内循环灌浆法基础上首次较大规模嫁接GIN法灌浆技术，是适合我国国情的一项创新。在大量试验基础上，筛选出用于施工的稳定浆液水灰比为0.7:1和0.75:1，其具有良好的稳定性和流动性，可满足小浪底GIN法灌浆施工和质量要求。同时根据不同的地质条件和上覆盖重情况，选定不同的灌浆强度值（GIN），一般控制为：孔深20m以内，50150Mpa1/m；2040m，150200Mpa1/m；大于40m，200250Mpa1/m。另外，还在国内首次采用对多台（8台）灌浆机组实行远距离监控的计算机系统。该系统可实时输出多种灌浆过程曲线，提高了灌浆施工的科学性，便于GIN法灌浆的质量控制。这种新的、先进的GIN法灌浆方法，在小浪底帷幕灌浆试验性生产和推广应用中，与常规灌浆相比，具有优质、高效、低耗的显著优点。具有较高的实用价值和明显的经济效益。四、复杂地质条件下密集洞室群的设计与施工小浪底水利枢纽按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核，要求在正常运用水位下的总泄流能力不小于17000m3/s，在正常蓄水位230m时，总6泄流能力不小于8000m3/s。由于小浪底水利枢纽采用土石坝挡水，故只有采用以隧洞为主的泄流方式。同时，装机6300MW的电站采用典型的岸边引水式三洞室布置地下厂房方案。又考虑到地质地形条件限制和水库调水调沙及进口防淤堵的要求，最终形成了小浪底枢纽进水口集中，出水口集中，泄洪、排沙、引水发电等洞室群集中布置的独特枢纽布置型式。加之交通洞、排水洞、灌浆洞、施工洞、吊物井、通风井、电缆井等，在大约一平方公里的左岸单薄山体内，就形成了在不同高程布置、平面上纵横交错的大小一百多条隧洞、斜井、竖井等组成的密集洞室群，实属水电工程中所罕见。部分洞室间距达不到规范的要求，如发电引水洞和泄水洞群在立面上斜交，交叉段围岩最小厚度仅8m，致使施工十分困难，施工安全问题突出。主厂房最大开挖尺寸为长251.5m，宽26.2m，高61.44m，三条导流洞洞身直径14.5m，最大开挖直径近20m；三条尾水洞最大开挖断面12.819.5m（宽高）；还有主变室、明流洞等，均属大型洞室。加之岩层破碎，节理裂隙发育，四组结构面切割，层面又近于水平（倾角一般8120），更增大了开挖难度。开挖施工中锚杆、挂网喷砼支护工作量巨大，超挖难以控制。据统计初期施工的导流洞平均超挖61cm，砼超填量达35%。以后施工的洞室超挖控制较好。另外，开挖爆破还要考虑对相邻洞室施工安全的影响，需合理安排施工程序。地下厂房是小浪底最大的地下洞室，上覆岩体厚70110m，其中有四层泥化夹层，对顶拱稳定十分不利。但其边墙、顶拱全部采用柔性支护，特别是顶拱采用325根25m长的1500KN级预应力锚索配合锚杆、挂网喷砼作为永久衬砌，技术先进，大大节约了工期和投资。监测资料表明，运行安全可靠。为确保洞群围岩稳定、施工质量和合同工期，采用了如下方法：多臂钻钻孔，光面爆破，适时锚喷支护（局部地段锚喷加网或钢拱架支护）；加7强地质予报、地质素描和围岩监测并及时调整支护参数；采用系列台车进行钢筋绑扎、砼衬砌和灌浆作业；P3软件制订网络进度计划等。据统计，小浪底地下工程石方洞挖高峰期平均强度达10万m3/月，1996年9月达12.65万m3/月，1996年全年洞挖石方100.6万m3。泄洪排沙系统砼工程在绝大部分为结构砼的条件下，从1996年11月至1997年8月，连续10个月实现浇筑砼超过10万m3，其中，1997年4月浇筑砼达13.08万m3。五、由导流洞改建的多级孔板消能泄洪洞为满足泄洪排沙的运用要求，小浪底工程9条泄洪隧洞分三层布置高位布置的3条明流泄洪洞、位于发电引水口下面的3条排沙洞和由导流洞改建成的前压后明带中闸室的3条孔板消能泄洪洞。若按常规方法把导流洞改建为泄洪洞，水头达140m，洞内流速将达48m/s，且洞内水压力很高，为防止压力水渗入含有泥化夹层的单薄岩体，衬砌设计十分困难。因此，改建导流洞必须采用特殊的措施。经反复研究和论证，小浪底工程设计采用了孔板消能泄洪洞的改建方案。每洞在洞身上游压力段设置三道孔板环，孔板环内径分别为10m和10.5m，孔板处过水面积为78.586.5m2，为标准断面积的47.6%52.4%。在洞中设置孔板环后，利用水流通过孔板环的孔口时产生突然收缩和突然扩散，形成强烈紊动的剪切流实现洞内消能。由于水流通过体形突变的孔板环发生水流分离，孔板下游压力突然降低，致使该部位成为易空化区。为解决这一关键技术问题，通过大量模型试验和在其他工程的模拟原形试验，一方面三级孔板环采用不同的孔径比和锐缘半径，另一方面在孔板下游隧洞中设置中闸室，布置两扇偏心铰弧形工作闸门，以缩小过流面积，闸门全开时两孔口总面积为52m2（1#洞）和46m2（2#、3#洞），从而减小了孔板8段流速，保证各级孔板下游侧不发生空化。由于采用了洞内孔板消能技术，使中闸室下游明流段流速控制在30m/s，最大达35m/s左右，从而保证了利用导流洞改建泄洪洞方案的实现。这种孔板环洞内消能方式，在国内属首次使用，缺乏经验。因此，自1985年以来，设计院会同国内外一些