葛洲壩和三峽工程施工中的技術(shù)創(chuàng)新

　　摘要:隨著超大規(guī)模和處于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境的水利水電樞紐工程的興建，必須依靠先進、高效的現(xiàn)代施工技術(shù)去實現(xiàn)。60a來，長江委非常重視先進施工技術(shù)的科學研究和推廣應(yīng)用，在丹江口、葛洲壩、三峽工程建設(shè)中，研究開發(fā)和應(yīng)用了大量有實用價值的新方法、新工藝和新技術(shù)，其中以圍堰發(fā)電技術(shù)、低溫混凝土生產(chǎn)技術(shù)、高邊坡錨固處理技術(shù)和爆破施工技術(shù)等10多項具有重大推廣價值的技術(shù)成果，在國內(nèi)一些大型水電工程建設(shè)中都獲得成功，推動了水電工程施工技術(shù)的快速發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞:圍堰發(fā)電;低溫混凝土;巖體錨固;施工爆破;水利水電工程施工

　　中圖法分類號:TV61 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4179(2010)04-0073-04

　　在葛洲壩和三峽工程建設(shè)中，長江委科研設(shè)計人員采用了許多先進技術(shù)。本文簡要介紹其中部分成果。

　　1 圍堰發(fā)電和高圍堰施工技術(shù)

　　1.1 圍堰發(fā)電的提出和早期研究

　　三峽工程規(guī)模大、投資大、工期長，但投資積壓多、貸款利息負擔重，所以20世紀50年代開始就把 圍堰發(fā)電 技術(shù)列為最重要的攻關(guān)課題之一。所謂 圍堰發(fā)電 就是利用施工期中的圍堰擋水提前發(fā)電，這在當時尚無先例，國內(nèi)外也沒有可借鑒的經(jīng)驗。這一課題涉及的重大技術(shù)問題主要是，深水高圍堰施工和水輪發(fā)電機的創(chuàng)新安裝。因為當時三峽研究的蓄水位是200m左右，水輪發(fā)電機最低水頭80多米，最高水頭130多米。而國內(nèi)已有的最深的施工圍堰只能擋三、四十米水頭，相差太多。在這樣的低水頭下，需要先制造幾套低水頭的臨時水輪發(fā)電機用于施工期發(fā)電，待水庫蓄水后又能較方便地換成永久性的水輪發(fā)電機。臨時水輪發(fā)電機發(fā)電3~4a就要報廢，代價太大。因此在60年代曾研究過以“大水輪機帶小發(fā)電機”，即后期只更換發(fā)電機的技術(shù)方案。這一技術(shù)后來雖未運用，但在葛洲壩和三峽工程的建設(shè)中用另一種方式，實現(xiàn)了圍堰擋水，提前發(fā)了電。

　　1.2 葛洲壩工程 圍堰發(fā)電

　　20世紀70年代，葛洲壩工程修改設(shè)計時，就決定采用圍堰發(fā)電方案。葛洲壩工程投資35億多元，從開工到第一臺機組發(fā)電歷時11a，是我國早期水電建設(shè)中工程量大、投資大且工期長的工程。由于其最大發(fā)電水頭為26m，采用圍堰發(fā)電方案難度不是很大，因此，通過適當?shù)臉屑~布置和施工導流程序的安排，實現(xiàn)了圍堰發(fā)電。其施工程序是:第一期先建二江泄水閘、電廠、三江航道和船閘、縱向圍堰。第二期進行大江截流，修建大江圍堰。由二江泄水閘導流，二江電廠開始發(fā)電，船閘開始通航，葛洲壩工程二期導流平面布置圖見文獻[1]。這比常規(guī)方案(即大江大壩全部完建后再擋水發(fā)電)可提前3a投產(chǎn)發(fā)電(7臺機組約90萬kW)。增加施工期發(fā)電收入近10億元，接近二期工程投資。為此，葛洲壩工程獲國家科技進步特等獎。

　　1.3 三峽工程“圍堰發(fā)電”

　　三峽工程正常蓄水位175m，水輪發(fā)電機最大水頭113m，最小水頭61m。如果采用土石圍堰擋水提前發(fā)電，機組難以適應(yīng)。20世紀80年代，國外碾壓混凝土壩新技術(shù)已經(jīng)成熟，實施薄層(每層20~30cm)連續(xù)澆筑，每月可上升20多米，一個枯水期(4~5個月)可上升100多米。因此在三峽工程中，大膽采用了碾壓混凝土圍堰擋水提前發(fā)電。其施工程序是:第一期，先建導流明渠和縱向圍堰，位于導流明渠中的上游碾壓混凝土圍堰先澆至50m高程。第二期，實施主河道截流并修建二期圍堰，江水由導流明渠宣泄，在圍堰保護下建溢流壩和左岸電廠。第三期，在導流明渠中截流和先修建一低土石圍堰，在其保護下?lián)屩雺夯炷羾?，一個枯水期搶修至140m高程，上游擋水位滿足發(fā)電最低水頭要求，從而實現(xiàn)了左岸電廠提前3a發(fā)電。

　　1.4高土石圍堰施工技術(shù)

　　(1)葛洲壩二期土石圍堰。該圍堰最大高度50m，最大擋水頭40m，施工水深20多米，圍堰須擋水3a，保證通航發(fā)電安全，因此按半永久工程設(shè)計。傳統(tǒng)的水下拋土圍堰，安全度不夠。經(jīng)過研究，決定采用混凝土防滲墻方案。防滲墻要承受40多米水頭壓力，要求防滲墻下游填筑體能夠承載且壓縮變形很小。水下填土不能滿足要求，故采用級配良好的砂卵石料，其水下填筑的容重為2.2t/m3。在砂礫石填料中建兩道混凝土防滲墻(經(jīng)計算，一道墻可能斷裂)，防滲墻下面的基巖進行帷幕灌漿，葛洲壩大江上游圍堰斷面圖見文獻[2]。

　　(2)三峽工程二期土石圍堰。三峽工程二期土石圍堰最大堰高80m，擋水頭75m，填筑水深60m，施工難度很大，是世界水利工程史上罕見的。如采用傳統(tǒng)的水下拋填土石圍堰則難以保證施工安全。這一課題曾列入國家“七五”科技攻關(guān)計劃。美國、加拿大、意大利專家也提出了有關(guān)建議方案。經(jīng)過幾十年研究，最后選定雙排混凝土防滲墻方案，二期土石圍堰斷面圖見文獻[3]。由于混凝土防滲墻允許變形很小，所以要求墻下游填料變形模量較大。因當?shù)厣奥咽虾苌?，故選用當?shù)氐娘L化砂礫料(開挖棄料，粒徑大于5mm的含量為30%~60%)，用75kW振沖器加密，使其干容重滿足1.65t/m3(上部)及1.8t/m3(下部)的要求。兩排防滲墻中心距6m、水上部分采用土工薄膜防滲。經(jīng)專家鑒定，該專題研究成果總體上達到國際先進水平。三峽二期土石圍堰與20世紀70年代修建的巴西伊泰普工程圍堰相當。伊泰普圍堰歷時2a完工，而三峽二期圍堰施工只用了一個枯水期即告建成。

　　(3)三峽工程三期碾壓混凝土圍堰。三峽三期圍堰擋水頭115m，攔蓄庫容147億m3，按二級臨時建筑物設(shè)計。設(shè)計洪水按10a一遇考慮，保堰洪水按100a一遇考慮。從50m高程至壩頂140m高程，要澆混凝土130萬m3。從2003年3月開始澆筑，進度要與洪水賽跑，5月中旬澆至118m高程，6月中旬至140m高程。其中3月份上升了14.3m，4月份上升了23.0m，5月份上升了23.6m。混凝土運輸方式采用32t自卸卡車轉(zhuǎn)皮帶機入倉，然后用大型推土機平倉、10t以上雙筒振動碾振實。其模板、上游面采用自升式懸臂組合式鋼模板，下游面系臺階式澆筑，采用普通模板?；炷翜乜匾?，2~3月份基礎(chǔ)部位澆筑溫度控制在10~15℃，混凝土最高溫度不超過25℃。有效避免了貫穿性裂縫。由于精心設(shè)計研究和施工，順利建成并經(jīng)過了實踐的考驗。

　　2低溫混凝土生產(chǎn)技術(shù)

　　20世紀50年代，我國有幾座混凝土壩曾發(fā)生了有害裂縫，如佛子嶺、柘溪、丹江口等，前蘇聯(lián)50年代建設(shè)的布赫達爾明和克拉斯洛亞爾斯克壩也曾出現(xiàn)過有害裂縫。丹江口工程初期混凝土發(fā)生裂縫后，水電部指示，組織“丹江口溫控防裂科研組”。經(jīng)過半年調(diào)研，提出了調(diào)研報告，認為這些裂縫與混凝土施工質(zhì)量、溫度控制措施、氣溫驟降等有著密切關(guān)系，建議采取預(yù)冷粗骨料和加冷水拌和等措施生產(chǎn)低溫混凝土。混凝土內(nèi)通水冷卻，降低水泥水化熱產(chǎn)生的溫升。大壩采取薄層柱狀塊段間歇均勻上升等辦法澆筑混凝土，并對混凝土表面進行保溫、保濕，以提高混凝土的抗裂能力。

　　丹江口大壩混凝土生產(chǎn)工藝為:對混凝土粗骨料，先用冷水浸泡降溫，再加冷水拌和混凝土。粗骨料預(yù)冷工藝是在大型預(yù)冷缸中用冷水(溫度2.2~3.5℃)浸泡80~100min，使粗骨料溫度由22~27℃降至3.0~5.4℃，再經(jīng)脫水工序送至拌和樓頂部的儲料倉，運送途中溫度有所回升，再加冷水拌和，混凝土拌和后溫度可控制在14℃以下。這套工藝效率低、成本高，且出機溫度只能降低至14℃，不能滿足葛洲壩和三峽工的需要。為此，葛洲壩和三峽工程都需進一步科技攻關(guān)，采用更先進和更經(jīng)濟的工藝，并使混凝土拌和后溫度降至7!，且效率更高、成本更低。

　　2.1葛洲壩低溫混凝土生產(chǎn)工藝

　　葛洲壩混凝土澆筑特點是板、框架結(jié)構(gòu)多，平面尺寸大而厚度較小，混凝土凝固后的降溫幅度比丹江口更大，所以混凝土拌和后溫度必須降至7℃才行?？尚械霓k法是參照美國德沃夏克7℃混凝土的生產(chǎn)工藝，即采用隰水冷+風冷+加冰拌和 的生產(chǎn)方式。當時，外購是不現(xiàn)實的，只有自行設(shè)計。長江委的設(shè)計人員通過研究，設(shè)計出了具有世界先進水平的低溫混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)。

　　(1)水冷系統(tǒng)。首先改進冷水浸泡工藝，采取更先進的皮帶輸送淋冷水工藝。即修建專門的隔熱廊道，其中布置兩條寬1.4m、長150m的皮帶，皮帶在廊道內(nèi)緩慢運行，在骨料上噴淋3~4℃的冷水。按7月份的平均溫度設(shè)計，所使用的4種骨料由初溫28.4℃分別降至6℃(大石)、7℃(中石)、8℃(小石)和13℃(粉末石)。冷水的制冷循環(huán)系統(tǒng)裝機容量為4652kW，制冷量400萬kcal/h，制冷水的螺旋管蒸發(fā)器面積為2560m2。為節(jié)省冷凍容量，對廢水加藥沉淀過濾后重復(fù)使用。為避免水冷后的骨料在風冷時結(jié)冰，對水冷后的骨料用振動篩脫水。

　　(2)風冷系統(tǒng)。其工藝為:利用拌和樓頂部的儲料倉通冷風，冷卻后直接進入拌和機，緊靠拌和樓另建制冷樓。常用的KL型空氣冷卻器體積大、重量大，為此專門研制了GKL型高效空氣冷卻器，其傳熱系統(tǒng)比KL型大1倍，在同樣生產(chǎn)能力時，其面積只有后者的一半。這使制冷樓的體積和荷載大為降低。普通的離心式鼓風機，其轉(zhuǎn)速低、體積大、重量大。設(shè)計者選用高效的軸流式鼓風機，轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕，使冷耗大為降低，安裝也很容易。

　　(3)制冰工藝?；炷辽a(chǎn)用冰代替水拌和，可以利用由冰化成水所釋放的冷量。如果用常規(guī)辦法先制冰磚，再破碎，不僅損耗大，且拌和時間僅3min，有的冰塊尚未融化摻在混凝土中，會影響混凝土的質(zhì)量。設(shè)計人員從國外雜志上了解到鎧片冰機 原理，經(jīng)過科研攻關(guān)，研制成功國產(chǎn)鎧片冰機 ，投入實際運用，效果良好。[Page]

　　經(jīng)過上述工藝生產(chǎn)出的混凝土達到了溫度降至7℃(按7月份氣溫)的要求。

　　2.2三峽工程混凝土生產(chǎn)工藝

　　三峽工程位于峽谷區(qū)，施工場地狹窄，且其低溫混凝土生產(chǎn)規(guī)模比葛洲壩大得多，所以不能套用葛洲壩的工藝，必須進一步優(yōu)化升級。如果用兩次風冷，取消水冷工序，占地面積就可大為縮小。經(jīng)初步研究，設(shè)想第一次風冷用0℃以上冷風將粗骨料冷至10℃的時間比水冷所需時間要短很多，還可使骨料含水量降至1%以下。第二次風冷再用-8℃冷風將粗骨料降至0℃，又不致結(jié)冰。再加片冰拌和，可使混凝土溫度降至7℃以下甚至更低。

　　為驗證上述設(shè)想，先在一期混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)中做中間試驗。經(jīng)過1a連續(xù)3次生產(chǎn)性試驗，混凝土出機口溫度為3.7~7.3℃。參加專家評審會的專家們一致認為:二次風冷粗骨料工藝設(shè)計是成功的，運行是很好的，設(shè)備選型基本上是合理的。二次風冷新工藝與以往的先水冷后風冷工藝相比，具有工藝簡單、溫度調(diào)幅大、冷量利用率高、占地面積少、施工期短、便于安裝拆除、運行操作簡便，以及節(jié)省設(shè)備和土建費用等優(yōu)點。并決定在三峽二期工程中推廣使用。

　　三峽工程二期5個混凝土系統(tǒng)全部采用二次風冷加片冰拌和工藝。夏季7℃混凝土生產(chǎn)能力達1720m3/h，制冷系統(tǒng)用電負荷77409kW。2000年和2001年的夏季共生產(chǎn)低溫混凝土500多萬立方米，合格率87%(要求85%)，2004年三期工程溫控合格率更提高到97.6%。三峽的二次風冷工藝與伊泰普相比可減少制冷容量1/4，占地面積只有伊泰普的1/6，運行成本低30%，節(jié)省投資近1億元。

　　3三峽船閘高邊坡錨固技術(shù)

　　三峽雙線五級船閘長1600m，是在左岸山體中挖出來的深槽中建閘，最大挖深170m。20世紀80年代以前設(shè)計方案是在深槽下部閘室部分挖成直立坡，深50m，然后建混凝土重力墻來抵擋邊坡巖體壓力，需混凝土400萬m³。但施工期邊坡穩(wěn)定問題尚未解決。在初步設(shè)計中采用錨索、錨桿支護，在巖體中采用排水減少滲水壓力來加固穩(wěn)定邊坡的新技術(shù)，并在國家鎧七五 科技攻關(guān)(三峽工程技術(shù))項目中加列了船閘高邊坡技術(shù)專題，共分6個子題:①高邊坡地質(zhì)研究;②地應(yīng)力研究(包括初始地應(yīng)力場觀測及開挖卸載后地應(yīng)力場變化分析);③穩(wěn)定及應(yīng)力應(yīng)變分析;%錨固設(shè)計;④防水排水系統(tǒng)研究;⑤開挖錨固排水施工程序和施工技術(shù)。長江委的設(shè)計、勘測和科研單位的相關(guān)專業(yè)參加了這項科技研究。

　　邊坡輪廓設(shè)計為:閘頂以上開挖邊坡控制坡比為微風化和新鮮巖體1(0.3，弱風化帶1(0.5，強風化帶1：1，全風化帶1：1~1：1.5。在坡頂外 設(shè)周邊溝，坡面噴混凝土并鑿排水孔，山體內(nèi)設(shè)排水洞和排水孔連通。閘室直立墻部分用薄混凝土板襯砌以便于錨固。

　　錨固設(shè)計方案是:在中隔墩上半部加兩排300噸級預(yù)應(yīng)力錨索，保證直立坡穩(wěn)定并限制其流變;兩側(cè)直立墻部分也加兩排300噸級預(yù)應(yīng)力錨索對穿，長35~45m，其中一個錨頭設(shè)在排水洞內(nèi);另加一些端頭預(yù)應(yīng)力錨索，其中100噸級長25~30m，300噸級長35~45m。坡面普遍布置非預(yù)應(yīng)力錨桿，其中系統(tǒng)布置的錨桿長5~8m，隨機布置的錨桿則視巖體穩(wěn)定狀況而定，兩者均為全粘接砂漿錨桿。

　　施工設(shè)計所采取的施工程序為:先作坡頂?shù)乇砼潘到y(tǒng)及地下排水系統(tǒng)(排水洞及排水孔)，以減少滲水壓力，并可利用排水洞開挖作地質(zhì)測繪了解地質(zhì)情況，觀測邊坡位移，用以驗證或調(diào)整錨桿數(shù)量。錨固自上而下，邊挖邊錨，以保證施工期邊坡穩(wěn)定。開挖中采用控制爆破技術(shù)(如預(yù)裂、光面、緩沖爆破、多段微差爆破技術(shù)等)，以保護邊坡巖體完整，并且要求預(yù)先作爆破試驗以選定各項爆破參數(shù)，三峽船閘高邊坡錨固方案布置參見文獻[4]。由于施工設(shè)計科學、細致，并按動態(tài)設(shè)計原則及時跟蹤調(diào)整施工方案，因此整個施工進展順利，也很安全。三峽船閘于1994年開挖，1998年開始澆筑混凝土，2003年實現(xiàn)了正式通航。正是由于采用了這種先進的錨固技術(shù)，相對于采用重力擋墻方案，節(jié)約挖石方近1000萬m3，混凝土200萬m3，節(jié)省工程投資數(shù)億元，而且保證了施工期安全。

　　4先進的爆破技術(shù)

　　20世紀70年代以前，我國水利水電工程建設(shè)采用的爆破技術(shù)和器材較為落后。1971年葛洲壩工程壩基開挖時因采用了大直徑炮孔和大藥量爆破，使壩基下軟弱夾層錯動受損，最終挖掉，因而增加了開挖量，延長了施工時間。為此，在停工修改設(shè)計期間，長江委施工設(shè)計處和爆破研究所開始在現(xiàn)場開展試驗，研究先進的爆破技術(shù)。其目的是探索既能快速開挖縮短工期，又能保護地基不受損壞的爆破技術(shù)。試驗研究的項目包括: ①利用微差爆破技術(shù)降低保護層厚度; ②預(yù)裂爆破; ③保護層快速開挖技術(shù)。

　　第①和第②項在葛洲壩工程試驗成功并得到大量應(yīng)用。第③項雖在葛洲壩試驗未取得全面成功，但在以后的其他工程中獲得了成功。三峽工程施工時，大量應(yīng)用水平預(yù)裂和光面爆破法快速開挖保護層，施工單位還在此基礎(chǔ)上加以改進，采用水平預(yù)裂輔以小梯段爆破方法，在二期大壩開挖時大量應(yīng)用，效果也很好。這些成果均已在水利水電系統(tǒng)推廣，并為制定和修改水利水電工程爆破技術(shù)規(guī)范提供了科學依據(jù)。

　　4.1微差爆破技術(shù)

　　20世紀70年代以前，我國水利水電系統(tǒng)巖石地基開挖是用梯段爆破。鉆孔深8~10m，孔徑80~100mm，一次起爆幾排孔，藥量500kg(地基巖石較軟弱或鄰近建筑物時減為300kg)，預(yù)留保護層3m左右;然后將3m保護層分4~5層開挖，每層用手風鉆(直徑30~50mm)鉆淺孔放火炮，逐次爆炸;最后一層(約30~50cm)用風鎬或人工清理爆破裂隙，進度很慢。

　　上述500kg藥量和3m保護層厚度為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并未準確地反映一次起爆藥量和保護層厚度的關(guān)系。實際上，梯段爆破時，鉆孔底部破壞深度(即保護層厚度)與首次起爆藥量有關(guān)，也與最小抵抗線寬度有關(guān)。一次多排孔起爆;其內(nèi)部幾排孔抵抗線尺寸較大，而外部一排抵抗線尺寸小，容易損傷基巖面。如果一個梯段幾排鉆孔，一排一排地起爆，則每響藥量減少，抵抗線也相應(yīng)減小，對孔底的破壞影響也可大為減少。20世紀70年代初我國已有5段毫秒微差雷管，對底部破壞深度大為降低。反之，如果一響藥量200kg，一個梯段可置炸藥1000kg，其破壞深度比老方法500kg炸藥還小。該方法使梯段爆破技術(shù)前進了一大步，它既可加大每梯段裝藥量，又不致增加破壞深度。實際工程應(yīng)用表明，這加快了開挖進度，又保證了地基質(zhì)量。

　　4.2預(yù)裂爆破技術(shù)

　　邊坡開挖用爆破方法預(yù)留保護層比平地困難得多。因為有的掌子面高達8~10m，鉆孔較平地困難。20世紀70年代初，國內(nèi)外已有預(yù)裂爆破開挖邊坡的報道。長江委施工處和長科院爆破研究所的科研人員在葛洲壩現(xiàn)場作了試驗后，得出適合葛洲壩巖體的爆破參數(shù)，然后大量推廣應(yīng)用。預(yù)裂爆破效果很好，炸后沿預(yù)裂孔中線炸出一條很整齊的縫面，都在鉆孔中線斷開，保留巖體損傷較小，所以清理工作量很小。隨后對要挖除的巖體可以用大藥量快速爆破開挖，而不會破壞保留巖體。該項爆破技術(shù)在三峽工程得到大量的推廣應(yīng)用，取得了很好的效益。

　　4.3保護層快速開挖技術(shù)

　　水利水電工程開挖施工傳統(tǒng)作法的缺點是，工期長、機械化程度低、勞力消耗多。從葛洲壩工程開始，長江委設(shè)計科研人員就探索保護層快速開挖的先進技術(shù)。后來又在萬安、東江工程試驗，用淺孔，小藥量梯段爆破的方法取得了成功，然后在三峽工程得到了推廣應(yīng)用。在三峽船閘升船機和壩基開挖中，用水平預(yù)裂孔或水平光面爆破方式開挖保護層，爆后建基面平整，起伏差小于15cm，半孔率達98%以上。三峽二期大壩保護層開挖量26萬m3，施工單位采用水平預(yù)裂爆破輔以淺孔梯段法開挖保護層也取得成功。

　　5結(jié)語

　　幾十年來，長江委人為了治江工程，圍繞治江工程，不斷追求和探索施工技術(shù)的改進和創(chuàng)新，取得了一個又一個突破和創(chuàng)新，推動了我國水利工程施工技術(shù)的發(fā)展，為國家創(chuàng)造了巨大的效益。

　　參考文獻:

　　[1]鄭守仁，王世華，夏仲平，等.導流截流及圍堰工程(上冊)[M].北京:中國水利水電出版社，2004.

　　[2]鄭守仁，王世華，夏仲平，等.導流截流及圍堰工程(下冊)[M].北京:中國水利水電出版社，2004.

　　[3]長江水利委員會編.三峽工程施工研究[M].武漢:湖北科學技術(shù)出版社，1997.

　　[4]鈕新強，宋維邦.船閘與升船機設(shè)計[M].北京:中國水利水電出版社，2007.