高寒地区碾压混凝土高拱坝筑坝技术研究

《高寒地区碾压混凝土高拱坝筑坝技术研究》在龙首水电站的运用 龙首水电站是国家电力公司《高寒地区碾压混凝土高拱坝筑坝技术研究》重点科技攻关项目的依托工程之一,该课题研究通过龙首水电站的建设,在科研、设计、施工和运行管理上取得了丰硕的成果。该工程1999年4月18日开工,2000年3月10日开始碾压大坝混凝土,2001年4月22日下闸蓄水,5月28日首台机发电,6月底大坝混凝士碾压全部完成。1、龙首水电站的工程特点: 龙首水电站地处西北高寒、干燥地区,典型的大陆性气候,其气候、地形、地质、原材料等条件,给工程建设增加了相当的难度,再加上电站装机规模不大,建设单位对投资控制要求很严。因此,与大工程相比,在实施的具体作法上,有相当大的差异,设计除了首先必须考虑技术可靠性和可行性以及施工质量的前提下,还特别强调实施的成本。1.1地域、气候条件 龙首水电站位于张掖市境内的黑河干流上,处于西北内陆腹地,属大陆性气候。夏季酷热,雨量稀少,蒸发强烈:冬季严寒,冰期长达四个月之久。据统计,该区多年平均降水量为171.6mm,多年平均蒸发量为1378.7mm,年平均气温8.5℃绝对最高气温37.2℃(实际近几年已接近40℃),绝对最低气温.33℃,最大冻土深度1.5m。 该电站地处海拔1700m以上,每年11月中旬河流开始流冰,1月至2月底封冻,春季流冰在3月底结束,最大岸冰厚度1.1m,最大河冰厚度0.8m。 按1948-1962年气象统计分析资料,多年平均的气温出现天数如表1:表1气温5℃≤0℃≤-3℃≤-5℃≤-10℃≤出现天数15010680.560.921.0 其气温还具有早晚、昼夜温差大的特点,对日照反映异常明显,一天最大温差可高达20℃以上。 坝址区具有风大的特点,除1952年发生过10级风,历年最大风速17m/s,多年平均风速按月份分布统计,为1.5-3.2m/s。 黑河是甘肃河西地区最大的一条内陆河,发源于祁连山与大通山之间,河道总长800km,流域面积为69000kM2,该工程控制流域面积10009km2,多年平均径流量为15.98×108m3,多年平均流量50.4m3/s。黑河径流主要由祁连山降水和融冰化雪补给,径流在年内分配不均匀,流量的月变幅较大。 黑河洪水多发生于6-9月,主要由山区局部暴雨形成,实测最大洪水流量为1310m3/s(1996年),调查历史最大洪水2300m3/S(1991年）。根据洪水分析计算设计采用:五十年一遇洪峰流量为1830m3/s,五百年一遇洪峰流量为3090m3/s,二百年一遇洪峰流量为2580m3/s,五年一遇洪峰流量为707m3/s。 由于河流的地域特点,河水水温较低,多年平均水温0℃--14.3℃,多年最低水温除七、八月份为10℃外,其余均在0℃--7℃。1.2工程的地形地质条件 龙首水电站坝址在区域稳定上处于斑大口(至元山子)断层(区F5)与上龙王庙断层(区F6、F7)区域性活断层切割的不稳定区的相对稳定断块上.坝址的地震基本烈度为8度. 坝址河谷为"V"形,河谷宽高比2.1-2.5,右岸岸坡较陡,崩坍堆积覆盖层深约30m,左岸有高出主河道20余m的古河槽,深覆盖层以砂卵砾石沉积为主,剥去两岸覆盖层后,实际可利用基岩地形为倒“品"字形。 该电站坝址基岩以奥陶系上统(Q3）或变质的含条带硅质板岩和含砾砂质板岩为主,岩层走向与河流近直交,倾向下游,倾角600--870,岩石致密坚硬,耐风化。但由于切割和卸荷影响,坝肩和坝基裂隙发育,尤其是顺河向裂隙，设计拱坝时应考虑坝肩岩体压缩变形的影响。 砂石材料采用天然建筑材料,但其缺陷是砂的细度模数偏低,多在2.4以下,无粗砂料源和石粉生产条件。骨料级配不尽合理,施工弃料多。2、科技攻关的研究课题及在龙首工程的运用 既然是以龙首电站为依托工程之一,科技攻关就必须从龙首工程的客观实际出发,首先必须保证工程的实施效果,在此前提下研究成果要具有创新和先进性,工程设计充分考虑了其科研推广价值。 本课题在龙首工程的研究主要有以下几个方面:2.1复杂坝型的结构设计研究 根据工程的水文、气象、地质、地形条件,设计作以下几方面研究。 (1)坝型选择对龙首坝址,堆石坝、重力坝、拱坝都是成立的,关键是选择工程投资最省、工期最短,见效最快的坝型。 拱坝方案:明显比其它方案优越,但开挖覆盖层后,可利用的基岩线成倒“品"字地形,如修全拱坝,存在坝肩岩石破碎因拱推力大而带来的基础处理问题和因使拱坝受力均匀而带来的地形改造,从而使开挖量大的问题,以及坝体的抗震性能差等问题。经综合比较,布置上采用了拱坝,重力坝,推力墩结合的“三接头坝”。 (2)复杂结构拱坝的结构设计研究: 迄今为止,世界己建成的最高碾压混凝土拱坝为75m高的普定拱坝,但其具有断面较大,地质条件好,地形对称,气候条件好等优点而底宽13.5m,顶厚5m,厚高比0.17。为迄今完建的碾压混凝土拱坝国内外最高最薄的一座,现已高水位蓄水运行。由于拱坝与重力坝,推力墩及部分基岩结合,关系比较复杂，大泄量泄洪,开设溢洪道无可能,开设泄洪洞不经济,必须在拱坝开多层孔口解决,这对碾压混凝土拱坝也是一种突破。 西北高寒地区搞碾压混凝土,年温差,月温差,日温差的巨大变幅,对防裂、温控均有相当的难度,要求在拱坝、重力坝结构设计上充分考虑这个特点。 龙首大坝在设计上最终考虑了设置周边缝和诱导缝相结合,坝体设计了防渗层、抗冻层和主受力层,薄拱坝内开设廊道、大孔口等一系列较为复杂的结构组合,使碾压混凝土筑坝技术在设计上有了相当大的突破。 实践证明:已蓄水运行的龙首大坝,工作状态良好。2.2高寒地区碾压混凝土拱坝筑坝材料研究 材料研究,主要是结合龙首水电站,通过本地现实可用的材料进行研究。 工程采用原材料,在保证质量合格的情况下,只能服从一个准则,就是节约工程投资。 (1)混凝土原材料的研究和改造 龙首的用天然砂石料,其各项指标不尽如人意,但从工程造价考虑,不可能舍近求远。材料的级配不理想,砂子细度模数较低,含泥量大,含石粉量低,都给工程选择良好的混凝土配合比带来很多困难,这些问题,在配合比试验研究和施工工艺中均得到了解决。 粉煤灰技术改造也是龙首工程经过科研取得的一项重要成果。 甘肃省不缺乏粉煤灰,但质量好的一级灰产地为西固电厂和连源电厂,均距龙首600余公里,运费高。永昌电厂距龙首200余公里,但灰质为二级灰和三级灰。 我院在东风电站和普定电站的建设过程中,积累了大量的对粉煤灰进行技术改造的经验,本次结合龙首工程,提出了用永昌灰进行技术改造,使之达到二级灰标准,得到业主和电厂大力支持,最后取得了一定的经济效益,为电厂粉煤灰运用也开辟了广阔的前景。 水泥采用甘肃永登水泥厂生产的水泥,其质量稳定,技术指标符合设计要求,为降低水泥出厂价,我们的科研人员直接介入水泥生产过程,提出掺和料配比的意见,而不是采用以往常用的大坝水泥,降低了生产成本,并使之更符合我们的要求。 (2)混凝土配合比的试验研究 龙首电站选用混凝土品种繁多,重力坝,推力墩,拱坝均有不同级配和强度要求的配合比,均设有上游防渗层,下游抗冻层和内部混凝土三大类;由于开设了多个孔口,还采用常态混凝土和抗冲耐磨混凝土；在基岩接触面、拱坝边界面、建筑物结合部、面层等各部位大量采用了变态混凝土。 由于天然建材不理想,气候条件恶劣,再加上蒸发量大,季节变化对混凝土的适应性要求高。因此,龙首电站的配合比研究具有相当的难度。 通过大量的混凝土试验研究,选用优良的外加剂,针对夏季高温,冬季严寒,提出了多种配合比,较好的适应了施工。 在采用的混凝土配合比中,掺用氧化镁,防冻剂等等,也给保证混凝土生产质量和冬季施工创造了条件。2.3碾压混凝土施工方法和工艺的研究 这项研究由我院和水电四局龙首项目部共同完成。 在施工方案上,根据龙首地形条件和入仓条件,考虑了重力坝先碾压至一定高程后,拱坝再上升到中孔,浇筑中孔常态混凝土,重力坝继续上升至坝顶,再碾压拱坝的总体方案。 为保证碾压混凝土质量和进度,对混凝土的拌制工艺,运输工艺、入仓工艺、仓面作业、模板工艺等均进行了专题研究。 对异种混凝土施工,结合部、变态混凝土、坝缝、铺浆等也进行了设计交底,人员培训,方案制定等深入细微的工作。 对夏季混凝土施工和冬季混凝土施工进行了专题研究,实践结果,龙首碾压混凝土最低施工气温为:下游围堰-15℃,主坝-13℃,最高施工气温为主坝38℃。 包括孔口施工,龙首水电站大坝碾压混凝土具体完成时间见表二: 表2部位重力坝拱坝推力墩开碾时间2000年3月12日2000年4月15日2000年9月1日完成时间2000年12月2001年6月2001年4月30日3、结语 龙首水电站的最大特点是高寒、高温、高地震、高蒸发。 其结构设计的典型特征是