摘要:全面总结了建国以来我国水电建设的坝工技术成就,涉及坝型优选、高坝大流量泄水建筑物及消能工技术、钢筋混凝土引水岔管技术、高坝地基处理技术、岩质高边坡预应力锚固处理等。
关键词:水电工程;坝型;泄水建筑物;引水岔管;高坝地基;预应力锚固
建国以来我国水电事业发展很快,坝工技术有了长足的进步。除常规坝型外,重点对碾压混凝土坝和钢筋混凝土面板堆石坝的设计和筑坝技术开展了大规模的研究,其成果得到了广泛的应用;对在特定条件下建设高坝方面,如复杂地形、地质条件,高地震烈度区,狭窄河谷泄洪等进行过专题攻关;此外,还围绕设计与施工中的关键技术问题,开展了多学科的综合研究,均取得了可喜的成就。
1坝型的优选
坝型的优选,是从我国的资源、建筑材料及劳动力优化着眼,达到优化利用资源、改善环境、提高社会和经济效益。重点放在碾压混凝土坝、高薄拱坝和钢筋混凝土面板堆石坝上,开展了大规模的研究和广泛的应用,取得了可喜的成就。

1.1碾压混凝土坝的快速发展

我国自1986年成功建成第一座碾压混凝土坝以来,据估计,已建和正在设计的碾压混凝土坝大约有50座,是我国坝工发展中有前景的坝型之一。近期已建、在建和即将开工建设的高100m以上的碾压混凝土坝有龙滩(216m)、江垭(131m)、百色(126m)、大朝山(121m)、棉花滩(111m),其中碾压混凝土量均超过整个大坝混凝土量的60以上。正在施工的龙滩水电站碾压混凝土量占65左右,施工月高峰浇筑强度超过25万m3,创造了世界先进水平。
我国的碾压混凝土筑坝技术,创立了自己独特的经验,概括有:坝体体型结构简单;碾压混凝土配合比水泥用量低;尽量实现高掺粉煤灰和掺复合外加剂;坝体以碾压混凝土自身防渗为主,并采用富胶凝材料,抗渗性能高;施工上采用大仓面薄层连续浇筑工艺等。简言之,我国的碾压混凝土筑坝技术是高掺粉煤灰,低稠度、薄层、全断面、快速短间歇连续填筑。1.2　混凝土面板堆石坝技术有所创新
混凝土面板堆石坝是近二三十年内发展起来的一种新坝型,我国虽然起步晚,但是起点高、发展快,10多年来已建、在建和拟建面板石坝坝高在100m以上的就有10多座,例如,在建的广西南盘江天生桥一级面板堆石坝坝高178m,贵州乌江洪家渡面板堆石坝坝高232m。我国混凝土面板堆石坝技术在发展中还有创新,除面板堆石坝和面板砂砾石坝坝型外,还有土心墙与混凝土面板坝结合的堆石坝、喷混凝土堆石坝、溢流面板堆石坝和趾板建在深厚覆盖层上的面板堆石坝等新坝型,以及建在强地震区的混凝土面板坝,如黑泉面板坝(按8度设防)。
1.3　高混凝土拱坝技术全面发展
我国已经建成的高度超过30m的拱坝有300多座,是世界上拱坝最多的国家之一。20世纪80年代以来,我国陆续建成高度超过100m的拱坝多座。已建成的双曲拱坝有:黄河李家峡坝高165m、B/H=0.163,雅砻江二滩坝高240m、B/H=0.232。在建和拟建的双曲拱坝有:乌江构滩坝高225m,黄河拉西瓦坝高250m,澜沧江小湾坝高292m,金沙江溪洛渡坝高295m。
近几十年来,我国致力于300m级特高混凝土拱坝专门技术和在高地震烈度区高拱坝的合理体型的研究。在高拱坝应力控制标准、高拱坝建设全过程仿真技术、高拱坝设计判据理论依据、高拱坝孔口配筋理论及高拱坝设计方法等方面的研究已经取得了突破性进展,为在我国兴建300m高混凝土拱坝打下了基础,提供了科学的理论依据。
正在建设中的混凝土双曲薄拱坝,以小湾和溪洛渡为代表。小湾水电站,坝型为混凝土双曲薄拱坝,坝高292m,装机4200MW,泄洪总功率46000MW(比二滩水电站多7000MW),坝体受总水推力170MN,地震基本烈度为8度。溪洛渡水电站坝型为混凝土双曲薄拱坝,坝高295m,装机容量15000MW,泄洪总功率为100000MW,地震烈度为8度。溪洛渡水电站建设的难度比小湾高出1倍,坝体受总水推力为200MN,比世界最高水平高出2～3倍。
1.4混凝土重力坝筑坝技术的发展
在我国的大坝建设中,混凝土重力坝是主要的坝型之一。我国最早的宽缝重力坝是20世纪50年代建设的新安江水电站大坝和古田一级水电站大坝;上游江水电站大坝坝高67.5m,是我国第一座坝内式厂房重力坝;1969年建成的刘家峡水电站实体重力坝坝高147m;70年代建成的枫树坝水电站坝高95.5m,牛路岭水电站坝高93.3m,两者都是我国第一批空复重力坝。正在兴建的三峡水电工程大坝坝高175m,也是实体重力坝。三峡工程重力坝身泄洪量大,泄洪建筑物结构复杂,大坝下泄千年一遇流量是68000m3/s,万年一遇加10的洪水也都集中在坝身渲泄。坝身孔数之多、尺寸之大实属罕见。
80年代以后,我国重力坝的设计理论又有了新的进展,技术有了大的进步,在坝工设计中的有限元分析法、可靠度设计理论、坝体优化、坝体温度应力仿真计算、断裂力学、坝体裂缝及扩展追踪和坝体泄洪新的消能工等均有重大进展。
1.5　高土石坝技术的发展新技术在高土石坝设计中的应用从80年代就开始了。小浪底大坝土质斜心墙堆石坝具有代表性,其坝高254m,坝长1300m,坝体填筑量为4900万m3,坝体设计充分考虑到黄河泥沙多的特点,水库淤积快,对坝体的防渗体系有特殊的作用。
2大流量泄洪建筑物及消能工技术
我国水电工程泄洪建筑物的特点:一是高水头、大流量、窄河谷、单宽流量大;二是低水头、低佛氏数、宽河谷。这两种泄洪水流的消能技术都是非常难处理的。世界上最大的伊太普水电站的泄洪功率有50000MW。而我国的大型电站一般能量集中,消能要求高,如二滩、构皮滩、小湾和溪洛渡等工程,都在河床宽80～110m的范围内,其泄洪功率:构皮滩31600MW、二滩39000MW、小湾46000MW、溪洛渡98000MW。我国水电工程不仅泄洪功率大,而且泄洪、导流流量也大,泄洪建筑的单宽流量和流速均很大。据统计,泄洪、导流设施流量超过20000m3/s的工程就有30多座,如葛洲坝、三峡工程,校核洪水流量达124300m3/s。另外我国还有多座水头超过200m以上的高坝泄洪建筑物,流速大于50m/s,泄洪建筑的单宽流量都大于200m3/s。
黄河小浪底水电站,最大含沙量为800kg/m3以上。泄洪建筑物的消能工设计不仅要考虑水头高、流量大,而且还要考虑高水头高速水流空化和有泥沙磨蚀的情况,这是要解决的又一新的技术课题。在泄洪建筑物及消能工的研究方面,我国是多途径的,在设计泄洪安排上,采用联合消能工技术,即坝身、坝上、隧洞和水垫塘联合消能。我国已建的泄洪洞有三种形式:明流洞、短有压长明流洞、长有压洞(全洞有压),这三种洞均必须在出口以后才能消能。近几年我国在黄河小浪底工程上进行洞内消能工研究,该工程设计了三条明流洞和三条孔板洞。在三条孔板洞中进行洞内消能,这三条孔板洞是利用导流洞改造成功的。这种消能方式,可以达到减小流速、简化衬砌结构,防止空蚀破坏等功能,也节省工程量。
3钢筋混凝土引水岔管技术
在60年代,洪门口水电站引水管就采用了钢筋混凝土岔管,90年代建成的广州天荒坪大型抽水蓄能电站,水头高达700～800m,引水岔管主洞直径8～9m、支洞直径3.5～4.2m,由于充分利用围岩的支承作用,钢筋混凝土初砌体厚仅为0.6m。对天荒坪和广州两抽水蓄能电站的钢筋混凝土引水岔管的安全进行了大量的科学实验,研究了岔管和围岩联合受力。
4高坝地基处理技术
在混凝土坝修建过程中经常遇到不良地质条件,如断层破碎带、节理、裂隙等密集带或软弱夹层,需要进行处理。
4.1坝基不良地质处理
在我国有代表性的工程之一,是黄河龙羊峡水电站坝基的4号断层(G4),系伟晶岩劈理带,在经过高压水泥灌浆处理后,又进行了环氧化学灌浆和聚氨脂灌浆处理,使劈理带变形模量达到5～7MPa,较处理前提高了70,抗剪强度大于1.5MPa,单位吸水率小于1Lu,符合设计要求。有代表性工程之二是铜街子水电站,地质复杂,断层、层间错动发育,含有较多软弱夹层,大坝部分全部采用深孔高压喷射冲洗,再进行固结灌浆处理,喷射压力为30MPa,冲洗软弱夹层效果良好,固结灌浆压力3MPa,水泥灌浆的水灰比为0.5～0.6。
4.2深厚覆盖层防渗处理
对坝基深厚覆盖层的防渗处理,主要采用混凝土防渗墙和帷幕灌浆。有代表性的工程是:
a.四川南桠河冶勒水电站,河床坝基覆盖层深百米,在现场进行了混凝土防渗墙和帷幕灌浆的工程试验,其混凝土墙深达101m,墙厚从0.8～1.0m增加到1.2m,墙体垂直精度0.2,墙体28d强度大于40MPa。在基础100m以下,打廊道进行100m深的帷幕灌浆,可以达到200m深的覆盖层处理。目前,101m深的混凝土防渗墙已试验成功,帷幕灌浆正在进行。
b.二滩水电站上下游围堰河床覆盖层44m,主要由卵砾石、漂石组成,堰长127m。采用旋转冲击式SM505型喷射钻机,高压泵压力0～100MPa,实用40～50MPa,造孔斜率1。喷射直径4m,防渗墙有效墙厚2.6m,实用直径1.5m,三排孔连锁。
c.小浪底工程地质复杂,坝基覆盖层深82m,表层为粉细砂层,分布于右岸滩地,厚3～7m;上部砂砾石层厚30～45m,为石英砂岩组成,砾石最大粒径30～40cm;中间有夹层厚10～25m;深槽底部砂砾石厚5～10m;接近基岩有大孤石,最大粒径3m;基岩为粉砂质粘土岩。小浪底主坝斜心墙下设有一道1.2m厚的混凝土防渗墙,防渗墙轴线全长439m,总防渗面积21800m2,防渗墙设计强度为35MPa,弹性模量为3×104MPa。
5　岩质高边坡预应力锚固处理
1965年在梅山水库大坝,我国首次采用预应力锚索加固坝肩滑动岩体取得成功。大吨位的预应力锚索加固技术,已在水工建筑物中广泛应用,特别是在岩质高边坡处理中应用较多。预应力锚索及锚杆的吨位已达500～10000kN,锚索长20～80m。单个工程边坡稳定加固,最大总锚固力达8×106kN,锚索及锚杆根数已达8×104根之多,加固高边坡高度达380m。在龙羊峡、天生桥二级、漫湾、隔河岩、五强溪、李家峡、小浪底及三峡工程上都广为应用。另外,对预应力锚固结构、锚固体系、内外锚头形式、拖拉设备、钻孔工艺、灌浆材料及锚索、锚杆防腐等,也进行了系统的研究,取得了良好的效果。
6.地下建筑物建设水平
据统计,我国已建和在建的水工隧洞有400余条,长达400km,地下厂房40多座。云南鲁布革水电站,其地下洞室群上下重叠,交错布置,共有42个洞室,总长3.12km,开挖量为238万m3,地下厂房尺寸为18m×38.4m×125m(宽×高×长)。目前在建的二滩水电站,地下厂房跨度25.5m,高度67.5m,长度为2429m。二滩导流隧洞尺寸17.5m×23m,为我国目前开挖尺寸最大的隧洞。天生桥二级水电站引水隧洞长9.7km,洞径10.8m,在岩溶地区复杂的地质条件下建成。甘肃省引大入秦工程,引水隧洞群有71条,总长110km,其中盘道岭隧洞长15.7km,创造了月进尺为1300m的记录。马上建设的溪洛渡水电站,两岸各有8条泄洪、引水、交通、变电室等地下洞室群。地下厂房有18台机组,单机800MW,两座地下厂房分别布置在左右两岸山体内,单座厂房尺寸为300m×30m×74.7m(长×宽×高),将成为世界上规模最大的地下厂房。在技术难度具有特色的小浪底工程,其泄洪、排沙、引水、发电、灌溉工程均为地下洞室,集中布置在左岸山体内,洞群密集、纵横交错,勘称世界地下工程建筑一绝。另外,拉西瓦、龙滩、小湾水电站的地下工程的规模及十三陵、天荒坪、广州抽水蓄能电站的地下洞室群工程规模也很大。