BEJSK水电站工程混凝土拱坝施工组织关键技术
1李江，2王健
（1新疆水利水电规划设计管理局 新疆 乌鲁木齐 830000；2新疆水利水电勘测设计研究院 新疆 乌鲁木齐 830000）
摘要：BEJSK水电站总库容为2.22亿m3，属Ⅱ等大 （2）型工程，地处新疆严寒、干旱地区。挡水建筑物为常态混凝土双曲拱坝，最大坝高94.0m。大坝采用全级配骨料，可行性研究阶段施工组织设计结合气候、导流度汛、四级配骨料、地形条件等因素针对导流过水围堰、全级配混凝土、大坝浇筑方式、温控等关键技术问题进行了研究。
关键词：严寒 双曲拱坝 导流 过水围堰 全级配骨料 混凝土浇筑 温控
1 工程概况
BEJSK水电站工程总库容2.22亿m3，电站总装机容量220MW，年发电量6.64亿kW·h。工程规模为大（2）型，大坝及泄水建筑物为2级，次要建筑物为3级，临时建筑物为4级。大坝设计洪水100年一遇，洪峰流量2740m3/s，校核洪水1000年一遇，洪峰流量3935m3/s。坝址区地震基本烈度Ⅶ度，抗震设防烈度7度。
枢纽由大坝、泄水建筑物、发电引水系统、电站厂房及临时建筑物包括施工围堰和导流洞组成。挡水建筑物采用常态混凝土双曲拱坝，最大坝高94m，水平拱圈线型采用抛物线体型。坝身布置表孔和深孔组合泄洪，设置3个表孔、1个深孔。发电引水系统布置在右岸，由引水渠、进口段、洞身段、高压管道、调压井、岔管和支管等组成，岸边厂房布置在3＃沟。
2 施工组织设计特点
（1）水文。BEJSK水电站洪水主要是来自山区积雪的融雪水，同时夏季暴雨也可引起洪水，并叠加在融雪型洪水上形成混合型洪水。洪水的发生时间主要集中在5-7月。5月、6月是主汛期，7月、8月为后汛期。本区域其他工程施工期近3年均遭遇过10年一遇洪水。
（2）气象。多年平均气温5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃，最大积雪深46cm，最大冻土深127cm；多年平均降雨量153.4mm，多年平均蒸发量1619.5mm；多年平均风速3.7m/s，最大风速28m/s，风向NW，多年平均年最大风速16.0m/s，风向E。气候条件恶劣，具有“冷”“热”“风”“干”四大特点，夏季炎热、冬季严寒、日温差大、年较差大、寒潮频繁。
（3）地形地质条件。坝轴线处河道较平直，枯水期水位571.00m，河水面宽25～40m，正常蓄水位646.00m，对应河谷宽217m，河谷断面呈不对称V形，两岸地形左陡右稍缓，左岸高程590.00m以上山体地形坡度较陡，坡度50°～60°，部分为陡壁，基岩裸露，高程590.00m以下段坡度24°～37°；右岸岸坡30°～50°，局部为陡壁，两岸山顶高程850.00m，相对高差约280.00m。坝址区地下水水质良好，对混凝土无腐蚀性。上坝道路布置较为困难。
（4）枢纽布置特点。枢纽由混凝土拱坝、发电引水系统、3＃沟电站厂房等建筑物组成，坝身布置泄洪表孔和深孔，深孔兼有放水、放空检修电站进水口功能，施工期参加临时度汛。表孔坝段布置在主河床段，深孔坝段布置在其右侧，出口均采用挑流消能。发电引水系统布置在右岸，进水口为岸塔式，一洞四机型，有压圆洞，上平洞末端设置调压井。电站厂房位于右岸3＃沟，为岸边式地面厂房，总装机容量220MW，采用两大两小机组布置型式。进厂公路布置在原河床右岸，结合鱼类保护要求，下游二道坝旁设置鱼道一座，坝身设置升鱼机一座。
（5）施工总体布置。右岸进场交通干线直通厂区，在干线道路上设左右岸场内分支道路上山，并布置交通洞连接右岸坝顶；坝顶上游岸坡布置道路，接发电洞进口。结合枢纽布置、地形条件、料场、弃渣场及施工设施的分布情况，本工程施工期间场内道路共布置有9条。其中永久道路2条，交通洞2条，主要临时道路7条。布置联通左右岸永久过河大桥1座。坝址下游右岸阶地布置砂石加工系统、混凝土系统、其他辅助生产设施；左右岸分别布置生活营地。
3 施工导流关键技术
本工程导流建筑物为4级，导流建筑物洪水标准为10～20年。根据地形地质条件、水文特性及工程总体布置，施工导流采用河床一次断流，上下游土石围堰全年挡水，左岸导流隧洞导流的方式。
本工程的保护对象是施工期的拱坝，由于受封拱灌浆的影响，一般不希望施工期由拱坝挡水度汛，同时工程区施工有效时段均为每年的5—10月，冬季停工期长达6个月，坝体施工时段非常短，年上升一般在30～35m。考虑水文资料的变化规律及度汛问题，采用了土石围堰一次建成达到抵挡20年一遇洪水标准的高度，从而使拱坝施工期在围堰保护下顺利建设，封拱后再由坝体挡水［1］。
可研设计阶段结合工程特性、施工时段、坝址区洪水特点及度汛的要求，对围堰挡水度汛进行了几种不同方案的研究。
表1 围堰堰体型式对比
续表
经技术经济综合分析，预可研阶段土石围堰设计方案导流标准10年一遇、度汛20年一遇，均为《水电工程施工组织设计规范》（DL T5397-2007）表4.4.1条规定的4级建筑物洪水标准下限；本次提出的混凝土围堰设计方案导流标准10年一遇、度汛20年一遇，均为表4.4.1条规定的4级建筑物洪水标准上限；从洪水重现期角度分析，洪水标准提高了。采用混凝土围堰，尽管投资较土石围堰略高，但具有结构简单、施工快速，抵御超标准洪水能力强的优势，若遭遇超标准洪水，堰身过水，对基坑进行处理后可恢复施工，作为可研阶段施工期选定方案。
4 大坝全级配混凝土关键技术
4.1 骨料特点
本工程设计选择了C1砂砾石料场和P1石料场进行比较，C1料场以天然筛分为主，部分破碎补充，P1料场全部采用人工破碎骨料，经技术经济比较，P1料场骨料单价高于C1料场，推荐采用C1料场作为骨料场。C1料场位于出BEJSK右岸Ⅱ级阶地上，分布岩性为第四系上更新统冲积砂卵砾石
，结构松散，地下水位埋深10m以下，砂砾石厚度大于10m，岩性成分为花岗岩。
该料场表层2m各级骨料表面普遍存在一层钙质薄膜。C1料场骨料专题研究表明：C1料场表层2m以内砂砾石中钙质薄膜主要成分以碳酸钙和石英为主，不存在对混凝土的侵蚀性问题；骨料钙膜含量在20%以下对二级配混凝土强度影响不明显，但钙膜骨料含量过高对混凝土强度有一定影响；表层2m以内粒径大于40mm含钙膜骨料经破碎加工补充中石、小石、粗砂后，可用于工程一级、二级配混凝土；表层2m以下不含钙膜骨料用于大坝等主体工程。
料场＞150mm粒径含量9.6%，80～150mm粒径含量28.7%；40～80mm粒径含量占28.5%，20～40mm粒径含量占13.5%，5～20mm粒径含量占5.4%，＜5mm粒径的砂土含量占14.2%，天然砂细度模数1.4～1.7，属细砂，中石、小石含量偏少，缺口较大，大石以上的骨料含量达到50%以上，需要破碎补充中石、小石、粗砂。
4.2 大坝全级配混凝土
工程位于严寒地区，环境恶劣，结合当地原材料情况，研究实现混凝土“良好的抗裂性、高耐久性、适宜的强度”的高性能化目标对提高工程的使用寿命和长期运行安全，以及严寒地区混凝土坝建设具有重要意义［2］。设计提出采用“内抗”（提高混凝土自身耐久性）和“外封”（表面封闭保护）两种提高耐久性措施相配合。配合比技术路线采取“两低三掺”（低水胶比、低用水量、掺粉煤灰、掺减水剂、掺引气剂）。水泥采用当地硅酸盐水泥P.Ⅰ42.5，具有较低的碱含量及氧化镁含量。优选Ⅰ级粉煤灰，优选混凝土外加剂、水泥品种可提高混凝土性能，抵消、削弱钙膜的不利影响。大坝全级配混凝土C9025W10F400、C9030W10F400的设计强度保证率80%，设计抗拉强度分别为1.7MPa、2.0MPa，极限拉伸值大于0.85×10-4。
表2 常态混凝土配合比表
4.3 砂石加工系统
工程混凝土浇筑总量为55.89万m3，根据施工进度计划，混凝土浇筑高峰期出现在第三年5—9月，7月的4.1万m3为最高值。其中四级配混凝土为2.29万m3，三级配混凝土为1.15万m3，二级配混凝土为0.66万m3。本加工系统采用天然砂砾石料加工，岩质坚硬，破碎后中石、小石及砂的片状颗粒较多，采取圆锥式破碎机及棒磨制砂机调整小石、粗砂粒型，经分析毛料生产能力为300t/h。
4.4 混凝土拌和系统
由于大坝为控制性工期工程，其混凝土浇筑量大、高峰时段持续较长，在此期间系统设备如出现故障，将严重影响施工进度，因此，为保证工程顺利施工，考虑大坝单独配备拌和楼系统，导流洞、引水发电洞及厂房、临时工程等采用混凝土拌和站的形式。
根据施工进度安排，大坝混凝土（包括泄水建筑物）高峰期浇筑强度3.387万m3/月，拌和楼小时生产能力为156m3/h，本工程由于强度集中，温控要求高，为保证骨料的充分冷却及掺冰拌和时片冰充分溶解，需要拌和楼的拌和能力有较大的富余以延长混凝土的拌和时间；在进行粉料及骨料输送系统的设计时需放大输送能力，同时采取措施提高可靠性并采取自动化的控制手段。大坝系统配置一座HL2364F3000A强制式拌和楼，其铭牌产量常态混凝土240m3/h，预冷混凝土180m3/h。
发电引水系统高峰期混凝土浇筑强度约为1.69万m3/月，考虑拌和站占地面积小，布置灵活，安装方便快捷，分别在发电洞进口和厂房各布置一套HZ50型混凝土拌和站，生产总规模100m3/h，可满足浇筑高峰强度需要。
5 大坝浇筑关键技术
坝体混凝土浇筑为本工程的控制性工期项目，坝体混凝土总量约34.27万m3（不包括泄水建筑物）。根据填筑曲线分析，最大混凝土浇筑面积出现在高程620.00m，面积为3870.00m2，最小混凝土浇筑面积在高程555.00m，面积为1600m2。根据坝体横向分缝情况，每一层浇筑平面自然分成为22个小仓面（坝段），其最大平均面积为242m3，初步考虑每个小仓面浇筑高度为3m，并同时跳仓浇筑3个小仓面，则每一浇筑面同时浇筑的仓面总面积为726m2左右，混凝土浇筑量2178m3。
拱坝混凝土具有浇筑强度高，高峰持续时间长和施工干扰大（坝体施工与坝身孔洞、廊道施工和金属结构、预埋件安装之间互相干扰）等特点。由于坝址两岸山坡陡峻，对于100m级的拱坝，选择的坝体施工方法需要同时满足施工进度、施工质量、坝上金属结构及其他辅助吊运等要求。结合本工程具体情况及审查意见，本阶段对坝体混凝土施工采用以下两种主要方案进行进一步比选［3］。
两种方案对比见表3。
表3 拱坝混凝土浇筑入仓方式比较
续表
方案比选结论：通过上述两种入仓方式的经济、技术分析比较，虽然门塔机方案临建投资少、设备安装、运行、维护费用较低，但其抗风问题极为突出，很难与大坝上升同步协调，与坝面的附着也存在较大难度；缆机方案临建投资较大，设备安装、运行、维护费用相对较高，但施工不受大坝上升的干扰，充分发挥缆机的设备性能和方便、快捷等优点，本阶段推荐大坝混凝土入仓选用缆机入仓方式。
6 温控关键技术
坝址所在地区气候条件恶劣，对大坝混凝土的浇筑客观上存在着“冷”“热”“风”“干”等四大不利因素。拱坝一般比较单薄，对外界气温和水温的变化比较敏感，坝内温度变化比较大。除了坝顶为自由边界外，封拱灌浆后其他三面都受到基岩的约束，温度变形受到的外界约束比较大，因此温度应力对拱坝安全的影响非常显著，必须通过仿真计算对温度控制做精心设计，以有效防止及控制裂缝的产生。严寒地区常态混凝土坝每年4—10月为施工期，冬季停止混凝土施工，这种间歇式的施工方法及恶劣的气候条件使其具有独特的温度应力时空分布规律，更增加了常态混凝土坝温控与防裂的难度［4-5］。北方及西北寒冷地区已建的几个典型工程气温统计资料见表4。
表4 北方及西北寒冷地区已建的几个典型工程气温统计 单位：℃
6.1 大坝温度控制
根据当地气象站、水文站的气温统计资料，坝址区每年4月即可有零度以上的温度，10月底出现负温。因此，混凝土施工期可选在4—10月，而6月、7月又会出现高温天气，不利于混凝土的温度控制。坝址区多年气象统计资料见表5。
表5 坝址区多年平均气温统计表
6.2 温控标准
根据温控仿真计算成果，结合坝体混凝土特性，参考有关规范及资料，确定大坝温控标准及入仓温控标准（表6）。
表6 大坝温控标准及入仓温度 单位：℃
（1）上、下层温差。对连续上升坝体且浇筑高度小于1/4L（浇筑块长边尺寸）时，上下层混凝土允许温差为15～18℃；浇筑块侧面长期暴露、上层混凝土高度小于0.5L或非连续上升时应加严上下层温差标准。
（2）内外温差标准。内外温差为混凝土坝体内部最高温度与外界气温之差。根据《混凝土拱坝设计规范》，要求一般控制在15～25℃，本工程要求按17℃控制。
（3）水管冷却温差。为了防止水管冷却时水温与混凝土浇筑块温度相差过大和冷却速度过快而产生裂缝，初期通水冷却温差按15～18℃控制，后期水管冷却温差为20～22℃。本着基础块从严，正常块从宽的原则，在规定幅度内选取。混凝土的日降温速度控制在每天0.5～1.0℃范围内。
理论计算和实践均表明，大坝温度应力是导致坝体裂缝的主要因素，其他荷载所引起的应力与温度应力相比相对较小，温度应力起着控制作用。在施工期和运行期控制好坝体混凝土的基础温差、上下层温差和内外温差是控制温度应力的关键。
针对主河床坝段和岸坡坝段提出大坝基础约束区与非约束区混凝土不同季节合理的浇筑厚度、间歇期、浇筑温度、冷却措施及通水时间（初期冷却、中期冷却、后期冷却）、各季节混凝土施工方法及保温标准等温控措施，详见表7。
表7 大坝混凝土施工温度控制措施（河床坝段）
6.3 混凝土制冷系统
根据表6～表8温控分析资料，参考类似工程施工经验，本工程高温浇筑季节低温混凝土（7℃）采用传统的冷水拌和、骨料二次风冷等工艺无法满足入仓温度要求，需要添加片冰拌和。按照70%的制冷效率考虑，系统的最大制冷容量为Q=222÷70%=320（万kcal）。系统每小时需要片冰量Gm=8723kg/h，每天需要片冰量Gm=8723kg/h×14≈123t/d。
粗骨料先在一次风冷调节料仓冷却至8℃以下，经由皮带机输送到拌和楼料仓二次风冷至4℃以下。制冷车间布置两台单级离心式制冷机组（HS-600H）及配套设备，单机制冷容量为180万kcal（标准工况），总制冷容量为360万kcal。冷水间选用一台LZL-180型螺旋立式蒸发器生产混凝土搅拌用冷冻水，冷冻水初温为2.5℃，产量为20m3/h。制冰车间选用5台PBL-2×110型的片冰机，单台片冰机产量30t/d，片冰温度-8℃。储冰设备选用1座BK50型的卧式冰库，储冰能力50t，出冰能力15t/h。
7 结语
BEJSK水电站地处严寒、干旱地区，设计选用全级配常态混凝土拱坝具有较高的耐久性、安全性，但拱坝施工对温控要求较严，混凝土自身应具有“良好的抗裂性、高耐久性、适宜的强度”。
结合洪水特性提出的混凝土围堰方案适应当地的建设要求，投资增加有限，但抵御超标洪水能力大为增强，且可以过水，围堰不会出现溃决问题。
试验研究表明，对天然砂砾石骨料采取天然筛分+破碎补充中小石及砂的方案，可解决钙膜骨料对混凝土强度的影响及砂细度模数偏低的问题；配合“两低三掺”的技术路线，全级配混凝土各项性能指标满足规范要求。
门塔机及缆机均可以浇筑常态混凝土，相比较而言缆机最为常见，尽管投资较高、建设周期较长、道路布置难度大，但施工覆盖面积大、干扰小，狭窄河谷地区为首选入仓方案。
严寒地区拱坝对温控的要求极为严格，实践证明入仓温度的控制是关键，而高温季节低温混凝土的拌制应有行之有效的措施。设计采取二次风冷骨料、低温水拌合、掺加片冰的工艺可以满足设计要求。越冬层面保温采用塑膜+棉被的方案在KLSK碾压混凝土重力坝施工冬季越冬层面保温上已得到验证。
参考文献
［1］DL T5397—2007.水电工程施工组织设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2008.
［2］李新，等.严寒地区双曲拱坝混凝土配合比设计及试验研究［J］.人民长江，2012,43（7）:33-36.
［3］朱素华,等.高混凝土拱坝筑坝施工关键技术研究［J］.水利水电施工，2013（2）:1-5.