高地應(yīng)力高地應(yīng)力地區(qū)拱壩工程關(guān)鍵技術(shù)研究

高地應(yīng)力高地應(yīng)力地區(qū)拱壩工程關(guān)鍵技術(shù)研究

0工程樞紐紐區(qū)拉西瓦水庫位于山西省貴德縣和貴南縣交界處的黃河支流。主框架主要由混凝土雙曲拱橋組成。水庫內(nèi)外多個孔，水庫后胡里水庫和右岸的進水口由地下旁通系統(tǒng)組成?；炷岭p曲拱壩最大壩高250m,裝機容量4200MW,為黃河流域裝機容量最大的水電站。工程樞紐區(qū)位于龍羊峽谷出口段,氣候寒冷,河谷狹窄陡峻,壩基地應(yīng)力高達30～70MPa。在工程建設(shè)中為保證工程施工進度、確保施工質(zhì)量,展開了一系列的科技攻關(guān)和關(guān)鍵技術(shù)研究工作,取得了豐碩的研究成果。1壩基開挖的影響因素拉西瓦大壩壩基地應(yīng)力達30～70MPa,壩基的開挖將會引起壩基回彈進而發(fā)生卸荷破壞,使巖體質(zhì)量下降,基礎(chǔ)處理困難。因此,選擇減輕壩基卸荷破壞程度的開挖形式是壩基開挖設(shè)計中的重要技術(shù)問題。用平面非線性有限元、三維非線性有限元等方法對平底開挖形式和反弧開挖形式等進行了分析,對壩基開挖卸荷規(guī)律、應(yīng)力屈服范圍、壩基回彈數(shù)值等進行了研究。結(jié)果表明,在高地應(yīng)力區(qū),光滑的反弧開挖應(yīng)力集中程度較低,壩基回彈變位較小,卸荷松動范圍較小,有利于基巖質(zhì)量的保證和提高;平底開挖易引發(fā)裂隙開裂,對壩肩底部的穩(wěn)定不利。此外,與傳統(tǒng)開挖相比,反弧開挖由邊坡到河床為光滑曲線過渡,減小了開挖工作量。2壩體邊坡壩段固結(jié)灌漿工藝拉西瓦水電站壩體混凝土澆筑與壩基固結(jié)灌漿施工矛盾突出,為加快主壩基礎(chǔ)部位的混凝土施工速度,適當縮短施工周期,在左岸纜機平臺斜坡段及導流洞2號施工支洞下叉洞兩處與壩基巖體相似的部位,進行了無蓋重固結(jié)灌漿試驗,在此基礎(chǔ)上,壩基邊坡壩段固結(jié)灌漿最終采用了一期無蓋重、二期在壩內(nèi)引管的有蓋重固結(jié)灌漿相結(jié)合的兩期固結(jié)灌漿工藝。具體做法是:兩岸陡坡壩段固結(jié)灌漿分兩期施工,對壩基2m以下基巖采用無蓋重固結(jié)灌漿后進行大壩混凝土澆筑;當混凝土蓋重達到4.5m以后,進行二期固結(jié)灌漿,鉆孔入巖3m,與一期固結(jié)灌漿孔搭接1m。為避免壩基二期固結(jié)灌漿鉆孔破壞大壩混凝土中埋設(shè)的冷卻水管,二期固結(jié)灌漿采取引管法施工,兩個孔采用一套管路,設(shè)置進漿管和排氣管。3壩基固結(jié)灌漿兩岸陡于45°的壩基布置接觸灌漿系統(tǒng),常規(guī)接觸灌漿工藝是壩基固結(jié)灌漿結(jié)束后,在原孔位重新掃孔并埋設(shè)接觸灌漿管路之后再進行接觸灌漿。但拉西瓦工程壩基固結(jié)灌漿采用兩期固結(jié)灌漿的施工方法,二期固結(jié)灌漿又使用引管法施工,因此,常規(guī)的接觸灌漿無法進行。為此,有針對性地設(shè)計了一套單向出漿、溶蝕排氣接觸灌漿系統(tǒng),經(jīng)多次室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗,確定該灌漿方法可行并最終采用。4在夏天關(guān)閉針頭和解決措施4.1大壩的灌漿澆筑拉西瓦水電站地處西北青藏高原,多年平均氣溫為7.3℃,氣候干燥、寒冷,氣溫年變幅、日變幅較大,太陽輻射熱強,寒潮頻繁又伴隨有大風,冬季施工期長。按照工程經(jīng)驗和規(guī)范,每年6～9月原則上不能進行接縫灌漿施工,且最小灌漿齡期為120d。大壩自2006年4月開始澆筑,2009年3月下閘蓄水,工期十分緊張,如仍采用常規(guī)的技術(shù)標準,則難以滿足施工進度。因此,研究能延長接縫灌漿時段、優(yōu)化技術(shù)標準的可行性方案,對于工程進度管理、按期下閘蓄水具有重要意義。4.2夏季封拱灌漿管理夏季封拱灌漿時,外界氣溫較高,由于熱量倒灌,表層混凝土不易于降低至封拱溫度,這樣,過冬時過高的灌后最低溫度與封拱溫度之差以及沿壩厚較大的溫度梯度會導致壩表面應(yīng)力較高。解決此問題的基本思路是減小夏季輻射熱的影響,加強表面保溫以及加快表層混凝土冷卻。采用有限元仿真詳細分析了夏季封拱灌漿產(chǎn)生表面高應(yīng)力的原因以及可能存在的工程風險,提出夏季封拱灌漿的具體工程措施。研究表明,加強表面保溫和加快混凝土冷卻是解決夏季封拱灌漿問題的基本措施?？紤]2008年不蓄水時,自重帶來的表面拱向拉應(yīng)力0.2MPa的增量,按照1MPa的拉應(yīng)力控制標準,推薦的工程措施為:上、下游表面采取15cm保溫板表面保溫,加快冷卻。為降低夏季高輻射熱的影響,夏季封拱灌漿區(qū)上、下游表面附近噴霧或灑水,營造局部小氣候。表面保溫是夏季封拱灌漿的重要工程措施,應(yīng)該加強保溫板粘貼的施工質(zhì)量,確保表面保溫效果達到設(shè)計要求。同時,應(yīng)該加強夏季封拱灌漿區(qū)表層混凝土的溫度監(jiān)測,確保表層混凝土封拱前溫度達到要求。采取適當?shù)墓こ檀胧┖?夏季是可進行接縫灌漿的。5水庫的溫度和裂縫5.1混凝土澆筑及養(yǎng)護拉西瓦大壩采取的溫控措施有:(1)選擇優(yōu)質(zhì)混凝土原材料,優(yōu)化混凝土配合比,提高混凝土自身的抗裂能力。(2)提高施工工藝,有效降低混凝土澆筑溫度。高溫季節(jié)5～9月份采取加冰、加4℃冷水拌和混凝土及風冷粗骨料等措施,控制約束區(qū)混凝土出機口溫度≤7℃,澆筑溫度≤12℃;控制非約束區(qū)混凝土出機口溫度≤12℃,澆筑溫度≤15℃。(3)合理的澆筑層厚及間歇期。采用薄層短間歇澆筑,以利層面散熱;間歇期控制在5～7d,以不超過10d為宜。(4)人工冷卻。進行初期、中期冷卻,以降低混凝土最高溫度和內(nèi)外溫差,為了進行接縫灌漿,還須進行后期冷卻,將壩體溫度降到穩(wěn)定溫度。(5)嚴格控制相鄰壩段高差。各壩段應(yīng)連續(xù)均勻上升,盡量縮短混凝土側(cè)面暴露時間;相鄰壩段高差不大于10～12m,最高壩段與最低壩段高差不大于30m。(6)加強混凝土表面養(yǎng)護。混凝土澆筑完畢12～16h后,及時灑水養(yǎng)護,保持混凝土表面經(jīng)常處于濕潤狀態(tài)。5～9月采用流水養(yǎng)護,表面流水冷卻開始時間以混凝土表面可以抵御流水破壞為準,間歇期內(nèi)連續(xù)養(yǎng)護,流水厚度6～8mm,水流速度不大于0.8m/s。對于短間歇均勻上升澆筑的混凝土,頂面應(yīng)在間歇期內(nèi)連續(xù)養(yǎng)護;間歇期超過1個月,連續(xù)養(yǎng)護時間不少于28d。(7)冬季施工及混凝土表面保護?？刂苹炷翝仓囟葹?～8℃,采用預熱骨料、加熱水拌和等措施提高混凝土出機口溫度,保證混凝土澆筑溫度不低于5℃。永久暴露面全年保溫;高溫季節(jié)澆筑的強約束區(qū)混凝土暴露面加厚保溫;各壩塊側(cè)面及上表面臨時保溫;適當推遲拆模時間,拆模時間為5～7d。5.2壩體澆筑裂縫拉西瓦實際發(fā)生裂縫中,Ⅴ類縫僅有1條,發(fā)生在11號壩段2313.5m高程,基本平行于壩橫縫,且沒有與廊道相貫穿,已按照設(shè)計要求進行了化學灌漿處理,并設(shè)了鋼筋。整個壩體澆筑過程中裂縫較少,且未發(fā)現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)性裂縫。截至目前,共發(fā)現(xiàn)Ⅳ類縫6條,Ⅲ類縫21條,Ⅱ類縫8條。壩體上發(fā)生的Ⅳ～Ⅱ類裂縫均按要求進行了處理,拱壩的安全不會因混凝土裂縫而受到影響。6高邊坡水墊塘設(shè)計研究消能建筑物由水墊塘、二道壩、護坦等組成。由于反拱水墊塘為新型結(jié)構(gòu),且水墊塘破壞可能會造成壩腳沖刷和引起兩岸高邊坡的失穩(wěn),損失巨大。因此確定水墊塘為1級建筑物,二道壩及下游護坦等為3級建筑物。二道壩位置受到了尾水洞出口布置的限制,壩后水墊塘長僅218.27m。為了提高水墊深并兼顧二道壩壩后流態(tài)平穩(wěn),根據(jù)水工模型試驗,二道壩頂高程2243.5m,下游最大水墊深32.25m。壩址天然河道為“V”形,兩岸邊坡陡峻,河道狹窄,谷底處于中偏高地應(yīng)力環(huán)境場中,坡腳開挖對高邊坡穩(wěn)定不利,也會觸及河谷底部高地應(yīng)力集中區(qū),增大工程量和施工難度。鑒于水墊塘具有“窄、短、淺”的特點,單位水體消能率達26.0kW/m3,采用了穩(wěn)定安全度高、對地形地質(zhì)條件適應(yīng)性好的反拱型水墊塘。在前人研究的基礎(chǔ)上,本工程反拱水墊塘設(shè)計提出了以下新的研究成果:(1)分析了反拱水墊塘消能工所適應(yīng)的地形、地質(zhì)及水力學條件。(2)對反拱水墊塘的結(jié)構(gòu)形式、錨固措施提出了明確建議。(3)研究了板塊之間分縫受力變形機制及拱結(jié)構(gòu)和錨固體系聯(lián)合受力工作機理,分析了縱縫閉合前后拱結(jié)構(gòu)和錨固體系的受力特點及穩(wěn)定機理。(4)規(guī)范和明確了反拱水墊塘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的荷載條件及荷載計算方法。(5)根據(jù)拱結(jié)構(gòu)將底板在上舉力作用下的上浮穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^拱結(jié)構(gòu)傳力到人工拱座的抗滑穩(wěn)定原理,提出了整體穩(wěn)定為影響反拱水墊塘穩(wěn)定的控制因素的結(jié)論。(6)研究并初步提出了局部穩(wěn)定的可能工況及破壞機理、分析評價方法和標準。(7)為適應(yīng)拱結(jié)構(gòu)和錨桿聯(lián)合協(xié)調(diào)受力的特征,提出了在錨筋表部設(shè)自由段的創(chuàng)新構(gòu)造措施。(8)提出反拱水墊塘體形設(shè)計圓心角一般控制在45°～80°,底板厚度宜不小于2m。(9)研究了反拱水墊塘的施工方法和質(zhì)量保證措施。7固結(jié)灌漿與邊坡壩段混凝土澆筑結(jié)合,有效控制大壩施工工藝(1)提出了高地應(yīng)力、高山峽谷地區(qū)特高拱壩建基面合理開挖形式,采用反弧形開挖減小了基礎(chǔ)部位了應(yīng)力集中、提高了建基巖體質(zhì)量。(2)壩基邊坡壩段采用了一期無蓋重與二期在壩內(nèi)引管的有蓋重固結(jié)灌漿相結(jié)合的兩期固結(jié)灌漿工藝,解決了固結(jié)灌漿與邊坡壩段混凝土澆筑相互制約的矛盾,加快了大壩施工進度。(3)有針對性地設(shè)計了一套單向出