鲁地拉、功果桥水电站施工组织设计关键技术

黄天润

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065)

1 工程概况

鲁地拉水电站位于云南省大理州宾川县与丽江地区永胜县交界的金沙江中游河段上，是金沙江中游河段规划的一库八级梯级电站的第七级，上游为龙开口水电站，下游为观音岩水电站。电站是以发电为主，兼顾灌溉等综合利用的一等大(1)型工程。枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、右岸地下厂房、泄水底孔及表孔等组成，最大坝高140 m，水库正常蓄水位1 223.0 m，总库容17.18亿m3，电站装机6台，总装机容量2 160 MW。工程施工采用右岸导流隧洞枯水期导流、汛期导流洞和基坑(坝体缺口)联合度汛的导流方式，围堰挡水标准采用枯水期20年一遇，流量为2 170 m3/s，围堰过水标准为全年20年一遇，流量为10 700 m3/s。工程于2007年7月开工，2009年1月截流，2013年7月首台机发电，2014年10月完工。

功果桥水电站位于云南省大理州云龙县澜沧江干流上，上游为苗尾水电站，下游为小湾水电站，为大(2)型工程。枢纽建筑物由碾压混凝土重力坝、右岸地下厂房、泄水底孔及表孔组成，最大坝高105 m，正常蓄水位1 307.0 m，总库容3.16亿m3，电站共装机4台，总装机容量为900 MW。工程施工采用右岸导流隧洞枯水期导流、汛期导流洞和基坑(坝体缺口)联合度汛的导流方式，围堰挡水标准采用枯水期10年一遇，流量为2 110 m3/s，围堰过水标准采用全年20年一遇，流量为7 710 m3/s。工程于2007年8月开工，2008年11月截流，2011年9月首台机组发电，2012年6月完工。

2 施工组织设计关键技术

2.1 大断面导流隧洞进口布置及施工技术

鲁地拉、功果桥水电站均采用枯水期导流方案，各布置一条导流隧洞。鲁地拉导流洞断面尺寸为14.5 m×17.0 m(宽×高)，进口渐变段最大开挖断面尺寸为24.5 m×24.5 m；功果桥导流洞断面尺寸为16.0 m×18.0 m，进口渐变段最大开挖断面尺寸为28.0 m×24.0 m。鲁地拉水电站导流洞布置受地下厂房布置制约，布置在靠河侧，进口段洞顶及河侧围岩厚度相对较薄；两工程导流洞进口段裂隙发育、岩体破碎、地质条件差、围岩均为Ⅳ类，渐变段开挖尺寸大，存在较大的施工安全风险。根据地形地质条件，经布置方案综合比较，提出渐变段拉出洞外，采用明洞布置方案，大大减小了导流洞进口段开挖跨度，有利于进口段围岩及洞脸边坡安全稳定，有效降低了施工安全风险，取得了良好的技术经济效果。

图1 鲁地拉水电站上游土石-碾压混凝土混合过水围堰剖面示意(高程：m)

采取上述布置方案后，两导流洞进口段开挖尺寸分别为17.5 m×20.0 m及24.0 m×23.2 m，开挖跨度仍较大，合理的开挖程序和支护方案对洞室围岩稳定至关重要。通过多方案开挖程序、支护方案仿真计算、分析研究，提出采用“小分层、短进尺、小台阶”分序开挖，及时支护，控制围岩变形；顶层采用两侧导洞领先开挖，下部各层层厚4～5 m，采用“先中间开挖，后两侧开挖，先开挖靠河岩体厚度较薄地质条件较差的一侧”的开挖程序；采用钢支撑+系统锚杆(局部锚筋桩)+喷钢纤维混凝土支护，洞进口及裂隙发育段采用管棚或超前锚杆、超前灌浆加固措施；施工过程中加强变形监测，采用反演分析动态调整支护参数。功果桥导流洞进口段开挖跨度大，岩体风化强、卸荷严重、裂隙发育，为保证进口段围岩及洞脸边坡安全稳定，在洞脸边坡马道布置垂直悬吊锚筋桩，洞口周围布置4排水平锁口锚筋桩，洞口正上部洞脸布置一排100 t预应力锚索，锁口锚筋桩起到锁导流洞洞口及锁洞脸边坡坡脚双重作用。鲁地拉、功果桥水电站导流洞进口段开挖程序及支护方案的选择为复杂不良地质条件，特大断面洞室开挖、支护提供了成功实践经验及技术借鉴。

2.2 深厚覆盖层、大流量、高水头、长过水历时高土石过水围堰关键技术

鲁地拉水电站上游过水围堰堰基覆盖层厚度10～15 m，堰顶高程1 156.5 m，最大堰高34.5 m，围堰过流标准为全年20年一遇洪水，流量为10 700 m3/s，其中围堰过流6 940 m3/s，上下游水位差约17.5 m，单宽流量44.4 m3/(s·m)，最大流速23.5 m/s，具有围堰高、单宽过流量大、水头高、流速大、过水历时长等特点，根据已建工程经验，宜采用混凝土过水围堰；但混凝土过水围堰需在临时土石围堰保护下修建，施工程序复杂、工期长、工程量大、造价高。结合该工程过水围堰水力指标特点，通过水力学模型试验，对过水围堰堰型进行深入研究比较，创新提出土石—碾压混凝土混合过水围堰新堰型；对截流戧堤加高培厚形成土石堰体，上游边坡1∶1.5～1∶2，下游边坡1∶1.75，在下游边坡1 139.0 m(低于下游围堰堰顶2.0 m)高程设20 m宽消能平台，堰体采用混凝土防渗墙防渗，堰顶及下游堰面采用碾压混凝土防护，考虑碾压混凝土施工要求，混凝土厚度采用4.0 m，下游堰面碾压混凝土设置消能台阶，形成台阶堰面。鲁地拉水电站上游土石—碾压混凝土混合过水围堰剖面示意见图1。

该围堰具有以下创新点：①首次将土石堰体与碾压混凝土有机结合，形成土石—碾压混凝土混合过水围堰新堰型，极大提高了堰面的抗冲效果及围堰的安全性，充分发挥了两种材料施工简便、快速的特点，加快了过水围堰施工进度，大大节约了工程投资；②首次将台阶消能技术应用于过水围堰下游堰面，形成了过水围堰“大陡坡台阶消能+下游消能平台面流消能”两级联合消能模式，提高了消能效果；③围堰过水初期，利用围堰过流直接对基坑充水，不需设置预充水设施，简化了基坑充水方式；④发展了过水围堰“金边银脚”防冲理念，对围堰下游堰肩岸坡清坡开挖，锚杆锚固及贴坡混凝土防护，达到过流顺畅及堰肩防冲的目的，对下游堰脚挖除覆盖层，堰脚混凝土坐落在基岩上，满足基础抗冲要求。围堰运行了4个汛期，其中2009年～2010年两个汛期围堰过水历时近4 300 h，2009年过流期间未断流，过流历时达2 230 h，过流期间坝址最大流量9 000 m3/s，围堰最大过流量5 225 m3/s，最大过堰单宽流量32.5 m3/(s·m)，上下游水头差17.1 m，消能平台最大流速约20 m/s，围堰安全度汛。该围堰的成功应用，为大流量、高水头、高流速、长过水历时过水围堰提供了新选择[1]。

功果桥水电站上游围堰采用土石过水围堰，堰基覆盖层厚度约30 m，堰顶高程1 262.5 m，堰顶至基坑基岩面高度达52.5 m，围堰过流设计标准为全年20年一遇洪水，流量为 7 710 m3/s，其中，围堰过流量4 710 m3/s，上下游水位差约10.5 m，围堰过流单宽流量28.4 m3/(s·m)，属于深厚覆盖层、大流量、高土石过水围堰。通过水力学模型试验及水力学数值仿真分析计算，对上下游过水围堰水头落差合理分配、消能平台布置、堰面及堰脚水力特性与防护方式、基坑充水、堰面排水等进行系统研究；提出围堰下游堰面采用1∶4.5缓坡，后接二级宽消能平台(平台宽度分别为30 m及20 m)的堰型布置。对“面、边、脚”三个防护重点进行深入研究，提出了“固面、金边、银脚”防护的设计理念，堰面采用1.0 m厚混凝土板防护，堰肩采用贴坡混凝土防护，消能平台及堰脚覆盖层边坡采用厚6.0 m C7.5胶凝砂砾石(CSG)防护。形成了深厚覆盖层、大流量、高土石过水围堰设计成套技术。围堰经过两个汛期过水，堰面最大流速12.83 m/s，围堰完好无损，安全度汛[2- 4]。功果桥水电站上游土石过水围堰剖面示意见图2。

图2 功果桥水电站上游土石过水围堰剖面示意(单位：尺寸cm；高程m)

2.3 高碾压混凝土重力坝岸坡非溢流坝段缺口导流关键技术

鲁地拉、功果桥水电站中期导流均采用导流隧洞与坝体缺口联合过流的导流度汛方式。鲁地拉水电站度汛流量12 200 m3/s，缺口下泄7 500 m3/s；功果桥水电站度汛流量7 710 m3/s，缺口下泄4 700 m3/s。一般情况下，大坝度汛缺口布置在河床溢流坝段，有利于缺口过流消能防冲，但溢流坝段是控制大坝施工进度的关键项目，缺口过流对溢流坝段施工产生较大影响。鉴于此，提出在大坝岸坡非溢流坝段布置导流缺口的设计理念，开展了《高碾压混凝土重力坝岸坡坝段缺口导流关键技术研究》专题研究。通过水力学模型试验、数值仿真计算、分析论证，对缺口布置、缺口水力特性、运行模式、消能防冲、温控防裂、缺口施工进行了系统深入研究，确定鲁地拉工程缺口宽度45 m，缺口单宽流量167 m3/(s·m)，功果桥工程缺口宽度67 m，缺口单宽流量67 m3/(s·m)。研究提出：①在统筹施工进度安排及度汛要求的条件下，合理确定缺口高程，缺口高程宜尽可能降低，以减少上下游水位差，有利于消能防冲；②缺口宽度应适中，从简化消能防冲措施、降低工程费用考虑，缺口单宽流量不宜过大，缺口布置不宜进入坝肩槽开挖范围，使过缺口水流顺畅进入下游河床，减轻对岸坡冲刷；③功果桥水电站缺口上下游水位差较小，约5.0 m，单宽流量小于70 m3/(s·m)，采用缺口跌流+面流扩散消能，消能效果良好，对下游基坑及岸坡采取适当防护可满足防冲要求；④鲁地拉水电站上下游水位差较大，约25 m，单宽流量大，采用“导墙疏导+高尾坎消力池+侧向迭流至溢流坝后戽式消力池+扩散”多级消能方式，有效控制了对河床基坑及下游围堰的冲刷；⑤缺口出口消能区基坑及岸坡加强防护，其他下游岸坡防护与永久防护结合；⑥做好下游围堰上游面抗冲保护，确保下游围堰安全运行；⑦缺口过流前采用冷却水管通水冷却及表面流水养护，降低缺口混凝土温度，布设防裂钢筋网，防止过流冷击产生温度裂缝，缺口回填施工采用大升层或连续上升快速施工方案。岸坡非溢流坝段缺口导流度汛综合技术成功应用于鲁地拉、功果桥水电站，大大加快了大坝施工进度，实现了首台机发电工期目标，技术经济效益显著[5]。

2.4 PL掺合料

鲁地拉水电站大坝碾压混凝土工程量较大，掺合料用量多，面对云南粉煤灰供应紧张等现实条件，通过掺合料调研分析，提出采用攀枝花磷矿渣+永保水泥厂石灰岩(PL)混合料作为掺合料的方案，针对PL掺合料及粉煤灰+火山灰掺合料进行掺合料细度、掺合料配比、掺合料掺量对混凝土性能影响及碱活性抑制等系统试验研究，推荐采用PL混合料作为鲁地拉水电站大坝碾压混凝土掺合料，掺量55%～60%，P、L料各占50%，磷矿渣粉比表面积按350 m2/kg控制，石灰石粉细度按45 um筛余量20%控制，磷矿渣粉及石灰石粉均在永保水泥厂加工，按1∶1混合后出厂。PL掺合料具有以下特点：在掺量为50%以上时对骨料碱活性有明显抑制作用，可降低水泥用量8～9 kg/m3，混凝土抗压强度略高于粉煤灰混凝土，轴拉强度及极限拉伸值略高，干缩大于粉煤灰混凝土，自生体积变形膨胀值略低于粉煤灰混凝土等，是性能良好的碾压混凝土掺合料[6-7]。

2.5 干热河谷高碾压混凝土重力坝温控防裂技术

鲁地拉水电站坝址所处地区年平均气温21.9 ℃，年降雨量483 mm，多集中在7月～9月，年蒸发量2 353.9 mm，年平均日照时数2 842.6 h，年平均风速1.9 m/s，与黄河拉西瓦水电站相当，最大风速30 m/s，全年日温差大于10 ℃的天数平均达236.2 d，多集中在旱季10月～6月。综上所述，鲁地拉水电站具有年平均气温高、日照强烈、气候干燥、日温差大、风大、干热季时间长等特点，气象条件差，碾压混凝土施工及温控防裂难度大。为此开展了《干热河谷高碾压混凝土重力坝温控技术研究与应用》专题研究。通过混凝土碾压性能仿真试验及混凝土性能与配合比试验、多方案大坝混凝土温度、应力仿真分析计算，系统研究了环境温度与VC值及凝结时间的关系、VC值与凝结时间的关系、混凝土外加剂与混凝土性能及配合比，揭示了大坝初期、中期(度汛期)、后期(蓄水期)温度应力分布规律及气温骤降、日温差、年气温变幅引起的表面应力变化规律。

结合研究成果及已建工程经验，可得到如下结论：①水泥内MgO含量控制在3.5%～5.0%，采用高效缓凝碱水剂、PL掺合料，优化混凝土配合比，以降低水泥用量；②采用低VC值，出机口VC值控制在1～3 s，仓面VC值控制在3～5 s，保证层面良好结合；③预冷骨料、加冰及冷水拌和混凝土，控制出机口温度不大于12 ℃；④加强运输过程及仓面保温覆盖，卸料平铺后及碾压后立即覆盖保温材料遮阳隔热，仓面喷雾保湿降温，有效减小混凝土温度回升及VC值损失，控制混凝土浇筑温度不大于17 ℃；⑤全坝埋设冷却水管，在混凝土碾压完毕后及时通水冷却，降低混凝土温升，控制混凝土最高温度；⑥对混凝土表面覆盖保温材料，防止日温差及气温骤降产生的温度应力不利影响，加强混凝土表面保湿养护，层面采用流水养护，上下游坝面及侧面采用花管喷水养护，上下游永久暴露面养护时间不小于混凝土设计龄期，浇筑块侧面及顶面养护时间不小于28 d或至混凝土覆盖；⑦采用温控智能控制系统，实时监测坝体温度分布，实现冷却通水智能化控制，根据监测资料进行坝体温度应力反分析，实时调整温控措施。干热河谷碾压混凝土重力坝温控防裂成套集成技术在鲁地拉工程成功应用，温控效果良好[6-7]。

3 结 论

在鲁地拉、功果桥水电站中成功应用的一系列关键技术，为工程建设提供了重要技术保障，取得了显著的技术经济效益。

(1)鲁地拉、功果桥水电站导流洞进口段开挖程序及支护方案的选择为复杂不良地质条件，特大断面洞室开挖、支护提供了成功实践经验及技术借鉴。

(2)以鲁地拉水电站工程为依托，提出了土石—碾压混凝土混合过水围堰新堰型，形成了高土石过水围堰设计、施工成套关键技术，为大江大河大流量、深厚覆盖层、高水头、长过水历时高土石过水围堰设计施工提供了安全可靠的技术方案及实践经验，发展和完善了过水围堰设计施工技术，推进了过水围堰技术进步。

(3)提出了高碾压混凝土重力坝采用岸边非溢流坝段缺口导流度汛的新思路，针对大单宽流量、高水头差的岸坡坝段缺口度汛，提出“大导向+多级消能+分层次防护”的消能防冲方式，形成了岸边非溢流坝段缺口导流度汛系列技术，有效加快了大坝施工进度，取得了显著的技术经济效益。

(4)提出了PL掺合料掺配比例、加工工艺及质量控制标准，为PL料的推广应用提供了重要依据。

(5)集成提出了干热河谷高碾压混凝土重力坝温控防裂综合技术，可在类似工程建设中推广应用。