溢流砼面板坝坝体溢洪道施工技术研究–哈密榆树沟水库坝体溢洪道施工技术总结

[摘要] 砼面板堆石坝在我国已得到了很大发展，施工工艺已经成熟，但在堆石坝体上修建溢洪道却是一个全新的课题，榆树沟水库坝体溢洪道填补了我国的这项空白，是迄今为止国内第一座、世界第三座堆石坝坝体溢洪道。该工程难度大、技术性强、要求标准高，且没有同类型工程施工技术和经验可借鉴。为此对该工程进行了周密的研究，拟定了合理的施工方案，应用了新工艺、新材料，取得了很好的效果。可以预见，该工程泄流后所取得的全面成果，将对我国砼面板堆石坝筑坝技术的进步和发展具有广泛的应用价值。
[关键词] 坝体溢洪道 水平锚筋 滑摸 高性能砼
1、绪论
1.1 课题的基本情况
“砼面板坝坝体溢洪道施工技术研究”是“溢流砼面板堆石坝关键技术研究”课题的一个子课题，该课题是由国家电力公司水电水利规划总院牵头，新疆农业大学为承担研究单位。陕西省水电工程局承担了施工技术研究这一子课题的研究任务。目前榆树沟水库工程已经结束，该子课题的研究任务也已完成。
1.2 国内外研究情况
在面板堆石坝坝体修建溢洪道，目前国内外建成的实例极少，根据检索，目前国内尚无建设先例，国外报道的工程仅有印尼的巴吐皮西坝和澳大利亚的克罗蒂坝，这两项工程仅有少量的定性报道,且均无正式过流。
2、工程概况
榆树沟水库为Ⅲ等中型水库工程，水库枢纽由砼面板堆石坝、坝体溢洪道、导流输水洞等建筑物组成。大坝最大坝高67.5m，坝顶长306m。
大坝溢洪道为开敞式坝体溢洪道，净宽22m，按纵向分为溢流堰、坝坡段、反弧段、缓坡段和下游无衬砌段。溢流堰为圆弧形实用堰，半径12.988m；坝坡段坡比I=0.65，中间设有两道掺气槽，将整个坝坡段分为三段，该段是整个工程施工的难点和重点，施工中采用了滑摸技术，突破了斜坡滑摸难以在非光滑平直段施工这一局限；反弧段为圆弧形，半径10m；缓坡段坡比I=0.1。溢洪道按横向由泄槽底板和导水墙组成，泄槽底板厚度60cm，导水墙为L型墙，详见图1。另外溢流堰上方为坝顶公路桥，分为三跨，标准跨距为8m，桥宽为-6+2×0.205m。
3、施工方案
坝体溢洪道施工无法避免的要和坝体回填以及坝顶公路桥交叉进行，这是其枢纽布置所固有的矛盾，因此该工程必须在确保整个水库工程总工期的前提下统筹安排，以使整个工程有条不紊的进行施工。该工程的施工程序如下：
 
 

 
坝体回填                                →溢流堰→公路桥
                       —→溢洪道坝坡段——→
预埋水平锚筋                            →缓坡段→无衬砌段
各段的施工工序为：先泄槽底板，后导水墙。
3.1 作为溢洪道地基的坝体填筑施工
由于坝体溢洪道是布置在堆石坝体上的砼结构，它对地基的变形非常敏感，因此该段堆石坝体填筑时必须达到合适的相对密度，使其具有较大的变形模量，以控制溢洪道的变形在安全的数量级内。设计及研究部门前期的原形观测表明：
 （1）堆石料的级配对坝体变形有一定的影响，当不均匀系数大于10；小于25m
颗粒含量接近30%时，其变形摸量较大。但如果选用细粒含量大的垫层料，将增大填筑料的制备成本，且透水性差，对通畅排水不利。
（2）坝料岩性对坝体的沉降变形影响不是很大，用硬岩填筑的坝体变形摸量并不比软岩高，因此应避免选用超硬岩作为坝体溢洪道地基的填筑料。
（3）碾压参数对堆石体的变形摸量影响较大。
基于上述研究及坝体填筑的碾压试验报告，榆树沟水库坝体溢洪道部位的堆石体填筑采用下述措施进行施工。
（1）采用最大粒径小于200mm；小于25mm的颗粒含量大于25%；小于0.1mm颗粒含量为0的填料填筑，其渗透系数大于A×10^-2cm/s，
（2）碾压标准高于其他部位，采用16吨拖式震动碾碾压，碾压遍数10遍（其他坝体为8遍）；铺料厚度为0.8m （其他部位为0.6-0.8m），并充分洒水。
（3）填筑相对密度大于0.85，其填筑范围超出溢洪道两边10m宽。
3.2 锚固件的施工
榆树沟水库坝体溢洪道泄槽底板及导水墙的锚固件的施工对整个工程具有举足轻重的作用，而坝坡段由于是整个溢洪道中位于回填坝体上的一段，其锚固件的施工则显得尤为重要。缓坡段位于基岩上，其锚筋采用常规的钻孔注浆法，本文不作叙述。
    坝坡段的锚固件为钢筋砼水平锚筋和阻滑板，钢筋砼水平锚筋即在Ф25锚固钢筋外包砼，断面尺寸500×500mm² ，长11m，其中末端1m垂直弯下，以增加整体的锚固性能，水平锚筋呈梅花型布置，间距2m。阻滑板位于掺气槽下方,为钢筋砼结构，主体全部嵌入坝体，详见图2。 
（1）埋设：水平锚筋及阻滑板的埋设必须和坝体填筑同时进行，如果采用现浇的方法施工，将大大影响作为控制性工期的坝体回填的上升速度，为加快进度，施工中采用预制砼，首先将该段坝体回填至水平锚筋顶部高程，再人工开挖锚筋槽子，预制块安装就位，阻滑板则为分块预制，安装就位后再现浇连接部位，使之成为一个整体。
（2）人工回填：锚固件安装完毕后仔细进行人工回填，为和坝体结合的更加紧密，选用较细的垫层料回填夹缝部位及上部20cm，手持震动夯夯实。人工回填完毕后再机械回填以上2m的坝体。
3.3泄槽底板及导水墙砼浇筑
这里主要介绍坝坡段泄槽底板和导水墙的施工，对缓坡段不作叙述。坝坡段分为如下工序：人工削坡——斜坡碾压——固坡砂浆垫层——掺气槽及阻滑板土方开挖——泄槽底板砼浇筑——导水墙及通气孔砼浇筑。
（1）固坡砂浆垫层：溢洪道段坝体填筑完毕后，即进行坝坡段人工削坡及斜坡碾压，砼浇筑前人工抹砂浆。砂浆抹面有三个作用：1、固坡，2、作为砼找平层，3、便于侧模安装固定。由于砂浆抹面平整度直接影响到泄槽底板的平整度，必须进行严格控制，正负误差控制在0.5cm以内。
（2）泄槽底板砼浇筑：坝坡段泄槽底板坡比I=0.65，是整个溢洪道施工的难点。由于坡度很陡，人工直接抹压不可能，如果采用覆盖模板的方法分仓浇筑，则不可避免的有模板缝造成的塄坎，影泄槽底板表面的光滑度。这两种方案均不予考虑，决定采用滑模技术浇筑。滑模技术具有以下优点：1、滑模缓慢提升，下部砼接近初凝，砼更容易成形；2、滑摸下部设有人工抹面平台，便于砼收光收平。但榆树沟水库溢洪道坝坡段在1972.7和1982.7高程处各有一道掺气槽和阻滑板，且阻滑板上部有高10cm的挑流坎，给模板滑升增加了很大的难度。施工中采用的措施是滑模“过桥”技术，用150×150方木桁架支撑，方木上部钉钢板作为滑道，滑模通过木桁架后及拆掉该桁架，再将滑模下滑至阻滑板位置，重新浇筑上层泄槽底板砼，详见图3。

该工程使用的滑模长14m（泄槽底板仓面宽10.98m）由钢板、角钢、槽钢等焊接而成，加上配重约7吨，由2台5吨卷扬机同时提升。滑模上部设有工作平台，人工平仓、振捣均在其上进行，工作平台上设有操作配电盘一个，并通过电缆和上部卷扬机相连，这样卷扬机的提升操作即可在工作平台上进行，滑模下部设有人工抹面平台，便于人工收面。详见图4。侧模采用带滑道的木模，滑道为L50×50角钢，支撑采用三角钢支撑，详见图5。
    （3）导水墙砼浇筑：导水墙为L型墙，浇筑时上部墙体模板一次安装到顶，下部底板只立侧模。底板表面人工直接抹压，浇筑顺序为自下而上跳槽浇筑，其他均同于常规的施工方法，此处不在详述。
（4）通气孔：在掺气槽两侧各设一个掺气用的通气孔，经设计部门同意，采用DN500玻璃钢管，外包30cm厚的素砼。通气孔和墙体一次性浇筑。
3.4溢流堰砼浇筑
溢流堰为圆弧型实用堰，半径12.988m， 堰体上部是坝顶公路桥。浇筑时先溢流堰，后桥台桥墩，溢流堰施工又分为如下工序：堰体段土方开挖——垫层料回填——板底拉筋——砂浆找平层——堰体浇筑。
(1) 堰体段土方开挖：依据设计，溢流堰低于坝顶5m，考虑到坝体填筑及上游面板的需要，回填时填至坝顶高程，该段面板浇筑完毕后再开挖至溢流堰设计高程。
   （2）垫层料回填：堰底为1m厚的垫层料，分两层摊铺，自行式振动碾碾压，边脚部位人工夯实。
   （3）板底拉筋：由于溢洪道修建在回填坝体上，为防止运行期间溢洪道及上游防渗面板产生不均匀沉陷而导致各个部位产生滑移，在溢流堰下部设有板底拉筋。为Ф25钢筋，分别穿过面板、堰体上下游齿槽和泄槽底板。穿过回填区域的拉筋全部外包100mm×100mm砼。
   （4）堰体砼浇筑：该工程溢流堰体为圆弧型，其特点是体积大（仓面最高点达3m，长宽均在11m以上），堰面下60cm布设双层钢筋，以下全部为素砼。施工中主要考虑浇筑强度满足要求和如何降低水化热的问题，为此采用了相应的施工措施：1、加强砼浇筑能力，使用大型拌和站拌和，2台6m³砼搅拌车运输，皮带输送机快速入仓，浇筑能力达到120m³/每班，基本满足要求。另外浇筑分层倾向上游，以最大限度的避免万一出现浇筑冷缝，而导致堰体不稳定。2、在素砼区大量抛毛石，毛石含量约占15%，以此达到降低水化热的目的。
3.5 坝体溢洪道地基渗流控制的施工措施
消除坝体溢洪道地基渗流，防止有害的浮托力产生，对设置在坝体上的泄槽的斜坡稳定性具有重要意义，根据设计要求，除采用常规的工程措施，如强化止水结构、加强趾板灌浆外，更应强调缓坡段泄槽底板下的排水及坝体的总体排水的施工措施。榆树沟水库坝体溢洪道采取的具体措施如下：
（1）加强坝体的排水能力，在坝底部靠近河床部位填筑强排水体（粗料堆积区），厚度12m，并与坝体溢洪道相通。
（2）缓坡段位于岸坡基岩之上，其泄槽底板及导水墙下设置网格排水沟，沟内回填粒径2-4cm砾石，这样形成的横向排水有利于消除泄槽地基的渗水。施工中部分区段由于地质因素出现超挖，该部位排水沟用浆砌石砌至设计高程，再回填砾石，这样超挖部分就可以一次浇筑。详见图6。
（3）严格控制坝料的渗透性，尽量选用渗透系数较大的材料填筑。
4、高性能砼在榆树沟水库坝体溢洪道中的应用
榆树沟水库坝体溢洪道坝坡段由于坡度很大，将要承受高速水流的冲刷，为防止泄槽底板，导水墙和挑坎局部产生空蚀破坏，提高砼的耐久性和抗裂能力，针对榆树沟坝体溢洪道的自然条件和施工条件，选用了高性能砼施工的新技术。
高性能砼是以矿渣微粉取代部分水泥，并添加高效的砼外加剂而拌制成的砼，其试验室配合比和强度指标如表1所示
 
表1   试验室砼配合比
 

 
 
                   表2   各试验组砼的技术性能
 

 
施工中实际选用H2配合比，结果显示，高性能砼与常态砼相比具有以下明显的优点：
（1）砼品质得到很大的改善，和易性很好，砼构筑物表面蜂窝麻面极少。
（2）大大提高了砼的抗裂能力，由于用矿粉取代了部分水泥，单方砼水泥用量减少，致使砼硬化初期的温升得以降低，有利于砼的抗裂限裂。榆树沟水库坝体溢洪道除在溢流堰上发现一条非贯通裂缝外，其余部位还未见裂缝。
（3）砼强度得到了很大的提高，其强度很容易就达到C45~C50，这有利于抗空蚀破坏。其抗冻能力达到D200，抗渗达到S12。该工程砼试块现场取样22组，平均抗压强度为45.7MPa。
5、结语
5.1 榆树沟水库坝体溢洪道的设置形式避免了岸边溢洪道引起的高边坡开挖，降低了溢洪道的落差，这样的枢纽布置外观紧凑漂亮，运行管理方便，降低了工程投资，取得了可观的经济效益。
5.2 坝体溢洪道特别适合于狭窄地区的大坝枢纽布置，对于中小型水库工程有很好的发展前景，结合榆树沟水库工程进行的坝体溢洪道施工工艺的研究，无疑对我国以后的类似工程的施工具有极大的推广应用价值。
5.3 坝体溢洪道施工遇到的较突出的问题是坝体的快速填筑与溢洪道水平锚筋砼埋设的矛盾，处理不好就会形成溢洪道坝段与其他坝段高差太大，进而影响坝体的填筑速度。即使是采用预制砼的办法，在榆树沟水库工程的施工中该矛盾也显得尤为突出。