寒區(qū)水利水電工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

鄭茂盛

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，130021，長春）

我國幅員遼闊，近一半的國土位于寒冷的高海拔和高緯度地區(qū)，多年凍土面積達(dá)215萬km2，冰凍寒冷的自然現(xiàn)象給這些區(qū)域的水利水電工程建設(shè)、運(yùn)行、管理以及生態(tài)環(huán)境帶來許多不利影響。在常規(guī)設(shè)計(jì)與施工基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決凍脹、融層、冰害對閘壩、渠系、堤防等工程所產(chǎn)生的危害是寒區(qū)水利水電工程設(shè)計(jì)與施工有別于常規(guī)工程的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。

中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 （以下簡稱中水東北公司）結(jié)合多年來寒區(qū)水利水電工程設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐，總結(jié)研發(fā)了大量行之有效的寒區(qū)水利水電工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)，對于保障寒區(qū)水利水電工程建設(shè)質(zhì)量、提高工程運(yùn)行管理水平、促進(jìn)寒區(qū)水利事業(yè)發(fā)展作出了積極貢獻(xiàn)。其中公司研發(fā)的寒冷地區(qū)面板堆石壩多項(xiàng)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)、土石壩瀝青混凝土防滲心墻低溫施工技術(shù)、寒冷地區(qū)露頂式弧門冬季運(yùn)行設(shè)計(jì)等技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，目前已成為寒區(qū)水利水電工程設(shè)計(jì)、施工的關(guān)鍵技術(shù)，在眾多寒區(qū)水利水電項(xiàng)目中得以應(yīng)用。

一、寒區(qū)混凝土面板堆石壩技術(shù)

混凝土面板堆石壩是在20世紀(jì)60年代振動(dòng)碾和裝運(yùn)工具出現(xiàn)后迅速發(fā)展起來的一種新壩型，這種壩型具有優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性，在我國水利水電建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。中水東北公司針對嚴(yán)寒地區(qū)面板堆石壩設(shè)計(jì)的特殊要求，在總結(jié)多個(gè)面板壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)，吸取國內(nèi)外水電工程施工建設(shè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了大量的科學(xué)試驗(yàn)和論證，使寒冷地區(qū)面板堆石壩技術(shù)日趨成熟。其中混凝土面板堆石壩抗冰凍止水結(jié)構(gòu)和配套施工、壩坡墊層料移動(dòng)邊墻施工、可控補(bǔ)償防裂混凝土等技術(shù)，經(jīng)過實(shí)踐證明具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的推廣價(jià)值，達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，對混凝土面板堆石壩技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推進(jìn)作用。

黑龍江蓮花水電站工程是我國在氣溫最低、溫差最大的嚴(yán)寒地區(qū)修建的第一座混凝土面板堆石壩。工程建設(shè)期間，一年中有半年時(shí)間處于冬季施工狀態(tài)。根據(jù)國外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，目前國外嚴(yán)寒地區(qū)雖有混凝土面板堆石壩興建 （絕對最低溫度到-36℃,高于蓮花壩的-45.2℃），但冬季不施工，而蓮花水電站大壩施工連續(xù)5年半未間斷，其中包括5個(gè)冬季。結(jié)合此工程特點(diǎn)，中水東北公司開展了有針對性的研究，成功地解決了高寒地區(qū)面板表面止水經(jīng)常受冰凍破壞等技術(shù)難題，填補(bǔ)了嚴(yán)寒地區(qū)混凝土面板堆石壩技術(shù)的空白。這一技術(shù)的實(shí)施不僅避免了每年的破壞維修，更重要的是確保了大壩的安全運(yùn)行，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。蓮花水電站工程2000年獲全國第九屆優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)銀獎(jiǎng)，且獲得了2001年度全國優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng)。

1.面板抗冰凍止水結(jié)構(gòu)和配套施工技術(shù)

寒冷地區(qū)面板壩冬季施工條件嚴(yán)酷，以往的止水結(jié)構(gòu)難以保證橡膠板與混凝土緊密接合。一方面當(dāng)庫水滲入到角鋼與橡膠板的接合部以及橡膠板與混凝土的接合面后，遇冷結(jié)冰凍脹，產(chǎn)生拉拔力，而冬季庫區(qū)冰蓋層形成后又對頂部止水產(chǎn)生巨大的凍脹水平推力；另一方面春季開江時(shí)冰面沉降，冰的自重對角鋼和橡膠止水蓋板又產(chǎn)生較大的拉拔力，同時(shí)風(fēng)浪、發(fā)電引起的動(dòng)水水流帶動(dòng)大塊冰排撞擊面板，很容易使水位變化區(qū)的頂部止水在拉扭和剪切力的共同作用下產(chǎn)生破壞。

中水東北公司結(jié)合寒區(qū)水電站工程實(shí)際情況及國內(nèi)面板壩工程運(yùn)行現(xiàn)狀，根據(jù)寒區(qū)面板頂部止水結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，從原材料優(yōu)選、止水構(gòu)件優(yōu)化、橡膠蓋板的使用功能拓展、橡膠蓋板的端頭處理工藝、止水結(jié)構(gòu)抗冰凍性能等方面開展了專項(xiàng)研究工作，設(shè)計(jì)出沉埋式面板表面止水結(jié)構(gòu)，并寫入 《混凝土面板壩止水規(guī)范》。這些成果應(yīng)用于工程實(shí)踐中，降低了冰脹力、冰推力和冰拔力作用，提高了面板頂部接縫止水的抗?jié)B性和抗冰凍性能，延長了接縫止水結(jié)構(gòu)使用壽命，保證了止水結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮整體止水效能，保證了壩體長期安全有效運(yùn)行。

2.混凝土面板堆石壩翻模固坡技術(shù)

墊層料坡面施工的常規(guī)方法為超填、削坡、坡面碾壓，即墊層料攤鋪超出設(shè)計(jì)線30 cm左右后進(jìn)行水平碾壓，待墊層料鋪填至10～15 m高后再進(jìn)行削坡整理和斜坡碾壓，然后再進(jìn)行水泥砂漿或噴涂陽離子乳化瀝青等固坡。上述施工方法工序復(fù)雜，墊層料超填和整理量大，施工工期長，且坡面長期空置無防護(hù)，容易受雨水沖刷，斜坡面墊層料密實(shí)度難以保證，很難為面板施工提供堅(jiān)固、平整的工作基面。尤其是對處于高寒地區(qū)的工程，如按傳統(tǒng)方法施工，施工工期相對較長，難以滿足工期要求。為有效解決這一問題，中水東北公司在對面板壩墊層料施工進(jìn)行廣泛調(diào)研和深入研究的基礎(chǔ)上，研制出混凝土面板堆石壩翻模固坡技術(shù)。

此技術(shù)與傳統(tǒng)施工方法相比，簡化了施工工序，加快了施工進(jìn)度，提高了施工靈活性，降低了工程造價(jià)。此外，固坡砂漿與墊層料施工一步到位，及時(shí)為面板施工提供了一個(gè)均勻、穩(wěn)定并具有低壓縮性、高強(qiáng)度的優(yōu)良工作基面。該基面還可以在汛期起到擋水作用，緩解工程度汛壓力，而且為解決寒冷地區(qū)面板壩混凝土防裂、抗凍等耐久性問題提供了技術(shù)儲備。此技術(shù)在吉林雙溝水電站、遼寧蒲石河抽水蓄能電站中得以應(yīng)用。

3.可控補(bǔ)償防裂混凝土技術(shù)

混凝土面板堆石壩以其就地取材、施工方便、工期短、造價(jià)低、安全性好受到國內(nèi)外壩工界普遍重視，而且成為當(dāng)今筑壩技術(shù)的一大趨勢。但是,由于堆石壩的面板是澆筑在墊層斜坡上的薄板，厚度小且不均勻，施工期裸露，對環(huán)境溫度和濕度變化影響較敏感，特別是在嚴(yán)寒地區(qū)，氣溫溫差大和混凝土干縮將使面板較薄部位產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，容易產(chǎn)生裂縫，影響防滲效果。因此對于以擋水為主要目的的水工混凝土面板，其防裂顯得尤為重要。提高堆石壩面板抗裂能力的有效方法是采用膨脹劑或減縮劑配制補(bǔ)償收縮混凝土。

遼寧蒲石河抽水蓄能電站地處寒冷地區(qū)，極端最高氣溫35.0℃，極端最低氣溫-38.5℃，極端溫差近73℃。中水東北公司結(jié)合蒲石河抽水蓄能電站工程建設(shè)開展了可控補(bǔ)償防裂混凝土技術(shù)研究，技術(shù)成果已經(jīng)在蒲石河水電站上庫趾板、面板混凝土中應(yīng)用，效果良好。其主要方法是：在考慮混凝土配筋率影響的前提下，從混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，通過在混凝土中摻入防裂劑、膨脹劑、高效減水劑、引氣劑、減縮劑、聚丙烯纖維及粉煤灰等技術(shù)，進(jìn)行可控補(bǔ)償收縮混凝土的試驗(yàn)研究，從定量的角度，給出混凝土減縮率大小及限制膨脹率的合理范圍，即滿足混凝土補(bǔ)償收縮后的最終變形（D）不大于混凝土的極限拉伸值（SK），以此指導(dǎo)工程技術(shù)施工設(shè)計(jì)。這種技術(shù)為工程施工提供了滿足設(shè)計(jì)要求的混凝土配合比，解決了東北地區(qū)混凝土面板防裂、抗凍等耐久性問題。

二、寒區(qū)土石壩瀝青混凝土防滲心墻施工技術(shù)

1.冬季低溫施工技術(shù)

采用鋪布碾壓和碾壓后利用金屬罩覆蓋等防風(fēng)保溫措施，使碾壓式瀝青混凝土冬季施工突破了施工規(guī)范對環(huán)境溫度（日平均氣溫小于5℃，風(fēng)速小于或等于4級）的限制，最低施工溫度達(dá)到-17℃，瀝青混凝土防滲心墻的碾壓施工質(zhì)量滿足芯樣孔隙率小于3%、抗?jié)B試驗(yàn)為不滲漏等設(shè)計(jì)使用要求。該技術(shù)在尼爾基水利樞紐主壩瀝青混凝土防滲心墻導(dǎo)流明渠段施工（-7℃～5℃范圍內(nèi)）中進(jìn)行了正式應(yīng)用，施工質(zhì)量檢測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，解決了寒冷地區(qū)碾壓式瀝青混凝土冬季低溫不能施工的技術(shù)難題。

采用滑（提）模施工工藝、利用耐高溫土工無紡布替代混凝土砌塊副墻，提高了澆筑式瀝青混凝土防滲心墻的整體防滲性和變形穩(wěn)定性，降低了工程造價(jià)。

2.振搗式瀝青混凝土防滲心墻施工工藝

該工藝首次應(yīng)用于尼爾基水利樞紐主壩瀝青混凝土防滲心墻導(dǎo)流明渠段的施工。振搗式瀝青混凝土施工新工藝的發(fā)明，在國內(nèi)外率先填補(bǔ)了瀝青混凝土碾壓式、澆筑式兩種傳統(tǒng)防滲心墻施工工藝之間的空白。該施工工藝不受瀝青原材料品種制約，施工設(shè)備簡單，造價(jià)低廉且符合施工實(shí)際，獲得國家專利。同時(shí)還研制出了瀝青混凝土防滲心墻施工刀式振搗器。

三、寒區(qū)露頂式弧門冬季運(yùn)行設(shè)計(jì)技術(shù)

寒冷地區(qū)汛期多集中在夏秋兩季，多數(shù)水庫在冬季沒有泄水要求，作為水庫泄水設(shè)備的閘門在冬季僅起擋水作用。由于寒冷地區(qū)冬季氣溫在0℃以下的時(shí)間相當(dāng)長，弧形閘門橡膠止水與側(cè)導(dǎo)軌接觸部位會發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象，對于冬季僅起擋水作用的閘門來說，不影響其作用，但對起供水作用的水庫，弧形閘門在冰凍情況下不能自由啟閉。針對這一情況，一些工程把閘門布置在庫區(qū)水面以下一定深度，避免冰凍對閘門造成影響。可是對有些工程來說，這種閘門布置方式要么投資巨大，要么實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)困難，得不償失。

中水東北公司研制的寒冷地區(qū)露頂式弧門冬季運(yùn)行設(shè)計(jì)技術(shù)成功地解決了這一技術(shù)難題。其技術(shù)方案是：電加熱器與油箱內(nèi)部固定連接，油泵通過管路分別與油箱連接，電機(jī)分別同每個(gè)油泵連接，油泵分別通過管路與控制閥組連接，控制閥組通過回油管與油箱連接，控制閥組通過管路與弧門埋件油腔連接。工作時(shí)，電加熱器將油箱中的油加熱，電機(jī)帶動(dòng)油泵工作，油泵將熱油從油箱通過管路經(jīng)控制閥組泵入弧門埋件油腔中，加熱后的導(dǎo)熱油到達(dá)弧門埋件油腔后，熱量通過弧門埋件表面散失，弧門埋件表面溫度升高，水封與弧門埋件座板表面之間的冰融化，消除冰凍力，從而實(shí)現(xiàn)閘門冬季的正常操作。

本套系統(tǒng)和設(shè)備可保證閘門加熱系統(tǒng)在-40℃條件下露頂弧門正常啟閉，對與混凝土接觸部分的埋件采取保溫隔熱措施，基本保證閘墩混凝土不受溫度劇烈變化的影響。系統(tǒng)可根據(jù)調(diào)度運(yùn)行要求及環(huán)境溫度實(shí)現(xiàn)運(yùn)行自動(dòng)化。經(jīng)水利部組織的專家組鑒定，該技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了寒冷地區(qū)弧門冬季運(yùn)行的空白，技術(shù)性能指標(biāo)和融冰效果達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

中水東北公司設(shè)計(jì)的豐滿永慶反調(diào)節(jié)水庫采用了此項(xiàng)技術(shù)，工程自2005年投入運(yùn)行以來的實(shí)踐表明，由該項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化的融冰加熱設(shè)備安全可靠，裝置的輸出功率可根據(jù)環(huán)境溫度的變化而變化，能保證-40℃環(huán)境溫度條件下正常啟閉操作露頂弧形閘門，并可按調(diào)度要求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，自動(dòng)運(yùn)行。目前該項(xiàng)技術(shù)成果已推廣應(yīng)用于黑龍江大頂山航電樞紐工程、遼寧蒲石河抽水蓄能電站、南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程、吉林哈達(dá)山水利樞紐工程等。

通過廣大設(shè)計(jì)科研人員對寒冷地區(qū)長期地開展工程設(shè)計(jì)與科學(xué)研究，中水東北公司在寒區(qū)工程技術(shù)創(chuàng)新方面取得了許多具有突破性的科研成果。公司擁有了先進(jìn)的寒區(qū)筑壩技術(shù)、工程抗冰凍技術(shù)、病害工程修復(fù)技術(shù)和工程安全評價(jià)能力，培養(yǎng)了一大批具有堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)、豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、勇于技術(shù)創(chuàng)新的優(yōu)秀科技人才。中水東北公司已成為我國水利水電，尤其是寒冷地區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)科研領(lǐng)域的重要技術(shù)隊(duì)伍，始終保持著行業(yè)內(nèi)寒區(qū)工程技術(shù)的領(lǐng)先水平。

隨著寒區(qū)經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，為加強(qiáng)水利科技基礎(chǔ)條件平臺建設(shè)，2008年3月，水利部依托中水東北公司組建了水利部寒區(qū)工程技術(shù)研究中心。這必將進(jìn)一步推動(dòng)寒區(qū)水工建筑物的結(jié)構(gòu)、材料、安全監(jiān)測等技術(shù)和裝備的研發(fā)，從而不斷提高寒區(qū)水利水電工程的建設(shè)和管理水平。