黑龍江省奮斗水庫工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及建設(shè)模式實(shí)踐

王志興,蒲道巍,王天祎

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 基本情況

奮斗水庫位于黑龍江省穆棱市，距穆棱鎮(zhèn)東南14.1 km的穆棱河干流上游。壩址所在地氣候劃分屬于嚴(yán)寒地區(qū)[1-2]。水庫建成后，通過水資源的合理配置，近期可滿足穆棱、興源、下城子、馬橋河、河西、福祿、八面通7個(gè)城鎮(zhèn)，穆棱和八面通2個(gè)林業(yè)局及雞西市梨樹區(qū)的用水需求，緩解穆棱市各城鎮(zhèn)工業(yè)及居民生活用水緊張的現(xiàn)狀局面[3]。

奮斗水庫是以城鎮(zhèn)供水為主，結(jié)合防洪，兼顧灌溉和發(fā)電等綜合利用的大型水庫，水庫設(shè)計(jì)總庫容1.65億m3，水庫總庫容為1.91億m3。工程總投資14.16億元，采用PPP投融資模式。水庫近期補(bǔ)給城鎮(zhèn)供水量4100萬m3，遠(yuǎn)期補(bǔ)水量6300萬m3；防洪保護(hù)面積(城鎮(zhèn))6.42萬hm2；補(bǔ)償灌溉面積1.16萬hm2，多年平均灌溉年補(bǔ)水量970萬m3；生態(tài)基流量2800萬m3；總裝機(jī)容量4000 kW，多年平均發(fā)電量1060萬度，年利用小時(shí)數(shù)2650 h。

奮斗水庫工程等別為Ⅱ等，樞紐組成包括碾壓混凝土重力壩、壩后式電站廠房、引發(fā)電進(jìn)水口、魚道工程等部分。其中，全斷面碾壓混凝土重力壩(RCC壩)最大壩高45.9 m，壩頂高程385.9 m，壩頂軸線長406 m，共分22個(gè)壩段。電站由主廠房、副廠房、尾水渠等部分組成，裝機(jī)3臺(tái)。豎縫式魚道主要解決細(xì)鱗魚、茴魚等繁殖期的上溯過壩問題，同時(shí)兼顧上下游其他魚類的交流。魚道布置在右側(cè)山坡上，主要建筑物包括進(jìn)魚口、過魚池、休息池和出魚口等。

2 碾壓混凝土重力壩關(guān)鍵技術(shù)

2.1 碾壓混凝土壩特點(diǎn)

碾壓混凝土重力壩是采用自卸汽車或皮帶輸送機(jī)將干硬性混凝土運(yùn)到倉面，以推土機(jī)平倉，分層填筑，振動(dòng)壓實(shí)成壩。碾壓混凝土重力壩有以下特點(diǎn)：單位體積膠凝材料用量少，單位體積用水量少，抗凍、抗沖和抗?jié)B等耐久性能比常態(tài)混凝土差。奮斗水庫重力壩采用碾壓混凝土筑成，是環(huán)保型、節(jié)約型和安全性大壩，該壩施工采用RCC工法。寒區(qū)碾壓混凝土是指干硬性的混凝土拌和分薄層攤鋪并經(jīng)振動(dòng)碾壓密實(shí)的混凝土，其抗?jié)B、抗凍性指標(biāo)應(yīng)符合嚴(yán)寒地區(qū)的要求[4-5]。

碾壓混凝土突出特點(diǎn)是要求施工速度快，這對(duì)奮斗水庫壩體質(zhì)量控制和溫度控制有利。該壩碾壓層面多而薄，快速施工的目的就是在下層碾壓混凝土初凝之前，上層碾壓混凝土必須碾壓完畢，從而使層間混凝土能夠達(dá)到良好的層面結(jié)合效果[6-7]。碾壓混泥土快速施工的優(yōu)點(diǎn)，可以減少混凝土層面與外界的接觸時(shí)間，從而減少外界與碾壓混凝土的熱量交換，能更好的控制混凝土的澆筑溫度。

RCD和RCC是現(xiàn)行碾壓混凝土壩體施工的兩種工藝。其中，RCC工法采用類似土石壩填筑的施工技術(shù)和工藝，將干硬性混凝土快速的全面分層振動(dòng)壓實(shí)。RCD工法連續(xù)澆筑，平倉幾層，一次碾壓，上下游面和基礎(chǔ)結(jié)合處用常態(tài)混凝土外包以解決壩體的防滲、抗凍、防沖。

根據(jù)奮斗水庫碾壓混凝土與常態(tài)混凝土的配合比及性能試驗(yàn)資料分析，碾壓混凝土水泥用量少、高摻粉煤灰，早期強(qiáng)度比常態(tài)混凝土低，但后期(長齡期)強(qiáng)度增長顯著；早期變形性能和耐久性也比常態(tài)混凝土遜色，主要表現(xiàn)在碾壓混凝土的極限拉伸值和抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果不如常態(tài)混凝土；碾壓混凝土絕熱溫升明顯低于常態(tài)混凝土，對(duì)奮斗水庫大壩的溫控防裂十分有利。

2.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

奮斗水庫工程合理使用年限為100 a，碾壓混凝土重力壩合理使用年限100 a。防滲體系設(shè)計(jì)及層間滲流控制是奮斗水庫碾壓混凝土重力壩的關(guān)鍵難點(diǎn)。防滲體系包括壩體防滲和基礎(chǔ)截滲。

考慮到奮斗水庫年有效暖季施工期短，壩體防滲型式選擇是影響碾壓混凝土施工速度的重要因素?；A(chǔ)截滲采用帷幕灌漿，屬于常規(guī)設(shè)計(jì)施工工藝。碾壓混凝土壩層、縫面處理的質(zhì)量是層間滲流控制的關(guān)鍵點(diǎn)。防滲體系設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)正確選擇碾壓混凝土壩層、縫面的處理方案。奮斗水庫碾壓混凝土層間結(jié)合質(zhì)量受拌和物特性、季節(jié)、天氣、施工方法、上下游不同區(qū)域等多元因素影響。

由于壩址所在地區(qū)，最冷月多年平均氣溫-17.9 ℃，防滲體系的抗凍等級(jí)為F300，抗?jié)B性指標(biāo)W6。

2.2.2 邊界分析

奮斗水庫層(縫)面是碾壓混凝土壩滲流的薄弱面，是形成集中滲漏的主要通道。層間滲水提供了豐富的可凍結(jié)水，對(duì)碾壓混凝土壩的整體抗凍性很不利，進(jìn)而大大縮短碾壓混凝土壩的合理使用年限。

根據(jù)文獻(xiàn)[8-13]，碾壓混凝土在正溫與負(fù)溫交替作用下發(fā)生表面剝落、開裂、強(qiáng)度降低、結(jié)構(gòu)疏松乃至破壞的現(xiàn)象稱為凍融破壞。碾壓混凝土凍融破壞以多種形式出現(xiàn)，有內(nèi)部破壞、也有表面破壞。碾壓混凝土中出現(xiàn)相互連通的毛細(xì)孔隙和可凍結(jié)水越多，對(duì)碾壓混凝土的凍結(jié)破壞越大。

碾壓混凝土結(jié)構(gòu)中孔的大小和分布對(duì)奮斗水庫碾壓混凝土的抗?jié)B性有極大的影響，一般認(rèn)為100 nm以上的孔對(duì)強(qiáng)度、抗凍性和抗?jié)B性是有害的。碾壓混凝土滲流呈各向異性，其抗?jié)B性受膠凝材料用量、水灰比、層(縫)面結(jié)合、壓實(shí)度等因素影響。

長間歇處理后的施工縫面有可能較連續(xù)上升的層面弱。沿著碾壓混凝土壩層(縫)面的滲流現(xiàn)象稱為層間滲流[14-15]。通過調(diào)查國內(nèi)外已建碾壓混凝土壩的運(yùn)行情況或在建碾壓混凝土壩的壓水試驗(yàn)成果，層間滲流問題特別突出。

奮斗水庫碾壓混凝土本體的滲透性基本上與常態(tài)混凝土相當(dāng)。當(dāng)膠凝材料用量超過150 kg/m3時(shí)，碾壓混凝土本體的滲透系數(shù)可達(dá)到1×10-10cm/s或更低。本體不成為控制滲流的薄弱環(huán)節(jié)。碾壓混凝土本體配合比中膠凝材料過少，無法碾壓密實(shí)；或碾壓混凝土的灰漿量較少，運(yùn)輸平倉時(shí)容易使骨料分離，留下松散的滲水層，是造成本體整體抗?jié)B性能差的重要原因[14]。

2.2.3 防滲體系設(shè)計(jì)

對(duì)奮斗水庫碾壓混凝土重力壩上游面防滲體系擬定了三個(gè)可行方案[8]。方案一：上下游面均采用常態(tài)混凝土防滲，即“金包銀”結(jié)構(gòu)型式的防滲方案。方案二：上游面設(shè)鋼筋混凝土面板防滲，簡稱鋼筋混凝土面板防滲方案。方案三：大壩上游面采用二級(jí)配碾壓混凝土，其中在上下游模板附近50 cm采用變態(tài)混凝土，死水位以下上游面涂防滲材料，簡稱二級(jí)配碾壓混凝土防滲方案。通過對(duì)三個(gè)方案的比較，方案一工期較長，方案二施工工序復(fù)雜、難度大，方案三施工簡便，目前國內(nèi)工程應(yīng)用較廣，推薦方案三。防滲層水力坡降i=15，上游面采用1.0 m厚變態(tài)混凝土，添加防滲劑，1.0 m變態(tài)混凝土后接2.5 m摻有防滲劑的碾壓混凝土過渡面。所有壩塊橫縫均設(shè)兩道止水，為紫銅片止水，止水片間距50 cm，其中第一道止水布置在樁號(hào)壩上0～002.45 m，溢流壩面橫縫內(nèi)設(shè)一道紫銅片止水，穿過各壩段的廊道周圍設(shè)一道紫銅片止水。

各方案的材料分區(qū)詳見圖1～圖3。防滲方案上游面材料分區(qū)參數(shù)詳見表1。

表1 各擬定方案材料分區(qū)表

圖1 方案1 常態(tài)混凝土防滲分區(qū)剖面圖

圖2 方案2 變態(tài)混凝土防滲分區(qū)剖面圖

圖3 方案3 瀝青混凝土防滲分區(qū)剖面圖

各方案的冷縫、施工縫及越冬層面采取嚴(yán)格的處理措施，保證層間結(jié)合質(zhì)量。連續(xù)上升鋪筑的碾壓混凝土，層面間隔時(shí)間應(yīng)控制在直接鋪筑允許時(shí)間內(nèi)。超過直接鋪筑允許時(shí)間的層面，應(yīng)先在層面上鋪筑墊層拌和物，再鋪筑上一層碾壓混凝土。超過了加墊層鋪筑允許時(shí)間的層面應(yīng)按施工縫處理。

奮斗水庫碾壓混凝土重力壩防滲體系各擬定方案均具有防滲性能好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。但是，變態(tài)混凝土防滲方案相對(duì)其他方案，具有施工速度快、水泥用量小、防滲性能好、可靠性高、感觀效果好等優(yōu)點(diǎn)。因此，奮斗水庫壩體防滲采用變態(tài)混凝土。

2.3 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 建設(shè)工期短

奮斗水庫工程位于我國嚴(yán)寒地區(qū)，該地區(qū)氣溫晝夜變化大、季節(jié)溫差大，最冷月(1月)極端氣溫-44.1 ℃，最熱月(6月)極端氣溫37.4 ℃，溫差幅度達(dá)81.5 ℃。根據(jù)本地氣象資料分析，本工程年暖季施工期很短，約6個(gè)月。若扣除雨季、高溫時(shí)段等影響，年有效暖季施工期就更短了。

因此，奮斗水庫整個(gè)設(shè)計(jì)過程中采用可視化的“三維協(xié)同設(shè)計(jì)”，可以清晰進(jìn)行工程碰撞分析，可以快速進(jìn)行專業(yè)交叉協(xié)調(diào)布置。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中注重全方位考慮施工管理、施工工藝、施工材料供應(yīng)等難易程度，確保了奮斗水庫工程在緊張的工期內(nèi)順利實(shí)施，早日發(fā)揮工程效益。

2.3.2 梯級(jí)調(diào)節(jié)度汛

施工期間，為了降低圍堰度汛、壩體臨時(shí)度汛的難度，對(duì)具備條件的水庫群應(yīng)考慮梯級(jí)調(diào)蓄及調(diào)度。穆棱河奮斗水庫壩址上游已建成的梯級(jí)為團(tuán)結(jié)水庫，團(tuán)結(jié)水庫屬于大(2)型水庫，與奮斗水庫形成串聯(lián)水庫。團(tuán)結(jié)水庫原設(shè)計(jì)是以灌溉、供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、養(yǎng)魚和多種經(jīng)營的綜合利用大型水庫，其設(shè)計(jì)特性指標(biāo)詳見表2。

表2 團(tuán)結(jié)水庫設(shè)計(jì)特性指標(biāo)表

奮斗水庫根據(jù)穆棱河干流中上游各水文站資料，插補(bǔ)延長及實(shí)測資料還原后組成的1956—2013年共58 a連續(xù)系列資料[3]。水庫群水利計(jì)算應(yīng)在滿足各水庫承擔(dān)任務(wù)要求前提下，以水庫群整體效益最優(yōu)為計(jì)算目標(biāo)[16]。水庫群防洪水利計(jì)算應(yīng)分析防洪保護(hù)對(duì)象的防洪要求，擬定水庫群的聯(lián)合防洪調(diào)度方式，計(jì)算確定各水庫防洪庫容和預(yù)留時(shí)間。

奮斗水庫施工導(dǎo)流方式是影響碾壓混凝土重力壩快速施工的關(guān)鍵因素之一。為了盡量降低對(duì)施工速度的影響，奮斗水庫采用一次攔斷河床圍堰法導(dǎo)流。該導(dǎo)流方式能形成較大作業(yè)面，便于兩岸交通布置，從而保證上壩強(qiáng)度。影響碾壓混凝土重力壩快速施工的因素主要有作業(yè)面大小、上壩強(qiáng)度高低、溫控措施難易、結(jié)構(gòu)布置等，其中作業(yè)面大小與導(dǎo)流方式密切相關(guān)。奮斗水庫導(dǎo)流建筑物的洪水標(biāo)準(zhǔn)采用10 a一遇，壩體臨時(shí)度汛標(biāo)準(zhǔn)采用20 a一遇。導(dǎo)流建筑物由上游圍堰、下游圍堰及導(dǎo)流隧洞組成。

施工期間，充分利用團(tuán)結(jié)水庫的調(diào)蓄及調(diào)度，從而降低圍堰度汛、壩體臨時(shí)度汛的難度。大汛期間利用團(tuán)結(jié)水庫的調(diào)蓄能力進(jìn)行削峰，從而緩解奮斗水庫施工期間度汛壓力，并取得了明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

2.3.3 溫度及裂縫控制難度大

工程所在地區(qū)晝夜溫差大、季節(jié)溫差大，對(duì)壩體施工期及運(yùn)行期的溫控很不利，對(duì)奮斗水庫碾壓混凝土重力壩的基礎(chǔ)溫差、內(nèi)外溫差及上下層溫差波動(dòng)保持在規(guī)定范圍內(nèi)，其難度很大。為了控制裂縫，應(yīng)選擇合適的澆筑時(shí)間及溫控措施，改善溫度場的分布，減小不利拉應(yīng)力影響，確?；炷恋氖┕べ|(zhì)量。

奮斗水庫碾壓混凝土重力壩溫度進(jìn)行分區(qū)控制，共三個(gè)區(qū)：Ⅰ區(qū)(基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū))混凝土是指距基巖0.2 L以內(nèi)的混凝土，L為澆筑塊的長邊。Ⅱ區(qū)(基礎(chǔ)弱約束區(qū))混凝土是指距基巖0.2 L～0.4 L范圍內(nèi)的混凝土。 Ⅲ區(qū)(非約束區(qū))除Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)混凝土以外的混凝土。

奮斗水庫鋼襯管下彎段與斜直段連接、斜直段與壩體相接觸及壩體與上彎段相銜接等部位容易出現(xiàn)較大環(huán)向和軸向拉應(yīng)力[17-19]。澆筑季節(jié)影響鋼襯管的溫度應(yīng)力大小，對(duì)最高溫度區(qū)域的位置影響不大。通過優(yōu)選澆筑季節(jié)，降低鋼襯管主要部位的溫度梯度，延緩因溫度場變化而引起較大拉應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間，降低施工期間外包混凝土開裂的可能性。鋼襯管各部位的進(jìn)度計(jì)劃宜安排在低溫季節(jié)施工。

2.3.4 越冬保護(hù)

奮斗水庫工程所在地10月份進(jìn)入低溫季節(jié)施工，考慮到碾壓混凝土的設(shè)計(jì)齡期為90 d，對(duì)9月份及以后澆筑的碾壓混凝土需要采取措施保證安全越冬。碾壓混凝土重力壩為少筋或不配筋結(jié)構(gòu)，當(dāng)碾壓混凝土內(nèi)外溫差過大時(shí)，因缺少約束容易由表面裂縫發(fā)展成貫穿性裂縫。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，并總結(jié)國內(nèi)失敗教訓(xùn)，奮斗水庫施工現(xiàn)場積極采取混凝土溫控、未達(dá)齡期混凝保溫越冬等措施。壩體高程344 m以下混凝土采用水體保溫，保證壩體順利越冬。具體做法：向上下游圍堰圍成的基坑充填河水，被保護(hù)壩體頂上水深應(yīng)超過當(dāng)?shù)刈畲髢鼋Y(jié)深度。第二年施工時(shí)，對(duì)越冬層面進(jìn)行鑿毛處理，在上層混凝土澆筑前攤鋪一層高標(biāo)號(hào)水泥砂漿，并于越冬層面設(shè)置鋼筋和止水。

3 奮斗水庫PPP模式

3.1 PPP模式運(yùn)轉(zhuǎn)

奮斗水庫工程是國家開展社會(huì)資本參與重大水利工程建設(shè)試運(yùn)營第一批試點(diǎn)項(xiàng)目之一[19]。對(duì)投資環(huán)境、投資收益機(jī)制、建設(shè)運(yùn)營服務(wù)、監(jiān)管方式方法、完善政府鼓勵(lì)引導(dǎo)政策等方面進(jìn)行深入探索，并取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

奮斗水庫是以城鎮(zhèn)供水為主，結(jié)合防洪，兼顧灌溉和發(fā)電等綜合利用的大型水庫，建設(shè)運(yùn)營管理包括水源—取水—凈水—用水等部分。具有財(cái)務(wù)收入的功能有供水、灌溉、發(fā)電，特別是供水效益必須完成供水配套工程才能實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合具體情況，奮斗水庫工程吸引社會(huì)資本參與項(xiàng)目建設(shè)的方案為：落實(shí)項(xiàng)目投資主體，確定項(xiàng)目合作范圍，抓好試點(diǎn)主要工作等(詳見圖4)。奮斗水庫工程采取社會(huì)資本參股方式，直接注入資金，按政府資本金與社會(huì)資本投資比例進(jìn)行效益分配，共同參與工程建設(shè)和運(yùn)營管理。從工程建設(shè)運(yùn)營的投資、產(chǎn)品定價(jià)、財(cái)政補(bǔ)貼、金融支持等方面積極探索。

圖4 PPP模式運(yùn)轉(zhuǎn)

截至目前，奮斗水庫PPP模式運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，為工程建設(shè)全面開展創(chuàng)造良好條件。該模式正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)黑龍江省重大水利工程建設(shè)開展PPP合作機(jī)制起到積極試點(diǎn)效應(yīng)。

3.2 PPP操作流程

水利是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。對(duì)具備一定條件的重大水利工程，采用政府和社會(huì)資本合作模式(PPP)對(duì)于釋放社會(huì)投資潛力、轉(zhuǎn)變政府職能、促進(jìn)治理方式和管理模式創(chuàng)新具有重要意義。對(duì)新建項(xiàng)目，建立PPP合作機(jī)制，鼓勵(lì)社會(huì)資本以特許經(jīng)營、參股控股等多種形式參與重大水利工程建設(shè)運(yùn)營，有利于水利多渠道籌措資金，有利于提高水利管理效率和服務(wù)水平，有利于加快完善水安全保障體系。奮斗水庫工程PPP項(xiàng)目全生命周期操作流程參照?qǐng)D5。

全生命周期是指項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、融資、建造、運(yùn)營、維護(hù)至終止移交的完整周期。物有所值(VFM)是指一個(gè)組織運(yùn)用其可利用資源所能獲得的長期最大利益[20-21]。VFM評(píng)價(jià)是國際上普遍采用的一種評(píng)價(jià)傳統(tǒng)上由政府提供的公共產(chǎn)品和服務(wù)是否可運(yùn)用PPP模式的評(píng)估體系，旨在實(shí)現(xiàn)公共資源配置利用效率最優(yōu)化。

圖5 PPP項(xiàng)目操作流程圖

4 結(jié) 語

奮斗水庫作為國家PPP第一批試點(diǎn)項(xiàng)目，推廣實(shí)施PPP模式對(duì)于深化投融資體制改革、提高公共產(chǎn)品和服務(wù)供給效率、擴(kuò)大有效投資等具有重要意義，并全生命周期注重生態(tài)環(huán)保效益。奮斗水庫建設(shè)過程中，碾壓混凝土壩溫控及裂縫控制難度大，層、縫面處理的質(zhì)量是層間控制的關(guān)鍵點(diǎn)。建設(shè)過程中，碾壓混凝土重力壩溫控采用分區(qū)控制，選擇合適的澆筑時(shí)間及溫控措施，改善溫度場分布，總結(jié)了溫度及裂縫控制經(jīng)驗(yàn)。施工中注重碾壓混凝土層間控制質(zhì)量，保證了工程建設(shè)質(zhì)量。奮斗水庫的建設(shè)為寒區(qū)建設(shè)碾壓混凝土重力壩，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。