小浪底大壩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及施工新技術(shù)

小浪底大壩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及施工新技術(shù)作為小浪底水利樞紐擋水建筑物的斜心墻堆石壩已于1999年10月正式投入運(yùn)用，現(xiàn)最高蓄水位接近210m，蓄水約18億m3。預(yù)計(jì)將于今年8月底完工，比合同工期提前約10個(gè)月。小浪底大壩為坐落在深覆蓋層上的壤土斜心墻堆石壩，設(shè)計(jì)壩高154m，實(shí)際壩高160m，壩頂長(zhǎng)1667m，總填筑方量5185萬m3，就其體積來說堪稱中國(guó)第一大壩，也是目前國(guó)內(nèi)最高的壤土心墻堆石壩。一、大壩的設(shè)計(jì)條件1．大壩壩基沿壩軸線約有420m坐落在砂卵石覆蓋層上，覆蓋層一般深30～40m，最深達(dá)70余米。在覆蓋層中夾有連續(xù)的、厚度約20m的粉細(xì)砂層及粉細(xì)砂透晶體。2．壩基巖石為砂巖和黏土巖互層，分布有大小10多條順河向斷層，其中斷距約200m的F1斷層將河床基巖分為二疊紀(jì)(南側(cè))和三疊紀(jì)(北側(cè))兩個(gè)不同的地質(zhì)年代。巖層呈緩傾角6°~16°傾向北東，也即傾向下游和傾向北岸。在巖層中含有磨擦系數(shù)值僅為0.2～0.28、C值為0.005MPa的泥化夾層。3．在壩軸線附近的河床深槽右側(cè)有一個(gè)高約45m的基巖陡坎．平均坡度為1：0.3；在靠近左岸防滲帷幕線附近是較疏松的坡積和洪積覆蓋層，下伏有呈反坡狀被稱為“老虎嘴”的巖石陡坎。4．右壩肩東坡滑坡體體積約90萬m3，需要挖除或處理；大壩軸線上游2～3km有體積分別為1100萬m3和410萬m3的兩個(gè)大滑坡體；左岸山體為相對(duì)單薄的分水嶺。5．根據(jù)我國(guó)有關(guān)規(guī)范要求．大壩按8度地震烈度設(shè)防；按世行專家建議，應(yīng)校核震中距l(xiāng)Okm發(fā)生6.25級(jí)水庫誘發(fā)地震時(shí)大壩的動(dòng)力穩(wěn)定。6．施工導(dǎo)流按百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，并隨著壩體的升高將主壩的攔洪標(biāo)準(zhǔn)提高至300年一遇和500年一遇。7．?dāng)r沙減淤是小浪底水庫的一項(xiàng)主要功能和效益。水庫將有75.5億m3的淤沙庫容，最高淤積高程達(dá)254m。二、小浪底大壩的設(shè)計(jì)特點(diǎn)1．大壩防滲設(shè)計(jì)據(jù)統(tǒng)計(jì)，38%的土石壩破壞是由滲漏和管涌引起的，30%是由于地基破壞，因而對(duì)于小浪底這樣的高土石壩來講，防滲設(shè)計(jì)是大壩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。基于上述設(shè)計(jì)條件，經(jīng)過多方案的論證和比較，根據(jù)壩體各部分的功能進(jìn)行了壩的分區(qū)設(shè)計(jì)，共采用了17種材料。大壩的防滲設(shè)計(jì)具有如下特點(diǎn)：(1)選擇壤土斜心墻堆石壩壩型，以垂直防滲為主；大壩斜心墻防滲軸線位于壩軸線上游約80m，以盡量避開右岸覆蓋層下部高達(dá)45m的基巖陡坎的影響，從而也可獲得較好的心墻應(yīng)力狀態(tài)。在覆蓋層深槽部位采用混凝土防滲墻，墻厚1.2m，下部嵌入基巖1～2m，上部插入心墻12m；在心墻和基巖接觸的部位鋪設(shè)厚1m的鋼筋混凝土蓋板，在蓋板的保護(hù)下進(jìn)行固結(jié)灌漿和帷幕灌漿。左右兩岸在灌漿帷幕下游設(shè)排水帷幕。(2)截流戧堤、枯水圍堰是主圍堰的一部分，主圍堰是大壩的一部分。主圍堰采用斜墻剖面，通過內(nèi)鋪蓋將心墻和主圍堰的斜墻連接起來，利用壩前的淤積形成天然鋪蓋，作為大壩的輔助防滲線。主圍堰施工期在右岸灘地部分用水平鋪蓋和塑性混凝土防滲墻、龍口段用高壓旋噴灌漿防滲帷幕攔截上游覆蓋層的滲水。實(shí)踐證明，這樣的設(shè)計(jì)節(jié)省工程量，有利于搶趕截流后的施工進(jìn)度，同時(shí)也改善了斜心墻的應(yīng)力條件，提高了上游壩坡的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。(3)將左岸單薄山體視為大壩的延伸。將大壩防滲線向左岸延伸約1km，在地表、235m高程灌漿廊道和170m高程灌漿廊道分別進(jìn)行帷幕灌漿，形成完整的防滲幕體。在防滲帷幕下游設(shè)排水帷幕。對(duì)于左岸單薄的山體斷面進(jìn)行堆渣壓戧以保證蓄水后山體的穩(wěn)定。(4)采用摻有人工軋制料、級(jí)配良好、可適應(yīng)機(jī)械化施工的寬厚反濾體。大壩心墻料與相鄰的材料之間均用精心設(shè)計(jì)的反濾料過渡以保證滲透穩(wěn)定。斜心墻下游側(cè)設(shè)粒徑范圍為O.1～20mm及5～60mm、寬分別為6m及4m的反濾層，上游側(cè)設(shè)粒徑范圍0.1～60mm、寬為4m的混合反濾層。反濾體與堆石體之間設(shè)最大粒徑不超過250mm的過渡料區(qū)。2．其他特殊的設(shè)計(jì)考慮(1)挖除壩基表砂層。壩基砂卵石132m高程以下為上更新統(tǒng)(Q3)沖積砂卵石層，經(jīng)過30m以上蓋重的預(yù)壓比較緊密。132m高程以上為全新統(tǒng)(Q4)近代河流沖積的較疏松的砂卵石、粉細(xì)砂層。對(duì)易發(fā)生液化的表砂層及Q4地層予以全部挖除。(2)設(shè)置下游壩坡壓戧。大壩按防8度地震烈度、O.215g的地震加速度進(jìn)行了動(dòng)力穩(wěn)定性分析，并按6.25級(jí)的水庫誘發(fā)地震、0.5g的地震加速度進(jìn)行了穩(wěn)定性復(fù)核。分析研究結(jié)果顯示，在大壩下游壩腳附近的砂卵石地基中有液化破壞的可能。為保證大壩的穩(wěn)定，在下游壩腳以外設(shè)置了寬80m的石渣壓戧，按上覆有效壓力不小于0.2MPa計(jì)，壓戧頂部高程為155m。這樣將壩基的液化區(qū)推向壓坡坡腳下游，可確保大壩在地震情況下的穩(wěn)定和安全。(3)精心處理F1順河向大斷層。在心墻和反濾層底部的F1斷層帶及其兩側(cè)影響帶寬約30m的范圍內(nèi)設(shè)置1m厚的鋼筋混凝土蓋板，并設(shè)錯(cuò)開布置的縱橫縫和止水。混凝土蓋板下布設(shè)間距3mx3m、孔深10m的固結(jié)灌漿。在帷幕與斷層帶交會(huì)的地段加密布置5排深孔帷幕灌漿孔，深度與大壩防滲帷幕協(xié)調(diào)一致。(4)用旋噴灌漿加固左岸溝口洪積和坡積基礎(chǔ)。位于主壩混凝土防滲墻軸線附近的左岸巖石局部呈反坡和陡坡(俗稱“老虎嘴”)，鄰近覆蓋層為疏松的坡積和洪積土的交會(huì)，如處理不當(dāng)可能使心墻產(chǎn)生裂縫或心墻土料與岸坡基礎(chǔ)接觸錯(cuò)動(dòng)和滲流破壞。經(jīng)反復(fù)研究，最終采用對(duì)“老虎嘴”部位的巖石反坡和鄰近砂卵石覆蓋層采用高壓旋噴灌漿加固措施，槽孔混凝土防滲墻一直打到岸邊，消除了隱患。三、大壩施工采用的新技術(shù)1．混凝土防滲墻施工小浪底大壩建在最大深度70多米的砂卵石覆蓋層上，其混凝土防滲墻深度、墻體厚度和混凝土強(qiáng)度均在國(guó)內(nèi)首屈一指。(1)橫向槽孔塑性混凝土保護(hù)下的平板式接頭新技術(shù)。主壩混凝土防滲墻施工采用橫向槽孔填充塑性混凝土保護(hù)平板式接頭新技術(shù)，克服了高標(biāo)號(hào)混凝土(35MPa)防滲墻接頭孔施工困難的缺點(diǎn)，僅93天即完成截水面積達(dá)5085.7m2的混凝土防滲墻的施工。該項(xiàng)技術(shù)槽孔開挖采用鋼纜式抓斗、重錘和液壓銑槽機(jī)(又稱雙輪銑)等先進(jìn)設(shè)備。配套有泥漿設(shè)備、循環(huán)除砂系統(tǒng)等一套先進(jìn)的設(shè)備，使整個(gè)槽孔的開挖效率大為提高?；炷翝仓詾樗轮鄙龑?dǎo)管法，但采用混凝土拌和車直接入倉，簡(jiǎn)化了工藝，提高了澆筑速度。泥漿采用法國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土制成，比重為1.0g/cm3～1.1g/m3。接頭形式如圖。在施工中先按預(yù)定位置施工橫向槽孔(與混凝土防滲墻軸線垂直)，澆筑塑性混凝土，然后施工序槽孔澆筑墻體混凝土。Ⅱ序槽開挖后，用雙輪銑將已達(dá)到一定強(qiáng)度的Ⅰ序槽混凝土自上而下銑掉10cm厚，露出新鮮混凝土，再澆筑Ⅱ序混凝土，連接成墻。(2)上游圍堰主河槽旋噴灌漿造墻新技術(shù)。上游圍堰主河槽防滲墻采用高壓旋噴灌漿造墻新技術(shù)。由于墻體設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)低，不易用取芯樣試驗(yàn)來檢查成墻質(zhì)量，只能用嚴(yán)格的工藝控制措施來予以保證，高壓旋噴灌漿采用二重管法。根據(jù)旋噴灌漿機(jī)械設(shè)備的性能，通過現(xiàn)場(chǎng)單樁和圍井試驗(yàn)及挖坑檢驗(yàn)確定施工工藝和各種技術(shù)參數(shù)，從而在設(shè)計(jì)樁間距為1m的情況下，保證樁體成樁直徑不小于1.2m。施工時(shí)嚴(yán)格控制鉆孔的偏斜率以保證墻體的連續(xù)性，控制漿液配比、壓力和鉆桿提升速度以確保墻體強(qiáng)度和抗?jié)B性。共完成鉆孔進(jìn)尺11562m，旋噴進(jìn)尺約10075m，形成墻體面積9897m2。2．穩(wěn)定漿液及GIN法灌漿技術(shù)(1)穩(wěn)定漿液灌漿。在小浪底工程中，大范圍(全部帷幕灌漿)使用了濃度較高的、具有單一配比的穩(wěn)定漿液進(jìn)行了帷幕灌漿并取得了成功，在全國(guó)尚屬首次。該方法主要有如下優(yōu)點(diǎn)：一是漿液配比單一、配制工藝簡(jiǎn)單，減少了漿液變換等人為影響，有利于漿液的質(zhì)量控制；二是穩(wěn)定漿液凝聚力小，流動(dòng)性好，水泥顆粒沉降速度慢，不會(huì)過早堵塞裂隙，故具有良好的可灌性；三是穩(wěn)定漿液中水泥含量高，密度大，水泥結(jié)石強(qiáng)度高。三是穩(wěn)定漿液中水泥含量高，密度大，水泥結(jié)石強(qiáng)度高。灌漿方法采用了小口徑(56～69mm)鉆進(jìn)、孔口封閉、自上而下孔內(nèi)循環(huán)的灌漿工藝。采用的穩(wěn)定漿液配合比如下：水灰比膨潤(rùn)土（%）RC-M減水劑（%）0.7：12.00.6(2)GIN法灌漿。GIN法灌漿是目前國(guó)際上推廣十分迅速的一項(xiàng)新的灌漿技術(shù)。GIN(GroutingIntensityNumber)即灌漿強(qiáng)度值，等于灌漿段上最終的灌漿壓力和單位灌漿段上漿液灌注量的乘積，其含義為單位灌漿段上消耗的能量。在灌漿施工中，選取合適的GIN值，并在各灌漿段上基本保持一致，即可形成一道大致相同的防滲帷幕。其技術(shù)要點(diǎn)為：一是使用穩(wěn)定漿液；二是在計(jì)算機(jī)上用選定的GIN曲線對(duì)灌漿壓力和漿液灌注量進(jìn)行全過程監(jiān)控，以免出現(xiàn)過高的灌漿壓力和過大的、不必要的灌注量。為了論證GIN法在小浪底帷幕灌漿工程中的可行性，1996～1997年在左岸三疊系地層中的4號(hào)灌漿洞內(nèi)和右岸二疊系地層中的2號(hào)灌漿洞內(nèi)，完成了進(jìn)尺為3815m