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科技攻关成果在沙牌水电工程中的应用

水电站设计

DHPS

第19卷第4期

2003年12月

科技攻关成果在沙牌水电工程中的应用

钟永江

（国家电力公司成都勘测设计研究院,四川成都610072）

摘要:

沙牌水电站工程结合国家重点科技攻关,开展了大量深人的科学研究,并取得丰硕的成果.本文就主要科技成果的应用

作一概要介绍,包括枢纽布置及坝型断面的优化,分缝结构设计,预埋聚乙烯冷却水管技术,重复灌浆技术,RCC筑坝材料,漩流竖

井泄洪消能等.

关键词:

碾压砼;高拱坝;结构分缝;筑坝材料;漩流竖井消能;重复灌浆;冷却水管;沙牌水电站

中图法分类号:

TV642.2文献标识码:

A文章编号:

1003—98（20o3）o4—01703—05

1工程概况

沙牌水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶

川县境内,是岷江一级支流草坡河上游的梯级龙头

电站,采用混合式开发,主要的建筑物有碾压混凝土

拱坝,泄洪洞,压力引水隧洞和地面厂房等.碾压混

凝土拱坝最大坝高130m,坝顶高程1870.Om,为三

心圆单曲拱坝坝型,坝顶中心线弧长250.3m,最大

中心角92.48.,厚高比0.238.右岸两条泄洪洞,其

一

为城门洞断面,长陡坡,兼作放空水库用,另一条

系利用导流隧洞改建的涡漩式内消能竖井泄洪洞.

发电引水隧洞布置在右岸,马蹄形断面,尺寸为

2.5m×2.8m,洞长3488m.地面厂房布置在坝下游

约5km处,安装2台单机容量为1.8万kW的高水

头混流式机组.

自1995年立项开工,工程分两期建设:

一期主

要是修建发电引水系统及厂区枢纽,于1997年5月

完工并实现lI缶时发电;二期工程主要为碾压混凝土

拱坝及泄洪建筑物,于1997年6月正式开工.建设

过程中,由于资金短缺等原因,二期工程多次出现停

工,于2002年5月坝体混凝土上升到顶,2003年5

月通过验收并下闸蓄水.

2科研工作简况

沙牌水电站作为拥有目前国内外最高的碾压混

凝土拱坝工程,它的建设缺少经验借鉴,存在许多的

技术难题需要攻关.在国家计委,科技部,国家电力

公司,水规总院等上级主管单位的支持下,在业主的

大力配合下,结合工程开展了大量的科学技术攻关

研究,涉及坝工结构,筑坝材料,计算理论,施工技

术,原型观测,模型试验等若干领域,共设置研究题

目39个,尤其以列为国家"八五","九五"重点科技

攻关项目的高碾压混凝土拱坝筑坝技术课题的研究

最系统和最全面;以竖井泄洪漩流消能为内容的研

究,在列入国家"八五","九五"重点科技攻关研究子

题项目以后,又先后被水利部国家电力公司列为部

属重点项目,开展了深入的研究.在业主的支持下,

我院还自主对沙牌水电站的开发和建设程序,以及

在高水头大直径的压力钢管设计中,应用波纹管补

偿器等课题进行了研究.依托沙牌工程所开展的这

些研究工作,邀请了国内最早,最有权威的从事碾压

混凝土筑坝技术研究的一批知名专家亲自把关,汇

集了中国水利水电科学研究院,南京水利水电科学

研究院,清华大学,四川大学,河海大学,武汉大学,

大连理工大学,广西大学和有关的设计,施工单位等

一

流的科研队伍参加工作,从1994年开始到2OOO

年长达七年,国家直接投入科研的经费近1200万

元之巨.

依托沙牌工程的国家"八五","九五"攻关成果

和部属重点项目的研究成果,不仅顺利地通过国家

组织的验收和国内专家的鉴定,研究成果总体达到

国际先进,部分国际领先的水平,而且90%以上的

科研成果已被工程采用,为优质建成沙牌工程发挥

了重要作用.其中100m级高碾压混凝土拱坝筑坝

成套技术,已推广应用于国内其它水电工程,为我国

在贵州普定碾压混凝土拱坝工程以后继续保持碾压

收稿日期.'2003—10—24

作者简介:

钟永江（1939一）,男,四川隆昌人,教授级高工,曾任沙牌工程设总和"八五","九五"国家重点科技攻关第一负责人.

3

表1依托沙牌工程的科研项目一览表

混凝土筑坝技术在世界上的领先地位作出了贡献.

依托沙牌工程的科研项目见表1.

3主要科研成果的应用

3.1枢纽布置和坝型断面的优化

碾压混凝土筑坝具有水泥用量少,水化热温升

低,施工工艺简单,施工速度快的优点,典型的碾压

混凝土拱坝枢纽工程的设计,必须有利于保证工程

质量和加快施工进度.

3.1.1厂坝分离布置

利用本工程洪水流量较小和有利的地形条件,

泄洪建筑物布置在岸坡,坝身不泄洪,施工导流采用

隧洞导流,全年断流围堰挡水,从而简化了拱坝结

构.为节省投资,将导流洞改建为竖井漩流泄洪消

能.

3,1,2采用简单的拱坝坝型,减小上游的倒悬

由于碾压混凝土拱坝一般采用大仓面连续快速

上升的施工工艺,立模周期短,复杂的体型和上游采

用过大的倒悬会造成连续浇筑中断,增大层面的处

理工程量,不利于快速施工,对沙牌工程进行了抛物

线双曲和三心圆单曲坝型比较.虽然前者的坝体应

力状态和坝肩稳定条件稍好,且开挖量和混凝土量

分别减少7.3万m3和4.4万m3,从偏重施工条件考

虑,最终选定采用扁平的三心圆单曲拱坝坝型,上游

面倒悬为0.11.

3,1.3适当加大坝体断面

碾压混凝土筑坝的优势主要在于施工工艺简

单,可简化温控措施,施工速度快,拱坝如采用过窄

小的断面和高跨比,仓面太小,使机械设备操作困

难,不但不利于发挥碾压混凝土筑坝快速的优越性,

反而增加了施工质量控制的难度.因此断面减小所

节省的工程量未必是划算的.本工程坝顶宽为

9.5m,底宽最初选定为25m（高跨比为O.212）,经过

权衡后,最终采用28m,实践证明,是比较合适的.

4

3.1.4坝内孔洞的布置应尽量减少和简化

沙牌拱坝用于灌浆,排水,检查和交通的廊道共

布置三层,全部沿水平向布置,取消了斜向连接廊

道,各层廊道之间的沟通,系利用坝下游岸坡的梯

步,坝后桥和电梯井;两岸岸坡帷幕灌浆的施工,系

利用在坝肩岩体中设置的水平灌浆平洞;所有的排

水孔均采用+lOO型钻孔.值得注意的是,水平廊道

距上游面的距离要考虑便于碾压设备的操作.沙牌

工程1850m高程廊道,由于距上游坝面的距离仅

5.0m,扣除迎水面及廊道边墙变态混凝土的范围

后,碾压仓面过小,质量难于保证,最终将1850m高

程廊道沿轴线方向被取消,调整为若干个顺水流向

的支廊道,以布置观测设备,各支廊道的连接利用坝

后桥,排水孔的施工则上移至坝顶进行.所有的较

小尺寸的孔洞（如廊道,电梯井等）都采用预制混凝

土模板方便了施工.

3.2坝体分缝方案的优化

两院院士潘家铮曾在一本书的序言中写道:

"以

往RCC主要用于重力坝上,用于拱坝上的很少……

究其原因主要是由于拱坝的结构作用与重力坝有本

质上的差别……常规拱坝的施工方法是把坝体用横

缝切割为许多独立的坝块浇注,必须在坝块冷却到

适当温度后进行横缝灌浆形成整体,发挥作用.这

就和RCC的施工原则,不设或少设横缝,大仓面薄

层浇筑,连续上升,简化温控措施不相符.不解决这

个矛盾,RCC拱坝就很难发展."笔者认为,矛盾的

实质,就是按照RCC筑拱坝的施工工艺,在施工期

和蓄水初期,坝体温度达不到稳定的温度,坝体将不

可避免地产生较大的温度应力,造成坝体开裂,甚至

危及坝体的安全.解决RCC拱坝施工期温度应力

过大的途径,除了提高材料的抗裂性,合理安排浇筑

时段,采取一定的温控措施以外,目前国内外都公

认,在施工期坝体合理的结构分缝,是最有效和最基

本的途径.在沙牌拱坝工程设计中成功地应用了国

家"八五","九五"攻关分缝研究成果,并通过了施工

和初步运行的检验,达到了预期效果.沙牌碾压混

凝土拱坝坝体所有的缝面在施工期均沿着设计位置

被拉开,缝宽一般在2mm左右,而在坝体未设缝的

位置,尚未发现有裂缝产生.这在国内水电工程中

是少有的.缝结构设计优化表现在以下几方面:

3.2.1三维有限元仿真分析

针对不同的拱坝结构分缝布置方案和施工进度

安排,采用三维有限元全过程的仿真分析计算程序,

计算了拱坝施工期,蓄水期和运行期的坝体温度场

及其温度应力.由于提出和利用了坝块接缝单元,

分区异步长法以及以材料的各向异性损伤破坏为特

征的本构模型和破坏准则,使计算的效率提高和更

能反映真实情况,特别是由于充分考虑了水库水温

等边界条件,温度对混凝土材料性能的影响,所编制

的具有22883个节点和4488个等参数单元的大型程

序对十余种工况的仿真计算,为确定缝的布置提供

了十分实用的参考成果.

3.2.2建立诱导缝的计算理论,采用物理模型与数

值分析相结合的方法设计诱导缝

利用建立在断裂力学基础上的诱导缝强度计算

模型,坝体受拉时诱导缝的等效强度的计算公式及

诱导缝的开裂判别式,来进行诱导缝削弱程度的设

计,使设计从以往多偏向于工程类比,以经验为主确

定诱导缝,转变为用理论作指导,分析确定诱导缝.

采用物理模型和数值分析相结合的方法,采用与工

程相同的建坝材料和施工工艺整体模拟的试验,来

复核设计分缝方案下拱坝的应力,位移分布,承载能

力,开裂过程和破坏形态,为最终确定缝的设计打下

了基础.

3.2.3缝的型式和布置

通过对诱导缝,常规横缝及周边缝等不同的结

构缝的型式的施工条件对坝体应力改善的效果,以

及蓄水发电要求等因素综合分析比较后确定,沙牌

工程采用了在拱冠两侧设两条诱导缝加左右拱端设

两条横缝的最优组合布置方案.缝布置间距,从右

到左依次为45m,69m,59m,49m和36m.由于在高

程1810m（坝高74.5m）以下,坝体主要是在低温季

节浇筑,布置少量诱导缝（拱中部）即可行,而高程

1810.0m以上,坝体在高温季节浇筑,产生较大的高

温区,增大了坝体的拉应力及其分布范围,使温度问

题突出,仅靠诱导缝难以控制开裂,有必要设置横缝

来释放坝体（尤其是拱端）的温度应力.此外,在拱

冠两侧,拱应力变化较小,拱冠两侧的诱导缝间距可

稍大,而在拱端附近,应力急剧变化,因此,缝应尽量

靠近拱端高应力区,或布置无抗拉强度的横缝是合

理的.

一TT———_…

3.2.4改进缝的构造,简化仓面的施工作业

目前国内外大多数工程诱导缝的作法,均采用

在碾压完成后的混凝土层面上,挖沟埋设成对的预

制混凝土模板,对仓面作业施工干扰大,工效低.改

进后的诱导缝成缝技术,系利用成对具有梯形断面

的重力式预制混凝土模板,直接在碾压混凝土摊铺

的同时于层面上铺设就位.在诱导缝的缝端,设置

5cm×12cm的三角形的边缘楔形切口,利用应力集

中,在不增加诱导缝断面积削弱的情况下,可成倍地

降低诱导缝的等效强度.这些改进措施,在"九五"

科技攻关相关专题鉴定中被评价为高拱坝筑坝技术

的重大突破.

3.3预埋高密度聚乙烯冷却水管降温技术的应用

碾压混凝土虽然水泥用量少,水化热低,但由于

采用通仓快速连续上升的施工工艺和大量掺人粉煤

灰,使混凝土散热条件差,发热过程长,坝体仍然存

在温度应力问题.对于碾压混凝土高拱坝,如要在

高温和次高温季节浇筑混凝土,则温度应力问题将

更加突出.对于常态混凝土所采取的降低浇筑温度

的温控措施,如加冰拌合,因碾压混凝土用水量少且

受拌合均匀性的限制,一般不采用.预冷骨料的措

施,虽然降低浇筑温度效果较好,但因碾压混凝土施

工一般都具有强度高且不均衡,工期较短的特点,仅

仅为碾压混凝土施工配置,必然制冷所需的容量很

大,往往不经济.此外,出机口温度较低的碾压混凝

土,在摊铺过程中易受到外界气温的倒灌,降低了温

控的效果.国内的水口,溪炳等工程,曾试图采用埋

设冷却水管的技术