寒区水利水电工程设计与施工技术

郑茂盛

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021，长春）

我国幅员辽阔，近一半的国土位于寒冷的高海拔和高纬度地区，多年冻土面积达215万km2，冰冻寒冷的自然现象给这些区域的水利水电工程建设、运行、管理以及生态环境带来许多不利影响。在常规设计与施工基础上，重点解决冻胀、融层、冰害对闸坝、渠系、堤防等工程所产生的危害是寒区水利水电工程设计与施工有别于常规工程的技术关键点。

中水东北勘测设计研究有限责任公司 （以下简称中水东北公司）结合多年来寒区水利水电工程设计与施工实践，总结研发了大量行之有效的寒区水利水电工程设计、施工技术，对于保障寒区水利水电工程建设质量、提高工程运行管理水平、促进寒区水利事业发展作出了积极贡献。其中公司研发的寒冷地区面板堆石坝多项设计与施工技术、土石坝沥青混凝土防渗心墙低温施工技术、寒冷地区露顶式弧门冬季运行设计等技术处于国内领先水平，目前已成为寒区水利水电工程设计、施工的关键技术，在众多寒区水利水电项目中得以应用。

一、寒区混凝土面板堆石坝技术

混凝土面板堆石坝是在20世纪60年代振动碾和装运工具出现后迅速发展起来的一种新坝型，这种坝型具有优良的技术经济特性，在我国水利水电建设中得到广泛的应用和发展。中水东北公司针对严寒地区面板堆石坝设计的特殊要求，在总结多个面板坝建设经验的基础上，应用先进技术，吸取国内外水电工程施工建设的先进经验，进行了大量的科学试验和论证，使寒冷地区面板堆石坝技术日趋成熟。其中混凝土面板堆石坝抗冰冻止水结构和配套施工、坝坡垫层料移动边墙施工、可控补偿防裂混凝土等技术，经过实践证明具有显著的经济效益和广泛的推广价值，达到了国际领先水平，对混凝土面板堆石坝技术的发展起到了极大的推进作用。

黑龙江莲花水电站工程是我国在气温最低、温差最大的严寒地区修建的第一座混凝土面板堆石坝。工程建设期间，一年中有半年时间处于冬季施工状态。根据国外相关技术文献，目前国外严寒地区虽有混凝土面板堆石坝兴建 （绝对最低温度到-36℃,高于莲花坝的-45.2℃），但冬季不施工，而莲花水电站大坝施工连续5年半未间断，其中包括5个冬季。结合此工程特点，中水东北公司开展了有针对性的研究，成功地解决了高寒地区面板表面止水经常受冰冻破坏等技术难题，填补了严寒地区混凝土面板堆石坝技术的空白。这一技术的实施不仅避免了每年的破坏维修，更重要的是确保了大坝的安全运行，取得了明显的经济效益和社会效益。莲花水电站工程2000年获全国第九届优秀工程设计银奖，且获得了2001年度全国优质工程奖。

1.面板抗冰冻止水结构和配套施工技术

寒冷地区面板坝冬季施工条件严酷，以往的止水结构难以保证橡胶板与混凝土紧密接合。一方面当库水渗入到角钢与橡胶板的接合部以及橡胶板与混凝土的接合面后，遇冷结冰冻胀，产生拉拔力，而冬季库区冰盖层形成后又对顶部止水产生巨大的冻胀水平推力；另一方面春季开江时冰面沉降，冰的自重对角钢和橡胶止水盖板又产生较大的拉拔力，同时风浪、发电引起的动水水流带动大块冰排撞击面板，很容易使水位变化区的顶部止水在拉扭和剪切力的共同作用下产生破坏。

中水东北公司结合寒区水电站工程实际情况及国内面板坝工程运行现状，根据寒区面板顶部止水结构破坏机理，从原材料优选、止水构件优化、橡胶盖板的使用功能拓展、橡胶盖板的端头处理工艺、止水结构抗冰冻性能等方面开展了专项研究工作，设计出沉埋式面板表面止水结构，并写入 《混凝土面板坝止水规范》。这些成果应用于工程实践中，降低了冰胀力、冰推力和冰拔力作用，提高了面板顶部接缝止水的抗渗性和抗冰冻性能，延长了接缝止水结构使用寿命，保证了止水结构充分发挥整体止水效能，保证了坝体长期安全有效运行。

2.混凝土面板堆石坝翻模固坡技术

垫层料坡面施工的常规方法为超填、削坡、坡面碾压，即垫层料摊铺超出设计线30 cm左右后进行水平碾压，待垫层料铺填至10～15 m高后再进行削坡整理和斜坡碾压，然后再进行水泥砂浆或喷涂阳离子乳化沥青等固坡。上述施工方法工序复杂，垫层料超填和整理量大，施工工期长，且坡面长期空置无防护，容易受雨水冲刷，斜坡面垫层料密实度难以保证，很难为面板施工提供坚固、平整的工作基面。尤其是对处于高寒地区的工程，如按传统方法施工，施工工期相对较长，难以满足工期要求。为有效解决这一问题，中水东北公司在对面板坝垫层料施工进行广泛调研和深入研究的基础上，研制出混凝土面板堆石坝翻模固坡技术。

此技术与传统施工方法相比，简化了施工工序，加快了施工进度，提高了施工灵活性，降低了工程造价。此外，固坡砂浆与垫层料施工一步到位，及时为面板施工提供了一个均匀、稳定并具有低压缩性、高强度的优良工作基面。该基面还可以在汛期起到挡水作用，缓解工程度汛压力，而且为解决寒冷地区面板坝混凝土防裂、抗冻等耐久性问题提供了技术储备。此技术在吉林双沟水电站、辽宁蒲石河抽水蓄能电站中得以应用。

3.可控补偿防裂混凝土技术

混凝土面板堆石坝以其就地取材、施工方便、工期短、造价低、安全性好受到国内外坝工界普遍重视，而且成为当今筑坝技术的一大趋势。但是,由于堆石坝的面板是浇筑在垫层斜坡上的薄板，厚度小且不均匀，施工期裸露，对环境温度和湿度变化影响较敏感，特别是在严寒地区，气温温差大和混凝土干缩将使面板较薄部位产生较大的拉应变，容易产生裂缝，影响防渗效果。因此对于以挡水为主要目的的水工混凝土面板，其防裂显得尤为重要。提高堆石坝面板抗裂能力的有效方法是采用膨胀剂或减缩剂配制补偿收缩混凝土。

辽宁蒲石河抽水蓄能电站地处寒冷地区，极端最高气温35.0℃，极端最低气温-38.5℃，极端温差近73℃。中水东北公司结合蒲石河抽水蓄能电站工程建设开展了可控补偿防裂混凝土技术研究，技术成果已经在蒲石河水电站上库趾板、面板混凝土中应用，效果良好。其主要方法是：在考虑混凝土配筋率影响的前提下，从混凝土裂缝产生的机理进行分析，通过在混凝土中掺入防裂剂、膨胀剂、高效减水剂、引气剂、减缩剂、聚丙烯纤维及粉煤灰等技术，进行可控补偿收缩混凝土的试验研究，从定量的角度，给出混凝土减缩率大小及限制膨胀率的合理范围，即满足混凝土补偿收缩后的最终变形（D）不大于混凝土的极限拉伸值（SK），以此指导工程技术施工设计。这种技术为工程施工提供了满足设计要求的混凝土配合比，解决了东北地区混凝土面板防裂、抗冻等耐久性问题。

二、寒区土石坝沥青混凝土防渗心墙施工技术

1.冬季低温施工技术

采用铺布碾压和碾压后利用金属罩覆盖等防风保温措施，使碾压式沥青混凝土冬季施工突破了施工规范对环境温度（日平均气温小于5℃，风速小于或等于4级）的限制，最低施工温度达到-17℃，沥青混凝土防渗心墙的碾压施工质量满足芯样孔隙率小于3%、抗渗试验为不渗漏等设计使用要求。该技术在尼尔基水利枢纽主坝沥青混凝土防渗心墙导流明渠段施工（-7℃～5℃范围内）中进行了正式应用，施工质量检测结果满足设计要求，解决了寒冷地区碾压式沥青混凝土冬季低温不能施工的技术难题。

采用滑（提）模施工工艺、利用耐高温土工无纺布替代混凝土砌块副墙，提高了浇筑式沥青混凝土防渗心墙的整体防渗性和变形稳定性，降低了工程造价。

2.振捣式沥青混凝土防渗心墙施工工艺

该工艺首次应用于尼尔基水利枢纽主坝沥青混凝土防渗心墙导流明渠段的施工。振捣式沥青混凝土施工新工艺的发明，在国内外率先填补了沥青混凝土碾压式、浇筑式两种传统防渗心墙施工工艺之间的空白。该施工工艺不受沥青原材料品种制约，施工设备简单，造价低廉且符合施工实际，获得国家专利。同时还研制出了沥青混凝土防渗心墙施工刀式振捣器。

三、寒区露顶式弧门冬季运行设计技术

寒冷地区汛期多集中在夏秋两季，多数水库在冬季没有泄水要求，作为水库泄水设备的闸门在冬季仅起挡水作用。由于寒冷地区冬季气温在0℃以下的时间相当长，弧形闸门橡胶止水与侧导轨接触部位会发生冻结现象，对于冬季仅起挡水作用的闸门来说，不影响其作用，但对起供水作用的水库，弧形闸门在冰冻情况下不能自由启闭。针对这一情况，一些工程把闸门布置在库区水面以下一定深度，避免冰冻对闸门造成影响。可是对有些工程来说，这种闸门布置方式要么投资巨大，要么实现起来相当困难，得不偿失。

中水东北公司研制的寒冷地区露顶式弧门冬季运行设计技术成功地解决了这一技术难题。其技术方案是：电加热器与油箱内部固定连接，油泵通过管路分别与油箱连接，电机分别同每个油泵连接，油泵分别通过管路与控制阀组连接，控制阀组通过回油管与油箱连接，控制阀组通过管路与弧门埋件油腔连接。工作时，电加热器将油箱中的油加热，电机带动油泵工作，油泵将热油从油箱通过管路经控制阀组泵入弧门埋件油腔中，加热后的导热油到达弧门埋件油腔后，热量通过弧门埋件表面散失，弧门埋件表面温度升高，水封与弧门埋件座板表面之间的冰融化，消除冰冻力，从而实现闸门冬季的正常操作。

本套系统和设备可保证闸门加热系统在-40℃条件下露顶弧门正常启闭，对与混凝土接触部分的埋件采取保温隔热措施，基本保证闸墩混凝土不受温度剧烈变化的影响。系统可根据调度运行要求及环境温度实现运行自动化。经水利部组织的专家组鉴定，该技术属国内首创，填补了寒冷地区弧门冬季运行的空白，技术性能指标和融冰效果达到了国际先进水平。

中水东北公司设计的丰满永庆反调节水库采用了此项技术，工程自2005年投入运行以来的实践表明，由该项技术转化的融冰加热设备安全可靠，装置的输出功率可根据环境温度的变化而变化，能保证-40℃环境温度条件下正常启闭操作露顶弧形闸门，并可按调度要求实现远程控制，自动运行。目前该项技术成果已推广应用于黑龙江大顶山航电枢纽工程、辽宁蒲石河抽水蓄能电站、南水北调中线京石段应急供水工程、吉林哈达山水利枢纽工程等。

通过广大设计科研人员对寒冷地区长期地开展工程设计与科学研究，中水东北公司在寒区工程技术创新方面取得了许多具有突破性的科研成果。公司拥有了先进的寒区筑坝技术、工程抗冰冻技术、病害工程修复技术和工程安全评价能力，培养了一大批具有坚实理论基础、丰富实践经验、勇于技术创新的优秀科技人才。中水东北公司已成为我国水利水电，尤其是寒冷地区水利水电勘测设计科研领域的重要技术队伍，始终保持着行业内寒区工程技术的领先水平。

随着寒区经济社会的发展，为加强水利科技基础条件平台建设，2008年3月，水利部依托中水东北公司组建了水利部寒区工程技术研究中心。这必将进一步推动寒区水工建筑物的结构、材料、安全监测等技术和装备的研发，从而不断提高寒区水利水电工程的建设和管理水平。