黑龙江省奋斗水库工程设计关键技术及建设模式实践

王志兴,蒲道巍,王天祎

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 基本情况

奋斗水库位于黑龙江省穆棱市，距穆棱镇东南14.1 km的穆棱河干流上游。坝址所在地气候划分属于严寒地区[1-2]。水库建成后，通过水资源的合理配置，近期可满足穆棱、兴源、下城子、马桥河、河西、福禄、八面通7个城镇，穆棱和八面通2个林业局及鸡西市梨树区的用水需求，缓解穆棱市各城镇工业及居民生活用水紧张的现状局面[3]。

奋斗水库是以城镇供水为主，结合防洪，兼顾灌溉和发电等综合利用的大型水库，水库设计总库容1.65亿m3，水库总库容为1.91亿m3。工程总投资14.16亿元，采用PPP投融资模式。水库近期补给城镇供水量4100万m3，远期补水量6300万m3；防洪保护面积(城镇)6.42万hm2；补偿灌溉面积1.16万hm2，多年平均灌溉年补水量970万m3；生态基流量2800万m3；总装机容量4000 kW，多年平均发电量1060万度，年利用小时数2650 h。

奋斗水库工程等别为Ⅱ等，枢纽组成包括碾压混凝土重力坝、坝后式电站厂房、引发电进水口、鱼道工程等部分。其中，全断面碾压混凝土重力坝(RCC坝)最大坝高45.9 m，坝顶高程385.9 m，坝顶轴线长406 m，共分22个坝段。电站由主厂房、副厂房、尾水渠等部分组成，装机3台。竖缝式鱼道主要解决细鳞鱼、茴鱼等繁殖期的上溯过坝问题，同时兼顾上下游其他鱼类的交流。鱼道布置在右侧山坡上，主要建筑物包括进鱼口、过鱼池、休息池和出鱼口等。

2 碾压混凝土重力坝关键技术

2.1 碾压混凝土坝特点

碾压混凝土重力坝是采用自卸汽车或皮带输送机将干硬性混凝土运到仓面，以推土机平仓，分层填筑，振动压实成坝。碾压混凝土重力坝有以下特点：单位体积胶凝材料用量少，单位体积用水量少，抗冻、抗冲和抗渗等耐久性能比常态混凝土差。奋斗水库重力坝采用碾压混凝土筑成，是环保型、节约型和安全性大坝，该坝施工采用RCC工法。寒区碾压混凝土是指干硬性的混凝土拌和分薄层摊铺并经振动碾压密实的混凝土，其抗渗、抗冻性指标应符合严寒地区的要求[4-5]。

碾压混凝土突出特点是要求施工速度快，这对奋斗水库坝体质量控制和温度控制有利。该坝碾压层面多而薄，快速施工的目的就是在下层碾压混凝土初凝之前，上层碾压混凝土必须碾压完毕，从而使层间混凝土能够达到良好的层面结合效果[6-7]。碾压混泥土快速施工的优点，可以减少混凝土层面与外界的接触时间，从而减少外界与碾压混凝土的热量交换，能更好的控制混凝土的浇筑温度。

RCD和RCC是现行碾压混凝土坝体施工的两种工艺。其中，RCC工法采用类似土石坝填筑的施工技术和工艺，将干硬性混凝土快速的全面分层振动压实。RCD工法连续浇筑，平仓几层，一次碾压，上下游面和基础结合处用常态混凝土外包以解决坝体的防渗、抗冻、防冲。

根据奋斗水库碾压混凝土与常态混凝土的配合比及性能试验资料分析，碾压混凝土水泥用量少、高掺粉煤灰，早期强度比常态混凝土低，但后期(长龄期)强度增长显著；早期变形性能和耐久性也比常态混凝土逊色，主要表现在碾压混凝土的极限拉伸值和抗冻性能试验结果不如常态混凝土；碾压混凝土绝热温升明显低于常态混凝土，对奋斗水库大坝的温控防裂十分有利。

2.2 设计关键技术

2.2.1 设计参数

奋斗水库工程合理使用年限为100 a，碾压混凝土重力坝合理使用年限100 a。防渗体系设计及层间渗流控制是奋斗水库碾压混凝土重力坝的关键难点。防渗体系包括坝体防渗和基础截渗。

考虑到奋斗水库年有效暖季施工期短，坝体防渗型式选择是影响碾压混凝土施工速度的重要因素。基础截渗采用帷幕灌浆，属于常规设计施工工艺。碾压混凝土坝层、缝面处理的质量是层间渗流控制的关键点。防渗体系设计时，应正确选择碾压混凝土坝层、缝面的处理方案。奋斗水库碾压混凝土层间结合质量受拌和物特性、季节、天气、施工方法、上下游不同区域等多元因素影响。

由于坝址所在地区，最冷月多年平均气温-17.9 ℃，防渗体系的抗冻等级为F300，抗渗性指标W6。

2.2.2 边界分析

奋斗水库层(缝)面是碾压混凝土坝渗流的薄弱面，是形成集中渗漏的主要通道。层间渗水提供了丰富的可冻结水，对碾压混凝土坝的整体抗冻性很不利，进而大大缩短碾压混凝土坝的合理使用年限。

根据文献[8-13]，碾压混凝土在正温与负温交替作用下发生表面剥落、开裂、强度降低、结构疏松乃至破坏的现象称为冻融破坏。碾压混凝土冻融破坏以多种形式出现，有内部破坏、也有表面破坏。碾压混凝土中出现相互连通的毛细孔隙和可冻结水越多，对碾压混凝土的冻结破坏越大。

碾压混凝土结构中孔的大小和分布对奋斗水库碾压混凝土的抗渗性有极大的影响，一般认为100 nm以上的孔对强度、抗冻性和抗渗性是有害的。碾压混凝土渗流呈各向异性，其抗渗性受胶凝材料用量、水灰比、层(缝)面结合、压实度等因素影响。

长间歇处理后的施工缝面有可能较连续上升的层面弱。沿着碾压混凝土坝层(缝)面的渗流现象称为层间渗流[14-15]。通过调查国内外已建碾压混凝土坝的运行情况或在建碾压混凝土坝的压水试验成果，层间渗流问题特别突出。

奋斗水库碾压混凝土本体的渗透性基本上与常态混凝土相当。当胶凝材料用量超过150 kg/m3时，碾压混凝土本体的渗透系数可达到1×10-10cm/s或更低。本体不成为控制渗流的薄弱环节。碾压混凝土本体配合比中胶凝材料过少，无法碾压密实；或碾压混凝土的灰浆量较少，运输平仓时容易使骨料分离，留下松散的渗水层，是造成本体整体抗渗性能差的重要原因[14]。

2.2.3 防渗体系设计

对奋斗水库碾压混凝土重力坝上游面防渗体系拟定了三个可行方案[8]。方案一：上下游面均采用常态混凝土防渗，即“金包银”结构型式的防渗方案。方案二：上游面设钢筋混凝土面板防渗，简称钢筋混凝土面板防渗方案。方案三：大坝上游面采用二级配碾压混凝土，其中在上下游模板附近50 cm采用变态混凝土，死水位以下上游面涂防渗材料，简称二级配碾压混凝土防渗方案。通过对三个方案的比较，方案一工期较长，方案二施工工序复杂、难度大，方案三施工简便，目前国内工程应用较广，推荐方案三。防渗层水力坡降i=15，上游面采用1.0 m厚变态混凝土，添加防渗剂，1.0 m变态混凝土后接2.5 m掺有防渗剂的碾压混凝土过渡面。所有坝块横缝均设两道止水，为紫铜片止水，止水片间距50 cm，其中第一道止水布置在桩号坝上0～002.45 m，溢流坝面横缝内设一道紫铜片止水，穿过各坝段的廊道周围设一道紫铜片止水。

各方案的材料分区详见图1～图3。防渗方案上游面材料分区参数详见表1。

表1 各拟定方案材料分区表

图1 方案1 常态混凝土防渗分区剖面图

图2 方案2 变态混凝土防渗分区剖面图

图3 方案3 沥青混凝土防渗分区剖面图

各方案的冷缝、施工缝及越冬层面采取严格的处理措施，保证层间结合质量。连续上升铺筑的碾压混凝土，层面间隔时间应控制在直接铺筑允许时间内。超过直接铺筑允许时间的层面，应先在层面上铺筑垫层拌和物，再铺筑上一层碾压混凝土。超过了加垫层铺筑允许时间的层面应按施工缝处理。

奋斗水库碾压混凝土重力坝防渗体系各拟定方案均具有防渗性能好、可靠性高的优点。但是，变态混凝土防渗方案相对其他方案，具有施工速度快、水泥用量小、防渗性能好、可靠性高、感观效果好等优点。因此，奋斗水库坝体防渗采用变态混凝土。

2.3 施工关键技术

2.3.1 建设工期短

奋斗水库工程位于我国严寒地区，该地区气温昼夜变化大、季节温差大，最冷月(1月)极端气温-44.1 ℃，最热月(6月)极端气温37.4 ℃，温差幅度达81.5 ℃。根据本地气象资料分析，本工程年暖季施工期很短，约6个月。若扣除雨季、高温时段等影响，年有效暖季施工期就更短了。

因此，奋斗水库整个设计过程中采用可视化的“三维协同设计”，可以清晰进行工程碰撞分析，可以快速进行专业交叉协调布置。整个设计过程中注重全方位考虑施工管理、施工工艺、施工材料供应等难易程度，确保了奋斗水库工程在紧张的工期内顺利实施，早日发挥工程效益。

2.3.2 梯级调节度汛

施工期间，为了降低围堰度汛、坝体临时度汛的难度，对具备条件的水库群应考虑梯级调蓄及调度。穆棱河奋斗水库坝址上游已建成的梯级为团结水库，团结水库属于大(2)型水库，与奋斗水库形成串联水库。团结水库原设计是以灌溉、供水为主，兼顾防洪、发电、养鱼和多种经营的综合利用大型水库，其设计特性指标详见表2。

表2 团结水库设计特性指标表

奋斗水库根据穆棱河干流中上游各水文站资料，插补延长及实测资料还原后组成的1956—2013年共58 a连续系列资料[3]。水库群水利计算应在满足各水库承担任务要求前提下，以水库群整体效益最优为计算目标[16]。水库群防洪水利计算应分析防洪保护对象的防洪要求，拟定水库群的联合防洪调度方式，计算确定各水库防洪库容和预留时间。

奋斗水库施工导流方式是影响碾压混凝土重力坝快速施工的关键因素之一。为了尽量降低对施工速度的影响，奋斗水库采用一次拦断河床围堰法导流。该导流方式能形成较大作业面，便于两岸交通布置，从而保证上坝强度。影响碾压混凝土重力坝快速施工的因素主要有作业面大小、上坝强度高低、温控措施难易、结构布置等，其中作业面大小与导流方式密切相关。奋斗水库导流建筑物的洪水标准采用10 a一遇，坝体临时度汛标准采用20 a一遇。导流建筑物由上游围堰、下游围堰及导流隧洞组成。

施工期间，充分利用团结水库的调蓄及调度，从而降低围堰度汛、坝体临时度汛的难度。大汛期间利用团结水库的调蓄能力进行削峰，从而缓解奋斗水库施工期间度汛压力，并取得了明显的经济、社会效益。

2.3.3 温度及裂缝控制难度大

工程所在地区昼夜温差大、季节温差大，对坝体施工期及运行期的温控很不利，对奋斗水库碾压混凝土重力坝的基础温差、内外温差及上下层温差波动保持在规定范围内，其难度很大。为了控制裂缝，应选择合适的浇筑时间及温控措施，改善温度场的分布，减小不利拉应力影响，确保混凝土的施工质量。

奋斗水库碾压混凝土重力坝温度进行分区控制，共三个区：Ⅰ区(基础强约束区)混凝土是指距基岩0.2 L以内的混凝土，L为浇筑块的长边。Ⅱ区(基础弱约束区)混凝土是指距基岩0.2 L～0.4 L范围内的混凝土。 Ⅲ区(非约束区)除Ⅰ区、Ⅱ区混凝土以外的混凝土。

奋斗水库钢衬管下弯段与斜直段连接、斜直段与坝体相接触及坝体与上弯段相衔接等部位容易出现较大环向和轴向拉应力[17-19]。浇筑季节影响钢衬管的温度应力大小，对最高温度区域的位置影响不大。通过优选浇筑季节，降低钢衬管主要部位的温度梯度，延缓因温度场变化而引起较大拉应力的出现时间，降低施工期间外包混凝土开裂的可能性。钢衬管各部位的进度计划宜安排在低温季节施工。

2.3.4 越冬保护

奋斗水库工程所在地10月份进入低温季节施工，考虑到碾压混凝土的设计龄期为90 d，对9月份及以后浇筑的碾压混凝土需要采取措施保证安全越冬。碾压混凝土重力坝为少筋或不配筋结构，当碾压混凝土内外温差过大时，因缺少约束容易由表面裂缝发展成贯穿性裂缝。

根据以往的施工经验，并总结国内失败教训，奋斗水库施工现场积极采取混凝土温控、未达龄期混凝保温越冬等措施。坝体高程344 m以下混凝土采用水体保温，保证坝体顺利越冬。具体做法：向上下游围堰围成的基坑充填河水，被保护坝体顶上水深应超过当地最大冻结深度。第二年施工时，对越冬层面进行凿毛处理，在上层混凝土浇筑前摊铺一层高标号水泥砂浆，并于越冬层面设置钢筋和止水。

3 奋斗水库PPP模式

3.1 PPP模式运转

奋斗水库工程是国家开展社会资本参与重大水利工程建设试运营第一批试点项目之一[19]。对投资环境、投资收益机制、建设运营服务、监管方式方法、完善政府鼓励引导政策等方面进行深入探索，并取得了一定的实践经验。

奋斗水库是以城镇供水为主，结合防洪，兼顾灌溉和发电等综合利用的大型水库，建设运营管理包括水源—取水—净水—用水等部分。具有财务收入的功能有供水、灌溉、发电，特别是供水效益必须完成供水配套工程才能实现。

结合具体情况，奋斗水库工程吸引社会资本参与项目建设的方案为：落实项目投资主体，确定项目合作范围，抓好试点主要工作等(详见图4)。奋斗水库工程采取社会资本参股方式，直接注入资金，按政府资本金与社会资本投资比例进行效益分配，共同参与工程建设和运营管理。从工程建设运营的投资、产品定价、财政补贴、金融支持等方面积极探索。

图4 PPP模式运转

截至目前，奋斗水库PPP模式运转顺畅，为工程建设全面开展创造良好条件。该模式正常运转对黑龙江省重大水利工程建设开展PPP合作机制起到积极试点效应。

3.2 PPP操作流程

水利是国民经济和社会发展的重要基础设施。对具备一定条件的重大水利工程，采用政府和社会资本合作模式(PPP)对于释放社会投资潜力、转变政府职能、促进治理方式和管理模式创新具有重要意义。对新建项目，建立PPP合作机制，鼓励社会资本以特许经营、参股控股等多种形式参与重大水利工程建设运营，有利于水利多渠道筹措资金，有利于提高水利管理效率和服务水平，有利于加快完善水安全保障体系。奋斗水库工程PPP项目全生命周期操作流程参照图5。

全生命周期是指项目从设计、融资、建造、运营、维护至终止移交的完整周期。物有所值(VFM)是指一个组织运用其可利用资源所能获得的长期最大利益[20-21]。VFM评价是国际上普遍采用的一种评价传统上由政府提供的公共产品和服务是否可运用PPP模式的评估体系，旨在实现公共资源配置利用效率最优化。

图5 PPP项目操作流程图

4 结 语

奋斗水库作为国家PPP第一批试点项目，推广实施PPP模式对于深化投融资体制改革、提高公共产品和服务供给效率、扩大有效投资等具有重要意义，并全生命周期注重生态环保效益。奋斗水库建设过程中，碾压混凝土坝温控及裂缝控制难度大，层、缝面处理的质量是层间控制的关键点。建设过程中，碾压混凝土重力坝温控采用分区控制，选择合适的浇筑时间及温控措施，改善温度场分布，总结了温度及裂缝控制经验。施工中注重碾压混凝土层间控制质量，保证了工程建设质量。奋斗水库的建设为寒区建设碾压混凝土重力坝，积累了宝贵的经验。