深溪沟水电站工程技术特点研究

2019-12-07石太军张逢银李家亮吴庆辉莫如军

水电站设计 2019年4期

石太军，张逢银，李家亮，吴庆辉，莫如军

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前言

大渡河深溪沟水电站位于四川省汉源县境内，为大渡河干流规划的第十八级电站，其上接已投产发电的瀑布沟水电站，下接枕头坝水电站。电站以发电为主，兼有满足下游特殊企业用水要求的任务。水库正常蓄水位660.00 m，正常蓄水位以下库容3 200万m3，调节库容800万m3，具有日调节性能。电站安装4台单机容量165 MW的轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量660 MW，与上游瀑布沟水电站联合运行时，多年平均年发电量32.35亿kW·h，发电装机年利用小时数4 900 h。根据（GB50201-2014）《防洪标准》、（DL5180-2003）《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》，确定深溪沟水电站工程为二等大（2）型工程，本工程永久性主要水工建筑物按2级设计，次要建筑物按3级设计。

深溪沟水电站枢纽建筑物从左至右依次布置有：左岸挡水坝段、3孔泄洪闸、1孔排污闸、河床式厂房、右岸接头坝段、窑洞式安装间和两条泄洪冲沙洞等建筑物，坝顶高程660.0 m，坝顶全长222.5 m。

1 工程技术特点

深溪沟水电站地处大渡河大峡谷腹地，两岸谷坡陡峻，河谷深切，呈现出典型的“V”型峡谷，边坡卸荷强烈，汛期洪水峰高量大，峡谷风巨大，施工区有成昆铁路大动脉和省道S306线穿过，“工程布置难、施工难、安全问题突出”为全国水电行业所公认。中国工程院院士、著名水电专家谭靖夷来工地视察时，称深溪沟工程建设环境及施工强度“在国内同行业中艰难程度是具有代表性的，工程建设是具有挑战性的”。正是受其特殊的地理、地质条件限制，工程在建设中遇到了很多施工布置难题及高难度的技术问题，具体如下：

（1）工程边坡较为陡峭，开挖支护规模大，含岩石边坡，深厚覆盖层边坡，最大坡高约140 m，边坡开挖长380 m，几乎无法布置道路。

（2）工程地处大渡河峡谷国家地质公园边缘，大坝左岸紧邻成昆铁路隧洞，环境复杂，对边坡开挖范围、处理措施均提出很高要求。

（3）坝址河床狭窄，基坑深近70 m，河道两岸场地极为稀缺，施工布置十分困难。

（4）工程工期较短，施工强度较高，工程质量要求建设无裂缝大坝，对大坝的设计和施工技术要求很高。

上述施工条件国内少见，设计通过大量的科研工作，创新提出了多项解决技术，在高山峡谷中河床式厂房设计、施工领域取得突破性成果，部分技术指标位居国内前列，工程主要技术特点及其设计情况如下。

1.1 强卸荷边坡免开挖支护技术

坝区岸坡陡峻，风化卸荷强烈，边坡的主要工程地质问题是：顺坡向陡倾角卸荷裂隙与顺层挤压破碎带以及其他随机发育节理裂隙的不利组合，其变形破坏形式以崩塌、坠落为主，体积一般几立方米至上千立方米不等，这些高陡边坡上局部倒悬体及卸荷形成的危岩体对下部水工结构和人员安全造成较大风险。

由于岸坡十分陡峻，无法布置道路从上至下进行开挖和支护，另一方面坝轴线处左坝肩边坡距成昆铁路水平距离130.0 m，也不允许大规模的开挖爆破。因此倒悬体及卸荷形成的危岩体的安全支护是设计面临的棘手难题。

综合分析和研究，设计方提出边坡免开挖支护技术，采用分区分步骤强支护的方案，以确保边坡稳定及运行期建筑物的安全。监测资料显示，两岸边坡至今未见异常，处于稳定状态。免开挖支护设计技术包含以下特点：

（1）滑动破坏模式。岩体以镶嵌碎裂结构为主，滑动破坏模式为逐步卸荷、渐进拉裂、崩塌、坠落，采用块体失稳理论分析计算。

（2）边坡不开挖，不设置马道。

（3）边坡系统支护采取锚索+系统喷锚支护措施，随机不稳块体进行锚束、深锚筋、锚筋束、挂网（钢筋网或钢索）等措施。

（4）对局部低高程的较大倒悬体，设置了混凝土梁肋支撑（见图1），自下而上进行浇筑施工；对高高程危岩体实施主动防护网+锚索支护。在坡顶开挖开口线外设置截水沟和柔性防护网各一道，其中在闸室部位加设一道柔性防护网。

图1 左岸边坡混凝土梁肋支撑

该技术主要是采用强支护控制整体边坡中上部变形，防止卸荷引起上部岩体变形过大，岩体拉裂造成失稳，同时将局部危岩体等实施主动防护。支护施工可下可上，较为灵活。边坡下部局部垂直开挖对整体边坡稳定在可控范围，既满足建筑物布置需要，又大大降低了施工难度，减少了开挖量和施工安全风险，有效地解决了工程高边坡的稳定和难以施工问题，十分适合高山峡谷高陡边坡的处理。

1.2 无裂缝大坝材料、温控设计关键技术研究

深溪沟电站厂坝主体混凝土总浇筑方量约100万m3。具有如下特点：

（1）厂坝式结构仓面大，单坝段顺河长90 m，宽38 m，不设纵缝。

（2）无裂缝大坝的高标准要求，对厂坝式结构无相关工程温控经验借鉴，温控标准和温控措施选取难度大。

（3）厂房混凝土施工跨越春夏秋冬四季，周期较长。

针对深溪沟电站的环境条件和施工特点，按照材料试验-理论分析-数值仿真-经验判断的技术路线，从胶凝材料选择上开始，优选低热水泥和混凝土配合比；结合深溪沟厂坝段的实际体形，展开了各个坝段的混凝土施工期全过程理论分析和数字仿真分析研究，对影响混凝土温度与应力的主要温控措施进行了敏感性分析，提出了符合深溪沟电站厂房坝段工程实际的温控防裂措施，并根据现场条件变化，动态调整。

施工中采用预冷混凝土，混凝土体内埋冷却水管等综合措施。目前大坝混凝土浇筑已全部完成，从现场检查情况来看，未出现温度裂缝，打破了“无坝不裂”的神话。该技术特点主要为：

（1）率先在大渡河流域工程中采用低热水泥。低热水泥过去较少应用于建筑物结构混凝土，主要在于用其生产的混凝土强度不易达标，离散型大，配合比难度较大。设计从材料成分、骨料、添加剂开始，深入研究和试验满足要求的水泥和配合比，摸索出低热水泥配比成功的关键技术要求。

（2）率先在大渡河流域工程中采用光纤测温技术，实时掌握大体积混凝土内部的温度变化。

（3）率先在大渡河流域工程中利用数字仿真技术。自主研发相关软件，动态调整混凝土浇筑分层厚度和间歇时间，并根据层厚适当调整冷却水管的间排距。

该项技术需要统筹考虑水工结构、温控要求、资源配置、进度计划等，提出符合实际的施工要求，该技术具有一定挑战性。

1.3 厂坝分缝优化和浇筑进度数字仿真关键技术研究

深溪沟拦河坝采用厂坝结合的布置形式，结构复杂，施工干扰大，影响因素众多。建设方要求在保证工程质量和安全的前提下，提前一年实现首台机组发电。由于工期紧张，迫切要求在厂坝施工中解决以下关键问题：

（1）在结构设计中如何分缝分块，既保证工程质量和安全，又能提高浇筑进度，满足温控要求，避免工序间的干扰。深溪沟水电站采用河床式厂房，厂房水下部分的混凝土属于体积较大的块体混凝土，其特点是现场浇筑量大，结构几何形状复杂，基础高差较大，温度应力大，对结构混凝土限裂要求较严。厂房进水口底板最大高度近26 m，因此厂房混凝土的浇筑分层分块方式适当与否，关系到厂房结构的安全以及运行期的稳定。

（2）快速评价当前施工进度，分析进度偏差原因并提出合理解决措施。

（3）及时分析施工条件和施工参数的变化对后续施工进度的影响。

（4）从错综复杂的影响因素中找出制约混凝土快速施工的关键因素，有针对性地优化施工方案和优选施工参数，加快施工进度。

针对深溪沟厂坝混凝土施工特点和深溪沟厂坝混凝土施工管理的要求，研究了独特的分缝方式，自主研发了“深溪沟水电站厂坝混凝土施工仿真及进度监控分析系统”，实现了快速建立施工仿真模型、全参数化精确构建复杂的三维厂坝、支持人工交互的网络环境访问仿真成果等多项功能。上述措施和仿真程序成功应用在实践中，既满足了结构安全要求，也大大简化了施工安排和进度控制，为提前一年发电奠定了良好的基础。该系统主要技术特点如下：

（1）打破常规，进水口底板在预留出尾水管安装工作面后进行台阶布置，采用通仓浇筑。

（2）流道层以上蜗壳进水口高度范围内设置1 m宽槽，在达到坝体稳定温度场后采用微膨胀混凝土回填。

（3）在进水口底板和尾水段底板顺水流方向两中墩之间设置一条施工缝。

（4）自主研发了“深溪沟水电站厂坝混凝土施工仿真及进度监控分析系统”，该系统动态仿真，可指导施工。

1.3.1 分缝方式

厂房施工缝分缝方式在保证厂房结构稳定安全的前提下，尽量有利于加快施工进度。为保证厂房坝段尽快形成挡水条件，进水口部位、主机间部位和尾水段应尽可能独立施工，经研究设计对厂房坝段施工缝的设置提出以下意见。

（1）进水口底板在预留出尾水管安装工作面后进行台阶布置，采用通仓浇筑，每层浇筑厚度在2 m以下。

（2）在进水口底板和尾水段底板顺水流方向两中墩之间设置一条施工缝，即使入仓温度控制在12℃以内，仍须采用水管冷却方式。

（3）初步考虑在流道层以上蜗壳进水口高度范围内（桩号坝0+33.5 m附近）设置1 m宽槽，在达到坝体稳定温度场后采用微膨胀混凝土回填。

（4）尾水管底高程587.55 m以下底板混凝土采取两道错缝布置分三块浇筑。

（5）在蜗壳周边预留0.8～1 m厚二期混凝土以利于上部结构的施工，但要求蜗壳顶板及侧墙采用钢板衬护以防渗漏。

（6）尾水管以上一定层厚的混凝土可采用台阶法，以加快下游尾水闸墩的施工。

（7）接头坝段应采用错缝方式进行浇筑。

（8）所有垂直施工缝均需设置止水、键槽和并缝钢筋。重要部位的水平施工缝也应设置止水。

1.3.2 分层分块方式

基础约束区混凝土浇筑高度控制在1.5 m以内，底板混凝土分层中应考虑至少三层属于基础约束区，以避免或减轻基础约束所产生的早期温度收缩裂缝。非约束区混凝土分层厚度应根据结构部位、施工分缝位置、仓面大小、浇筑能力和温控措施等情况综合考虑，并避免浇筑过程中产生冷缝，确保混凝土的施工质量。

1.3.3 缝面处理

为加强结构的整体性，先浇施工缝处必须留有键槽，并布置适量插筋。在混凝土浇筑前，应对施工缝表面进行凿毛处理，保证相邻混凝土结合紧密。对垂直施工缝必须设置止水措施，对于重要部位，如混凝土蜗壳、上游压力墙，下游挡水墙等，其水平工作缝均应考虑设置止水措施。宽槽部位的处理待温控计算结果提出后详细考虑。

1.3.4 温控措施

厂房坝段流道以下部分混凝土结构尺寸大，浇筑仓面大（进水口底板若采用通仓浇筑，仓面面积最大达1 300 m2），施工强度大。因此，为保证混凝土浇筑质量，必须采用强有力的温度控制措施。原则上对仓面较大的厂房混凝土浇筑均需按设计要求严格控制仓面高度及混凝土入仓温度（5～10月入仓温度不高于12℃），并采取水管冷却方式。

1.3.5 仿真系统架构与软件特点

系统采用三维平台动态展示坝体上升过程（见图2）。厂坝结合布置的混凝土重力坝孔洞繁多，结构复杂，采用法国达索公司CATIA平台构建的厂坝三维模型，可以精确表现复杂的空间曲面和孔洞结构，计算各控制点坐标以及厂坝混凝土方量。在CATIA平台的知识工程环境下，全参数驱动的水工建筑物模板能快速适应同类工程的结构变化，达到快速、准确建模效果。

图2 三维平台动态展示

支持人工交互的网络三维查询系统。工程管理人员可以根据权限进行远程访问，获取坝体浇筑强度、施工历时、间歇时间、上升速度、施工面貌、机械设备的使用情况、仿真成果和浇筑记录，并支持数据表、柱状图、饼图、横道图、坝段二维模型、三维模型等多种方式查看和导出。

多方案比较与管理。工程决策中往往需要对实际浇筑面貌和进度计划、不同仿真方案、仿真方案与预期计划方案之间的形象面貌进行比较，该系统可以对多个方案的数据进行管理，并通过采用不同颜色标示两个比较方案的滞后和超前情况，使用户能方便、直观地了解实际进度和分析不同方案的差异。

利用该系统紧密跟踪现场施工情况、逐月进行仿真分析、编制进度仿真月报，为工程管理人员快速、准确掌握施工全过程并及时动态调整施工计划提供了科学依据，为电站工程的进度监控及施工管理提供了技术支持。从比较分析看，仿真预测成果与实际施工进程比较吻合，极好地验证了系统的准确性和先进性。

1.4 爆破拆除导流洞进口锚索围堰的重大技术难题处理

深溪沟水电站导流洞进口围堰因地形地质条件限制采用的是“预留岩坎+混凝土重力坝”型式的挡水围堰，类似阶段状的高悬臂结构。由于稳定和结构应力需要采用3 m×3 m的锚杆、锚筋束和27根2 000 kN预应力锚索加固，锚索深32 m，预应力无法提前取消。预留岩坎紧挨闸室，最近处不足0.3 m，爆区正上方仅20 m处有闸室消涡梁，如何控制爆破对闸室混凝土的不利影响，及控制爆破时切断锚索或飞石对左岸成昆铁路造成影响，是围堰拆除爆破的难点。

经过研究和试验，在炮孔布置和装药结构上进行了创新。采用独特的“聚能”装药结构和爆破布置、起爆程序，巧妙地利用炸药的爆炸能力将锚索剪切断。

此A级拆除爆破工程圆满成功，被誉为“大渡河第一爆”。深溪沟导流洞预应力围堰爆破拆除项目被评为“第四届中国工程爆破协会科学技术奖”一等奖。

1.5 双层水平防护网防护技术

本工程两岸山势陡峭，高边坡不稳岩块坠落对轻型厂房屋顶威胁极大，严重影响电站安全运行。经过比较研究，采用了双层水平防护网拦截技术，在防护网尺寸、材料选择、铺设结构等方面进行把控，有效地解决飞石坠砸厂房安全问题。实践证明，水平防护网施工简便，成本低廉，防护效果满足要求。运行三年，多次拦截大小不一的飞石，有效地提高了安全，受到业主的好评。图3为厂房双层水平防护网现场。

图3 厂房双层水平防护网

1.6 其他施工新技术

（1）采用大流量陡比降高流速深覆盖层河道截流技术。深溪沟工程将大流量深覆盖层河道截流技术提高到新的水平，在高山峡谷地区大流量陡比降（约7‰）深厚覆盖层（最大深度约60 m）上，采用不护底的“宽戗单向立堵截流”方式成功实现了截流“流量 1 320 m3／s、落差5 m、龙口流速 10.2 m／s”的工程截流。龙口流速是已知的、位于国内外截流工程前列的截流龙口流速，综合截流难度在世界已知水电站中很少见。

（2）超高预应力锚索作业排架设计及施工技术。导流洞进口边坡预应力锚索作业排架搭设面积为5 000 m2有余，高度近70 m，实测河谷最大风速超过21 m／s，如此大面积、高难度的高排架搭设给工程施工建设带来了重大的安全技术难题。经过建设方的共同研究，对排架的设计方案采用了专门计算分析手段和锚固加固措施，并相应地制定了具体的实施方案。从开始施工至高排架全部拆除，历时近9个月，在长达270天的高空作业中未发生一起安全、质量事故，创造了特大型承重排架安全零事故施工的企业新纪录。

（3）采用绿色工程技术解决施工总布置难题，保护了生态环境。本工程位于峡谷峻岭之中，工区地势狭窄；大渡河两岸山势陡峭，左岸有成昆铁路和省道穿过，这都给工程施工总布置设计、施工带来了极大的挑战，工程需要重点解决施工场地异常狭窄、交通困难、环保水保等难题。通过“化零为整”，优化临建布置，因地制宜地在沿河两侧布置施工区，各种设施依山而建，解决施工场地异常狭窄问题；充分布置桥梁和隧洞，“桥隧结合”解决施工交通瓶颈问题，既避免了在边坡大量开挖修路、弃渣下河等水保问题，又减少运距10 km以上，降低了能耗，采用绿色工程布置技术和施工措施，有效保护了环境。