前坪水库工程技术创新与应用

2020-01-18皇甫泽华历从实应越红

中国水利 2020年18期

皇甫泽华，历从实，应越红

（河南省前坪水库建设管理局，450000，郑州）

前坪水库建筑物主要有主坝、副坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞、电站等，主坝为黏土心墙砂砾（卵）石坝，最大坝高90.3 m，坝顶长818 m，总工期为60 个月。为解决工程建设中碰到的难题和关键问题，前坪水库建设管理局邀请国内知名院校和科研院所的专家开展了联合技术攻关，为优化设计、建设管理、运行管理、工程创优提供了技术支撑。

一、关键技术研究与应用

1.土石坝智能碾压技术及其工程应用

①研发了无人驾驶智能碾压机群协同作业筑坝施工系统。研制了土石坝智能碾压机器人，并集成卫星定位导航、网络通信、智能控制等新技术与装置，形成了无人驾驶智能碾压机群协同作业的筑坝施工完整系统，实现了远程唤醒、休眠、高精度RTK-GPS 定位导航、安全避障、自主规划碾压作业、自主碾压与自动检测施工质量等功能。

②提出了适用于土石料压实质量快速评估技术与方法。采用碾压机集成声波检测方法，建立了土石料压实度与连续压实指标（SCV）的关系，研发了压实质量机载声波检测系统，提出了适用于全工作面、粒径分布较宽的土石料压实质量快速评估方法。

③建立了土石料压实模型，研发了土石坝智能碾压自主决策系统。建立了土石料粘弹塑性动力压实模型，用于模拟不同施工参数下的压实效果。通过对填筑料的每一遍压实度进行快速检测，确定压实度计算模型参数，利用压实模型进行工作参数优化，提出压实决策最优方案，以控制碾压机工作参数。

④提出了基于可视化和仿真分析的土石坝填筑方案优化方法。基于BIM 技术，实现了施工组织筑坝过程三维可视化，提高了施工精度和效率。根据施工进度与碾压参数，对土石坝施工期的应力变形进行仿真分析，优化填筑方案，并自动反馈到碾压机执行。

2.心墙砂砾石坝变形协调综合控制关键技术及应用

①提出了滞后湿化变形模型，建立了考虑坝料瞬时变形、流变、湿化及循环荷载等要素的大坝应力变形预测技术，首次再现了心墙水力劈裂所需应力条件，揭示了坝壳不同高程顺坡向变形差异易于导致水力劈裂的机理，构建了包括水力劈裂、坝顶裂缝等多因素的心墙坝变形协调性判别准则。

②构建了心墙砂砾石坝变形协调度综合健康指标和评价函数，提出了基于心墙坝性态耦合预测的变形协调多目标优化方法。

③改进了相对密度现场试验方法，揭示了坝料级配对相对密度的影响规律；提出了碾压机振动回馈信息与深度学习方法融合的全工作面压实质量评估模型，建立了针对高变异性坝料的自学习压实度控制技术，构建了传统旁站监理人工过程控制与挖坑检测结果抽样控制结合、数字化碾压参数过程控制与全工作面压实度结果控制结合的质量保证体系。

3.碎裂结构岩体与碱活性骨料勘察关键技术及应用

①建立了神经网络与灰色理论的工程岩体分级模型，提出了前坪水库坝址区工程岩体分级指标。研究中采用人工神经网络及灰色聚类法对岩体质量分级，将复杂的地质现象抽象为合理的物理模型,为前坪水库工程黏土心墙砂砾石坝坝型选择、坝基渗流稳定计算提供依据，指导了坝基防渗墙入岩深度设计及防渗帷幕设计，为洞室及边坡前期类比设计提供依据。

②研究了碎裂结构岩体结构面性状、完整性指数、地下水和地应力等多因素和岩体力学参数的映射关系，提出了基于因子分析法的岩体力学参数优选方法。本项目采用了一种基于因子分析法的BP 神经网络方法确定岩体力学参数，利用降维的思想，把影响岩体力学参数取值的因素归结为少数几个综合因子分析岩体力学参数。采用常规试验方法确定岩体力学参数计算的高边坡单坡坡比为1∶0.7，而采用基于因子分析法的BP 神经网络方法综合论证选择岩体力学参数边坡优化至1∶0.5，在泄洪洞进口及溢洪道左岸高边坡中运用，经过实践，工程边坡安全可靠，减少了开挖工程量，节省了工程投资，加快了工程进度。

前坪水库工程洞室围岩主要为微弱风化安山玢岩，具典型的“硬、脆、碎”特征，呈块状构造、碎裂结构，岩体裂隙较为发育，结构面短小、延展差，岩块间嵌咬合力较好。根据研究，洞身段围岩类别主要为Ⅲ类，按照Ⅲ类围岩确定的岩体力学参数，分析洞室围岩采用系统锚杆挂网喷护；与传统方法确定的Ⅳ类围岩需采用钢拱架配合系统锚杆挂网喷护相比大大节约了投资，加快了工程进度。泄洪洞工程自2016 年12 月开始监测，监测点累计位移量均小于10 mm，自2018 年3 月至今，监测点月累计位移量均小于1.0 mm，表明洞室围岩处于稳定状态。

③研发了华北地区骨料碱活性数据库系统，提出了“三级三步”骨料碱活性判别流程，实现了骨料碱活性的快速判别。前期工作中，采用“三级三步”骨料碱活性判别模型，从不同的深度对骨料碱活性进行快速比对分析，快速判别混凝土骨料的碱活性，快速锁定可用料源，缩短工程前期工作中料场选择的周期，提高了工作效率，为工程建设决策提供依据。

4.岩质边坡优化设计关键技术

前坪水库坝址区边坡主要包括主坝右坝肩高边坡和溢洪道左岸高边坡。其坝址两岸山体为侵蚀、剥蚀低山区与丘陵区过渡带。坝址区右岸岸坡为悬坡，基岩裸露，山顶高程最高480.2 m，坝基开挖至建基面330 m时，右坝肩边坡最高达150 m 以上。溢洪道布置在河流的左岸，进水渠、控制段左岸边坡高均超过80 m，局部可达84 m。坝址区高边坡岩性主要为强风化、弱风化安山玢岩，岩体裂隙发育，多微张，降低了坝址区边坡岩体的完整性。坝址区高边坡开挖后，边坡下部坡度改变，致使边坡应力状态重新分布，坝址区高边坡的安全与否直接制约大坝安全建设和健康运行，影响了施工人员和施工设备的安全。喷锚支护在边坡加固工程中得以广泛应用，但不同工程场地和不同的工程地质条件，边坡岩体受力变形特征差异，采用锚杆类型、直径、长度和间距也不同。开展边坡开挖优化设计和工程加固措施优化可节省工程投资，加快工程建设进度。

①利用三维激光扫描技术，研究了前坪水库右岸坝肩高陡边坡的岩体结构特征，解决了右坝肩基岩裸露、高陡、难以人工到达等困难条件下调查安山玢岩岩体主要节理裂隙等特征。通过三维激光扫描、去除噪点、坐标系转换和岩体结构面解译等工作，分析右坝肩边坡的主要节理裂隙统计特征，得到影响该边坡稳定的主要节理分布特征。

②利用现场调查、室内试验分析了前坪水库坝址区高边坡岩体的物理力学性能，研究了安山玢岩的镶嵌碎裂结构对坝址区高边坡稳定性的影响。综合采用极限平衡法、FLAC3D和可靠性分析方法研究了右坝肩和溢洪道左岸高边坡在施工期和运行期的稳定性。优化了溢洪道左岸边坡开挖及支护方案，减小坡体的开挖量，优化了锚杆的支护设计方案，节省了工程投资，缩短了建设工期。

经方案优化，在边坡开挖后，边坡最大主应力均不出现拉应力；虽然优化方案边坡开挖坡度提高，但变形变化不显著；优化方案减少石方开挖约15 万m3，节省直接经费950 万元，同时节约了工期。

5.大体积混凝土光纤在线测温及开裂风险预警技术

①以分布式光纤测温为基本手段、以温控预报为主要路径，建立了一整套混凝土温控防裂预警系统。

②通过在线测温控制混凝土降温速度的方式，利用了钢筋的分载能力，缓解了混凝土表面应力，减少了混凝土在施工期开裂的风险，为类似工程开展温控防裂提供了新途径。

③利用温度应力试验机对混凝土的开裂进行了实验研究，提出了新的评价方法。

④对温度应力问题比较突出的部位，进行了温控预报，为混凝土养护与保护提供了技术支撑。

6.施工期安全风险与成本风险协同控制技术

水库施工期安全风险与成本风险协同控制技术采用洪水重现期法和Monte-Carlo 模拟方法，计算了考虑施工进度不确定性的土石坝施工期安全风险；将成本风险划分为投入的确定性成本和损失的不确定性成本，并针对前坪水库下游实际情况计算了溃坝后的损失；结合相对性和绝对性评价，进行了施工方案的均衡优化和安全风险—成本风险决策分析。该项目为河南省前坪水库工程安全度汛和降低溃坝安全风险、成本风险提供了决策建议，也为类似工程提供了理论依据。取得的主要成果及创新：

①构建了考虑洪水和施工进度不确定性的安全风险动态评估模型，为施工全过程的安全度汛提供了理论和技术支撑。

②提出了确定性投入与不确定性损失相结合的成本风险分析模型，对工程投资—进度综合控制具有明确指导意义。

③提出了降低事故概率和减小潜在损失相结合的大坝施工期风险综合控制措施，实现了安全风险—成本风险的协同管理。

7.安山玢岩保护层一次开挖爆破技术

结合前坪水库工程开展安山玢岩的爆破破坏机理及安全防护研究，主要对导流洞安山玢岩进行了边壁预裂的明挖爆破及洞挖的光面爆破研究；泄洪洞安山玢岩边壁预裂的明挖爆破及洞挖边壁的光面爆破和下台阶断面的无保护层的挤压爆破研究；溢洪道安山玢岩边壁预裂的爆破以及建基面保护层一次性爆除的爆破研究。取得的主要成果有：

①提出了隧道下层台阶断面无保护层挤压爆破施工新方法，加快了施工进度。

②采用聚能罩加孔底柔性垫层保护措施，并通过试验研究确定爆破参数，实现了安山玢岩建基面保护层一次开挖。

③建立了安山玢岩爆破开挖三维动态仿真计算模型，解决了本工程爆破开挖施工过程中的关键技术难题。

二、BIM+跨平台技术应用与实践

①研究了BIM 在水库工程规划设计、施工建设、运行维护各阶段的应用内容和实现方法，解决了BIM 在工程各阶段应用的技术难题，并形成了水库工程全生命期的BIM 应用解决方案和应用标准。

②在各阶段BIM 应用研究过程中，进行了 BIM 与 GIS、无人机、水力专业模型等技术融合应用的研究，开发了具有自主知识产权的系统软件，形成了BIM+跨平台技术体系。实现了BIM 模型与GIS 数据、工程数据的融合，达到工程的宏观展现与微观三维可视精细管理目标。实现了实景模型与BIM 模型的交互，实现了工程宏观与微观展示。基于BIM+GIS、BIM+三维实景模型构建的三维可视化平台，与水文学、水动力学模型，闸站调度模型等水力专业模型进行系统集成，为水库工程施工度汛、防洪调度、洪水风险分析提供决策支持。

③研究基于BIM 的工程数字化运维管理系统，运用数字孪生技术将工程物理实体的功能、性能、状态、属性等工程信息与BIM 模型进行映射和系统集成，解决了虚拟与现实的双向映射和动态交互难题，实现了工程运行管理的数字化、智慧化。

三、绿色生态护坡技术

1.团粒喷播（高次团粒）植被恢复技术

导流洞出口仰坡362m 平台以上边坡生态护坡工程，采用“团粒喷播（高次团粒）植被恢复技术”，该技术能快速恢复或重建植被环境。团粒技术是将特殊生产加工制造的有机质和黏土与有机添加料、肥料、土壤稳定剂、土壤活性剂、植物种子、清水及其他添加材料，严格按照规定配比混合成为泥浆状混合料，然后与团粒剂溶液进行混合，发生团粒化反应，制备出一种特殊的“人工土壤”，称之为“团粒土壤”。

应用效果。试验数据表明，团粒土壤的黏聚力达到57 kPa，而普通土壤的黏聚力小于25 kPa，团粒土壤的黏聚力远大于普通土壤，所以团粒土壤具有极强的耐冲蚀性和水土保持能力。

2.边坡复合式生态植被护坡技术

对外交通道路长3.5 km，坡度在1∶3 至 1∶0.5 之间，有缓坡也有陡坡。路堑山体属于砾岩，强风化，砾石含量约60%，成分以玄武岩为主，安山玢岩次之。为了有效恢复生态环境，使之达到与周围环境相协调及长效防护的目的，对外交通道路路堑边坡采用复合式生态植被支护方案恢复山体的地貌，达到与周围环境相协调，取得较好的环境景观效果。

复合式生态植被支护方案是集岩石工程力学、生物学、土壤学、肥料学、园艺学、环境生态学等学科于一体的综合环保技术，采用镀锌铁丝网草纤维客土混喷植生护坡＋植物纤维毯护坡＋裸根栽植落叶灌木护坡，由特殊工艺制造而成的客土材料，加入植物种子，并添加许多必要的其他材料，采用喷播机械作业的方式进行植草防护，然后在坡面间隔50 cm 间距栽植灌木，形成灌草结合的稳定立体复合生态体系，能有效解决单一草本植物群落易退化的问题，既具有保水性，又有透水性、透气性，适于植物生长，同时有效抵抗雨蚀和风蚀，防止水土流失，达到既能防水固坡，减噪降尘，又能四季常绿，与周围环境相协调，形成自然美。

3.客土喷播生态护坡技术

溢洪道边坡均超过80 m，局部可达84 m。左岸423.5 m 高程以上边坡坡度为 1∶0.5，除 468.5 m 马道以上，各级边坡高度均为15 m，该边坡为高陡边坡。主要岩性为安山玢岩，基质为隐晶质或玻璃质，并见有辉石、角闪石等暗色矿物，裂隙发育。质坚性脆，岩芯破碎，多呈碎块状。取芯率低，一般呈弱风化状。由于目前边坡已基本开挖完成，为避免边坡长时间裸露，加重风化，决定选择工艺简单、速度快、工期短、植被防护效果好且经济的钩花镀锌铁丝网+植被基材喷附材料的客土喷播方法。

溢洪道客土喷播生态护坡是先将镀锌铁丝网自上而下固定在边坡上，然后将客土（植物生存的基本材料）、纤维、长效缓释性肥料和种子等按一定比例配合，加入专用设备中充分混合搅拌后，通过空气压缩机压缩空气喷射到坡面上形成所需要的生长基础。客土喷播生态护坡，通过挂网，可以增加客土的抗冲刷能力，同时大大地改善了客土在边坡上的附着条件，对边坡高度、坡率的适应性较强，在高陡岩质边坡上可以成功的覆盖植被。可以达到既稳固又经济、既环保又美观的良好效果。

四、其他技术改进与创新

1.大坝防渗墙自行式液压钢模台车的研制与应用

结合前坪水库坝基现浇钢筋混凝土防渗墙的特点，研制了自行式液压钢模台车，实现了连续浇筑，避免了常规模板对拉丝孔防渗处理，减少了施工缝，改善了混凝土外观，提高了墙体实体质量，加快了施工进度。

2.液压冲击夯板的应用

为确保黏土心墙防渗墙边沿、检测管周边及左右岸坝肩盖板部位的碾压质量，利用挖掘机液压破碎锤改制成液压冲击夯板，提高了施工效率，确保了压实质量。

3.双料拖式振动摊铺机的研制与应用

为解决前坪水库主坝心墙黏土、反滤料常规填筑施工存在的料物相互侵占、反滤料损耗大、施工效率低等问题，研制了一种可以同时进行心墙土料和反滤料铺设的“双料摊铺机”。

4.塑料膜快速收放机的研制与应用

为解决快速保护心墙黏土及快速收起保护材料的问题，研制了塑料膜快速收放机。

5.全圆针梁钢模台车改造与应用

通过对全液压全圆针梁钢模台车进行改进，解决小断面有压圆形隧洞混凝土衬砌保证混凝土全断面一次性浇筑成型问题，实现了连续、高效、快速、安全进行洞身混凝土的衬砌。

6.多卡悬臂模板的应用

多卡悬臂模板的应用，省去了大量焊拉条工程量，缩短了立模时间。

7.洞身衬砌钢模台车改造成泄洪洞出口消能段挡墙迎水面模板技术

该技术解决了出口消能段混凝土施工与洞身段灌浆施工的交叉干扰问题，而且大大减少出口消能段挡墙的立模时间，加快了工程进度。

8.整体式模板台车在洞身衬砌中的应用

采用重达150 t 的一体式自动模板台车，使原来每仓洞衬的施工周期由5 天缩短为2.5 天，确保了工期目标的实现。

9.泄洪洞进水塔混凝土浇筑入仓系统的研究与应用

为解决进水塔施工场地相对狭窄问题，设置了两个混凝土卸落点，分别位于高程386m 和 424.5m 平台处，混凝土垂直落差最大为26m。从360 m高程平台至424.50 m 高程平台架设6榀15m 高钢站柱、两条30m 皮带机、1条360°全自动伸缩(长22 m)仓面布料机和混凝土缓流器完成混凝入仓。