三峡船闸输水系统混凝土进度综合分析及动态管理

樊启祥，彭吉银，史明勋，廖建新，李 果

(1.中国长江三峡集团有限公司，北京 100038；2.中国华能集团有限公司，北京 100031；3.国网新源控股有限公司，北京 100761)

1 三峡船闸地下输水系统工程概况

1.1 三峡船闸输水系统工程特性

长江三峡船闸从2003年6月试通航以来已经安全高效畅通运行17年，2019年三峡工程连续10年蓄水达到175 m正常蓄水位，三峡船闸为使长江成为名副其实的黄金水道发挥着重要骨干作用。船闸是实现三峡枢纽工程2003年初期蓄水发电目标的关键性骨干工程，地下输水系统是船闸的主要组成部分，其设计及混凝土施工质量与船闸充泄水时间紧密相关，直接影响到船闸的通过能力和营运效益，是控制船闸按期安全投产的关键。

三峡船闸为双线五级连续梯级船闸，是三峡水利枢纽二期工程中的关键性骨干工程[1-2]，设计总水头113 m，单级最大工作水头45.2 m，闸室有效尺寸280 m×34 m×5 m(长×宽×坎前最小水深)。船闸由上游引航道(长2 113 m)、主体段(长1 621 m)和下游引航道(长2 722 m)组成，总长6 456 m，按结构布置分为地上、地下两大部分。主体段由山体排水系统、船闸土建工程(开挖、锚固、混凝土、灌浆)、船闸金结机电制造与安装工程组成。地上主体段共由12个闸首及10个闸室组成，船闸各级间高差为18.0～20.75 m。地下输水系统布置在两侧和中隔墩岩体内，由隧洞衬砌形成的输水廊道、工作和检修阀门、以及相应的启闭机械组成。在闸室底板内布置有输水系统的出水支廊道，底板的第一分流口和第二分流口结构缝距为24 m。三峡船闸横剖面图见图1，从上游第一闸首到下游第六闸首包含地面闸室结构和地下输水系统的主体段结构布置见图2。

图1 三峡船闸横剖面

图2 一闸首至六闸首结构布置

地下工程主要由顺船闸轴线纵向对称布置的南坡、北坡、中隔墩4条输水隧洞，24条输水阀门竖井组成。其中，中隔墩岩体内开挖一条隧洞，衬砌后分为两条输水隧洞。每条隧洞对应五级梯级闸室的输水平洞和斜井，结构基本一致，每级平洞长约250 m，每级两个输水阀门竖井之间由长36 m、倾角57°的斜井进行连接[3]。输水隧洞开挖总长约5 500 m，输水阀门竖井混凝土衬砌长度累计为3 440 m。

三峡船闸总水头113 m，采用只补不溢的方式划分水级，闸室补水直接通过控制输水系统的阀门进行，充泄水最大工作水头45.2 m。输水系统采用长隧洞等惯性形式，主廊道宜改用每线船闸两侧输水的布置方案；闸室采用底部4区段8分支廊道等惯性顶端分散出水加消能盖板消能方式。船闸一次充泄水时间要求等于或小于12 min，一次充(泄)水体最大达23.7万m3，连续梯级间的输水体积达46万m3。三峡船闸第四级至第五级输水系统及闸室底板分流系统结构布置立体见图3。

图3 三峡船闸第四级至第五级输水及闸室分流系统立体示意

地下输水系统仅在北线输水隧洞北侧布置了一条平行于输水隧洞的地下施工支洞。结合船闸充泄水系统布置特点，充分利用永久结构，支洞与每级船闸的连接通道，在闸室中部与三条输水平洞以及南、北两线船闸闸室底板垂直贯通。三峡船闸施工支洞与输水系统的关系见图4。

图4 三峡船闸施工支洞与输水系统及各级闸室关系

1.2 三峡船闸输水系统控制性工期关系

进度管理是项目管理的主要内容，里程碑目标是实现最终项目建设目标的重要节点。三峡船闸地下输水系统工程于1998年基本完成地下洞室开挖后，第一、六级平洞开始浇筑衬砌混凝土；1999年三季度各级平洞、斜井全面开始衬砌混凝土施工。按照三峡船闸2003年6月试航完成并具备试运行条件的要求[4-5]，2002年5月31日要完成金属结构和机电设备安装与单个闸首单机调试，7月具备系统无水联合调试条件，10月开始抽水联调。系统无水联合调试时段为2002年6月1日～2002年9月30日，系统抽水有水联合调试时段为2002年9月30日～2003年5月15日，以待三峡工程实现135 m初期蓄水目标后，即转入有水试运行阶段。

三峡船闸输水系统平洞及斜井混凝土施工具有工作面空间小、洞室衬砌结构异型断面多、施工难度大、质量要求高、材料和混凝土运距长等主要特点。对比船闸控制系统调试及有水调试目标，综合分析船闸地面闸室底板混凝土工程、输水隧洞阀门竖井工程以及输水平洞混凝土工程之间的关系，考虑各级施工支洞对应的输水系统平洞衬砌混凝土，因施工通道和结构布置特点所致采取退浇法的施工方法，平洞及斜井完工时间制约各级地面闸室第一分流口底板混凝土施工及各级施工平洞最后的封堵时间，控制着船闸有水调试的开始时间。

到2000年11月底，一、二、三、四级阀门井已经全面开始井身混凝土施工，通过采取整体滑模施工工艺，掌握了由混凝土施工向阀门井反弧门安装及单级单闸首船闸机械、电气、液压系统联合调试的主动。第五闸首工程通过调整施工组织与合同界面关系、增加施工手段、优化工艺过程、优化作业流程、完善资源配置等综合措施，并通过加强集成化设备安装、协同化专业组织、精细化施工组织及严密的过程管控，反弧门安装、调试等节点工期及船闸按期投运的总工期得到了保证[6]。此时，船闸输水系统平洞及斜井混凝土施工成为关键，并要求2002年上半年混凝土施工结束。

2 平洞混凝土进度综合分析

2.1 混凝土结构特性

三峡船闸地下输水系统工程结构设计复杂，洞洞交叉、洞井相贯、洞中套洞、井内有井，且断面多变[7]。两级闸室间典型结构及相互关系见图3。南北坡输水隧洞开挖标准断面尺寸6.2 m×7.2 m，最大开挖断面尺寸6.5 m×9 m；中隔墩输水隧洞开挖标准断面尺寸13.5 m×8.05 m，最大开挖断面尺寸16.4 m×11 m。衬砌厚度方面，平洞底板边墙60～500 cm，顶拱125～301 cm，斜井60～165 cm，竖井100～500 cm。

输水平洞断面为城门洞型，其尺寸和面积在第1级主廊道为5 m×6.7 m和30.8 m2，其他级分别为5 m×5.4 m和24.32 m2；标准段衬砌断面尺寸有11种之多，且最长一段直洞长度仅为127.52 m。每级平洞共有24段坡比为1∶7或1∶8的斜坡段，起降坡处均为圆弧过渡；输水系统第一进水口和第六出水口均还有与上航道、下航道连接的弯段。输水系统有72个渐变段，包含19种不同的尺寸。

输水斜井共有12条(衬砌后为16条、中墩衬砌后一分为二)，由上、下弯段和中间直段构成，其中直段为渐变结构。二级斜井长21.9 m，底拱倾角54.5°、顶拱倾角57.6°，断面高由5.5 m渐变至6.7 m；三级～五级斜井长35.2 m，底拱倾角56.9°、顶拱倾角57.5°，断面高由5 m渐变至5.4 m；二级～五级斜井断面均为宽5 m、顶拱半径R2.5 m，底拱两侧圆弧半径R0.5 m。斜井具有数量多、长度短、体形复杂、施工难度大，尤其是边墙高度渐变等特点，是一个变截面的斜井。

针对平洞混凝土施工初期出现的裂缝情况，开展了输水隧洞水工衬砌混凝土温控防裂综合措施的研究[8-10]。通过衬砌混凝土全过程温度实测及数值仿真分析，在采取混凝土性能指标及配合比优化等措施的基础上，从确保质量出发，将平洞标准结构块设计长度由12 m调整到8 m。

2.2 混凝土施工顺序

三峡船闸输水系统采用闸室双边主廊道输水，主廊道为上圆下方的城门洞形隧洞，距船闸中心线26.75 m。中隔墩的两条输水廊道施工时先开挖成一个隧洞，然后用混凝土隔墙将其分为两条输水隧洞。每条输水隧洞共设6个工作阀门，其上下各设一个检修门槽，阀门段廊道内为矩形断面，第1、6道阀门断面尺寸4.5 m×5.5 m，其他阀门断面尺寸4.2 m×4.5 m。如图2～4所示，各级船闸只有一条布置在北侧的施工通道，整个工程施工只能沿南侧山体内的南线输水系统、向南线闸室第一分流口、中隔墩输水系统、北线闸室第一分流口、北线输水系统的顺序及结构分块依次展开。对每级船闸来讲，施工通道直接采用山体内每级输水系统到闸室第一分流口的连通隧道，其位置基本在闸室中部，其上游侧是各级输水阀门井后的平洞，其下游侧为下一级船闸阀门井前面的输水斜井，只有上游侧平洞与下游侧斜井混凝土浇筑到与平洞的交汇处，并完成输水平洞T型管及渐变段施工后，才能为每级船闸闸室第一分流口交汇处的底板及衬砌直立墙提供施工条件。每级船闸输水系统混凝土施工顺序见图5。

图5 三峡船闸输水系统混凝土施工顺序

2.3 混凝土分块浇筑单元工期

三峡船闸输水系统混凝土施工方法，从初期的散装钢模板，到定型组合钢模板及滑模系统，施工工艺与施工工效得到逐步提高，质量得到保证。根据已施工混凝土衬砌结构块的施工工期统计资料，结合对结构块工序、工程量、工艺与劳动力投入、全过程平行检查验收的分析计算，确定了结构块单元工期，作为计划编制与实施控制的基础。三峡船闸输水系统衬砌混凝土各结构块的单位浇筑工期如表1。

表1 三峡船闸输水系统分结构块浇筑单元工期 d

2.4 施工技术与方法

输水系统平洞标准段混凝土采用先底板、后边顶拱的施工程序，底板采用散装翻转式钢模，注重底板弧线段混凝土表面气泡的处理[11]；边顶拱以钢模台车为主，在混凝土施工初期的少数洞段采用散装钢拱架。

斜井混凝土先期在第一级和第六级的上、下弯段采用先底板、后边顶拱的施工程序，上、下弯段采用散装钢管拱架模板；后通过质量、安全及工期工效的综合分析，开展斜井滑模施工技术的创新攻关(见图6、7)。三峡船闸输水斜井实际采用的滑模技术，在分析散装模板的基础上进行了分体式与整体式滑模技术的创新。二级到五级斜井斜直段均采用滑模施工，有全断面整体滑模以及底板与边顶拱分体式滑模两种类型，依照总工期并考虑滑模的周转使用，在不同洞段使用不同的斜井滑模技术[12-13]。衬砌混凝土均采用泵送入仓。平洞钢筋施工不占直线工期，未考虑底板混凝土跳仓与连续短间歇等作业方法。

图6 斜井全断面变径滑模厂内拼装

图7 输水系统斜井边顶拱滑模施工

2.5 混凝土模板选型及周转配置

输水平洞钢模台车。南一及北一平洞是首先施工部位，城门洞型边顶拱采用散装钢拱架模板浇筑，随后施工其他洞段，混凝土边顶拱衬砌全部采用钢模台车。输水平洞共需12台边顶拱钢模台车，其中12 m长8套，8 m长4套。到2000年11月底，已有12 m长6套，8 m长2套；到12月中旬12 m长投入2套(中三平洞)，8 m长投入1套(南四平洞)，同时将北三平洞一套倒入南三平洞；2001年2月投入1套8 m长钢模台车进南五平洞；到2001年1月下旬，中一平洞及中六平洞12 m模板视中二、中五平洞开浇时间倒装，中一平洞与中六平洞模板于2001年3月及2000年12月提供，中六平洞模板需修整1～2个月。

输水斜井及斜井直段滑模模板。混凝土浇筑初期，南二斜直段底板滑模施工于2000年11月完成。南三、南四、南五采用底板和边顶拱分离式滑模施工方法，共制作底板滑模6套，于2000年11月中至12月底完成南侧施工后再转入中三、中四、中五时增加3套。北坡二、三、四、五斜井均不占用直线工期，可待中隔墩底板滑模施工后转入，中三、中四、中五底板滑模于2001年1～4月施工，2001年3～4月转入北坡施工。先期施工的南二斜直段边顶拱采用散装钢管架模板，随后南坡、北坡斜井直段边顶拱采用滑模施工，南坡施工于2000年12月初到2001年3月中旬完成后转入北坡施工(2001年4月～8月)。

加快斜井全断面滑模的研制与现场试验。中三、中四、中五斜井直段边顶拱，原计划按散装钢拱架模板施工；根据斜井底板、边顶拱分离式滑模试验情况，进行了斜井直线段全断面整体滑模施工方案设计和关键技术研究，并在现场试验成功的基础上，2000年12月中旬加工2套投入中四斜井，2001年1月中旬再加工1套投入中五斜井。

2.6 灌浆工程

隧洞回填灌浆、固结灌浆以及封堵混凝土的接缝灌浆，按施工技术要求连续施工，在最后一块混凝土浇筑后2～3个月内完成。

2.7 综合计划成果分析

按照上述原则及参数，利用p3软件编制了进度计划，进行资源强度分析，综合计划成果表明：

(1)二、三、四级平洞斜井混凝土施工关键路线为中隔墩斜井、T形(十字形)管及渐变段施工，在斜井模板资源配置上共6套，以确保中三、中四、中五不受制约，同时研究中隔墩大断面斜井边顶拱滑模方案。

(2)T形(十字形)管部位体形复杂，钢筋布置复杂，并布置有结构加强锚筋，在施工安排上，组织锚杆台车在平洞与斜井混凝土施工时段内将结构锚杆施工完成，以不占直线工期。根据设计配筋，对T形管(十字形)通过制作实体缩尺(1∶10)模型，以在钢筋安装顺序及模板体形上做好技术与资源准备，有利于指导实际施工，确保施工质量。

(3)南五平洞及中三、中四、中五斜井欠挖处理及基础验收不占混凝土施工的直线工期，南五阀门竖井井口新增混凝土挡墙待浇筑到顶提供作业平台后，南五阀门井及南五检修井作业可以从井口进行材料运输，不再占用南五平洞。

上述进度计划，使梯级连续船闸的二级～五级平洞封堵及堵头混凝土冷却、接缝灌浆与固结灌浆完工时间为2002年6月到8月底，可以满足2002年10月1日船闸有水调试工期要求。

3 混凝土施工进度的动态管理

3.1 三峡船闸混凝土施工空间信息系统

三峡船闸工程建设过程中，开展了空间信息管理系统在船闸混凝土施工管理的应用研究[14]。这项研究在三峡一期工程中临时船闸航道整治工程的基础上展开[15]。在临时船闸上下游航道整治工程中，通过空间信息系统建立的水下三维地质地形模型及设计要求，可以直观形象准确显示各类岩性的设计界线、并可以根据结构设计及合同计量规则，计算不同属性的工程量，结合项目建设过程中的地形测量及设计地质岩性鉴定，就能确定工程形象及完成工程量的关系，并能根据管理要求进行进度分析预测，为水下地形地质分析、开挖计划管理、工程量复核计算以及项目施工组织提供了科学的依据。

三峡船闸混凝土施工管理系统的三维空间信息，是由具备分析条件的图形式模型构建的真三维全柘朴空间结构。系统中的每一个空间点、每一个单元结构都有精确的三维坐标及相应属性，通过设计信息及施工过程信息的融合，可以根据项目管理需要进行业务分析。三峡船闸混凝土施工管理信息系统的开发工具，一是使用VB6.0及Access建立核心数据库，微软公司VB6.0用来开发图形显示和基于数据库的应用程序，微软Access数据库支持SQL操作，VB6.0可以非常方便地访问Access数据库，使用两种软件可以开发高效率的数据库应用程序；二是使用专业欠量图制作软件AutoCAD进行布尔运算及三维建模，可以建立基本的三维形体，也可以通过拉伸、切割以及布尔运算等操作建立复杂的三维体，通过对已建立的复杂三维模型与程序控制的简单形体进行布尔运算，得到所需要的实际三维形体及其实际体积值；三是使用成熟的流行的三维图形交互处理软件显示系统，利用它可进行矩形等组合形体的显示。

三峡船闸混凝土施工管理信息系统，在数据库结构设计上包括3个核心数据库：一是外形特征库，根据设计平面图、大坝立面、剖面图等第一手资料建立包括了结构外型、纵缝、约束区高度等信息的三维结构模型，作为建立另外两个数据库的基础；二是分块标志库，根据约束区高度及纵缝位置等限制条件，建立分块库，以后根据施工实际调整分块信息，力图准确，及时反映各部位的实际施工情况；三是浇筑块属性库，在以上两个数据库的基础上，选取需要的各种信息与浇筑块分别对应，包括块的外型数据、工程量、时间信息、单位信息、施工信息等。

建立属性信息库，便于业主及时了解和掌握整体施工状况，同时也可作为单元验收资料的归档和整理。三峡船闸混凝土施工管理信息系统，主要是用来显示浇筑及开挖单元的实体集合，并提供基本的三维图形交互功能如旋转、缩放、平移并显示实体的属性等操作，同时也可以任意设置各实体的元素属性，如单元类型、背景、文字及线条等，控制单元编号以及高程、龄期等信息。如船闸衬砌混凝土三维结构模型，犹如施工现场和过程的再现，不仅清楚地描述了各建筑物的匹配关系，而且为施工和管理人员解决混凝土施工中的约束、龄期及高差等问题起到了决策和分析作用。

3.2 工程进度计划的动态管理

工程进度计划动态管理的主要内容是某时间点工程形象及工程量的完成情况及匹配关系，进而对施工组织、施工技术进行分析比较。三峡船闸项目管理过程中，建立了每周进度计划制定及检查分析机制，重点对完成形象、完成工程量、合同结算工程量并结合设计工程量及该时间点的计划形象，进行动态对比分析，这样不仅如实反映了工程进度，而且与工程造价紧密结合，可以有效地指导工程组织。对于工程量与进展形象的差异，空间管理系统可以直观地计算显示出来，提示项目管理工程师结合设计图纸、计量原则、投标报价与规程规范查清差异原因。

三峡船闸混凝土施工空间信息系统具有查询与分析的功能，其设计原则就是从三峡工程实际出发，密切结合管理实践，用最先进的软件，实现了工程进度形象的自动更新与动态查询；其最大特点就是利用最先进的地理信息系统工具，建立了严格工程意义上的三维地形模型、三维地质模型及三维混凝土结构模型，具有精确的三维实体模型和三维地质模型，从而建立了一种迅速而科学的工程量计算方法。

三峡船闸混凝土系统以单元工程为基础，通过过程数据更新和网络共享更新形象面貌，以及对各单元工程不同阶段的完成情况设置不同的颜色属性，就能直观、及时地展现更新的工程形象及工程量变化情况，进而掌握计划实施情况。三峡船闸第五级中隔墩输水系统竣工形象见图8。基于三维可视化的三峡船闸混凝土空间信息系统成为指导工程建设管理及施工组织生产调度的有力工具。

图8 第五级中隔墩输水系统竣工形象

基于三维可视化的三峡船闸混凝土空间信息系统成为指导工程建设管理及施工组织生产调度的有力工具。三峡船闸混凝土施工空间信息系统建立了电子图库，通过工程图纸资料的电子化管理、工程建设过程电子档案管理、工程建设过程信息共享管理，为建设各方提供了共同的、统一的工程资料和进展信息；通过利用系统中的信息数据，综合设计信息、过程信息、合同信息，就能根据管理者的需求制作专题地图；同时，空间信息系统打通了与其他应用系统的接口，如与进度计划编制软件P3的对接，使工程形象、工程量与网络计划及资源配置协同工作，提高了工程管理效率。

4 结 语

三峡船闸输水系统通过制定建立在有效的技术保障、严密的施工组织、严格的施工程序、扎实可靠不返工的工艺作风基础上的工程进度计划，集成凝聚了工程建设各方的智慧与力量，在具体实施中进一步采取了强化施工准备、严格过程全面管理等措施，对每道关键工序与交叉、平行作业严格按照计划组织落实，并配套制定落实了切实可靠的安全与质量措施，始终做到精心组织、精心施工。

虽然三峡船闸地下输水系统混凝土施工任务非常艰巨，但通过全面的综合进度分析，统一认识、明确重点，具体落实技术、程序与管理的每一环节，强化过程控制，在建设四方的共同努力下，地下输水系统混凝土与灌浆工程的施工质量与进度满足了三峡船闸2002年9月初提前开始有水调试的目标。同时在船闸建设过程中，建立了直接面向工程一线的三峡船闸混凝土工程空间信息系统，通过借助计算机强大多样的功能使项目管理者拥有了一个更加信息化、更加科学化的可视化施工管理工具，从而有利于提高管理效率，提高工程建设管理水平。

三峡船闸2003年6月试通航以来已经安全畅通高效运行17年，各项检测数据表明船闸输水系统运行正常，在紧张的工期约束及优质的混凝土质量目标要求下，技术创新和管理创新可以带来工程建设的综合效益。