白石水库工程建设中新技术的研究与应用
【摘 要】 白石坝坝址位于气候条件恶劣的北方严寒地区,坝体结构复杂.为此开展了一系列攻关课题的研究,并应用到白石水库工程建设中,其内容包括:(1)对施工导流进行风险决策分析;(2)将RCC配合比用于RCD施工,发展了碾压混凝土筑坝技术;(3)底孔采用全过程仿真计算技术进行设计;(4)溢流坝采用异型宽尾墩挑流消能;(5)在坝体越冬层面上下游采取预留缝措施;(6)对旧SDMQ1260/60型门机进行技术改造;(7)采用整体悬挂式双向对称滑模新技术;(8)对GIN灌浆法进行了理论探讨和实践.工程实践表明,这些新技术的应用取得了显著效益.
1 引 言
白石水库是辽西大凌河干流上的一座以防洪、灌溉、供水为主,兼顾发电和养鱼等综合利用的大型水利枢纽工程.水库总库容16.45亿m³.拦河坝为混凝土重力坝,部分采用碾压混凝土筑坝技术.设计最大坝高50.3 m,坝顶长513 m,坝体混凝土总量50.3万m³,其中碾压混凝土11.14万m³.
白石坝坝址位于北方严寒地区,寒暑温差大,冬季停工期长达5个月.严酷的气候条件对坝体混凝土温度应力及其防裂极为不利.大凌河的洪水主要由暴雨形成,峰高量大,同时又是一条多泥沙河流. 11个宣泄洪水的大表孔和12个泄洪排沙底孔几乎占据整个河床坝段,致使坝体结构十分复杂.因此,白石坝的建设必须面对复杂的结构、严酷的条件,必须开展一系列攻关课题的研究并使之得到应用.
2 施工导流风险决策分析
白石水库工程建设总工期为5.5年.“三个汛后”的分期目标是:1996年汛后进行一期导流和右岸坝基开挖,1997年汛后截流,1999年汛后下闸蓄水.确保总工期的措施是安排1996、1997年两年基础混凝土的冬季施工.根据俄罗斯的经验,混凝土冬季施工将增加投资7 000万元.对于常年流量偏小、洪水主要由暴雨形成的北方河流,能否利用汛前小流量的大好时机临时导流,减轻汛后的负担,成为避免冬季施工、确保工期的关键.
经过对大凌河42年水文系列资料的统计分析,工程施工导流期正逢大凌河连续枯水段.在此前提下,对汛前临时导流、汛前正式导流、汛后导流并采取冬季施工3个方案,采用决策树法进行风险分析,以最大损益期望值作为决策依据.
分析结果表明,按汛前5年一遇标准修筑17坝段以右的临时围堰,其损益期望值最大,成为一期导流和右岸坝基开挖的最优实施方案.
对于左岸坝段,则采用分段分期实施方案.于1996~1997年冬春完成左岸岸坡#0~#4坝段的开挖,并分别于汛前和汛后完成河床#5~#9、#10~#16坝段的坝基开挖和基础混凝土浇筑.
实践证明,采用风险决策分析,成功地于汛前进行一期导流,确保了总工期和分期目标的实现,避免了代价高昂的冬季施工,取得了显著效益.
3 碾压混凝土筑坝技术的新发展
在总结已建工程经验的基础上,白石坝的碾压混凝土实现了两个方面的重大突破:(1)为了进一步减少水泥用量,降低水化热温升,提高粉煤灰掺量,改善混凝土的和易性和工作性,突破了传统的RCD工法粉煤灰掺量30%的界限,成功地将高胶凝材料总量(176 kg/m³)、高粉煤灰掺量(59%)、低水泥用量(72 kg/m³)的RCC配合比用于RCD筑坝技术;(2)RCC配合比粉煤灰掺量大,混凝土稠度损失快,保塑时间短,无法保证碾压混凝土的质量,通过试验研究,采用三复合外加剂,使其保塑时间长达10 h以上,且具有良好的可碾性,突破了以RCC配合比采用RCD工法筑坝的技术难关,确保两者结合获得成功.
将RCC配合比用于RCD施工取得成功,实现了二者取长补短,拓宽了碾压混凝土筑坝技术的领域及条件.同时,为严寒地区广泛采用碾压混凝土筑坝技术创造了条件,也为其它地区借鉴RCD筑坝技术开辟了道路.
4 底孔全过程仿真设计
关于结构复杂的底孔,至今尚无完整的设计理论和方法,《水工钢筋混凝土结构设计规范》亦无考虑温度应力的配筋设计.由于没有规范可循,只能采用工程类比法.类比的后果是钢筋越配越多,配筋过密,混凝土浇筑困难,直接影响整体工程质量.
为了满足白石水库泄洪排沙的要求,在河床右侧坝下布置了12个4 m×7 m的泄洪排沙底孔.已建工程的经验表明,底孔系与外界连通的坝体内部临空面,承受来自坝基和周边坝体的强烈约束,极易产生环形裂缝,这是严寒地区底孔设计面临的新课题.
为了避免或减少环形裂缝,对底孔坝段采用了考虑温度荷载及混凝土自身体积变形作用的全过程仿真粘弹性应力计算技术.计算成果表明,严寒地区底孔的温度荷载起绝对控制作用,而冬季保温则可大大改善底孔的应力条件.
白石坝首次采用全过程仿真计算技术进行底孔的配筋设计,减少了配筋量(42.64%),方便了施工,为严寒地区底孔配筋设计提供了新的设计方法和理论依据.
5 溢流坝采用异型宽尾墩挑流消能
针对白石溢流坝单宽泄量大、堰面低而短、佛汝德数低、下游河床地质条件差等特点,采用了消能效果十分理想的异型宽尾墩挑流消能方案.所谓异型宽尾墩,即其下部为平尾墩,上部为宽尾墩.其消能机理是:将挑射水流分成3股,以底部高速挑射水流为载体,上部经宽尾墩制约后形成的2股高抛挑射水流作为被载体,3股水流相互制约,相互作用,进一步削减能量,使得单位面积的入水能量达到最小.
异型宽尾墩挑流消能集平尾墩和宽尾墩的优势于一体,既保持了平尾墩挑距远的长处,又具有宽尾墩消能好的优点.其冲坑深度仅为平尾墩的一半,后坡从1∶3减缓至1∶5,对确保坝体安全极为有利.
异型宽尾墩构思新颖,结构简单,适应性强,效果显著,在国内外尚属首例,是收缩式消能工的又一创新和发展.
6 越冬层面上下游采取预留缝措施
混凝土筑坝的历史即是其防裂史.北方严寒地区第一座碾压混凝土坝越冬面水平施工缝大规模地开裂,为坝工界所始料不及.如何防止越冬面水平施工缝的开裂,是北方严寒地区修建碾压混凝土坝面临的严峻课题.
在白石坝的建设中,曾请国内外权威机构先后进行了4次温度应力有限元全过程仿真计算,考虑了目前国内外最为全面的初始条件、边界条件及各种内在和外在的荷载作用,应力计算采用了先进的涂缝模型,裂缝扩展计算引入裂缝带模型和软化的应力—应变关系.
计算结果表明,尽管已经采取了包括结构、材料、降温、保温等一整套严格的温控防裂措施,坝体越冬层面上下游仍然产生了远大于混凝土容许抗拉能力的温度应力,水平施工缝的开裂难以避免.为此,经慎重研究,在越冬层面上下游采取了国内外尚无先例的预留缝措施,设缝后的仿真分析结果与原型观测资料相当吻合.这表明:(1)理论分析方法先进、准确;(2)采取预留缝措施效果显著,安全可靠,具有独创性.
7 旧门机的技术改造
为了满足溢流坝闸墩混凝土浇筑、坝顶机架桥和弧形闸门安装的要求,原计划布置2台DZQ600型门机,但由于其中一台不能如期到位,购置新门机又不能满足工期要求,经多方案研究论证,决定采购旧SDMQ1260/60型门机进行技术改造.
技术改造必须满足臂长50 m、快速运行的浇筑工况和臂长42.5 m、慢速运行的安装工况.
经改造后的SDMQ1260/60D型门机的特点是:
(1)安装工况时,幅度42 m的起重量提高25.5%,幅度35 m的起重量提高29.0%,满足白石坝特定工况要求;(2)工作可靠,性能优良,达到国内同类产品先进水平;(3)回转机构采用变频无级调速,满足安装和浇筑2种工况回转变速的需要,在国内大型门机中处于领先水平;(4)利用旧门机进行技术改造,挖掘潜力,为大型机械设备管理开辟了一条新路.
8 整体悬挂式双向对称滑模新技术
国内溢流坝反弧面一般均采用燕尾形纵向滑模施工.采用纵向滑模施工的主要问题是:(1)反弧两端边墙不能随坝体浇筑升程;(2)左、右两端各有2个坝段不能采用纵向滑模施工.为此,开发研制了整体悬挂式双向对称滑模新技术.整体悬挂式双向对称滑模由2片主桁架、滑模导轨、滑模、行走装置和液压牵引系统组成.
整体悬挂式双向对称滑模的成功应用,克服了纵向滑模的缺点,方便灵活,为溢流坝反弧段的施工开发了一种确保工程质量、加快施工进度的滑模新技术.
9 GIN灌浆法的理论探讨与实践
GIN灌浆法是目前国际上广泛研究应用的一项灌浆新技术.它以比能扩散理论为基础,采用单一配比的稳定浆液,更加简化了灌浆工艺,从而达到高效低耗的目的.
本项研究基于宾汉流体的扩散机理,对GIN值的理论计算公式进行了推导,并通过灌浆试验对具体地层条件予以确定性的修正,在理论上具有先进性.GIN灌浆法限制最大灌浆压力和最大灌入量,采纳常规灌浆法的屏浆标准,使其更加安全可靠.在白石坝坝基帷幕灌浆生产试验中,充分体现了GIN灌浆法优质、高效、低耗的优越性.
10 结 语
上述研究课题均成功地应用于白石水库工程,这些新技术的应用取得了显著效益.经专家鉴定,其中1项达到国际领先水平,2项达到国际先进水平,其余5项达到国内领先水平,各项新技术均具有推广应用价值.
|
