摘要:随着超大规模和处于复杂地质环境的水利水电枢纽工程的兴建，必须依靠先进、高效的现代施工技术去实现。60a来，长江委非常重视先进施工技术的科学研究和推广应用，在丹江口、葛洲坝、三峡工程建设中，研究开发和应用了大量有实用价值的新方法、新工艺和新技术，其中以围堰发电技术、低温混凝土生产技术、高边坡锚固处理技术和爆破施工技术等10多项具有重大推广价值的技术成果，在国内一些大型水电工程建设中都获得成功，推动了水电工程施工技术的快速发展。
关键词:围堰发电;低温混凝土;岩体锚固;施工爆破;水利水电工程施工
中图法分类号:TV61 文献标志码:A 文章编号:1001-4179(2010)04-0073-04
在葛洲坝和三峡工程建设中，长江委科研设计人员采用了许多先进技术。本文简要介绍其中部分成果。
1 围堰发电和高围堰施工技术
1.1 围堰发电的提出和早期研究
三峡工程规模大、投资大、工期长，但投资积压多、贷款利息负担重，所以20世纪50年代开始就把 围堰发电 技术列为最重要的攻关课题之一。所谓 围堰发电 就是利用施工期中的围堰挡水提前发电，这在当时尚无先例，国内外也没有可借鉴的经验。这一课题涉及的重大技术问题主要是，深水高围堰施工和水轮发电机的创新安装。因为当时三峡研究的蓄水位是200m左右，水轮发电机最低水头80多米，最高水头130多米。而国内已有的最深的施工围堰只能挡三、四十米水头，相差太多。在这样的低水头下，需要先制造几套低水头的临时水轮发电机用于施工期发电，待水库蓄水后又能较方便地换成永久性的水轮发电机。临时水轮发电机发电3~4a就要报废，代价太大。因此在60年代曾研究过以“大水轮机带小发电机”，即后期只更换发电机的技术方案。这一技术后来虽未运用，但在葛洲坝和三峡工程的建设中用另一种方式，实现了围堰挡水，提前发了电。
1.2 葛洲坝工程 围堰发电
20世纪70年代，葛洲坝工程修改设计时，就决定采用围堰发电方案。葛洲坝工程投资35亿多元，从开工到第一台机组发电历时11a，是我国早期水电建设中工程量大、投资大且工期长的工程。由于其最大发电水头为26m，采用围堰发电方案难度不是很大，因此，通过适当的枢纽布置和施工导流程序的安排，实现了围堰发电。其施工程序是:第一期先建二江泄水闸、电厂、三江航道和船闸、纵向围堰。第二期进行大江截流，修建大江围堰。由二江泄水闸导流，二江电厂开始发电，船闸开始通航，葛洲坝工程二期导流平面布置图见文献[1]。这比常规方案(即大江大坝全部完建后再挡水发电)可提前3a投产发电(7台机组约90万kW)。增加施工期发电收入近10亿元，接近二期工程投资。为此，葛洲坝工程获国家科技进步特等奖。
1.3 三峡工程“围堰发电”
三峡工程正常蓄水位175m，水轮发电机最大水头113m，最小水头61m。如果采用土石围堰挡水提前发电，机组难以适应。20世纪80年代，国外碾压混凝土坝新技术已经成熟，实施薄层(每层20~30cm)连续浇筑，每月可上升20多米，一个枯水期(4~5个月)可上升100多米。因此在三峡工程中，大胆采用了碾压混凝土围堰挡水提前发电。其施工程序是:第一期，先建导流明渠和纵向围堰，位于导流明渠中的上游碾压混凝土围堰先浇至50m高程。第二期，实施主河道截流并修建二期围堰，江水由导流明渠宣泄，在围堰保护下建溢流坝和左岸电厂。第三期，在导流明渠中截流和先修建一低土石围堰，在其保护下抢筑碾压混凝土围堰，一个枯水期抢修至140m高程，上游挡水位满足发电最低水头要求，从而实现了左岸电厂提前3a发电。
1.4高土石围堰施工技术
(1)葛洲坝二期土石围堰。该围堰最大高度50m，最大挡水头40m，施工水深20多米，围堰须挡水3a，保证通航发电安全，因此按半永久工程设计。传统的水下抛土围堰，安全度不够。经过研究，决定采用混凝土防渗墙方案。防渗墙要承受40多米水头压力，要求防渗墙下游填筑体能够承载且压缩变形很小。水下填土不能满足要求，故采用级配良好的砂卵石料，其水下填筑的容重为2.2t/m3。在砂砾石填料中建两道混凝土防渗墙(经计算，一道墙可能断裂)，防渗墙下面的基岩进行帷幕灌浆，葛洲坝大江上游围堰断面图见文献[2]。
(2)三峡工程二期土石围堰。三峡工程二期土石围堰最大堰高80m，挡水头75m，填筑水深60m，施工难度很大，是世界水利工程史上罕见的。如采用传统的水下抛填土石围堰则难以保证施工安全。这一课题曾列入国家“七五”科技攻关计划。美国、加拿大、意大利专家也提出了有关建议方案。经过几十年研究，最后选定双排混凝土防渗墙方案，二期土石围堰断面图见文献[3]。由于混凝土防渗墙允许变形很小，所以要求墙下游填料变形模量较大。因当地砂卵石料很少，故选用当地的风化砂砾料(开挖弃料，粒径大于5mm的含量为30%~60%)，用75kW振冲器加密，使其干容重满足1.65t/m3(上部)及1.8t/m3(下部)的要求。两排防渗墙中心距6m、水上部分采用土工薄膜防渗。经专家鉴定，该专题研究成果总体上达到国际先进水平。三峡二期土石围堰与20世纪70年代修建的巴西伊泰普工程围堰相当。伊泰普围堰历时2a完工，而三峡二期围堰施工只用了一个枯水期即告建成。
(3)三峡工程三期碾压混凝土围堰。三峡三期围堰挡水头115m，拦蓄库容147亿m3，按二级临时建筑物设计。设计洪水按10a一遇考虑，保堰洪水按100a一遇考虑。从50m高程至坝顶140m高程，要浇混凝土130万m3。从2003年3月开始浇筑，进度要与洪水赛跑，5月中旬浇至118m高程，6月中旬至140m高程。其中3月份上升了14.3m，4月份上升了23.0m，5月份上升了23.6m。混凝土运输方式采用32t自卸卡车转皮带机入仓，然后用大型推土机平仓、10t以上双筒振动碾振实。其模板、上游面采用自升式悬臂组合式钢模板，下游面系台阶式浇筑，采用普通模板。混凝土温控要求，2~3月份基础部位浇筑温度控制在10~15℃，混凝土最高温度不超过25℃。有效避免了贯穿性裂缝。由于精心设计研究和施工，顺利建成并经过了实践的考验。
2低温混凝土生产技术
20世纪50年代，我国有几座混凝土坝曾发生了有害裂缝，如佛子岭、柘溪、丹江口等，前苏联50年代建设的布赫达尔明和克拉斯洛亚尔斯克坝也曾出现过有害裂缝。丹江口工程初期混凝土发生裂缝后，水电部指示，组织“丹江口温控防裂科研组”。经过半年调研，提出了调研报告，认为这些裂缝与混凝土施工质量、温度控制措施、气温骤降等有着密切关系，建议采取预冷粗骨料和加冷水拌和等措施生产低温混凝土。混凝土内通水冷却，降低水泥水化热产生的温升。大坝采取薄层柱状块段间歇均匀上升等办法浇筑混凝土，并对混凝土表面进行保温、保湿，以提高混凝土的抗裂能力。
丹江口大坝混凝土生产工艺为:对混凝土粗骨料，先用冷水浸泡降温，再加冷水拌和混凝土。粗骨料预冷工艺是在大型预冷缸中用冷水(温度2.2~3.5℃)浸泡80~100min，使粗骨料温度由22~27℃降至3.0~5.4℃，再经脱水工序送至拌和楼顶部的储料仓，运送途中温度有所回升，再加冷水拌和，混凝土拌和后温度可控制在14℃以下。这套工艺效率低、成本高，且出机温度只能降低至14℃，不能满足葛洲坝和三峡工的需要。为此，葛洲坝和三峡工程都需进一步科技攻关，采用更先进和更经济的工艺，并使混凝土拌和后温度降至7!，且效率更高、成本更低。
2.1葛洲坝低温混凝土生产工艺
葛洲坝混凝土浇筑特点是板、框架结构多，平面尺寸大而厚度较小，混凝土凝固后的降温幅度比丹江口更大，所以混凝土拌和后温度必须降至7℃才行。可行的办法是参照美国德沃夏克7℃混凝土的生产工艺，即采用隰水冷+风冷+加冰拌和 的生产方式。当时，外购是不现实的，只有自行设计。长江委的设计人员通过研究，设计出了具有世界先进水平的低温混凝土生产系统。
(1)水冷系统。首先改进冷水浸泡工艺，采取更先进的皮带输送淋冷水工艺。即修建专门的隔热廊道，其中布置两条宽1.4m、长150m的皮带，皮带在廊道内缓慢运行，在骨料上喷淋3~4℃的冷水。按7月份的平均温度设计，所使用的4种骨料由初温28.4℃分别降至6℃(大石)、7℃(中石)、8℃(小石)和13℃(粉末石)。冷水的制冷循环系统装机容量为4652kW，制冷量400万kcal/h，制冷水的螺旋管蒸发器面积为2560m2。为节省冷冻容量，对废水加药沉淀过滤后重复使用。为避免水冷后的骨料在风冷时结冰，对水冷后的骨料用振动筛脱水。
(2)风冷系统。其工艺为:利用拌和楼顶部的储料仓通冷风，冷却后直接进入拌和机，紧靠拌和楼另建制冷楼。常用的KL型空气冷却器体积大、重量大，为此专门研制了GKL型高效空气冷却器，其传热系统比KL型大1倍，在同样生产能力时，其面积只有后者的一半。这使制冷楼的体积和荷载大为降低。普通的离心式鼓风机，其转速低、体积大、重量大。设计者选用高效的轴流式鼓风机，转速高、体积小、重量轻，使冷耗大为降低，安装也很容易。
(3)制冰工艺。混凝土生产用冰代替水拌和，可以利用由冰化成水所释放的冷量。如果用常规办法先制冰砖，再破碎，不仅损耗大，且拌和时间仅3min，有的冰块尚未融化掺在混凝土中，会影响混凝土的质量。设计人员从国外杂志上了解到铠片冰机 原理，经过科研攻关，研制成功国产铠片冰机 ，投入实际运用，效果良好。
经过上述工艺生产出的混凝土达到了温度降至7℃(按7月份气温)的要求。
2.2三峡工程混凝土生产工艺
三峡工程位于峡谷区，施工场地狭窄，且其低温混凝土生产规模比葛洲坝大得多，所以不能套用葛洲坝的工艺，必须进一步优化升级。如果用两次风冷，取消水冷工序，占地面积就可大为缩小。经初步研究，设想第一次风冷用0℃以上冷风将粗骨料冷至10℃的时间比水冷所需时间要短很多，还可使骨料含水量降至1%以下。第二次风冷再用-8℃冷风将粗骨料降至0℃，又不致结冰。再加片冰拌和，可使混凝土温度降至7℃以下甚至更低。
为验证上述设想，先在一期混凝土生产系统中做中间试验。经过1a连续3次生产性试验，混凝土出机口温度为3.7~7.3℃。参加专家评审会的专家们一致认为:二次风冷粗骨料工艺设计是成功的，运行是很好的，设备选型基本上是合理的。二次风冷新工艺与以往的先水冷后风冷工艺相比，具有工艺简单、温度调幅大、冷量利用率高、占地面积少、施工期短、便于安装拆除、运行操作简便，以及节省设备和土建费用等优点。并决定在三峡二期工程中推广使用。
三峡工程二期5个混凝土系统全部采用二次风冷加片冰拌和工艺。夏季7℃混凝土生产能力达1720m3/h，制冷系统用电负荷77409kW。2000年和2001年的夏季共生产低温混凝土500多万立方米，合格率87%(要求85%)，2004年三期工程温控合格率更提高到97.6%。三峡的二次风冷工艺与伊泰普相比可减少制冷容量1/4，占地面积只有伊泰普的1/6，运行成本低30%，节省投资近1亿元。
3三峡船闸高边坡锚固技术
三峡双线五级船闸长1600m，是在左岸山体中挖出来的深槽中建闸，最大挖深170m。20世纪80年代以前设计方案是在深槽下部闸室部分挖成直立坡，深50m，然后建混凝土重力墙来抵挡边坡岩体压力，需混凝土400万m3。但施工期边坡稳定问题尚未解决。在初步设计中采用锚索、锚杆支护，在岩体中采用排水减少渗水压力来加固稳定边坡的新技术，并在国家铠七五 科技攻关(三峡工程技术)项目中加列了船闸高边坡技术专题，共分6个子题:①高边坡地质研究;②地应力研究(包括初始地应力场观测及开挖卸载后地应力场变化分析);③稳定及应力应变分析;%锚固设计;④防水排水系统研究;⑤开挖锚固排水施工程序和施工技术。长江委的设计、勘测和科研单位的相关专业参加了这项科技研究。
边坡轮廓设计为:闸顶以上开挖边坡控制坡比为微风化和新鲜岩体1(0.3，弱风化带1(0.5，强风化带1：1，全风化带1：1~1：1.5。在坡顶外 设周边沟，坡面喷混凝土并凿排水孔，山体内设排水洞和排水孔连通。闸室直立墙部分用薄混凝土板衬砌以便于锚固。
锚固设计方案是:在中隔墩上半部加两排300吨级预应力锚索，保证直立坡稳定并限制其流变;两侧直立墙部分也加两排300吨级预应力锚索对穿，长35~45m，其中一个锚头设在排水洞内;另加一些端头预应力锚索，其中100吨级长25~30m，300吨级长35~45m。坡面普遍布置非预应力锚杆，其中系统布置的锚杆长5~8m，随机布置的锚杆则视岩体稳定状况而定，两者均为全粘接砂浆锚杆。
施工设计所采取的施工程序为:先作坡顶地表排水系统及地下排水系统(排水洞及排水孔)，以减少渗水压力，并可利用排水洞开挖作地质测绘了解地质情况，观测边坡位移，用以验证或调整锚杆数量。锚固自上而下，边挖边锚，以保证施工期边坡稳定。开挖中采用控制爆破技术(如预裂、光面、缓冲爆破、多段微差爆破技术等)，以保护边坡岩体完整，并且要求预先作爆破试验以选定各项爆破参数，三峡船闸高边坡锚固方案布置参见文献[4]。由于施工设计科学、细致，并按动态设计原则及时跟踪调整施工方案，因此整个施工进展顺利，也很安全。三峡船闸于1994年开挖，1998年开始浇筑混凝土，2003年实现了正式通航。正是由于采用了这种先进的锚固技术，相对于采用重力挡墙方案，节约挖石方近1000万m3，混凝土200万m3，节省工程投资数亿元，而且保证了施工期安全。
4先进的爆破技术
20世纪70年代以前，我国水利水电工程建设采用的爆破技术和器材较为落后。1971年葛洲坝工程坝基开挖时因采用了大直径炮孔和大药量爆破，使坝基下软弱夹层错动受损，最终挖掉，因而增加了开挖量，延长了施工时间。为此，在停工修改设计期间，长江委施工设计处和爆破研究所开始在现场开展试验，研究先进的爆破技术。其目的是探索既能快速开挖缩短工期，又能保护地基不受损坏的爆破技术。试验研究的项目包括: ①利用微差爆破技术降低保护层厚度; ②预裂爆破; ③保护层快速开挖技术。
第①和第②项在葛洲坝工程试验成功并得到大量应用。第③项虽在葛洲坝试验未取得全面成功，但在以后的其他工程中获得了成功。三峡工程施工时，大量应用水平预裂和光面爆破法快速开挖保护层，施工单位还在此基础上加以改进，采用水平预裂辅以小梯段爆破方法，在二期大坝开挖时大量应用，效果也很好。这些成果均已在水利水电系统推广，并为制定和修改水利水电工程爆破技术规范提供了科学依据。
4.1微差爆破技术
20世纪70年代以前，我国水利水电系统岩石地基开挖是用梯段爆破。钻孔深8~10m，孔径80~100mm，一次起爆几排孔，药量500kg(地基岩石较软弱或邻近建筑物时减为300kg)，预留保护层3m左右;然后将3m保护层分4~5层开挖，每层用手风钻(直径30~50mm)钻浅孔放火炮，逐次爆炸;最后一层(约30~50cm)用风镐或人工清理爆破裂隙，进度很慢。
上述500kg药量和3m保护层厚度为经验数据，并未准确地反映一次起爆药量和保护层厚度的关系。实际上，梯段爆破时，钻孔底部破坏深度(即保护层厚度)与首次起爆药量有关，也与最小抵抗线宽度有关。一次多排孔起爆;其内部几排孔抵抗线尺寸较大，而外部一排抵抗线尺寸小，容易损伤基岩面。如果一个梯段几排钻孔，一排一排地起爆，则每响药量减少，抵抗线也相应减小，对孔底的破坏影响也可大为减少。20世纪70年代初我国已有5段毫秒微差雷管，对底部破坏深度大为降低。反之，如果一响药量200kg，一个梯段可置炸药1000kg，其破坏深度比老方法500kg炸药还小。该方法使梯段爆破技术前进了一大步，它既可加大每梯段装药量，又不致增加破坏深度。实际工程应用表明，这加快了开挖进度，又保证了地基质量。
4.2预裂爆破技术
边坡开挖用爆破方法预留保护层比平地困难得多。因为有的掌子面高达8~10m，钻孔较平地困难。20世纪70年代初，国内外已有预裂爆破开挖边坡的报道。长江委施工处和长科院爆破研究所的科研人员在葛洲坝现场作了试验后，得出适合葛洲坝岩体的爆破参数，然后大量推广应用。预裂爆破效果很好，炸后沿预裂孔中线炸出一条很整齐的缝面，都在钻孔中线断开，保留岩体损伤较小，所以清理工作量很小。随后对要挖除的岩体可以用大药量快速爆破开挖，而不会破坏保留岩体。该项爆破技术在三峡工程得到大量的推广应用，取得了很好的效益。
4.3保护层快速开挖技术
水利水电工程开挖施工传统作法的缺点是，工期长、机械化程度低、劳力消耗多。从葛洲坝工程开始，长江委设计科研人员就探索保护层快速开挖的先进技术。后来又在万安、东江工程试验，用浅孔，小药量梯段爆破的方法取得了成功，然后在三峡工程得到了推广应用。在三峡船闸升船机和坝基开挖中，用水平预裂孔或水平光面爆破方式开挖保护层，爆后建基面平整，起伏差小于15cm，半孔率达98%以上。三峡二期大坝保护层开挖量26万m3，施工单位采用水平预裂爆破辅以浅孔梯段法开挖保护层也取得成功。
5结语
几十年来，长江委人为了治江工程，围绕治江工程，不断追求和探索施工技术的改进和创新，取得了一个又一个突破和创新，推动了我国水利工程施工技术的发展，为国家创造了巨大的效益。
参考文献:
[1]郑守仁，王世华，夏仲平，等.导流截流及围堰工程(上册)[M].北京:中国水利水电出版社，2004.
[2]郑守仁，王世华，夏仲平，等.导流截流及围堰工程(下册)[M].北京:中国水利水电出版社，2004.
[3]长江水利委员会编.三峡工程施工研究[M].武汉:湖北科学技术出版社，1997.
[4]钮新强，宋维邦.船闸与升船机设计[M].北京:中国水利水电出版社，2007.
