中国已建成的最高坝-二滩双曲拱坝
摘要：本文就二滩双曲拱坝的设计和施工技术特点，从拱坝体形设计、应力控制标准、坝肩稳定分析、泄洪消能布置、坝基处理和渗流控制、坝体混凝土设计、拱坝施工等方面作了比较全面的扼要介绍，同时也介绍了蓄水后拱坝安全监测的主要成果和拱坝工作性态的基本分析。
关键词：二滩水电站 双曲拱坝 设计 施工 安全监测
二滩水电站位于中国四川省西南攀枝花市境内的雅砻江下游、距雅砻江与金沙江的交汇口33km，是雅砻江干流上规划建设的21座梯级电站中的第一座。
二滩水电站是一座以发电为主的大型水力发电枢纽。水库控制流域面积11.64万km2，正常蓄水位1200.0m，发电最低运行水位1155.0m，总库容58.0亿m3，调节库容33.7亿m3，属季调节水库。电站内装6台550MW的水轮发电机组，总装机容量3300MW，多年平均发电量170亿kW·h，保证出力1000MW，是中国20世纪末建成投产的最大水电站。枢纽主要建筑物有混凝土双曲拱坝、左岸引水发电地下厂房系统、右岸两条泄洪洞等，双曲拱坝最大坝高240.0m，为中国已建成的最高坝。
二滩水电站1991年9月14日开工，1993年11月大江截流，1998年8月18日第一台机组投产，11月第二台机组投入运行，1999年4月拱坝工程基本完工，其余4台机组在1999年内投产。二滩水电站自工程正式开工历时8年零3个月全部建成投产。
1 坝址地形地质条件
二滩水电站坝址两岸谷坡陡峻、临江坡高300m～400m，左岸谷坡坡度25°～45°、右岸谷坡30°～45°，呈大致对称的“V”型河谷。河床枯期水位1011m～1012m，水面宽80m～100m，河床覆盖层厚20m～28m.枢纽区基岩由二迭系玄武岩和后期侵入的正长岩以及因侵入活动形成的变质玄武岩组成，均为高强度的岩浆岩、湿抗压强度在170～210MPa之间。坝区岩体完整性较好，构造破坏微弱，断层不发育，无大的构造断裂及顺河断裂，小断层仅4条，延伸不长、以中高倾角与河床正交或斜交，破碎带宽0.1m～0.6m，结构紧密。此外，右坝肩中部存在一条因热液蚀变和构造综合作用形成的绿泥石——阳起石化玄武岩软弱岩带，带宽10m左右。坝址属较高地应力区，河床下部左岸高程954m至976m部位，实测最大应力50.0～65.9MPa，高程1040m附近18.8～38.4MPa.坝区岩石抗风化能力较强，风化作用主要沿结构面进行和扩展，总体风化微弱。拱坝建基面主要为弱偏微风化或微风化至新鲜的正长岩、变质玄武岩、微粒隐晶玄武岩和细粒杏仁状玄武岩，岩体多为块状至整体结构、局部为镶嵌至碎裂结构，结构面闭合。
坝基水文地质条件简单、无集中涌水和渗水，基础岩体渗透性微弱、具有随深度增加而减弱的垂直分布特征，但不均一，相对不透水层的埋深变化较大。
枢纽处在川滇南北向构造带的中段西部相结稳定的共和断块上，断块内不存在发震构造，历史上无强震记载、坝址区地震基本裂度为Ⅶ度。拱坝及枢纽主要建筑物按Ⅷ度设防。
2 拱坝体形
二滩双拱坝最大坝高240m、拱冠顶部厚度11m，拱冠梁底部厚度55.74m，拱端最大厚度58。51m，拱圈最大中心角91.5°，拱顶弧长774.69m.
二滩拱坝体形为抛物线形双曲拱坝。平面上拱端曲率较小而趋扁平化，加大拱推力与岸坡的夹角、有利坝肩稳定，同时通过调整拱圈的曲率和拱厚使应力更趋均匀合理。由于坝址河床两岸地形并不完全对称，左半拱和右半拱采用不同的曲率半径，顶拱中心线曲线半径在349.19m～981.15m范围。纵向曲率是考虑施工期独立悬臂坝块高度按允许产生的自重拉应力1.5MPa来控制，适当加大纵向曲率并保持坝面的连续性而使坝体获得较好的应力分布。相应的上游坝面最大倒悬度为0.18.
坝体设置三层孔口：7个表孔、6个中孔和4个放水底孔。为满足大坝监测、灌浆、排水、交通等要求，在坝内沿高程设置了基础廊道，上、下检查廊道和交通廊道共4层廊道。
拱坝共分39个坝段，不设纵缝，坝体混凝土通仓浇筑。
3 拱坝控制应力与坝肩稳定分析
二滩拱坝坝体混凝土分成A、B、C三区，其设计强度分别为35MPa、30MPa、25MPa，设计龄期为180d.坝体应力分析按拱梁分载法，坝基变形特性采用伏格特地基模型。
蓄水前对大坝的应力状态进行复核计算。基本荷载组合工况下，上游面最大主压应力6.66MPa，发生在1205m高程拱冠；最大主拉应力0.99MPa，发生在1130m高程右拱端。下游面最大主压应力8.82MPa，发生在1010m高程左拱端，最大主拉应力0.15MPa，发生在980m高程拱冠附近。
在采用拱梁分载法进行坝体应力计算时，还进行了有限元地基取代伏格特地基的坝体应力计算和模拟施工过程的分析计算、有限元一等效应力法的应力分析以及三维非线性有限元分格和结构模型试验等。
二滩拱坝坝基岩体岩性坚硬，多属块状和镶嵌结构。坝肩稳定分析采用刚体极限平衡法进行稳定计算，用敏感性浮值分析来判别稳定条件和影响失稳的主要因素。稳定分析的荷载主要考虑拱推力(含坝体自重)、岩体自重与渗透压力等，渗透压力按不考虑防渗排水作用时最大可能值的100%、50%、33%、25%四级浮动。
各种分析方法成果均表明，渗透压力对拱座稳定的影响相当显著，对底滑面作用更突出，当渗透压力由最大可能值降至50%时，安全系数成倍增加。加强和做好排水措施至关重要。
此外，在坝肩稳定分析中，还用三维有限元分析岩体内的点抗剪安全度进行校核，并分别用脆性破坏和塑性破坏岩体力学参数进行地质力学模型试验，综合评价坝肩的稳定条件。
4 坝基处理和渗流控制
二滩拱坝坝基岩石条件较好，在满足拱坝结构应力和坝肩稳定的条件下，按不同部位分别对待，保留了部分经灌浆处理后可作为坝基的弱风化中段岩体。左岸拱座水平嵌深22m～50m、平均32.6m；右岸拱座水平嵌深26～59m、平均39.1m.对坝基中存在的部分软弱(破裂)岩石(面积约占10%)和断层破碎带按不同深度开挖(局部槽挖)后用混凝土进行置换。置换开挖的深度一般5m～6m，绿泥石——阳起石化玄武岩软弱带置换深度达15m.此外，由于坝基开挖爆破松动和开挖面暴露时间较长而引起岩体松驰的影响，对坝基进行了全面固结灌浆处理。
坝基固结灌浆共13.7万m，按不同部位的岩体质量和坝踵、坝趾、防渗帷幕线等不同要求，分为三个常规灌浆区和三个特殊灌浆区。常规灌浆区布孔间排距3m×3m，孔深8m～18m，灌浆压力0.4～1.5MPa，使用525＃普通硅酸盐水泥；特殊灌浆区布孔间排距1.5m×1.5m，孔深13m×25m，其Ⅰ、Ⅱ序孔用525＃普通硅酸盐水泥，灌浆压力分别为0.7～1.5MPa和1.0～2.0MPa，Ⅲ序孔用比表面积6900～8300cm2/g的超细水泥浆液，灌浆压力1.5～3.5MPa.固结灌浆施工中，采用了无盖重灌浆和有盖重引管灌浆两种方式。有盖重引管灌浆是从灌浆孔预埋1英寸的水平灌浆钢管引至坝基外，待混凝土浇筑一定厚度后施灌。有盖重高压引管灌浆的目的是为了保证吃浆量低的部位和无压灌浆后，表层0～5m不满足要求部位的灌浆效果。引管灌浆压力2～4MPa，最高达4.5MPa.
固结灌浆检查标准除压水试验吕荣值外，还用声波检查，并以声波检查值为主，其标准为：正长岩Vp≥4500m/s；玄武岩Vp≥5000m/s；表层5m局部范围Vp≥4000m/s.满足高拱坝对基础的力学及变形性能要求。
二滩坝基水文地质条件简单，基岩透水性微弱，渗流控制按“防排结合、以排为主”的原则布置。在拱坝坝基和下游二道坝基础各设置一道防渗帷幕。拱坝帷幕中心线近似平行坝轴线，左岸深入拱座山体然后折向上游与地下厂房防渗帷幕连成一体，右岸从坝头折向上游与泄洪洞进口防渗帷幕相接。
拱坝基础排水系统由两道排水幕、坝内集中井和深井泵房组成。第一道排水幕在防渗帷幕中心线下游约15m处、沿左、右坝肩不同高程各设置4条排水平硐与坝内集水廊道、集水井相接，排出的水由深井泵房集中抽排。第二道排水幕位于坝趾贴角处，排水进入下游水垫塘。除此而外，坝后抗力体的排水平洞和水垫塘排水廊道、排水暗沟和二道坝的排水，通过水垫塘深井泵房集中抽排。
5 泄洪消能建筑物
二滩工程设计洪水重现期为1000年，洪峰流量20600m3/s，校核洪水重现期5000年，洪峰流量23900m3/s.为了适应高水头、大流量、泄洪频率和狭窄河段的特点，二滩工程的泄洪布置采用坝身7个表孔、6个中孔和右岸两条泄洪洞共三套泄洪设施组合的方案。三套泄洪设施可以多种运行方式组合，互* 钩浜捅赣茫?榛羁煽俊Ｈ?仔购樯枋┑男沽魅牒拥阊睾*道纵向分开，且出流末端采用不同的消能工、扩散水流减小冲刷。表、中孔联合泄洪，其水舌上下碰撞消能、充分掺和分散水流。
坝身孔口布置在拱坝中间河床坝段。7个表孔沿坝顶呈径向布置，每孔尺寸11m×11.5m(宽×高)，设弧形闸门控制水流。表孔中间闸墩首部宽11m、尾部宽2m，孔口呈扩散状，两边墩为不扩散的直线型，以防水流扩散冲击岸坡，出口采用大差动俯角跌坎加分流齿坎的消能形式、单号孔跌坎堰面俯角30°，双号孔俯角20°，中间5孔每孔设置两个紧靠闸墩的分流齿坎，两个边孔只靠边墩各设一个分流齿坎。通过大差动跌坎加分流齿坎，出口水流纵、横向充分扩散，大大减小了对水垫塘的冲击动压。水工模型试验表明，冲击动压比不设齿坎的情况要减小80%以上。7个表孔在设计洪水位时泄量为6300m3/s，校核洪水位时泄量达9800m3/s.
6个中孔布置在表孔闸墩的下部，为上翘型压力短管，出口采用挑流，出口断面尺寸6m×5m(宽×高)，出口底部高程1120m～1122m，弧门工作水头80m.为避免径向布置水流集中的影响并使水流纵向分散，6个中孔分为对称的三组(1＃和6＃、2＃和5＃、3＃和4＃)，其上挑角分别为10°、17°和30°，平面上分别向两岸偏转1°、2°和3°。中孔全长均用钢衬。6个中孔在设计洪水位时泄量6260m3/s，校核洪水位时泄量6450m3/s。
坝后消能防冲建筑物包括水垫塘和二道坝及二道坝下游护坦。水垫塘长300m，复式梯形断面，底宽40m.水垫塘末端的二道坝为混凝土重力坝，溢流段宽100m，顶部高程1012m、最大坝高35m、坝内下游侧设灌浆廊道和排水廊道。
两条泄洪洞呈直线平行布置在右岸，两洞中心距40m，系短进水口龙抬头明流隧洞，断面尺寸为13m×13.5m(宽×高)的园拱直墙式，长度分别为882.5m和1253.2m，进口底板高程1163m，洞身纵坡分别为7.9%和7%，出口底高程1040m，泄洪落差160m，出口采用挑流消能。设计泄洪能力2×3700m3/s，校核洪水时泄量达2×3800m3/s，最大流速为45m/s.除采用高强硅粉混凝土衬护外，分别在两条泄洪洞中设置5道和7道掺气设施，掺气设施采用带U型槽的挑坎。出口水流经挑坎扩散后落入下游河床。
6 拱坝施工
二滩工程施工导流采用河床围堰、两岸隧洞导流的方式、导流建筑物按重现期30年的洪水13500m3/s设计，左、右岸各设一条导流洞，长度分别为1089m和1167m，断面为园拱直墙型，宽17.5m、高23m上、下游围堰为土石围堰，填筑高度分别为56m和30m，围堰基础防渗采用高压旋喷灌浆，基坑内基本无渗水。坝基开挖采用梯段爆破，边坡系统喷锚、边开挖边支护。两岸边坡和右岸部分坝基用予裂爆破，其余坝基均用予留保护层的方法施工。拱坝混凝土施工的全过程采用计算机模拟程序进行监控，保证了施工计划的实施。
6.1 混凝土原材料和配合比 水泥采用攀枝花市渡口水泥厂生产的525＃硅酸盐大坝水泥，28d胶砂抗压强度平均达59.39MPa；7d水化热259.19KJ/kg.粉煤灰采用攀枝花市河门口热电厂生产的粉煤灰，外加剂为国产ZB-1萘系高效减水剂和AEA202引气剂。骨料是正长岩，质地坚固、新鲜、粒型好、质量稳定，砂子细度模数平均2.85(2。58/3.17)，石粉(＜0.074mm)含量平均4.3%，砂子含水率平均6.25%(3.7%/8.8%).
为保证混凝土的设计强度、耐久性和满足施工和易性及温控的要求，对拱坝各分区混凝土的配合比主要参数作了严格规定，见表1。
表1 混凝土设计强度及配合比主要参数
注：大坝全级配混凝土试件为45cm立方体，湿筛后试件为20cm立方体；有锚索间墩和大梁混凝土龄期为90d，全级配试件为30cm立方体。
拱坝A、B、C各分区混凝土均用四级配(最大骨料粒径152mm)，A区主要用于靠基础部位的强约束区和孔口周围，占混凝土总量的22.4%；B区用于坝体中部，占62.6%；C区用于坝上部左右两边，占15.0%.坝体混凝土不分内外，不设纵缝。实施施工使用的混凝土配合比见表2，抽样试验结果见表3.
表2 混凝土施工配合比
表3 混凝土抽样试验结果
注：锚索墩梁混凝土龄期为90d；抗压强度合格率100%、保证率99%；混凝土绝热温升值＜27℃；混凝土具有20με左右的微膨胀性能。
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