高碾壓混凝土拱壩施工工藝及模擬仿真研究

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1、前 言

    1．1　工程概況
    沙牌水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內(nèi)，是岷江支流草坡河上游的龍頭電站。電站由碾壓混凝土拱壩、泄洪洞、引水系統(tǒng)和地面廠房等組成。大壩壩高132m，比國外最高的南非伏爾維丹壩（高70m）、國內(nèi)建成的普定壩（高75m）均高，是目前世界上最高的碾壓混凝土拱壩。壩址處河谷呈“V”形，兩岸谷坡40°～70°，河面寬40～80m。大壩為全碾壓混凝土拱壩，混凝土量36．3萬m3，壩型為三心圓單曲拱壩，壩底高程1735．5m，壩頂高程1867．5m，底寬28m，頂寬9．5m。
    1．2　碾壓混凝土拱壩施工現(xiàn)狀
    1986年我國建成了第一座碾壓混凝土坑口重力壩，1989年通過論證決定在普定采用碾壓混凝土拱壩，1993年該壩建成。該壩的建成，在碾壓混凝土材料、入倉工藝、壩面作業(yè)等方面都取得了高水平的科研成果，為100m以下碾壓混凝土拱壩的設(shè)計(jì)、施工積累了經(jīng)驗(yàn)。在總結(jié)成功建筑100m以下碾壓混凝土拱壩經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對壩高100m以上的薄拱壩采用碾壓混凝土筑壩進(jìn)行了研究，以使我國在用碾壓混凝土建筑高拱壩的技術(shù)上繼續(xù)居于世界領(lǐng)先地位。
    碾壓混凝土壩入倉及施工工藝，已從初期的自卸汽車、簡易纜機(jī)和溜槽方式發(fā)展到自卸汽車、真空溜管和高速皮帶機(jī)、塔帶機(jī)、斜坡道等入倉方式；在碾壓混凝土使用部位上，從基礎(chǔ)墊層混凝土、上下游面防滲層、建筑物周邊及與岸坡接觸段等部位采用常態(tài)混凝土到現(xiàn)在整個(gè)大壩全部采用碾壓混凝土。在筑壩技術(shù)有了長足進(jìn)步的同時(shí)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對整個(gè)施工過程進(jìn)行仿真，預(yù)測任意時(shí)刻大壩的施工面貌和工期情況，亦是大壩施工組織設(shè)計(jì)和施工管理發(fā)展的方向，代表了計(jì)算機(jī)時(shí)代碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)和施工管理的趨勢。本研究從碾壓混凝土入倉工藝、改性混凝土使用范圍、冬季施工及計(jì)算機(jī)仿真大壩施工等方面，提出了碾壓混凝土拱壩施工模擬程序及現(xiàn)場大壩混凝土施工工藝。
    1．3　研究內(nèi)容
    結(jié)合已開工建設(shè)、壩高132m的碾壓混凝土拱壩的快速施工研究，對100m級以上高碾壓混凝土拱壩的施工工藝、入倉方式、冬季施工措施、施工過程仿真管理系統(tǒng)，解決以下4個(gè)主要問題：
    （1）研究碾壓混凝土拱壩的入倉工藝，著重解決100m以上高差、采用真空溜管輸送碾壓混凝土的入倉工藝；
    （2）研究改性混凝土的使用范圍和施工工藝；
    （3）大壩冬季施工方案及措施；
    （4）高碾壓混凝土拱壩施工全過程仿真模擬。
    2、入倉方式及施工研究
    2．1　100m級真空溜管設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究
    2．1．1　概 述
    真空溜管輸送混凝土入倉工藝，以投資少、運(yùn)行簡便、輸送效率高等特點(diǎn)，在諸多混凝土垂直入倉方式中獨(dú)樹一幟，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。100m級真空溜管的研究，是在“八五”科技攻關(guān)的基礎(chǔ)上，為擴(kuò)大真空溜管的使用范圍，完善“八五”攻關(guān)的成果而進(jìn)行的一次積極的嘗試。
    真空溜管技術(shù)輸送碾壓混凝土，在普定水電站工程50m左右高差情況下，已有較成功的經(jīng)驗(yàn)。但輸送碾壓混凝土高差達(dá)100m級時(shí)，尚存在如下問題：
    （1）輸送高差大，如何保證碾壓混凝土質(zhì)量及保證達(dá)到不飛濺、不堵塞、不分離；
    （2）碾壓混凝土輸送出口速度的控制；
    （3）對工藝、材料、設(shè)備性能等方面都有新的要求。
    100m級真空溜管的設(shè)計(jì)研究，主要解決碾壓混凝土壩入倉高差在100m情況下的技術(shù)問題。在保證入倉強(qiáng)度和質(zhì)量的前提下，入倉設(shè)施應(yīng)簡單實(shí)用，方便施工，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：
    （1）真空溜管輸送混凝土高差達(dá)到100 m級；
    （2）輸送強(qiáng)度不低于180m3／h；
    （3）管徑控制在0．4～0．8m，管節(jié)長4～5m；
    （4）溜管長度控制在90～120m；
    （5）輸送二級配或三級配碾壓混凝土，最大骨料粒徑控制在80mm。
    此外，為使真空溜管使用高差達(dá)100m級并使輸送強(qiáng)度達(dá)200m3／h左右，還對真空溜管的制造工藝作了研究，并進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)。
    2．1．2　真空溜管設(shè)計(jì)
    100m級真空溜管系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。     2．1．3　真空溜管制造工藝及生產(chǎn)性試驗(yàn)
    真空溜管制造及生產(chǎn)性試驗(yàn)原定在四川沙牌水電站進(jìn)行，后因種種原因，實(shí)際研究和生產(chǎn)性試驗(yàn)的現(xiàn)場為云南大朝山水電站C3標(biāo)工地。
    大朝山水電站利用真空溜管入倉澆筑的混凝土大部分為碾壓混凝土，共布置4條溜管。在右岸布置1號和2號溜管，受料斗高程均為856．45m；1號溜管受料斗出口中心在壩下0＋038．00 m，2號溜管在壩下0＋030．00 m；1號溜管的出料口高程為807．2m，2號溜管為813．00m。兩溜管最大垂直輸送高差58m。
    在左岸布置3號和4號溜管，受料斗高程均為906．00m；3號溜管的出料口高程為817．00m，4號溜管出料口高程為820．00m。3號溜管最大垂直高差89m，4號溜管最大垂直高差86m。