向家坝工程主要技术特点、难点及对策

中国三峡集团向家坝工程建设部 彭 冈 张海泉

向家坝水电站位于四川省宜宾县与云南省水富县交界的金沙江河段，是金沙江下游最末一个梯级。电站距宜宾市33km，距水富县城1.5km，是一座以发电为主，兼有防洪、通航、灌溉以及为溪洛渡水电站提供反调节等综合效益的巨型电站。电站水库正常蓄水位高程380m，总库容51.63亿m3，调节库容9.03亿m3，最大装机容量640万KW，保证出力201万KW，年平均发电量308.8亿度。枢纽工程拦河大坝为混凝土重力坝，最大坝高162m。

向家坝水电站规模巨大、水文地质条件非常复杂，大坝深浅层抗滑稳定和渗透稳定问题突出，并具有高坝底流消能、大型地下厂房等特点，加之受工期、社会环境等综合因素的影响，技术复杂、施工难度大。在工程规划与建设过程中，开展了大量的科研攻关，并通过精心组织施工，向家坝工程在复杂水文地质条件下的基础处理、大坝快速施工、泄洪消能设施设计与施工、大型地下厂房开挖、超大规模砂石系统建设与运行、导流底孔采用液压启闭下闸方案等方面取得了重大突破，取得了一系列建设管理与技术创新的丰硕成果。

一、大型沉井群用于深厚覆盖层地基处理

向家坝水电站工程采用分期导流方式，纵横向围堰均需修建在深厚覆盖层地基之上，尤其是二期纵向围堰大坝上游段，堰基覆盖层深达45～62m，如采用常规处理方式，工期过长且难以满足工程布置需求，进而影响工程整体进度及施工期安全。

为此，采用了10个尺寸为23m×17m

沉井下沉施工。 摄影/高峰

沉井单侧取土纠偏示意图。 制图/张海泉的大型沉井群作为堰基开挖时一期土石围堰的挡土墙。每个沉井共分6个井格，井壁厚2m，沉井间距仅2.0m，沉井群最大深度57m，须穿过砂卵石层、细砂层和崩块石层，最终嵌入基岩中。通过沉井群设计理论研究，开创了大规模、小间距的沉井群设计思路，首次提出了在深厚覆盖层条件下大型沉井群平面布置、结构设计、降排水设计等技术方案；首次建立了水电工程领域井间间距小、下沉深度大、覆盖层深厚且含大孤石、地层差异性大等复杂条件下的沉井群下沉施工技术体系，解决了分序交错下沉、安全监测和动态纠偏、降低地下水位等关键性技术问题；借鉴堆石混凝土技术，创造性地提出了沉井填芯抛石混凝土施工技术，解决了常规沉井填芯混凝土施工进度慢、成本高、安全风险大等技术难题，抛石率达到50%～60%（体积比），成本与工期分别为常规技术的3/5和1/5，取芯检测表明混凝土抗压、抗拉强度等性能均满足技术要求。

向家坝水电站大型沉井群技术的成功应用为二期纵向围堰上游段的按期形成奠定了坚实基础，确保了向家坝工程按期截流。

二、复杂水文地质条件下的大坝抗滑稳定和渗透稳定问题

向家坝水电站坝基基岩主要为三迭系上统须家河组的砂岩、泥岩夹煤线地层，岩性岩相变化大，交错层理发育。坝址位于NEE向的糖房湾短轴背斜东倾伏段，坝基发育有NW向的立煤湾膝状挠曲核部破碎带、挤压破碎带、缓倾角夹层等，且地层岩体透水性较大，水文地质条件复杂，大坝深浅层抗滑稳定和渗透稳定成为向家坝工程关键技术问题之一，直接关系到大坝运行安全。

大坝抗滑稳定问题处理

①对挠曲核部破碎带及挤压破碎带，深挖后置换混凝土。根据不良地质体的分布情况，将左非6～冲沙孔坝段建基面由原高程242m～222m调整至最低开挖高程196m；部分泄洪坝段及左岸厂房坝段坝基则增设宽大的深齿槽，齿槽底宽近40m，深度37m，建基面高程由222m调整为203m；部分基岩较完整的建基面则抬高到高程240m左右。坝基开挖方案调整后，开挖量增加160万m3，混凝土浇筑量增加100万m3。②对右消力池基础，结合挠曲核部破碎带的处理，深挖后回填混凝土，使消力池底板混凝土最大厚度达42m，在坝后形成大坝抗力体。③采取满堂固结灌浆方案改善建基岩体的完整性和均匀性，提高基岩承载能力，同时在一定程度上提高坝基抗渗能力。④采用灌浆帷幕+排水孔相结合的坝基封闭抽排方案，降低坝基扬压力，提高抗滑稳定性。⑤增加坝底宽度（泄洪坝段最大底宽166m，左岸厂房坝段最大底宽140.5m，高宽比分别达到1∶1.17、1∶1），以适当降低对坝基承载力的要求。⑥对坝体进行横缝灌浆，加强大坝的整体性。

坝基渗透稳定问题处理

由于水文地质条件复杂，如何保证坝基的长期渗透稳定性是另一个关键问题。招标设计时，考虑到坝基以下相对不透水层T31埋深大，采用了常规的帷幕灌浆设计方案，泄洪坝段深齿槽开挖后，受开挖深度的限制，尚余部分挠曲核部破碎带岩体，为此将该部位的防渗方案调整为“防渗墙+帷幕灌浆”的方案（防渗墙轴线长88m，最大深度60m），以确保渗透稳定性和防渗效果。但在左岸厂房坝段上游主帷幕、下游封闭帷幕基本形成后，进行上游主排水孔试验性施工时发现排水量非常大，且有排水携砂现象，对此进行了深入分析论证与多次专家咨询，下决心对渗控工程设计方案进行了一系列调整，主要为：

出露挠曲核部破碎带和挤压带。 制图/张海泉

左岸挤压带在坝踵齿槽下游坡面上的出露情况。 制图/张海泉

坝址地质缺陷示意图。 制图/张海泉

坝基上出露的缓倾角夹层。 制图/张海泉

①将河床部位的左非5～泄12坝段的上游帷幕加深至相对不透水层T31附近，帷幕深度普遍在130m以上，最大深度165m，幕底以下岩体透水率平均2.2Lu；左非6～18坝段及左坝头相对不透水层埋深太大，且坝体结构相对简单，未再加深帷幕，但增设了2道顺水流方向的分隔帷幕，以阻挡山体绕渗水。初期蓄水后，左岸坝基排水量较大，说明分隔帷幕有效阻挡了左岸的绕渗水流。

②优化排水孔布置。排水孔布置以不穿过挠曲核部破碎带和挤压破碎带为原则，并在排水孔内设置了组合式过滤体，对孔壁起到支撑保护作用，防止塌孔和细小颗粒流失。排水孔施工过程中，当单孔出水量大于100L/min时，不再加深排水孔，并立即下设过滤体；如排水孔出浑水或带砂，则将该排水孔灌浆封孔。

③所有排水孔均设置阀门，可调节出水量大小，形成可调控的抽排系统。初期蓄水后，根据扬压力等安全监测资料分析计算后，设定各排水孔合适的排水量。

对帷幕灌浆的施工质量控制，首先是充分进行生产性试验，选定最优工艺和参数，施工中除加强过程控制外，还采取了业主采购灌浆自动记录仪、实行灌浆水泥周核销制度、灌后质量检查全部委托第三方实施等措施，加强了施工质量管理，帷幕灌浆施工质量合格，蓄水后坝基排水孔排水量在设计标准内。

三、大坝混凝土快速施工

如前所述，向家坝一、二期工程中均遭遇大型地质缺陷处理的难题。与招标设计相比，左岸坝基深挖26m，右岸坝基深挖37m，开挖后增加回填混凝土达100万m3，使工期滞后达4个月，为此，研究采取了一系列措施，实现了快速施工。2010年、2011年整个工程的混凝土浇筑量分别达397万m3、427万m3；2012年1～9月完成混凝土浇筑228万m3，其中最高月强度达54万m3/月（2010年12月），确保了工程按期实现下闸蓄水目标。

大量使用碾压混凝土

可研阶段除左岸导流缺口坝段回填为碾压混凝土外，大坝其它部位全部采用常态混凝土。为加快施工进度，充分利用碾压混凝土快速施工的特点，实施阶段将部分部位改浇碾压混凝土。碾压混凝土共约400万m3。针对碾压混凝土施工，深入研究施工方案，精心组织施工，严格工艺管理，确保了工程质量和进度。

①根据混凝土生产能力、现场施工条件及不同季节，深入研究RCC入仓方案、分缝分块方案及升层高度，实现快速上升。特别是精心组织大仓面RCC施工（最大仓号1.6万m2），采用了汽车直接入仓、塔带机和胎带机浇筑、溜槽+汽车仓内转料等综合性的高强度入仓手段。在此基础上，低温季节采用翻转模板连续上升，如左岸导流缺口坝段4层翻转模板同时使用，一次最大浇筑高度达18m；高温季节采用4.5～6m升层，均配以冷却水管通水冷却，进度、质量控制良好。高升层RCC不仅施工速度快，而且施工缝面相对较少，有利于质量控制。

碾压混凝土施工。 摄影/高峰

②精细管理，确保RCC施工质量。RCC施工，快速覆盖是关键。仓面设计时，按坯层覆盖时间4h配置资源，实际施工时确保4～6h覆盖一层。尽可能采用较小的Vc值，以不陷碾为原则，为此应加密检测砂的含水率，并视天气情况动态调整Vc值；为确保层面泛浆效果，在试验确定混凝土配合比的基础上，密切关注砂的石粉含量，偏少时可启动粉煤灰代砂预案；高度重视变态混凝土本身及其与RCC的结合质量，并广泛使用机拌变态混凝土；对仓面加浆的变态混凝土施工，严格实行定人、定部位、定工具、定加浆量“四定”管理，并将挖槽、加浆工艺制成明白卡，严格执行。

③研究落实高温多雨季节RCC施工预案。高温季节施工时，除应快速覆盖外，一是配备足够数量的高质量的喷雾机，喷雾降温形成仓面小环境；二是RCC碾压好后及时覆盖保温被或防雨布。同时，制订了RCC雨季施工措施，并规定防雨、排水措施不落实则不准开仓，确保了RCC质量。

④适当推迟RCC开始通水冷却的时间，在确保RCC密实性的基础上抓好温控。冷却水管在碾压施工中易受损而漏水，影响混凝土密实性。根据RCC的凝结特性，在满足混凝土最高温度的前提下，尽量将通水的起始时间控制在RCC初凝甚至终凝以后，此措施确保了混凝土密实性，并兼顾了温控要求，很好地处理了两者之间的关系。

通过采取上述综合措施，攻克了高温多雨季节浇筑碾压混凝土的难关，高质量、快速地完成了RCC浇筑，大大加快了大坝混凝土施工进度。同时，向家坝施工的碾压混凝土钻孔取芯检查混凝土质量时，单根芯样长达18.58m，受到金沙江质量检查专家组的好评。

塔带机高效利用

向家坝工程大坝混凝土主要施工设备为3台TC2400塔带机和3台30t高塔架平移式缆机，并辅以胎带机和门塔机，其中大量设备为在三峡工程中使用过多年的旧设备。在向家坝工程建设中，通过大胆创新、灵活运用，并加强管理，充分发挥了各种大型设备特别是塔带机的效率，实现了大坝混凝土的快速施工。采取的主要措施为：

运行中的塔带机。 摄影/高峰

①二期大坝混凝土浇筑前，对三峡塔带机成套设备进行了系统的大修与改造，确保设备性能满足工程需要；塔带机使用过程中，运行维护管理比较到位，设备完好率和利用率保持在较高水平。

②优化了混凝土浇筑一条龙设备配套，并实施双仓“套浇”工艺。采用大型拌和楼和仓面设备与塔带机配套。其中1#塔带机采用汽车+供料线的混凝土输送方案，采用2台4×3m3拌和楼同时供料，2#、3#塔带机采用全程供料线方案，各配一座4×4.5m3拌和楼，混凝土生产供应能力强，同时在仓面上配备2台大型振捣臂，并辅以人工振捣，可较好地发挥塔带机浇筑能力强的特点。

在此基础上大胆创新，研究实施了在非高温季节一台塔带机同时浇2仓混凝土的“套浇”工艺。即选取结构相似、位置相距较近的2仓混凝土同时用一台塔带机浇筑，2仓混凝土均用平铺法浇筑，各仓独立配置仓面设备，塔带机在一个仓面上连续布料一整个坯层后转仓布料，振捣作业则连续进行。“套浇”工艺极大地提高了浇筑工效，配合使用4.5m高升层模板，创造了单台塔带机月浇筑13万m3的记录，比原工效提高1倍多。2011年，向家坝1#塔带机10个月浇筑74万m3，2#塔带机年浇筑83万m3，也创了新记录（三峡工程单台塔带机最高月浇筑强度6.19万m3，最高年浇筑强度约60万m3）。

③受地形条件限制及升船机坝段阻隔，大坝下游无法布置施工栈桥，加之塔带机顶升高度受限，在大坝浇至高部位后，仅靠缆机浇筑，施工手段不足。为此，将胎带机布置在大坝高块，采用塔带机定点下料+胎带机接力布料的方案，既可加快浇筑进度，同时可腾出缆机多进行钢筋、大件和仓面设备吊装。

四、高坝底流消能

底流消能设计

向家坝泄洪消能具有高水头、大单宽流量、多泥沙、泄洪时间长等特点，校核洪水时上下游水位差约85m，最大下泄总功率约40000MW，坝面中孔泄槽最大单宽流量339m3/(s·m)，消力池内最大单宽流量约225m3/s·m，入池流速达38m/s左右，各项水力学指标在国内外坝工建筑物中名列前茅。电站下游紧邻水富县城和大型企业云南天然气化工厂，消能方式应尽可能减轻泄洪雾化对环境带来的影响。

为此，在组织国内多家科研机构试验研究的基础上，选用了中表孔间隔布置、高低坎底流消能型式，其高速水流脱离底板技术处于国内外领先水平。其消力池消能防冲水力学控制指标如下：

①消力池临底流速在100年一遇洪水和以下时不大于16m/s，大于100年一遇洪水时不大于20m/s。

②消力池底板脉动压强均方根值为4×9.8kPa左右。

泄洪消能建筑物包括10个中孔和12个表孔，中表孔间隔排列，并在中表孔坝面泄槽之间设置3m宽的中隔墩；中表孔跌坎为高低坎，表孔跌坎高16m，中孔跌坎高8m。消力池共设2个，以便枯水期时互为备用检修。

消力池（含泄水坝段）示意图。制图/田宗伟

高标号抗冲耐磨混凝土施工

①关于混凝土配合比。在中表孔流道及消力池部位采用高性能的抗冲磨混凝土，主要标号为C9055、C9050、C9040，其配合比充分结合向家坝工程灰岩人工骨料的特性，采用“灰岩骨料+掺粉煤灰+低水灰比+PVA纤维”的技术线路。其中，采用粉煤灰替代硅粉，不但抗冲磨能力满足设计要求，而且更方便施工，易于养护。

②关于低热水泥的应用。针对高标号抗冲耐磨混凝土水化热温升较大、温控难度大的特点，开展了采用低热水泥的试验研究，并在消力池部位大量使用。与中热水泥相比，可将高标号抗冲耐磨混凝土的最高温度降低6～8℃，温控防裂效果良好。

③为确保泄洪消能建筑物施工质量，研究采取了一系列质量控制措施：

a）抗冲耐磨混凝土的密实性是混凝土各项性能之本，必须确保，为此开展了中表孔隔墩及消力池导墙配筋优化及布筋调整工作以方便备仓和浇筑。

b）中表孔侧墙和底板采用一次浇筑成型方案，其中侧墙采用大型悬臂钢模板，底板采用拉模或翻模施工。一次浇筑成型提高了结构的整体性。

c）C9055高标号抗冲耐磨混凝土水泥用量达284kg/m3（二级配）和241kg/m3（三级配），水泥水化热温升高，混凝土最高温度控制难度大，且初期冷却完成后混凝土温度仍较高。为此采取了两方面的应对措施：一是中表孔流道部位设置2套冷却水系统，初期冷却用低温水系统，以加强初期冷却；初期冷却结束后20天进行中期冷却，中期冷却用中温水系统，减少通水温差，通水时间按将混凝土温度下降6～8℃控制（日降温幅度0.5℃以内）。二是强化高标号混凝土的保温保湿，在高温季节重点抓好流水养护，建立混凝土养护责任制，确保不间断流水且整个混凝土面均保持湿润；对中表孔侧墙、消力池导墙，在现场阶段性喷涂聚氨酯发泡材料（厚1.5cm），以起到更好的保温保湿作用。

d）建立并执行针对监理和施工人员的泄洪消能建筑物混凝土施工档案制度，认真落实各工序的施工、质检、监理责任制，并严格考核和奖惩。

五、大型地下电站施工组织管理

向家坝右岸地下电站位于右岸坝肩上游山体内，设计安装4台最大单机容量为800MW的水轮发电机组，由引水系统、厂房系统、尾水系统等3大部分组成。其中主厂房最大开挖跨度为33.4m，最大开挖高度为85.5m，引水隧洞开挖直径16.3m，变顶高尾水洞开挖断面38.2m×24.3m，尺寸之大，均位居世界前列。

进度控制与施工方案调整

对于主厂房开挖，结合其洞室结构特点、施工通道布置和开挖支护设备的性能，共分9层开挖，其主要施工措施为：合理分层，并适当增设施工支洞，各层均形成双通道，减少开挖与支护之间的干扰，并有利于上下层衔接；使用多臂钻、喷浆台车、反井钻机等大型设备，提高工效，加快施工进度；控制好顶拱、岩锚梁、高边墙开挖支护三大难关，避免二次处理耽误工期。其中第Ⅰ层开挖历时11个月，占开挖总工期的1/3，岩锚梁开挖3个月。

对于主厂房混凝土浇筑，将与发电机层同高程的第三层灌排廊道扩挖，方便混凝土罐车通行，并通过增设支洞，布置皮带机向主厂房输送混凝土，再接溜筒、溜槽下料，既可大大改善混凝土入仓条件，又可有效减少与主厂房机电安装的干扰，对施工进度和机电安装环境均很有利。

在引水隧洞斜井段、下平段开挖施工中，根据现场情况，及时增设施工支洞，并调整了引水隧洞下平段压力钢管安装方案（由进水口进洞安装改为从主厂房内安装），既加快了施工进度，又减小了安全风险；在尾水扩散段和尾水支洞开挖施工中，充分发挥布置在尾水扩散段的施工支洞的作用，并及时将施工方案调整为“洞内绕洞、折线楼梯”的方案，克服空间和高差限制，提前对尾水扩散段和尾水支洞进行全断面开挖，避免了后期开挖爆破影响主厂房混凝土浇筑，既加快了尾水扩散段和尾水支洞的施工进度，又保证了主厂房关键线路的进度。

在引水隧洞斜井段、下平段开挖施工中，根据现场情况，及时增设施工支洞，并调整了引水隧洞下平段压力钢管安装方案（由进水口进洞安装改为从主厂房内安装），既加快了施工进度，又减小了安全风险；在尾水扩散段和尾水支洞开挖施工中，充分发挥布置在尾水扩散段的施工支洞的作用，并及时将开挖保护层的施工方案，其中中部拉槽宽23.4m，先预裂爆破、再梯段爆破；保护层宽4～5m，采用光面爆破，其中岩台区采用双向光面爆破法施工。爆破钻孔时精心设计钻孔样架，采用内、外双导向管“傻瓜式”钻孔（固定孔向和孔深）；光面爆破孔实行“均匀微量化装药”，变“集中”装药为“分散”装药，减小对结构面的损伤。通过精心控制，岩锚梁开挖平均超挖4.4cm，半孔率96.7%，不平整度4.6cm，爆破松动范围0.2～0.7m，开挖质量优良。

地下电站主厂房分层开挖示意图。 制图/张海泉

岩锚梁混凝土浇筑采用布料机浇筑，不使用泵送混凝土，提高了混凝土内在质量。

（3）尾水主洞开挖与衬砌混凝土浇筑

针对尾水主洞超大断面的特点，在完成第Ⅰ层开挖后，先施工挂顶混凝土，再开挖以下各层，确保了顶拱的安全稳定，开挖顺序为：第Ⅰ层开挖→挂顶砼→第Ⅱ～Ⅳ层开挖→底板及边墙衬砌。尾水主洞顶拱及边墙混凝土均采用钢模台车浇筑，质量好、速度快、安全可靠。

右岸地下电站各阶段工期统计表单位：月

通过采取上述措施和合理组织施工，32个月完成了主厂房开挖支护，4台机组均提前或按时向机电交面，预计2012年11月首批2台机组投产发电。

关键部位施工方案与控制技术

（1）主厂房顶拱开挖

因围岩节理呈缓倾角分布（倾角15°～20°），层状结构面对顶拱稳定性影响较大，采用分多步扩挖、支护的方案。开挖程序为：中上导洞开挖→中上导洞扩挖→中导洞下卧开挖→两侧扩挖，并根据监测情况，控制爆破、调整支护方案。

（2）岩锚梁开挖与混凝土浇筑

岩锚梁开挖采用先中部拉槽、再

六、大型砂石骨料系统运行管理

向家坝水电站主体工程混凝土总量约1400万m3，共需混凝土骨料约3000多万t。由于主体工程施工期砂石骨料需用量大、强度高，设计了国内规模最大的砂石加工系统：初碎能力3200t/h，成品料生产能力2600t/h。该砂石系统具有以下主要特点：

①采用31km长的皮带机输送半成品骨料。由于本工程所选灰岩骨料料场距工地直线距离达30km，经技术经济综合比较后选用了长距离皮带机输送半成品骨料的方案。该输送线主要布置在隧洞内（9条洞合计长29.3km），由5条皮带机组成，带速4m/s，设计输送能力3200t/h。该皮带系统的设计、安装、调试、运行及自动控制系统均突破了很多难关，为国内其它水电站类似工程提供了宝贵经验。

②采用立轴破碎机与棒磨机联合制砂的半干法生产工艺，并进行石粉回收。施工过程中，通过适当微调制砂工艺，可满足RCC和常态混凝土对人工砂石粉含量的不同要求。

③充分利用马延坡成品料加工系统附近的有利条件，建设了配套的尾渣库，将该系统的施工废水全部抽排到水库中沉淀，实现了废水的零排放，且澄清后的水可回收利用，既减小了对环境的污染，又实现了节能降耗。

目前，向家坝人工砂石骨料生产系统已稳定运行6年，保证了工程高强度混凝土浇筑的需要。31km长皮带机系统运行期间单位能耗仅为0.094kw·h/t·km，有效地节约了能源，实现了低碳环保的综合效益。

七、导流底孔下闸采用液压启闭提升方案

向家坝工程共设6个导流底孔，招标设计时均采用传统的卷扬机下闸方案，实施过程中，经充分试验和比选论证，决定1#～5#导流底孔采用液压张紧装置启闭方案，最后下闸的6#导流底孔则仍采用卷扬机下闸方案（该闸门启闭容量为2×450t，相对较小）。

导流底孔下闸顺序示意图。 制图/张海泉

作为临时工程，用液压张紧装置启闭闸门的方案具有结构轻巧简单、同步性能高、经济性好等多方面的优势，但在国内水工行业属首次使用，经验不多，其主要风险为存在闸门小开度时的流激振动问题。为此，委托国内多家科研院所开展了大量水力学模型试验，证明流激振动问题可通过设置补气装置妥善解决。1～5#导流底孔已于2012年10月10日下闸，下闸过程顺利，6#导流底孔也于当晚成功下闸，顺利实现下闸蓄水目标。两方案的主要技术经济特点对比见下表：

六号导流底孔封堵闸门液压提升系统原型试验。 摄影/高峰

卷扬机方案与液压启闭方案对比表

八、结语

向家坝水电站规模巨大、地质条件非常复杂，并具有高坝底流消能、大型地下厂房等特点，加之受工期、社会环境等综合因素的影响，技术复杂、施工难度大。通过科学管理，大胆创新，提前规划，精心组织，攻克了一系列难题，取得了丰硕的成果，在快速施工的同时保证了较高的质量水平。目前，向家坝工程已按计划实现了初期蓄水目标，下一步将有望按期实现首批机组投产发电及后续各项目标。