光照高碾压混凝土坝的设计理念与实践总结

雷声军，陈毅峰，陈能平，龙起煌，王洪军

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 工程概况

光照水电站位于贵州省关岭县和睛隆县交界的北盘江中游，是北盘江干流的龙头梯级电站。水库总库容32.45亿m3，水库正常蓄水位745 m，为不完全多年调节水库，电站装机1040 MW。光照水电站为I等大 （1）型工程，工程枢纽由挡水坝、坝身泄洪系统、右岸引水系统及地面厂房等组成。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高200.5 m，坝顶长410 m，大坝混凝土浇筑总量约280万m3，其中碾压混凝土约242万m3。大坝于2006年2月11日开始浇筑，2008年2月6日浇筑至坝顶高程。

光照大坝是目前世界上已建成最高的碾压混凝土坝，至今良好运行5年多，该工程以其快速施工、质量优良而获得了国际RCC里程碑奖、国家优质工程金质奖、全国工程建设项目优秀设计成果一等奖、全国优秀水利水电工程勘测设计金质奖等一系列荣誉。回顾工程的设计历程，从总体布局到细部结构上都充分体现了 “安全可靠、布置简捷、工艺简单、经济节约”的设计理念，本文总结光照大坝建设中的一些优化设计方案，对其他工程提供借鉴。

2 设计理念与实践总结

2.1 安全可靠

（1）所选坝址地质条件优越。施工阶段开挖基岩证实该坝址是一个不可多得的好坝址。坝基为永宁镇组灰岩，岩石平均湿抗压强度40～65 MPa，变形模量 9～13.5 GPa，声波波速4500～6100 m/s，建基面岩体质量和均匀性较好，两岸坝基开挖深度（嵌深）为15～25 m，河床坝基最小开挖深度仅8 m。左右两岸有相对隔水岩层分布，防渗依托可靠；无不利于大坝抗滑稳定的地质构造。监测资料显示，建基面基础扬压力水头不大，帷幕下游渗压实测折减系数小于设计值；坝基实测渗漏量为14.1 L/s，小于设计值72 L/s。

（2）结构体形满足应力及稳定安全的要求。本工程从前期规划到施工图设计均有针对性地开展了大量的科研与分析计算工作，如坝体结构三维非线性分析、大坝渗流控制与防渗体系研究、大坝系统安全度综合仿真评价与反馈分析研究等，另外对坝体重要结构 （包括表、底孔预应力闸墩、底孔结构及钢衬、门库及电梯井等）均进行了有限元分析计算，这些科研工作均为设计与施工提供了强有力的理论依据。大坝监测成果显示:大坝蓄水后坝基实测最大沉降约4 mm；坝体水平位移约10 mm(计算值34.27 mm)；坝踵和大坝上、下游面应变计实测值表明大部分处于受压状态。

（3）消能工适应性好。光照工程具有下游河道狭窄、泄洪水头高、出口流速大、泄洪功率大等特点，表孔最大下泄流量9857 m3/s，单宽流量205 m3/s，上下游水头差165 m，出口流速约40 m/s。经论证及模型试验研究确定:表孔采用坝身窄缝挑流消能形式，底孔采用斜鼻坎挑流消能形式。挑流水舌在空中纵向和铅直向拉开，水流在空中进行充分掺气消能，有效减轻了泄洪对大坝下游岸坡及河床的冲刷，确保大坝的安全稳定运行。经过表、底孔的泄洪检验，消能工及下游护坦、护坡未发现不良情况，泄水建筑物结构处于安全状态，表明泄水建筑物的消能方式与坝身水力条件及大坝下游河道地形相协调，设计合理、符合工程的实际需求。

（4）筑坝材料可靠。可靠的筑坝材料是工程安全的重要保证，大坝的主要建筑材料碾压混凝土除了满足基本的力学性能外，还要保证可碾性、抗渗性、抗裂性、抗冻耐久性及层面结合性能。经过原材料调研及对混凝土性能影响研究、室内配合比及2次现场混凝土碾压试验，光照大坝混凝土的配合比用水量低 （二级配 86 kg/m3、三级配76 kg/m3），水泥用量不高 （60～105 kg/m3），粉煤灰用量45%～60%，VC值3～5 s，和易性和可碾性较好，无离析、无泌水，混凝土填充性能很好，含气量适中，在3～5%之间。混凝土的绝热温升、线膨胀系数、干缩值低，自生体积变形呈微膨胀型，有利于提高混凝土的抗裂性能。钻孔取芯成果表明，选择的大坝碾压混凝土原材料及配合比满足设计要求，大坝碾压混凝土层缝面结合良好，整体抗渗性能良好，碾压混凝土整体质量较好。

2.2 布置简捷

为实现碾压混凝土坝快速施工，要求在保证安全的前提下，大坝结构设计尽量简捷。光照高碾压混凝土坝除泄洪系统、交通系统等特殊构造外，整个断面均具备大仓面、机械化施工的条件，为碾压混凝土的快速施工提供了方便。

（1）厂坝分开布置、减少相互干扰。光照水电站厂房布置在坝轴线下游约600 m的右岸2号冲沟口宽缓地带。从枢纽布置上将大坝与厂房分开布置，减少了相互之间的施工干扰和大坝泄洪雾化对厂房运行的影响，利于厂、坝区的施工布置。这种布置格局为大坝615 m高程以下采用白御汽车直接从下游河床运输入仓创造了条件，简单、经济的解决了大坝下部低高程约70万m3碾压混凝土的入仓浇注，对光照大坝实现快速施工起到了重要作用。

（2）减少孔洞布置与施工干扰。坝内孔洞及廊道等结构的布置以尽可能简化和减少施工干扰为原则。原大坝设计布置2个底孔用于放空检修。为了减少底孔施工对大坝整体施工进度的制约，设计时对底孔的功能和替代措施进行了综合的分析。经专题论证，取消了左侧底孔，节约工程投资3051万元；更重要的是使左岸坝段形成大通仓碾压施工仓面，为加快施工进度创造了条件。对于碾压混凝土坝而言，一套布置简捷、功能可靠的交通系统可以为大坝施工及运行提供极大的便利。光照大坝坝内廊道的布置设计，以尽可能简化和减少施工干扰为原则，坝内廊道结合坝体防渗结构两岸山体帷幕灌浆尽量布置于坝体上游侧，横向廊道结合两岸边坡交通尽量向岸坡侧布置。在满足功能前提下，将原设计的大坝基础廊道由 “六纵七横”调整为 “五纵六横”，同时结合两岸交通洞布置，取消了658 m高程坝内左侧横向交通兼排水廊道，并在除坝体最上游纵向廊道外的其他廊道采用了预制混凝土结构，减少廊道施工对碾压混凝土上升的影响。

（3）简化坝体防渗混凝土材料分区。取消了二级配碾压混凝土防渗结构的设置，大坝在710 m高程以上采用与对应高程坝体同强度的三级配碾压混凝土直接防渗，该部分大坝承担水头约40 m，目前坝体内部渗压测值正常，设计可靠。

2.3 工艺简单

工艺简单的实质要求就是 “服务施工”，即在满足结构安全的前提下，尽量实现设计与施工的无缝结合，这就要求不断地结合现场的施工条件对施工工艺进行创新。光照高碾压混凝土坝的 “工艺简单”主要体现在:采用了简单实用的混凝土入仓方式，两岸坡坝基固结灌浆与碾压混凝土同步上升施工，创新采用直埋式预应力布置结构，FUKO管应用于坝基接触灌浆，牛腿外侧一次性钢筋混凝土预制模板支撑工艺，异种混凝土同步上升技术等。

（1）简单实用的混凝土入仓方式。光照大坝采用了自卸汽车直接入仓、皮带机+箱式满管+仓面汽车转运的混凝土入仓方式，广泛采用了平层通仓法和斜层平推立体循环的碾压施工工艺。斜层碾压浇筑的混凝土量占大坝碾压混凝土总量的92%。结合数值模拟分析及现场跟踪，对碾压方向、坡脚处理、斜层坡度等工艺进行深入地研究及完善。简单实用的入仓工艺及大规模的斜层碾压技术应用，解决了大仓面通仓碾压及高强度的入仓问题。大坝碾压混凝土最大开仓面积达21300 m2，最大日浇筑强度13582m2，斜层碾压总升层183m，月最大升层15m。

（2）取消坝基垫层，应用有盖重、快速成孔坝基固结灌浆工艺。对于高碾压混凝土坝而言，坝基采用常态混凝土垫层较为常规，一般应用垫层作为盖重进行坝基固结灌浆，光照坝址地处狭窄河谷地区，岸坡坝段常态混凝土垫层的设置将给施工带来诸多不便。光照大坝仅在河床部位设置了1.5 m厚的常态混凝土垫层结构，两岸坝坡全部坝基采用变态混凝土直接与大坝同区域、同强度的碾压混凝土同步施工上升。利用碾压升程的间歇期，每3～6 m设置一个坝基固结灌浆平台实施钻孔灌浆，既满足了灌浆对混凝土盖重厚度的要求，又避开了与混凝土碾压之间的相互干扰，解决了坝基固结灌浆和原岸坡常态混凝土垫层之间分期施工的干扰，大大简化了施工工艺，加快了施工进度。经灌后声波物探检测，坝基左、右侧基础岩体平均波速分别为5398、5477 m/s，声波物探检测对比表明，平均波速提高3%～6.5%，灌浆效果较好。

（3）创新采用直埋式预应力布置结构。光照大坝表、底孔结构采用常态混凝土，对碾压混凝土大仓面施工存在较大影响，并且由于表、底孔闸墩工作水头较高，需要采用预应力结构。按照一般的预应力锚固端做法，需要预留直径为1.3 m的圆孔，同时在圆孔周边布置大量的钢筋，为施工预应力锚索还需做钢架支撑，导致闸墩混凝土施工工期较长，影响大坝碾压混凝土的浇筑上升。故光照大坝表、底孔主次锚索预应力锚固采用直埋式设计，即不预留锚固端孔，采用内锚固端直接锚固，内锚固端与混凝土同步浇注，后期在张拉端张拉施加预应力模式。该设计直接减少了预留孔立模及钢筋绑扎等工序，同时为表孔闸墩锚索采取分次、分层吊装工艺提供了基础条件，为加快大坝混凝土的施工进度提供了有力的保障。

（4）坝基接触灌浆采用FUKO管。传统的坝基接触灌浆一般均采用在建基面上预埋复杂的灌浆管路及止浆片 （坎）系统，给碾压混凝土的施工带来了较大干扰和不便。为方便大坝混凝土的施工，通过研究，在大坝两岸坝肩700 m高程以上坝基面采用预埋FUKO管替代传统的接触灌浆系统，大大简化了施工工序，提高了效率。

（5）大悬挑钢筋混凝土预制模板浇筑技术。光照大坝底孔由于结构布置需要，在上游坝面进口处设置了长9.2 m、高13.2 m的牛腿结构，为解决大悬挑结构施工难的问题，通过三维有限元计算分析，大胆创新采用外侧一次性钢筋混凝土预制模板支撑 （牛腿只在结构外边界布置单层钢筋网）、与常态或碾压混凝土同步上升工艺，保证了牛腿与坝体结合的可靠性，同时也降低了大悬挑牛腿传统模板施工过程中的支撑难度。该技术还成功应用于表孔闸墩、大坝门库等高空大悬挑结构部位，大大减少了施工临时措施及牛腿结构配筋的复杂性。

（6）泄洪系统异种混凝土同步浇筑技术。该技术包括底孔周边采用高流态自流密实混凝土、溢流面常态混凝土与碾压混凝土同步上升技术。根据结构需要，底孔周边布设大量钢衬及钢筋，给入仓及振捣带了诸多不便。为解决该施工难题，有效保证混凝土浇筑质量，进行了自流密实混凝土配合比研究及相关热力学性能试验，同时研究了混凝土材料分区，特别是异种混凝土接触部位的构造，有效保证自流密实混凝土与周边混凝土热力学性能的协调性。经温度场监测成果显示，自流密实混凝土与周边混凝土协调性能良好。由于溢流面常采用高强度抗冲磨混凝土，国内工程中大部分采用预留台阶、先碾压混凝土上升、后常态混凝土浇筑的施工工艺，该工艺工序复杂，对施工技术要求高。基于变态混凝土与常态混凝土振捣工艺相同的特点，利用变态混凝土实现常态混凝土与碾压混凝土的过渡，采用自卸汽车直接入仓，增大常态混凝土施工工作面，减少污染及施工缝处理等工作量，有效保证异种混凝土的结合。实践证明，该工艺具有异种混凝土间结合良好、质量可靠、工艺简单、工期缩短、经济节约的优点。

2.4 经济节约

光照大坝在总结已有工程经验的基础上，经论证将原设计的常态混凝土重力坝改为碾压混凝土重力坝，节省工程总投资约1.3亿元，缩短工期一年半，提前发电一年，新增发电效益7.93亿元。光照大坝在材料及施工工艺上进行大量的研究及优化，获得巨大的经济效益，如应用粉煤灰等材料减少水泥用量，简化温控措施降低施工成本等。

（1）应用高掺量Ⅱ级粉煤灰。参考国内外同类工程，要求光照大坝采用Ⅰ级粉煤灰，但工程周边的Ⅰ级粉煤灰产量较少，需从四川、云南等较远的地方采购供应，材料运输费用高。针对该情况，结合材料配合比调整和大量的试验研究工作，在优选原材料的基础上，进行了多种水泥、粉煤灰的比选，最后成功地将Ⅱ级粉煤灰用于200 m级高碾压混凝土坝，不仅节约了运输成本，保证了施工过程中粉煤灰料源的供应及连续性，同时也为我国高碾压混凝土坝的材料应用和设计提供了有益的尝试。

（2）优选配合比，降低混凝土单价，简化温控措施。为了进一步降低水泥用量，减少水化热温升，光照工程在室内分析研究和现场拌制及试验取得丰富成果的基础上，进行了现场超高掺粉煤灰碾压混凝土的应用研究。C9015F50W6三级配碾压混凝土原配合比中水泥用量60.8 kg/m3、粉煤灰用量91.2 kg/m3、水用量76 kg/m3；超高掺粉煤灰碾压混凝土水泥用量40 kg/m3、粉煤灰用量达120 kg/m3、水用量67.2 kg/m3。与传统的碾压混凝土相比，水泥用量减少34%、粉煤灰用量增加32%、用水量减少12%。经对大坝应用部位现场钻孔取芯检查及试验表明，所采用的超高掺量粉煤灰碾压混凝土现场取样的VC值、含气量满足要求，强度及其它性能指标均能满足设计要求。超高掺量粉煤灰碾压混凝土在光照大坝的生产应用试验取得成功，不仅节约了混凝土单价成本，还进一步降低温控成本，为该新型碾压混凝土推广应用提供了实践和经验，对推动碾压混凝土筑坝技术的新进展具有十分重要的意义。

（3）优化施工组织设计和温控措施。光照的施工组织设计克服了狭窄河谷地区布置条件的困难，有效把握施工过程中出现的各种可能情况，采用最简单实用的方式实现了 “低投入、高产出”，低成本建造了世界级高碾压混凝土坝。拌和楼设计能力与浇筑能力配套，大坝工程混凝土生产系统的设计生产能力为512 m3/h，实际利用生产能力为500 m3/h，利用率达97.7%，做到了充分发挥设备生产能力的效果；明确了冷却水管的主体温控措施地位，在制冷混凝土出机口温度控制方面，将混凝土出机口温度放宽到15℃，从而大为简化了温控措施，减少了制冷设备的大规模投入，节省了温控费用；采用箱式满管混凝土垂直输送技术，两条箱式满管入仓，设备费用极低，每条箱式满管不到100万元，带来了显著的经济效益。

3 结 语

光照工程的建设过程中，通过科学的管理，不断的优化设计，大胆采用技术创新，经济、快速的建成了世界上第一座坝高超过200 m的高碾压混凝土重力坝，推动了碾压混凝土筑坝技术的发展。在“安全可靠、布置简捷、工艺简单、经济节约”的设计理念指引下，光照大坝的设计根据现场情况而动态调整，例如对泄水建筑物取消左侧底孔，加大碾压仓面；精简交通系统，减少施工干扰；简化混凝土材料分区，采用三级配自身防渗；优化配合比设计，高掺Ⅱ级粉煤灰，简化温控措施；采用汽车直接入仓和皮带机 （汽车）+箱式满管的混凝土快捷入仓等，这些优化设计与施工实践有机结合，诠释了碾压混凝土筑坝技术的优势，光照大坝的建设代表了当今碾压混凝土筑坝技术的国际领先水平。

［1］雷声军,龙起煌,陈能平.光照水电站碾压混凝土重力坝设计[C]//2004年全国碾压混凝土坝筑坝技术交流会论文集.贵阳:中国水力发电工程学会碾压混凝土坝专业委员会等，2004.

［2］陈能平,龙起煌,雷声军,等.光照200 m级高碾压混凝土重力坝筑坝技术研究总报告[R].贵阳:中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,2005.

［3］杨平,陈毅峰,雷声军.光照水电站大坝坝体防渗体系设计与研究[J].贵州水力发电，2012，26（2）:58-62.

［4］蒋剑、郭法旺.分布式测温光纤在光照大坝碾压混凝土中的应用探讨[J].水力发电，2008,34（3）:55-58.

［5］袁海忠.光照水电站大坝上游围堰加高水力学分析 [J].水力发电，2007,33（10）:45-46,60.