水库大坝加高工程的施工技术研究

杨 楠

(辽宁石佛寺供水有限责任公司，沈阳 110000)

1 水库大坝加高工程特点

1.1 工程概况

辽宁省某水库工程承担着盘锦、鞍山、沈阳、辽阳、大连等城市的生活供水任务，库区水产养殖规模有自然“大水缸”之称，也是全国重点城市供水水源地之一。该水利枢纽工程兼具供水、灌溉、防洪、发电、养殖等功能，主要由电站厂房、升船机、混凝土坝和土石坝等构筑物组成。1958年水库开始建设施工，受历史条件限制于1966年完成初期工程。2016年，为满足工农业生产和城市用水需求，经反复论证决定实施大坝加高工程。完工后将大大提升水库的总库容，明显改善水库的多年调节功能，对促进区域经济发展和水资源调控发挥着巨大作用。

水库大坝加高工程主要涉及机电设备更新改造、电站机组改造、新建右岸土石坝、改扩建升船机、加高培厚混凝土坝和左岸土石坝等项目，其中混凝土浇筑、土石方开挖和填筑工程量为81.46万m3、56.30万m3、435.27万m3，计划工期1650d。

1.2 工程特点

为充分发挥水库的功能作用、保证水库安全运行和下游居民安全，在正常运行的情况下建设大坝加高工程，较新建工程其施工技术存在以下特点：

1)建设年代和要求不同。1958年开工至1966完工的水库大坝初期工程和2016年开工计划至2021完工的大坝加高工程，两个项目经历较长的时间跨度，此期间的施工条件、工程设计和经济状况发生很大变化。其一，水利工程行业规范和相关国家标准几经修改，当年的行业规范、国家标准与现行的存在明显差异。所以，大坝加高工程要认真研究新老规范、标准的异同点，将两者有机协调用于同一座构筑物，通过充分的论证分析制定合适的技术方案；其二，工程所用的材料随着经济状况的改变发生明显的变化，如初期工程建设时钢材比较紧缺，使得施工过程中钢材的使用较少，工程设计普遍存在安全系数偏低的现象。但长期的运行过程中，该工程也未曾发生千年一遇的设计水位，可见当年的施工质量和设计标准能够达到要求。因此，水位提高后的挡水能力是否满足要求为研究的重点问题。

2)运行年限较长。截止现今，水利枢纽初期工程已投入运行50余年，加之维修、检查的不彻底和不全面使得水库功能明显下降。此外，经过长期运行的闸门、机电设备等金属结构的工作状态，能否满足水利工程今后的需要也要有明确的结论。

3)运行与施工并行干扰。水库工程担负着工农业用水、农田灌溉、生态保护及下游防护安全的任务，也是大连地区电网调峰的重点工程。所以，加高工程施工过程中必须最大限度的降低水库运行受干扰程度，特别要将防汛工作摆在首位，保证每年汛期防汛不受到任何的干扰，为满足防汛要求还要时刻准备投入加高工程施工力量。

4)新技术的应用要求。国外有许多混凝土大坝后期加高的先例，其原因为欧美国家所建高坝的年限较长，经长期的运行已无法满足现在的需求，所以改造加高工程较多且发展较早。20世纪60年代我国开始建设有混凝土高坝，水库运行过程中未发生较大的问题且建设年代较早。因此，该大坝加高工程施工时可供借鉴的经验较少，对于施工过程中发现的问题必须认真深入的研究，在保证质量安全的条件下制定切实可行的技术方案。

2 技术难点与解决方法

2.1 坝基开挖爆破施工技术

培厚加高的水库大坝加高工程，需要利用爆破施工技术将下游坡面培厚部分开挖至基建面，爆破开挖周围有基础帷幕灌浆体、微波通讯楼、电厂中控室、电站厂房、开关站、输变电线塔、高压电线、生活用水钢管及通讯电缆等重要建筑物，并且邻近初期工程坝址。其中，左岸爆破开挖部分距离城区生活供水泵房、微波通讯楼和电站厂房的最近距离为1.5m、1.0m、4m，并且防汛电站厂房与大坝之间存在右岸爆破开挖部分，其安全控制标准严格且施工环境极为复杂。为保证爆破施工时构筑物的安全，采取严格安全防护、加强爆破振动安全监测和控制爆破技术等措施[1]。

1)试验确定爆破参数。为保证开关站、微波楼、电站厂房、大坝等重要构筑物在爆破施工期的安全运行，对拟采取的爆破方式在现场爆破施工前开展试验，并将爆破振动安全控制标准依据《爆破安全规程》和试验数据合理确定。根据技术规程要求选用的乳化炸药药经32mm，钻孔深度2.0m，孔径40-42mm；台阶爆破的单孔药量0.3-1.06kg，单位耗药量0.35-0.41kg/m3，单段最大药量1.8kg，堵塞长度0.5-1.2m，孔距0.5-1.2m，抵抗线0.5-1.0m，台阶高度不超过2.0m；光面爆破的线状药密度100-110g/m，孔距0.5m，抵抗线最小值0.6m，选用单卷药重50g的导爆索传爆，装药结构为成串状，孔口堵塞50cm，中间距到药卷中45-50cm。由于开关站、电厂等均在运行且高压电源距离爆破施工点较近，为安全起见选用一孔一段、火雷管起爆、非电塑料导爆管的孔间微差爆破网络。

2)爆破振动安全监测。所有需要控制振动的建筑物都属于爆破振动的安全监测范围，若振动速度监测值过大，应及时采取控制起爆方向、改善爆破临空面条件和减少单段药量等措施，由此降低爆破振动效应及确保受控建筑物的振动安全。电厂及相关设施在爆破施工的整个过程中正常运行，未发现新的变形及裂缝存在于被保留的老混凝土内。

3)安全防护措施。必须保证重要构筑物及电厂在爆破施工期的正常运行，所以必须做到安全防护措施在爆破施工期的万无一失。实际工程中，重要设施及构筑物防护、爆区防护为现场安全防护的主要措施。①按照不同的位置将爆区防护进一步分为平面、立面防护，其中平面防护防止孔口飞石的方式为沙袋覆盖，胶皮带-沙袋设置于网络干线与炮孔孔口节点处；立面防护控制爆渣抛掷距离的措施为插入钻孔的钢筋上拴挂铁丝胶皮带，将胶皮带用沙袋压住。②重要设施与构筑物的防护方法，采用钢管搭设排架将对着爆区的构筑物立面和竹跳板紧密联系，在排架上固定后形成一道较高的直立墙以防止正面的飞石；对于重要的电缆管道、供水管道和交通道路，为防止大块石渣滚入压坏管道用沙袋修筑不低于1.5m的拦渣墙，此外采取垒砌沙袋的措施保证供水泵房内部设备的安全。

2.2 坝体初期混凝土拆除技术

大坝加高混凝土施工前需拆除坝体下游局部混凝土，以及初期工程的土坝顶房屋、板梁等混凝土结构，其拆除范围大、技术复杂且干扰其它施工项目，拆除施工质量对整体施工进度、新老混凝土结合质量将产生直接影响。不同结构和部位的混凝土拆除施工，采取了线锯切割、人工凿除、静态爆破和控制爆破等方法[2]。

1)线锯切割。采用WS-15金刚石线锯对不适用普通拆除方式的部位切割，通过将混凝土分解成10t的块体输送出施工场地。

2)人工凿除。溢流坝段闸墩顶部混凝土拆除和初期坝体表面碳化层施工比较适用人工凿除的方法。由于拆除难度低、施工范围广，初期坝体表面碳化层施工利用人工持风镐拆除的方法即可；针对拆除部位为不平整面、施工作业面狭窄的溢流坝段闸墩顶部混凝土，拆除过程中要不损坏出露的钢筋且每个部位仅拆除50-100cm，因此人工拆除为最佳的方式。施工拆除过程中闸墩顶部混凝土存在以下要点：作业人员的布置应考虑工作面狭窄情况；对于各拆除部位的厚度事前要充分掌握；防止门槽落入碎块对闸门启闭产生影响；安全防护措施要全面有效的落实；堆积在脚手架上的碎块应及时清除。

3)静态爆破。拆除的结构为四面或三面临空的情况下，如初期工程所用升船机柱墩顶部、大坝下游牛腿和施工栈桥桥墩等，这些结构的位置相邻且距离构筑物30-60m，为保证结构安全一般选用静态爆破的拆除方式。施工前，为防止破碎过程中碎块的坠落利用粗细不同的钢丝绳编制成“安全网”，并将“安全网”安装于待拆除部位的上方；然后遵循分层破碎、自上而下的原则，结合待拆除结构的实际状况合理布设钻孔，并将膨胀剂倒入钻孔内。严格控制破碎后的碎渣下落区域与方向，保证施工现场人员及构筑物安全。

4)控制爆破。控制爆破是大坝初期混凝土结构拆除比较常用的方法，将其进一步分为光面、梯段和预裂爆破等方式，其安全监测布置原则、爆破参数的确定类似于岩石开挖爆破，但具有更高的安全防护要求，这是因为重要建筑物的上方多为待拆除的部位，高陡临空面具有更高的事故发生概率。所以，还要在大坝下游坡脚垒砌沙袋以及用竹跳板与钢管搭设垂直防护排架，由此拦截坡上滚落的混凝土碎渣并形成建筑物与爆区之间的安全屏障。

2.3 新老混凝土结合技术

新老混凝土结合问题属于下游坝坡帖坡混凝土施工的关键技术难题，由于受原坝体混凝土约束温度变化引起的帖坡混凝土变形而产生应力、外界环境温度影响大、帖坡厚度相对薄弱、新老混凝土弹性模量存在较大差异等原因，坝体应力受以上因素的影响程度较大[3-6]。为解决以上问题，经过多年的研究当地科学院和设计院提出了有效的施工技术和结构措施，全面落实这些要求和措施为施工控制的重点。

1)新增键槽切割。设计上，在水库大坝初期工程施工时预留了下游坝面施工键槽，然而受多种条件限制，预留施工键槽在下游部分坝面中未按要求施工，所以加高工程施工要补做施工键槽。施工单位通过充分的试验论证最终选用“锯割静裂法”，对键槽长边、短边利用液压盘踞和钻孔导向器合理控制，切割出76.0cm深的缝隙后用风钻钻出50cm深的排孔，将膨胀剂灌入排孔后使坝体与三角形键槽混凝土预裂剥离，由此形成的键槽比较规则。

2)锚杆施工。将锁口锚杆与砂浆锚杆合理布置于新老混凝土结合面上，为提高新老混凝土结合力设置锚杆间距为2m×2m。

3)温控措施。采取严格的下游帖坡混凝土浇筑温控措施，主要有优化混凝土配合比、掺加优质粉煤灰和选择低热矿渣水泥等减少水化热温升措施；浇筑季节严格控制，帖坡混凝土在每年的6-9月停止浇筑；为保证出机口混凝土温度不超过10℃实行风冷、加冰等手段，采取有效的措施减少混凝土浇筑、运输等各个环节不必要的温度回声。采用水库下层10℃左右的低温水或制冷水及时对浇筑完成后的初期帖坡混凝土通水冷却，为防止后期混凝土降温产生的应力将新浇混凝土温度降低至15℃-18℃。

4)表面防护。针对新形成的混凝土表面和永久暴露的帖坡混凝土面，分别选用聚乙烯材料(厚1.2-2.0cm)和聚苯板材(厚3.0-3.5cm)保温覆盖。

5)预留接缝灌浆。为解决未来可能存在的结合面张开问题，将接缝灌浆系统埋设于新老混凝土结合面，通过接缝灌浆防止出现结合面渗漏。

2.4 土石坝加高技术

原土石坝帖坡加高和新建黏土心墙坝为加高工程左、右岸土石坝的处理方式，质量保证和防渗体施工是加高施工的关键环节。施工过程中防渗体的控制要点包括：严格控制土料质量；原防渗体与新填筑的斜墙或黏土心墙的结合；因施工工序不同斜墙与心墙交接部位的质量控制；基岩、混凝土与新延长的防渗体接触部位的处理。

此外，施工过程中要妥善处理原埋设于土石坝坝体内的观测仪器，事先合理规划其上引、保护和观测问题。

2.5 溢流坝加高技术

一个枯水期内完成单个坝段施工、原闸墩与加高溢流面有效结合以及原闸墩混凝土钢筋量偏少等为溢流坝段加高施工存在的技术难题，具体的解决方法如下：

1)闸墩植筋加固。受当时技术水平、资金投入和历史条件等因素限制，水利枢纽初期工程施工时溢流坝段闸墩钢筋用量偏少。考虑到加高完成后这些闸墩还要发挥相应的作用，所以要提高其含钢量[7]。经反复论证确定原闸墩钻孔植筋的加固方式，施工时该方案存在一次完成植筋灌浆、保证钻孔精度等技术难点。为了更好的控制22m钻孔深度的孔斜率不超过0.4%选用加装钻孔扶正器、导向管、刚度较大的副钻杆、大型钻机等方法；为有效解决以上问题，使用与老混凝土各项物理性能指标相似的无机黏结灌注材料、钢筋与灌浆管一次入孔以及分开设置钢筋接头的方法。

2)界面剂试验。对于钢筋较多、闸墩较薄的溢流坝段不宜选用切键槽方式，选用涂装界面剂的方式加强与新浇溢流面混凝土之间的结合力[8]。在现场实验室开展浇筑取芯、抗弯折、劈裂抗拉等试验，对比分析厂家提供的多种纯水泥浆和界面剂，结果显示界面剂效果最好的是水泥基类的无机材料，而纯水泥浆的胶结性能与环氧树脂类的有机界面效果类似。

3)溢流面加高。按照以下工艺流程完成溢流面加高施工：混凝土叠梁门下方完成后浇筑→钢叠梁门下方后抽出工作门上游积水→工作门提升→处理裂缝缺陷、凿毛原溢流面→混凝土浇筑、钢筋安装126-151m高程→冷却通水后预留宽槽回填→二期混凝土浇筑及安装工作门底坎→工作门下方后提起钢叠梁门。科学、认真的安全施工为溢流面加高施工的难点，为了不影响枢纽度汛必须在7个月内完成施工。

2.6 混凝土坝基防渗

丙凝灌浆、磨细水泥和普通水泥为初期工程帷幕灌浆的主要材料，通过全面检测帷幕情况，发现加高工程施工期间能够基本符合防渗要求，对于局部渗透超标的情况还要做补充灌浆[9]。考虑到水库正常运行期开展的帷幕灌浆作业，试验研究了帷幕灌浆在高水头作用下的施工工艺及材料。

2.7 机电设备与金属结构改造

截止目前，该水利枢纽工程已投入运行50余年，大坝加高工程涉及到以检测修复为主的埋件、闸门等金属结构，以及以更新为主的机电设备等。

1)检测修复门槽埋件、闸门。针对水位变化区或水下长期运行的大部分门槽埋件，采用超声波测厚、无损探伤设备和水下测量电视系统等由专业检测潜水员实行水下检测，由此判定结构的锈蚀、腐蚀、气蚀和变形程度，合理选择改造、补强、加固和修复方案，并且水下作业需要安排专业的队伍施工。

由于大坝加高工程提高了水位使得深孔检修门无法满足要求，对此需要更新替换，修复后水利枢纽所用其他闸门均可再次投入运行。经过长期的运行，加之维修管理不善水利枢纽的许多结构已发生明显的变形，无法达到现行规范要求，由于长期运行中这些闸门均未发现较大的问题，水利枢纽整体状态良好。因此，针对每扇闸门按照个案处理的方式，全面检测后提出合理的整治方案，利用针对性处理程序满足工程运行要求。

2)坝顶门机。添置一台500t门机和改造两台原有400t门机为大坝坝顶门机初设要求，通过检测原有门机发现其修复难度较大，门机主体存在较大的变形。因此，对于改造的两台旧门机报价采购招标各厂家报价明显超预算，报经主管部门批准后改为添置一台500t门机，改造方案选择放弃。

3)其它机电设备。更新原有机电设备时存在的技术难点包括：更新或保留原有电缆；保证运行需要的同时更新原有机电设备；土建施工对设备更新的干扰较为明显。所以，必须合理组织、科学安排和详细规划。此外，由于前期竣工图不全使得更换电站厂房部门机组时，必须停机拆开机组，经详细测量和科学设计后方可制造机组。

2.8 工程缺陷处理

在认识水平上当年的大坝建设与现今的工程施工存在明显的差异，加之运行年限长且维修管理不善，使得大坝构筑物出现许多工程缺陷，所以加高工程还要有效处理这些缺陷，保证水利枢纽的安全运行和功能效益的发挥[10]。

1)锯缝施工及水平缝的处理。在大坝下游面和坝顶上游侧横缝处钻11个直径108mm铅直间距2m的水平缝、钻1个直径145mm的垂直孔，要求垂直孔与这些孔相交形成可切割的11个单元，然后沿水平方向垂直面利用金刚石绳锯机切割，由此可构成贯通的横缝。对于在多个高程上分布的上游水平裂缝，在全坝面覆盖钢筋混凝土保护板与SR盖片，按照此方法完成工程缺陷的处理[11]。

2)检查与处理上游坝面水下裂缝。采用专门的工具和高压水枪在水下由专业检测潜水人员清理坝面，并利用水下电视系统录像及完成水下检测，裂缝检测水下部分的上游坝面，按照不同的水下裂缝类型安排专业队伍开展施工。

3)检查处理大坝裂缝。全面普查原坝体混凝土存在的裂缝，将加高工程施工期间检查出的裂缝分为Ⅰ-Ⅳ类，并依据有关设计标准分类处理，针对严重裂缝提出专门的处理方案[12-13]。

4)坝面表面保护材料。按照设计要求将水泥基结晶材料涂刷至大坝上游坝面水上部分，从而提高坝面的抗碳化和抗渗能力。为更好的检验材料的防护性能，现场组织涂刷试验并委托有关单位开展抗碳化、抗渗、抗冻、取芯电镜扫描和拉拔试验[14]。

3 结 论

受历史条件、施工水平、建设标准、工艺技术等条件限制，加之运行年限长、维修管理不善等大多数混凝土大坝均存在一定缺陷，为保证水库安全运行和功能效应的发挥，有必要实施修复和加固工程。为满足经济发展要求有些水利工程还要实施扩建、加高工程，通过对加高工程特点和水库大坝运行情况的分析，从多个不同层面提出了加高工程的技术要点，可为其它类似工程的加高设计和加固整治提供科学指导。