文山州地处云南省东南部、国土面积3.14×104k㎡,85%为岩溶地区,文山州地方电网内电站均为水电站,属径流式引水发电.为改变电网运行工况,从"十五"中期至"十一五"中期,文山州境内设计建设一批具有时段、日、旬、月调节的混凝土坝坝后中小水电站.
1地理位置及对外交通
该批水电站主要分布在文山州的东北部,文山州丘北县、曲靖地区师宗县、广西地区西林县3县交界的清水江干流上.东部,文山州广南县、富宁县、广西自治区西林县交界的西洋江干流上.东南部,文山州富宁县、广西地区靖西县交界的普厅河干流上及文山州富宁县、粟坡县、越南河江省苗王县交界的南利河干流上.海拔高在250m至600m之间、电站坝址多为石灰岩地区.
电站对外交通闭塞,时下经砚山县、广南县、富宁县的323国道正在扩建,经丘北县至罗平县、师宗县的省道也在扩建,并且经国道、省道至电站还经过不少于50km的乡村公路,交通运输对电站建设有重要影响.
2混凝土坝在施工中出现的问题
由于电站建在干流上,为了防洪渡汛,旱季上坝浇筑的混凝土量大.由于电站所处的海拔低、气温高且白昼温差大.当大坝浇筑高程超过堰前水位后,发现谷拉电站右岸工作面先行浇筑的坝体出现横向、纵向裂缝.发现板蚌电站1次浇筑2m高的迎水坡面板出现横向裂缝.因此,指挥部下达了停工令,并通知所有在建混凝土坝停工查找原因.
3原因分析
查阅了有关混凝土坝相关资料,获悉混凝土温度应力的发展过程分为3个阶段.
1)早期:自浇混凝土开始至水泥发热作用基本结束,一般均为1至两个月,这个阶段的特征是,水泥放出大量水化热和混凝土弹性模量的急剧增长,这个时期混凝土中会形成残余应力.
2)中期:自水泥发热作用基本结束时至混凝土冷却到稳定温度时止,在这一阶段中,混凝土弹性模量变化不大,温度应力是由混凝土的冷却外界温度变化所引起.
3)晚期:混凝土完全冷却后的运用期.温度应力主要由外界气温和水温的变化所引起,根据引起应力的原因,温度应力可分为:
①自生应力.由于结构本身各部份的相互约束而产生的温度应力,例如:内外温差引起应力.
②约束应力.结构边缘受到外界的约束,温度变化时不能自由变形而产生的应力,例如:岩基上的浇筑块因温度变形受到基础约束而产生的应力.
上述混凝土温度应力产生的成因,符合谷拉电站,板蚌电站的实际情况,是混凝土温度应力导致谷拉电站坝体和板蚌电站迎水坡产生温度裂缝.
4选择降温措施
为保证大坝质量和建设工期,又考虑老少边穷地区未来电价的承受能力,即控制投资成本,指挥部选择了以下方案:
1)添加粉煤灰.从电站坝址到开远小龙潭拉粉煤灰,运距在400km至500km之间,每t粉煤灰运到工地,单价超过本地区325水泥的价格,因时下323国道及丘北至罗平的省道正在扩建,运输条件满足不了电站建设要求.从广西方向运粉煤灰,经询价每t粉煤灰运到工地单价也超过本地区325的水泥价格,同时存在323国道富宁至长乐村口段也在扩建,运输问题同样满足不了电站建设的要求.
2)添加矿渣.从平远街运锰矿渣或从广南运磷矿渣到文山加工,再运到电站坝址,同样是单价高,运输条件满足不了电站建设的要求.
3)从本地已建成水利水电工程类比选择
①文山市芹菜坛水库.文山市芹菜坛埋石混凝土双曲拱坝,坝高35m,库容110×104m³,上下游拱圈用粗皮石支砌,拱内浇埋石混凝土,埋石量20%.
②西畴县嘎机电站.嘎机电站大坝,坝高26m,主要是档水抬高水头,砌石面板坝,(饱浆支砌石方,0.7m³石头,0.3m³砂浆)大坝竣工蓄水发电,曾出现背水坡凸起,经采用钻机钻通面板排水后,未发现其他异常情况.
③文山市东方红五级水电站大坝.东方红五级水电站大坝,原设计砌石面板坝,坝高30m,由于地形限制,符合支砌厚度的岩层运距太远.施工中改为渣石混凝土面板坝,时下已运行6a,未发生异常情况.
通过以上3个大坝埋石量情况类比,结合老少边穷地区交通闭塞,经济欠发达,但石灰岩丰富的实际,指挥部决定采用:主坝体埋石量大于30%,小于等于50%的堆石混凝土面板坝,作为降低混凝土温度应力的措施.
5堆石混凝土面板坝上升为堆石混凝土坝
降温方案确定后,指挥部要求所有在建混凝土重力坝,改为主坝体堆石的混凝土面板坝.主要技术要求和施工方法:
①原设计的混凝土坝的技术要求不变.
②主坝体埋石大于30%,小于等于50%.
③主坝体堆石层高为:3个3,两三14,两四13,3个4,两个5.3个3的意思是:用30cm的块石分3次浇筑,第1次仓内堆满30cm厚块石,然后浇灌,振捣密实后,第2次入仓30cm块石,浇灌振捣密实后,第3次入仓30cm块石,再浇灌振捣.3次浇灌结束后主坝体升高1m.采用其他层高石头,施工方法同理.
④两坡在后层高1m,两坡在后的意思是:主坝升高1m以上,才能立模浇筑迎水坡和背水坡.并且1次只能浇1m高.新的施工方法和要求下达后,施工单位拒绝复工,他们说过去没干过这种工程,不敢干.指挥部工程技术人员耐心细致的做施工单位的工作,使他们了解,建国50a来文山州处于支前作战前线,一切为了支前,一切为了胜利,失去了发展的有利时机,基础设施落后,全州8县都为贫困县,电力严重制约了文山经济的发展.再不采取措施,大坝质量难以保证,已出现温度裂缝的坝体要采用更昂贵的化学浆液处理,电站的投资预算将突破,将来老少边穷地区的老百姓用不起电.通过晓之以理,动之以情的思想工作,施工单位同意复工,按新要求试试看.施工单位按新的施工方法施工,很快就适应接受了新方法.
在实践中,意外的惊喜发生了,为抢工期.当大块石用完后,施工单位直接立模,把小于30cm,大于15cm的块石直接入仓,层高1m,堆石距模板平距不小于20cm,然后用混凝土泵输入混凝土,形成了现在推广应用的堆石混凝土.为了安全,有的电站对堆石混凝土进行抽查,用钻机取样,一般容重都能达到或超过混凝土的容重,但是直接立模,1次浇筑层高1m的堆石层如石头粒径在15cm至20cm居多时,振捣时间短的个别仓段,透水率达到5Lu,经灌浆处理后,完全满足工程质量要求.
6堆石混凝土的优点
在老少边穷地区的水电站建设实践中,指挥部工程技术人员,施工单位工程技术人员的认识产生了飞跃,经历了由混凝土坝到主坝体堆石的面板坝再到直接立模的堆石混凝土坝全过程,总结出堆石混凝土坝的优点.
1)降低了混凝土的温度应力.在坝体内增加埋石,就减少坝体内混凝土量,实际是减少了水泥用量,达到减弱消除混凝土温度应力,保证工程质量安全.文山州的这批堆石混凝土坝已安全运行的时间,长的8a,短的超过4a未发现温度应力对坝体造成安全隐患.
2)节约工程投资.工程的总投资与施工管理模式有很大关系,一般来说采用总承包方式投资要高些,部分工程在电站辖区招投标,单价要比国家定额标准少1/3.但是总的来看堆石混凝土要比混凝土坝节约投资.见表1.
从表1可看出:创新施工管理模式采用包工不包料,C20混凝土价格可节约186.67元/m³,C15混凝土可节约157.73元/m³,指挥部采用包工不包料模式,水泥由指挥部采运,块石、碎石、砂在电站辖区招标生产加工.其次不埋石C20每m³包工混凝土价格比埋石30%多花钱22.79元,比埋石50%多投资41.17元.同理,主坝采用C15混 凝 土:埋 石30%比C20混凝土埋石30%少投资36.30元.埋石50%比C20埋石50%每立方少投资24.06元.通过分析,堆石混凝土坝比混凝土坝节约投资.
3)提高效率保证工期.在老少边穷地区建水电站,交通运输问题是制约工期的主要因素.采用堆石混凝土坝,就地取材,因地制宜,减少运输环节和运输量.在传统的混凝土技术条件下,在坝体内堆石,就是提高了运输效率,同时减少了传统混凝土层间凿毛工序和工作量,保证电站建设工期.
7堆石混凝土技术推广应用展望
像文山州这样一个老少边穷、交通闭塞、经济欠发达地区,肩负勘测、设计、建设的水电工作者,应与时俱进,因地制宜,不唯书、敢于创新,敢于承担责任.大胆使用新技术,用较低的建设成本生产价廉质优的水电产品供人民使用.不要忘记云南某报,某年登载的群众来信,反映6元/kW·h高价电,这是发生在文山州某县一个边远贫困山区的真实事件.
堆石混凝土技术通过实践检验是可行的,有很多优点,值得推广应用,相信未来更多的水利水电工程会推广应用.正在运行的部分堆石混凝土坝见表2.
参考资料:
[1] 陈雷.水工设计手册混凝土[M].北京:水利电力出版社,2012,5.
[2] 陈雷.水工设计手册堆石坝[M].北京:水利电力出版社,2012,5.
[3] 陈明致,金来均.堆石坝设计[M].北京:水利出版社,1982.6.
