王繼敏，鄭 江

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

1 研究背景

錦屏一級水電站是我國西電東送的骨干工程，是雅礱江下游的控制性工程，電站總裝機(jī)3600 MW，多年平均發(fā)電量166.2億kWh，水庫總庫容77.6億m3，調(diào)節(jié)庫容49.1億m3，屬年調(diào)節(jié)水庫。工程對長江上游的水土保持、生態(tài)環(huán)境改善和減輕長江中下游防洪負(fù)擔(dān)具有重要作用。同時，工程位于貧困的四川大涼山地區(qū)，工程的建設(shè)與運行對地方經(jīng)濟(jì)促進(jìn)作用顯著[1]。工程于2005年9月8日獲項目核準(zhǔn)，2006年12月4日大江截流，2013年8月30日首批兩臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2014年7月全部機(jī)組投產(chǎn)，2014年8月24日工程首次蓄水至正常蓄水位1880 m。

工程規(guī)劃設(shè)計開始于1960年代，2003年完成可行性研究。錦屏一級水電站設(shè)計時，國內(nèi)已建成200 m級的高拱壩僅有二灘拱壩（240 m）和拉西瓦拱壩（250 m），小灣水電站（294.5 m）正在建設(shè)，可供參考的成熟的高拱壩建設(shè)經(jīng)驗較少。其壩址河谷狹窄，為非對稱V型河谷，利于建設(shè)拱壩，但壩址左岸斷層交匯、軟弱巖體和深部裂縫發(fā)育，左、右岸壩基地形地質(zhì)不對稱，工程邊坡、壩基和拱壩抗力體處理難度大；大壩砂巖骨料具有堿活性，拱壩高性能混凝土制備困難；240 m 高水頭、50～80 m寬窄河谷泄洪消能與岸坡穩(wěn)定的矛盾突出；地下廠房洞室群圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比僅為1.5～3，地下廠房洞室群圍巖出現(xiàn)大變形（達(dá)245 mm）特征，變形控制問題突出；窄河谷拱壩壩段少（僅26個壩段），混凝土澆筑跳倉跳塊受限，施工進(jìn)度難以滿足度汛要求；工程區(qū)山高坡陡，施工場地稀缺，施工布置困難；高拱壩蓄水歷時長，復(fù)雜地質(zhì)條件高拱壩運行影響因素眾多，蓄水安全監(jiān)控與預(yù)測難。針對工程重大技術(shù)難題，業(yè)主單位通過與國家自然科學(xué)基金委員會共同出資設(shè)立了“雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合研究基金”、成立院士和大師組成的特別咨詢團(tuán)、聘請國內(nèi)外知名咨詢機(jī)構(gòu)咨詢、自立科研課題等多層次、多形式十余年聯(lián)合攻關(guān)，成功建成世界第一座壩高超過300 m高的水電站工程。本文是對錦屏一級水電站工程建設(shè)的主要重大技術(shù)難題解決方案的總結(jié)性回顧。

2 壩肩復(fù)雜地質(zhì)工程高陡邊坡的穩(wěn)定處理、長期變形及對拱壩安全性影響

工程樞紐區(qū)邊坡高陡，基巖裸露，高程1900 m以下坡度為60°～90°，由大理巖和變質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)板巖組成，斷層較發(fā)育，主要有f5、f8、f2、f13、f14、f42-9、f7及f18等斷層，并發(fā)育有煌斑巖脈（X）、層間擠壓錯動帶（g）、深部裂縫、卸荷松弛巖體等不良地質(zhì)條件，尤其是左岸深部卸荷裂縫水平埋深超過300 m。左岸拱肩槽邊坡開挖高度為530 m，中上部為砂板巖，傾倒拉裂變形嚴(yán)重，下部為大理巖，完整性較好；邊坡中部存在由斷層與軟弱破裂面組成的潛在不穩(wěn)定大塊體控制邊坡的整體穩(wěn)定；建設(shè)期工程邊坡的安全穩(wěn)定問題十分突出[2]。

2.1 邊坡穩(wěn)定性分析與控制措施針對復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定問題，采用非連續(xù)介質(zhì)DDA 方法和離散元法、三維極限平衡法、有限差分法、彈簧元法、三維黏彈塑性有限元法和多重網(wǎng)格法等數(shù)值分析方法對工程高邊坡地質(zhì)條件、巖體力學(xué)參數(shù)、變形破壞機(jī)制、邊坡穩(wěn)定性、加固處理措施等進(jìn)行了大量的分析研究。最終確定了“深層抗剪洞、中層大噸位長錨索、淺表系統(tǒng)錨固、立體排水、坡面防滲”的壩肩工程邊坡綜合加固處理方針，針對不同邊坡部位采取針對性與差異化處理措施。施工過程中，跟蹤開展了地質(zhì)條件研究與預(yù)報、實時安全監(jiān)測預(yù)警預(yù)報、安全監(jiān)測反饋分析、爆破振動監(jiān)測與反饋、微震監(jiān)測與預(yù)警等科研工作[3]，動態(tài)優(yōu)化設(shè)計和施工方案，確保了樞紐區(qū)工程邊坡的安全穩(wěn)定。

2.2 左岸壩肩潛在不穩(wěn)大塊體處理左岸壩肩邊坡開挖后，潛在不穩(wěn)大塊體前沿剪出口的阻滑區(qū)巖體被挖除，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)較開挖前明顯降低且小于規(guī)范的安全標(biāo)準(zhǔn)。為此，進(jìn)行了系統(tǒng)加固處理，重點針對作為塊體滑移失穩(wěn)的底滑面f42-9斷層，分別在高程1883、1860和1834 m設(shè)置3層抗剪洞，并在坡面設(shè)置深層錨索穿過斷層f42-9；進(jìn)行系統(tǒng)的坡面噴錨支護(hù)，加強(qiáng)對f5（f8）以外剪出口的阻滑區(qū)Ⅳ類巖體的保護(hù)；在高程1915 m坡體設(shè)置“U”型排水洞，設(shè)置系統(tǒng)坡面和深部排水。

2.3 左岸邊坡長期變形及對拱壩結(jié)構(gòu)安全影響自開挖完成至初期蓄水，邊坡變形存在緩慢增加的趨勢；在蓄水期，左岸邊坡開口線附近高程1990—2015 m以上出現(xiàn)變形加速的現(xiàn)象，隨著蓄水至正常蓄水位，邊坡變形速率逐漸降低；經(jīng)過多個水庫水位蓄、降循環(huán)，邊坡的變形速率進(jìn)一步降低（見圖1）。采用基于巖體流變變形的邊坡監(jiān)測反饋分析方法，揭示了裂隙水壓力改變巖體平衡狀態(tài)是蓄水后邊坡巖體塑性變形的主要驅(qū)動力的機(jī)理，并預(yù)測邊坡變形于2032年左右基本穩(wěn)定。以左岸邊坡最終變形值為基礎(chǔ)，采用基于變剛度的強(qiáng)度折減法和邊界位移法分析左岸邊坡長期變形對拱壩安全性影響，研究成果表明：左岸邊坡長期變形可控，在承受邊坡變形時有較高的安全度[4]。

圖1 左岸邊坡開口線以上區(qū)域表面垂直臨空向變形歷時曲線

3 復(fù)雜抗力體處理

錦屏一級拱壩左岸抗力體由大理巖及砂巖、粉砂質(zhì)板巖組成，中上部巖體破碎，巖體內(nèi)發(fā)育f5、f8、f2斷層、層間擠壓錯動帶、后期侵入的煌斑巖脈（X）及深卸荷巖體，透水性強(qiáng)，聲波、變形模量低，左岸壩基上軟下硬；右岸壩基上陡下緩，巖性為大理巖，底部為綠片巖，右岸壩基上硬下軟。左岸壩基綜合變形模量僅1.3～5.4 GPa，而右岸壩基綜合變形模量超過20 GPa，左右岸地質(zhì)條件不對稱（見圖2），必須對左岸復(fù)雜地質(zhì)條件的抗力體進(jìn)行處理。

3.1 抗力體處理范圍抗力體處理設(shè)計過程中，對初擬加固處理方案采用有限元計算，以特征部位拱端變形趨于收斂為控制目標(biāo)（見圖3），并結(jié)合三維有限元整體安全分析，確定墊座及高壓固結(jié)灌漿范圍?；炷翂|座的上下游寬度范圍取拱端厚度的1.8～2.0倍，抗力體高壓控制灌漿范圍取拱端厚度的2.5～3.0倍。

圖2 壩址地質(zhì)橫剖面圖

圖3 1750m高程拱端變形穩(wěn)定控制曲線

3.2 抗力體綜合處理措施施工圖階段，為進(jìn)一步改善拱壩變形對稱性，在原可研方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加強(qiáng)左岸壩基加固處理，經(jīng)仿真分析與地質(zhì)模型試驗[5]，建立了復(fù)雜地質(zhì)抗力體增大受力范圍、加大傳力深度、提高抗變形能力相結(jié)合的多向傳力加固結(jié)構(gòu)體系（見圖4）。采用56萬m3大墊座改造左岸壩基中上部破碎巖體的抗變形能力，采用洞井與傳力洞的混凝土置換、高壓固結(jié)灌漿和立體排水等綜合處理措施（見圖5），分散拱推力并提高抗力體剛度和強(qiáng)度，左岸壩基處理后綜合變模提高了2.3～9.7倍，大幅改善了拱壩最大變形嚴(yán)重傾向左岸的扭轉(zhuǎn)變形問題。地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究表明：壩體及左、右兩岸壩肩的變位對稱性得到明顯改善，變位量值減小，壩肩壩基的加固措施提高了壩體出現(xiàn)大變形和出現(xiàn)整體失穩(wěn)趨勢的超載系數(shù)[6]，拱壩安全性明顯提高。

圖4 抗力體多向傳力的加固結(jié)構(gòu)體系

圖5 左岸抗力體綜合加固技術(shù)示意

4 窄河谷高水頭泄洪消能與水流控制

國內(nèi)大部分高拱壩均采用了壩身表、深孔水舌空中碰撞的泄洪消能方式（碰撞方案），該方式在解決高水頭、大泄量拱壩壩身泄洪消能問題的同時，因表、深孔水舌碰撞，也帶來了較為嚴(yán)重的泄洪霧化問題。錦屏一級具有水頭高（壩身泄洪落差222.6 m，泄洪洞上下游水位差240 m）、泄量及泄洪功率巨大（壩身總泄量10 607 m3/s，泄洪功率達(dá)到了23 162 MW）、泄洪流速大（泄洪洞洞內(nèi)最大流速達(dá)51.5 m/s）、壩址區(qū)河谷狹窄（枯水期水面寬度僅60～80 m）的特點，同時左岸泄洪霧化區(qū)邊坡地形陡峻，結(jié)構(gòu)面和深部裂縫發(fā)育，天然邊坡整體穩(wěn)定性主要受壩身泄洪霧化降雨控制。因此，錦屏一級泄洪消能需要解決的重大技術(shù)問題是既要增大壩身泄水建筑物消能效率，又要降低壩身表、深孔聯(lián)合泄洪時泄洪霧化強(qiáng)度和范圍，同時又要解決超高流速泄洪洞減蝕防空化以及出口消能。

4.1 壩身泄洪消能方案在可行性研究階段，錦屏一級拱壩壩身泄洪消能布置沿襲了二灘拱壩水舌空中碰撞的泄洪消能方式，但泄洪霧化引起邊坡穩(wěn)定問題突出。施工圖階段，開展了壩身泄洪消能水力學(xué)試驗，首次提出了“無碰撞方案”，該方案具有表、深孔聯(lián)合泄洪工況泄洪霧化范圍和強(qiáng)度相對較小的突出優(yōu)勢。最終采用“無碰撞方案”，對壩身表孔采用“邊墩收縮I形寬尾墩+出口底板非完全透空”體型，深孔采用“出口閘墩直線”體型，消除了水舌空中碰撞這部分霧化源，泄洪霧化原型觀測顯示水墊塘底板最大動水沖擊壓力為14.2×9.81 kPa，小于設(shè)計允許值（15×9.81 kPa），水墊塘具有足夠的安全度；樞紐區(qū)最大降雨強(qiáng)度為534 mm/h，霧化區(qū)域邊坡穩(wěn)定。

4.2 泄洪洞全程泄洪水流控制基于空化空蝕理論提出了有壓洞彎道整流、無壓洞高位限速、龍落尾體型控壓的洞身全程泄洪水流控制技術(shù)。將轉(zhuǎn)彎段布置在有壓洞內(nèi)，控制水流流速小于25 m/s；在無壓洞高位明流隧洞控制水流流速小于30 m/s，將75%的水頭集中在25%的龍落尾段，縮短了高流速洞段長度。

通過試驗研究和定量設(shè)計方法計算分析需氣量，在水流流速變化和需氣量大的部位分段增設(shè)補(bǔ)氣洞，共設(shè)置了3條補(bǔ)氣洞。在容易發(fā)生空化空蝕的高流速洞段上游預(yù)先形成摻氣水流，設(shè)置4道底板摻氣和1道側(cè)墻摻氣設(shè)施[7]，有效增大沿程摻氣濃度[8]。

通過水力學(xué)模型試驗，在連續(xù)挑坎基礎(chǔ)上將挑坎出口段底板上中間開口，在平面上呈“燕尾”形狀。這種燕尾式挑流消能方式利用了射流沖擊原理，出挑水流分別從缺口突跌陡槽前端開口射出，兩側(cè)水流繼續(xù)從缺口突跌陡槽左右邊墻頂沿程連續(xù)射出，最后余少量水流從缺口突跌陡槽末端開口兩側(cè)頂部挑射，各股水舌在空中上、下散開，縱向拉伸擴(kuò)散，最深點沖坑位于河道中心處，解決窄河谷高速水流歸槽難題。

圖6 補(bǔ)氣洞脈動風(fēng)速原型觀測數(shù)據(jù)

泄洪洞分別于2014年和2015年開展了兩次正常蓄水位（基本同于設(shè)計洪水位）下泄洪水力學(xué)原型觀測。原型觀測成果表明，各工況下有壓洞段壓力均大于19.6 kPa，渥奇段底板中心最小壓強(qiáng)39.44 kPa，與模型試驗最小壓強(qiáng)20.8 kPa和數(shù)值分析最小壓強(qiáng)30 kPa對比，原型更安全，壓強(qiáng)梯度平順；泄洪洞水流摻氣率達(dá)50%以上，補(bǔ)氣洞平均風(fēng)速達(dá)63.6 m/s（見圖6），補(bǔ)氣洞總進(jìn)氣量約6000 m3，補(bǔ)氣效果良好且無明顯噪音。流速達(dá)51.5 m/s的超高流速區(qū)，實測底板和邊墻最小摻氣濃度1.48%，泄洪洞底板及邊墻均無空蝕發(fā)生；泄洪出口沖坑位于河道中心處，混凝土護(hù)岸無破壞發(fā)生，深度小于模型試驗值。

5 堿活性砂巖骨料的拱壩高性能混凝土制備

錦屏一級拱壩混凝土用量約558 萬m3，壩址附近無天然骨料可利用，對于壩址附近儲量滿足設(shè)計要求的三灘大理巖、大奔流溝砂巖進(jìn)行單一骨料混凝土性能試驗研究表明單一骨料混凝土均存在一定的缺陷。大理巖原巖飽和抗壓強(qiáng)度一般在45～60 MPa，配置的混凝土早齡期抗拉強(qiáng)度較低，試件的大部分粗骨料被拉斷，粗骨料阻裂能力較差；砂巖骨料為堿硅酸活性骨料，高拱壩無采用堿活性骨料混凝土的先例。施工區(qū)周邊可另選的料場，必須到50 km外的九龍河口，經(jīng)濟(jì)性不佳。

5.1 砂巖骨料堿活性抑制綜合應(yīng)用砂漿棒快速法、快速棱柱體法、混凝土棱柱體法以及模擬實際工況的全級配混凝土棱柱體法等多種試驗方法，探明了骨料組合、粉煤灰品質(zhì)與摻量[9-10]、混凝土總堿量、養(yǎng)護(hù)溫度等不同因素對砂巖骨料堿活性膨脹率的影響規(guī)律，結(jié)合大壩混凝土力學(xué)、變形和熱學(xué)性能系統(tǒng)研究與全級配試驗驗證，提出了砂巖粗骨料+大理巖細(xì)骨料的組合骨料方案；采用35%的高摻粉煤灰，突破高拱壩混凝土30%的粉煤灰摻量限值；制定混凝土總堿量控制方法和控制指標(biāo)（拱壩四級配混凝土總堿含量控制在1.5 kg/m3以內(nèi)），不僅有效抑制了砂巖骨料的堿活性，而且大幅降低了混凝土用水量和膠凝材料用量，提高了混凝土體積穩(wěn)定性和抗裂耐久性，獲得了高強(qiáng)度、中等彈模、大極拉值、低收縮性的高性能混凝土，長齡期混凝土膨脹率曲線見圖7。

5.2 骨料整形技術(shù)大奔流溝料場為變質(zhì)砂巖，晶體呈各向異性排列，致使特大石成品骨料針片狀指標(biāo)超標(biāo)（含量最大達(dá)47%）；三灘料場大理巖原巖強(qiáng)度偏低，中間夾中粗晶大理巖，加工后石粉含量高（最高達(dá)60%）。工程建設(shè)中，通過系統(tǒng)骨料加工工藝優(yōu)化，在水電工程混凝土骨料生產(chǎn)中首次開發(fā)應(yīng)用了干法風(fēng)選除粉制砂技術(shù)和反擊破粗骨料整形技術(shù)，實現(xiàn)大理巖砂級配（2.4±0.2）和石粉含量（14%～20%）的穩(wěn)定控制，解決變質(zhì)砂巖粗骨料針（棒）片狀含量超標(biāo)（控制在5%以下）和特大石產(chǎn)量嚴(yán)重不足問題，提高了骨料加工質(zhì)量。

圖7 12年長齡期全級配試驗膨脹率曲線

6 高拱壩4.5 m厚層通倉澆筑與智能溫控

錦屏一級壩肩與壩基由于復(fù)雜地質(zhì)條件下開挖支護(hù)及抗力體處理難度超出預(yù)期，大壩混凝土開始澆筑時間較計劃工期延后約9個月，大壩度汛形象面貌無法滿足要求。常規(guī)提高拱壩澆筑速度的方法已經(jīng)被有效利用到極限，進(jìn)一步提高拱壩澆筑上升速度需要有新的突破。2009年，進(jìn)度仿真分析認(rèn)為：將拱壩澆筑層厚由常規(guī)的3 m突破至4.5 m，同時增加一臺纜機(jī)的情況下，可大幅提高拱壩澆筑進(jìn)度，同時滿足工程度汛要求[11]。

6.1 全壩全過程溫度應(yīng)力仿真分析根據(jù)研究和現(xiàn)場試驗成果，確定了“最高溫度和溫差標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)、溫度梯度時空均衡、三大高差薄厚層調(diào)控、全過程高標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制”的厚層通倉澆筑大壩混凝土施工期溫控方法。業(yè)主單位引入科研單位進(jìn)行拱壩全過程動態(tài)仿真分析[12]，科研人員常駐現(xiàn)場密切跟蹤和分析評價溫度控制水平，每周提供溫控周報作為大壩施工周例會的重要材料。

6.2 4.5m厚層通倉澆筑模板定量評估了4.5 m倉層澆筑時全壩面體型最大偏差，其值小于6 mm，小于設(shè)計允許最大偏差值，4.5 m模板以平面代替拱壩曲面滿足拱壩體型控制要求。研發(fā)了4.5 m雙撐桿懸臂大模板、4.5 m直筒異型液壓自爬模板、導(dǎo)流底孔4.5 m倉層模板。

6.3 智能溫控技術(shù)發(fā)明了智能溫控技術(shù)和設(shè)備[13]，在施工期的壩體廊道布設(shè)MCU的拱壩溫度監(jiān)測自動化系統(tǒng)，研發(fā)了實時跟蹤混凝土實測溫度與設(shè)計溫度過程偏差進(jìn)行自適應(yīng)間歇通水的智能冷卻通水系統(tǒng)（調(diào)控策略見圖8）。共104 倉采用智能溫控系統(tǒng)對大壩混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行全過程智能控制，控制冷卻水管280套，壩內(nèi)溫度傳感器193支。其中最高溫度合格率達(dá)98.96%，降溫速率符合率99.5%；一期、中期和二期冷卻歷時合格率約為97.95%，溫度回升合格率95%；內(nèi)部溫差合格率98.5%。溫控效果滿足溫控評價指標(biāo)要求（典型溫度過程見圖9），且好于人工控制效果[14]。

圖8 智能溫控系統(tǒng)調(diào)控策略

圖9 典型倉位混凝土內(nèi)部溫度過程曲線

錦屏一級拱壩共澆筑1496倉，其中采用4.5 m層厚澆筑的倉位達(dá)751倉（占總方量的46%），僅用50個月完成拱壩澆筑，創(chuàng)造了超300 m高拱壩澆筑平均上升6.1 m/月的紀(jì)錄，2013年8月首批兩臺機(jī)組按照可行性研究計劃順利投產(chǎn)。此外，由于大壩澆筑快于預(yù)期，采用通過改造導(dǎo)流底孔封堵閘門結(jié)構(gòu)將閘門擋水水頭由110 m提高到140 m，2013年汛末水庫水位從1810 m提高至1840 m，效益顯著。

7 超高拱壩初期蓄水結(jié)構(gòu)性態(tài)安全監(jiān)控

錦屏一級拱壩地形地質(zhì)條件不對稱，抗力體地質(zhì)條件復(fù)雜，同時采用堿活性骨料，研究應(yīng)用了4.5 m厚層澆筑技術(shù)，因此拱壩結(jié)構(gòu)和邊坡及抗力體是否產(chǎn)生有害的變形，進(jìn)而影響拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)是一個重大問題。傳統(tǒng)的拱壩監(jiān)控模型為統(tǒng)計模型、確定性模型和混合型模型三類，但統(tǒng)計模型是對監(jiān)測“點”的變形進(jìn)行定量研究，無法反映全壩工作特性及結(jié)構(gòu)整體和各部位之間關(guān)系；確定性模型參數(shù)反演與實測成果相差較大，預(yù)測成果精確性不理想；混合模型普遍缺少空間整體等特征反映。特別是，超高拱壩承受外界各種隨機(jī)因素協(xié)同作用，其結(jié)構(gòu)變化性態(tài)與一般的拱壩差別較大，常規(guī)的拱壩通常用單測點效應(yīng)量來建立大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化分析模型，而對于超高拱壩而言，僅用單測點效應(yīng)量建立的模型不能全面反映超高拱壩整體結(jié)構(gòu)性態(tài)變化規(guī)律。

7.1 安全協(xié)整預(yù)測模型在錦屏一級水電站初期蓄水中，開展了全過程蓄水反饋研究[15-16]，針對結(jié)構(gòu)性態(tài)的空間特征和時間特征，提出了超高拱壩變形面板系列表達(dá)模式，綜合反映了荷載因素和非荷載因素的協(xié)同作用?；谛〔ǚ至空w協(xié)整理論和時空主成分分析方法，提取了影響超高拱壩結(jié)構(gòu)安全工作性態(tài)的主要因素，提出了能刻畫大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化趨勢性變化的方法，據(jù)此創(chuàng)建了超高拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化整體協(xié)整預(yù)測模型。該模型能夠反映各主要影響因素對超高拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化的影響程度，同時也能預(yù)測超高拱壩結(jié)構(gòu)性態(tài)變化的趨勢和大小，錦屏一級各蓄水階段的變形預(yù)測誤差介于-0.55～0.59 mm之間，1880 m水位壩體徑向位移模型預(yù)測值與實測值對比見圖10。

圖10 正常蓄水位下壩體徑向位移預(yù)測值與實測值對比（單位：mm）

7.2 預(yù)測精度初期蓄水預(yù)測精度高，小于±2%，好于傳統(tǒng)預(yù)測方法?；诳茖W(xué)的實時安全監(jiān)控與預(yù)測，初期蓄水中動態(tài)提高了原設(shè)計蓄水速率限值（見表1），便于蓄水中抓住洪峰的有力時機(jī)蓄水，在保障工程安全的前提下提高梯級電站的發(fā)電效益。

表1 錦屏一級水庫蓄水速率 （單位：m/d）

8 高地應(yīng)力地下廠房洞室群圍巖大變形加固

錦屏一級地下廠區(qū)洞室群規(guī)模宏大，主要由引水洞、地下廠房、母線洞、主變室、尾水調(diào)壓室和尾水洞等組成；調(diào)壓室高80.5 m，上室直徑41 m，為已建的規(guī)模最大的圓筒形阻抗式調(diào)壓室。廠區(qū)實測最大主應(yīng)力35.7 MPa，圍巖強(qiáng)度一般為60～75 MPa，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比1.5～3（80%以上小于2），屬極高地應(yīng)力區(qū)，是同類工程中巖石低強(qiáng)度應(yīng)力比最低的[17]。在地下廠房洞室群開挖過程中出現(xiàn)了圍巖變形量大（達(dá)245 mm），卸荷松弛深（達(dá)16 m），錨索大量超限的嚴(yán)重問題。

8.1 圍巖變形控制在開挖中考慮高地應(yīng)力的分區(qū)有序釋放，充分發(fā)揮圍巖自承能力，控制圍巖應(yīng)力調(diào)整與變形發(fā)展，采取“分層分段，間隔開挖；先洞后墻，先小后大；先淺后深，適時支護(hù)；協(xié)同變形，分級支護(hù)；抑制變形，主動支護(hù)；洞口開挖，超前鎖固”的開挖支護(hù)原則，有效抑制圍巖變形和破裂向深部擴(kuò)展，確保大型洞室群圍巖穩(wěn)定。

在圍巖淺表層施加錨噴柔性支護(hù)，在主廠房下游拱腳巖體開裂部位設(shè)置了框格梁-鋼筋肋拱-鋼護(hù)板或鋼帶等剛性固壁結(jié)構(gòu)。淺表固壁可以加固巖體，提高巖體強(qiáng)度，增加圍壓，抑制圍巖淺表破裂向深部擴(kuò)展。對圍巖松弛區(qū)采用精細(xì)控制灌漿補(bǔ)強(qiáng)，實測平均聲波波速比灌前提高了2.4%～5%。此外，采用表層噴混凝土和鋼筋肋拱確保錨墩荷載壓力擴(kuò)散，采用錨桿錨固淺表部圍巖增加強(qiáng)度，錨索通過主動錨固提升圍壓并與深部巖體共同承擔(dān)開挖卸荷作用，共同形成表層-淺層-深層復(fù)合支護(hù)聯(lián)合受力，確保大跨度頂拱的破碎巖體能夠形成承載圈，發(fā)揮圍巖自承能力。

8.2 適時支護(hù)對于脆性圍巖，圍巖應(yīng)力最終處于彈性末端之前，圍巖應(yīng)變最多達(dá)到穩(wěn)定和非穩(wěn)定軟化區(qū)分界時的應(yīng)變，此時脆性巖體支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)揮的作用最優(yōu)。根據(jù)研究成果提出了支護(hù)時機(jī)計算方法，指導(dǎo)現(xiàn)場適時支護(hù)，5#機(jī)組最優(yōu)支護(hù)時機(jī)分布見圖11。

圖11 錦屏一級5#機(jī)組最優(yōu)支護(hù)時機(jī)Tx（天）分布

圖12 長期運行穩(wěn)定后圍巖位移等值線云圖

8.3 圍巖時效變形穩(wěn)定分析基于非定常黏彈塑性流變模型的洞室群長期穩(wěn)定性分析成果表明，圍巖變形計算值與實測值規(guī)律一致，量值相當(dāng)，運行期洞室群圍巖應(yīng)力狀態(tài)和塑性區(qū)深度未發(fā)生明顯變化，圍巖變形和錨索支護(hù)力在開挖完成0.5～1年內(nèi)基本收斂，斷層和煌斑巖脈影響區(qū)域的變形和錨索受力在3～5年內(nèi)逐步趨于收斂，長期運行穩(wěn)定后圍巖位移等值線云圖見圖12。綜合監(jiān)測和數(shù)值分析成果，地下廠房洞室群圍巖-支護(hù)體系整體穩(wěn)定安全。

9 高山峽谷地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)地區(qū)的場地時空拓展與利用

工程區(qū)河谷深切，岸坡陡峻，兩岸谷坡高差1500～2500 m，階地不發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，壩區(qū)附近可供利用的施工場地極為有限，還需兼顧錦屏二級水電站西端閘壩、電站進(jìn)水口及引水洞工程同期施工對施工場地的需求，面臨施工場地稀缺、交通條件差、場地安全條件差、環(huán)境保護(hù)要求高、施工場地布置極為困難等突出問題。（1）交通隧道布置。場內(nèi)外交通工程以布置隧道為主，樞紐區(qū)36.3 km場內(nèi)公路隧洞總長25.86 km，隧道占約71%，可減少形成高陡人工邊坡，減少植被擾動對環(huán)境的影響。（2）設(shè)施地下布置。將巨型水電站工程壩區(qū)供水系統(tǒng)、部分變電站、骨料生產(chǎn)與運輸設(shè)施、炸藥庫等均布置于地下洞室。此外，為解決供應(yīng)大壩混凝土的高線拌和系統(tǒng)場地不足問題，將混凝土拌和系統(tǒng)的骨料倉以及骨料倉的受料和出料系統(tǒng)全部置于地下；首次采用強(qiáng)制式拌和系統(tǒng)拌制常態(tài)混凝土供應(yīng)大壩澆筑，容量為2×7 m3。這種布置方式下，占地僅1.2萬m2，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)在右岸1975～1885 m之間壩肩開挖形成的有限平臺的布置，且系統(tǒng)緊鄰壩肩。（3）管帶機(jī)骨料運輸。首次在水電工程中采用管狀帶式系統(tǒng)運輸混凝土骨料，該系統(tǒng)穿山越江，總長約5.6 km，設(shè)計輸送能力2500 t/h，除跨江棧橋及轉(zhuǎn)載站以外，其余均布置在隧道里，兩條管狀帶式輸送機(jī)長2.75 km，最大運輸高差307 m，避免了在高山峽谷采用汽車進(jìn)行高強(qiáng)度運輸?shù)娘L(fēng)險和煙塵問題。（4）壩基開挖布置。工程壩肩開挖區(qū)在高度方向受地形條件限制，1885 m高程以下只在1885 m、下游1670 m和上游1691 m高程布置出渣道路，在1885 m和1670 m之間沒有條件再布置出渣道路，為創(chuàng)造條件，在水電工程中首次采用“提前截流、基坑集渣、基坑出渣”的方式，解決了壩肩開挖出渣通道布置難題。（5）平臺時空利用。充分利用各臨時渣場和三灘溝、印把子溝等永久渣場、以及電站進(jìn)水口、左右岸壩頂高程等形成平臺的時序和空間，分別布置砂石加工系統(tǒng)、混凝土系統(tǒng)、加工廠、轉(zhuǎn)料平臺等，高效拓展與利用施工場地。

10 工程運行情況

錦屏一級水電站工程于2012年11月30日開始蓄水，歷經(jīng)4個階段蓄水于2014年8月24日蓄水至設(shè)計正常蓄水位1880 m，4個階段蓄水目標(biāo)均一次順利完成。工程安全監(jiān)測及泄水建筑物水力學(xué)原型觀測表明，錦屏一級拱壩壩體、壩基及抗力體工作性態(tài)正常，樞紐邊坡整體穩(wěn)定，泄水建筑物運行符合設(shè)計預(yù)期，工程于2016年4月22日通過樞紐工程竣工驗收。拱壩監(jiān)測值具有力學(xué)規(guī)律符合性、水位相關(guān)性、時效收斂性、空間協(xié)調(diào)性，拱壩呈現(xiàn)彈性工作性態(tài)（拱冠梁徑向位移曲線見圖13）。拱壩徑向位移最大值43.19 mm，最大壓應(yīng)力7.25 MPa，最大拉應(yīng)力1.03 MPa；壩基帷幕后折減系數(shù)最大值0.22，排水后折減系數(shù)最大值0.04，均小于設(shè)計控制值，壩基滲流穩(wěn)定，且逐年減少。

圖13 11#壩段各高程徑向位移實際時間歷時曲線

11 結(jié)語

錦屏一級水電站以工程地質(zhì)條件復(fù)雜、施工條件差、技術(shù)難度大和管理難度大而著稱，針對其復(fù)雜地質(zhì)條件高陡邊坡和拱壩抗力體處理、高水頭大流量窄河谷泄洪消能、堿活性骨料制備高性能混凝土、高拱壩高效施工與溫控防裂、復(fù)雜條件下高拱壩安全監(jiān)控、高地應(yīng)力大型地下廠房大變形控制和高山峽谷區(qū)特大型拱壩工程施工布置等難題，三代水電人歷經(jīng)50余年的技術(shù)論證與參建方十余年攻關(guān)與建設(shè)實踐，成功建設(shè)了工程，工程運行狀態(tài)良好。