第４ｌ卷第４期 ２ ０ １ ０年２月 人 民 长 江 Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｖ０１．４１．Ｎｏ．４ Ｆｅｂ．，２０１０ 文章编号：１００１—４１７９（２０１０ Ｊｏ４—００７３一ｏ４ 葛洲坝和三峡工程施工中的技术创新 司兆乐 （长江水利委员会，湖北武汉４３００１０） 摘要：随着超大规模和处于复杂地质环境的水利水电枢纽工程的兴建，必须依靠先进、高效的现代施工技术去 实现。６０ ａ来，长江委非常重视先进施工技术的科学研究和推广应用，在丹江口、葛洲坝、三峡工程建设中，研 究开发和应用了大量有实用价值的新方法、新工艺和新技术，其中以围堰发电技术、低温混凝土生产技术、高 边坡锚固处理技术和爆破施工技术等ｌ０多项具有重大推广价值的技术成果，在国内一些大型水电工程建设 中都获得成功，推动了水电工程施工技术的快速发展。 关键词：围堰发电；低温混凝土；岩体锚固；施工爆破；水利水电工程施工 中图法分类号：ＴＶ６１ 文献标志码：Ａ 在葛洲坝和三峡工程建设中，长江委科研设计人 员采用了许多先进技术。本文简要介绍其中部分成 果。 现了围堰挡水，提前发了电。 １．２葛洲坝工程“围堰发电” ２０世纪７０年代，葛洲坝工程修改设计时，就决定 采用围堰发电方案。葛洲坝工程投资３５亿多元，从开 工到第一台机组发电历时１１ ａ，是我国早期水电建设 中工程量大、投资大且工期长的工程。由于其最大发 电水头为２６ ｍ，采用围堰发电方案难度不是很大，因 此，通过适当的枢纽布置和施工导流程序的安排，实现 了围堰发电。其施工程序是：第一期先建二江泄水闸、 电厂、三江航道和船闸、纵向围堰。第二期进行大江截 流，修建大江围堰。由二江泄水闸导流，二江电厂开始 发电，船闸开始通航，葛洲坝工程二期导流平面布置图 见文献［１］。这比常规方案（即大江大坝全部完建后 再挡水发电）可提前３ ａ投产发电（７台机组约９Ｏ万 ｋＷ）。增加施工期发电收入近１０亿元，接近二期工程 １围堰发电和高围堰施工技术 １．１ 围堰发电的提出和早期研究 三峡工程规模大、投资大、工期长，但投资积压多、 贷款利息负担重，所以２０世纪５０年代开始就把“围堰 发电”技术列为最重要的攻关课题之一。所谓“围堰 发电”就是利用施工期中的围堰挡水提前发电，这在 当时尚无先例，国内外也没有可借鉴的经验。这一课 题涉及的重大技术问题主要是，深水高围堰施工和水 轮发电机的创新安装。因为当时三峡研究的蓄水位是 ２００ ｍ左右，水轮发电机最低水头８０多米，最高水头 １３０多米。而国内已有的最深的施工围堰只能挡三、 四十米水头，相差太多。在这样的低水头下，需要先制 造几套低水头的临时水轮发电机用于施工期发电，待 投资。为此，葛洲坝工程获国家科技进步特等奖。 水库蓄水后又能较方便地换成永久性的水轮发电机。 临时水轮发电机发电３～４ ａ就要报废，代价太大。因 １．３三峡工程“围堰发电” 三峡工程正常蓄水位１７５ ｍ，水轮发电机最大水 头１１３ ｍ，最小水头６１ ｍ。如果采用土石围堰挡水提 前发电，机组难以适应。２０世纪８０年代，国外碾压混 凝土坝新技术已经成熟，实施薄层（每层２０～３０ ｃｍ） 此在６０年代曾研究过以“大水轮机带小发电机”，即 后期只更换发电机的技术方案。这一技术后来虽未运 用，但在葛洲坝和三峡工程的建设中用另一种方式，实 收稿日期：２００９—１２—３０ 作者简介：司兆乐，男，长江水利委员会原副总工程师，教授级高级工程师，国务院特殊津贴专家。 ７４ 人 民 长 江 ２０１０生 连续浇筑，每月可上升２Ｏ多米，一个枯水期（４～５个 月）可上升１００多米。因此在三峡工程中，大胆采用 了碾压混凝土围堰挡水提前发电。其施工程序是：第 一凝土１３０万ｍ 。从２００３年３月开始浇筑，进度要与 洪水赛跑，５月中旬浇至１１８ ｍ高程，６月中旬至１４０ ｍ高程。其中３月份上升了ｌ４．３ ｍ，４月份上升了 ２３．０ ｍ，５月份上升了２３．６ ｍ。混凝土运输方式采用 ３２ ｔ自卸卡车转皮带机人仓，然后用大型推土机平仓、 期，先建导流明渠和纵向围堰，位于导流明渠中的上 游碾压混凝土围堰先浇至５０ ｍ高程。第二期，实施主 河道截流并修建二期围堰，江水由导流明渠宣泄，在围 堰保护下建溢流坝和左岸电厂。第三期，在导流明渠 中截流和先修建一低土石围堰，在其保护下抢筑碾压 １０ ｔ以上双筒振动碾振实。其模板、上游面采用自升 式悬臂组合式钢模板，下游面系台阶式浇筑，采用普通 模板。混凝土温控要求，２～３月份基础部位浇筑温度 控制在１０～１５℃，混凝土最高温度不超过２５ｃｃ。有 混凝土围堰，一个枯水期抢修至１４０ ｍ高程，上游挡水 位满足发电最低水头要求，从而实现了左岸电厂提前 ３ ａ发电。 １．４高土石围堰施工技术 （１）葛洲坝二期土石围堰。该围堰最大高度５０ ｍ，最大挡水头４０ ｍ，施工水深２Ｏ多米，围堰须挡水３ ａ，保证通航发电安全，因此按半永久工程设计。传统 的水下抛土围堰，安全度不够。经过研究，决定采用混 凝土防渗墙方案。防渗墙要承受４０多米水头压力，要 求防渗墙下游填筑体能够承载且压缩变形很小。水下 填土不能满足要求，故采用级配良好的砂卵石料，其水 下填筑的容重为２．２ ｔ／ｍ 。在砂砾石填料中建两道混 凝土防渗墙（经计算，一道墙可能断裂），防渗墙下面 的基岩进行帷幕灌浆，葛洲坝大江上游围堰断面图见 文献［２］。 （２）三峡工程二期土石围堰。三峡工程二期土石 围堰最大堰高８０ ｍ，挡水头７５ ｍ，填筑水深６０ ｍ，施 工难度很大，是世界水利工程史上罕见的。如采用传 统的水下抛填土石围堰则难以保证施工安全。这一课 题曾列入国家“七五”科技攻关计划。美国、加拿大、 意大利专家也提出了有关建议方案。经过几十年研 究，最后选定双排混凝土防渗墙方案，二期土石围堰断 面图见文献［３］。由于混凝土防渗墙允许变形很小， 所以要求墙下游填料变形模量较大。因当地砂卵石料 很少，故选用当地的风化砂砾料（开挖弃料，粒径大于 ５ ｍｍ的含量为３０％～６０％），用７５ ｋＷ振冲器加密， 使其干容重满足１．６５ ｔ／ｍ （上部）及１．８ ｔ／ｍ （下部） 的要求。两排防渗墙中心距６ ｍ、水上部分采用土工 薄膜防渗。经专家鉴定，该专题研究成果总体上达到 国际先进水平。三峡二期土石围堰与２０世纪７Ｏ年代 修建的巴西伊泰普工程围堰相当。伊泰普围堰历时２ ａ完工，而三峡二期围堰施工只用了一个枯水期即告 建成。 （３）三峡工程三期碾压混凝土围堰。三峡三期围 堰挡水头１ １５ ｍ，拦蓄库容１４７亿ｍ ，按二级临时建筑 物设计。设计洪水按１０ ａ一遇考虑，保堰洪水按１００ ａ～遇考虑。从５０ ｍ高程至坝顶１４０ ｍ高程，要浇混 效避免了贯穿性裂缝。由于精心设计研究和施工，顺 利建成并经过了实践的考验。 ２低温混凝土生产技术 ２０世纪５Ｏ年代，我国有几座混凝土坝曾发生了 有害裂缝，如佛子岭、柘溪、丹江口等，前苏联５０年代 建设的布赫达尔明和克拉斯洛亚尔斯克坝也曾出现过 有害裂缝。丹江口工程初期混凝土发生裂缝后，水电 部指示，组织“丹江口温控防裂科研组”。经过半年调 研，提出了调研报告，认为这些裂缝与混凝土施工质 量、温度控制措施、气温骤降等有着密切关系，建议采 取预冷粗骨料和加冷水拌和等措施生产低温混凝土。 混凝土内通水冷却，降低水泥水化热产生的温升。大 坝采取薄层柱状块段问歇均匀上升等办法浇筑混凝 土，并对混凝土表面进行保温、保湿，以提高混凝土的 抗裂能力。 丹江口大坝混凝土生产工艺为：对混凝土粗骨料， 先用冷水浸泡降温，再加冷水拌和混凝土。粗骨料预 冷工艺是在大型预冷缸中用冷水（温度２．２～３．５℃） 浸泡８０～１００ ｍｉｎ，使粗骨料温度由２２～２７％降至３．０ ～５．４ｃｃ，再经脱水工序送至拌和楼顶部的储料仓，运 送途中温度有所回升，再加冷水拌和，混凝土拌和后温 度可控制在ｌ４℃以下。这套工艺效率低、成本高，且 出机温度只能降低至ｌ４℃，不能满足葛洲坝和三峡工 的需要。为此，葛洲坝和三峡工程都需进一步科技攻 关，采用更先进和更经济的工艺，并使混凝土拌和后温 度降至７℃，且效率更高、成本更低。 ２．１ 葛洲坝低温混凝土生产工艺 葛洲坝混凝土浇筑特点是板、框架结构多，平面尺 寸大而厚度较小，混凝土凝固后的降温幅度比丹江口 更大，所以混凝土拌和后温度必须降至７ｃｃ才行。可 行的办法是参照美国德沃夏克７℃混凝土的生产工 艺，即采用“水冷＋风冷＋加冰拌和”的生产方式。当 时，外购是不现实的，只有自行设计。长江委的设计人 员通过研究，设计出了具有世界先进水平的低温混凝 土生产系统。 第４期 司兆乐：葛洲坝和三峡工程施工中的技术创新 ７５ （１）水冷系统。首先改进冷水浸泡工艺，采取更 先进的皮带输送淋冷水工艺。即修建专门的隔热廊 道，其中布置两条宽１．４ ｍ、长１５０ ｍ的皮带，皮带在 廊道内缓慢运行，在骨料上喷淋３～４℃的冷水。按７ 月份的平均温度设计，所使用的４种骨料由初温２８．４ ｃＩ＝分别降至６℃（大石）、７℃（中石）、８℃（小石）和 １３℃（粉末石）。冷水的制冷循环系统装机容量为 ４ ６５２ ｋＷ，制冷量４００万ｋｃａｌ／ｈ，制冷水的螺旋管蒸发 器面积为２ ５６０ ｍ 。为节省冷冻容量，对废水加药沉 调幅大、冷量利用率高、占地面积少、施工期短、便于安 装拆除、运行操作简便，以及节省设备和土建费用等优 点。并决定在三峡二期工程中推广使用。 三峡工程二期５个混凝土系统全部采用二次风冷 加片冰拌和工艺。夏季７℃混凝土生产能力达１ ７２０ ｍ ／ｈ，制冷系统用电负荷７７ ４０９ ｋＷ。２０００年和２００１ 年的夏季共生产低温混凝土５００多万立方米，合格率 ８７％（要求８５％），２００４年三期工程温控合格率更提 高到９７．６％。三峡的二次风冷工艺与伊泰普相比可 淀过滤后重复使用。为避免水冷后的骨料在风冷时结 冰，对水冷后的骨料用振动筛脱水。 （２）风冷系统。其工艺为：利用拌和楼顶部的储 料仓通冷风，冷却后直接进入拌和机，紧靠拌和楼另建 制冷楼。常用的ＫＬ型空气冷却器体积大、重量大，为 此专门研制了ＧＫＬ型高效空气冷却器，其传热系统比 ＫＬ型大１倍，在同样生产能力时，其面积只有后者的 一半。这使制冷楼的体积和荷载大为降低。普通的离 心式鼓风机，其转速低、体积大、重量大。设计者选用 高效的轴流式鼓风机，转速高、体积小、重量轻，使冷耗 大为降低，安装也很容易。 （３）制冰工艺。混凝土生产用冰代替水拌和，可 以利用由冰化成水所释放的冷量。如果用常规办法先 制冰砖，再破碎，不仅损耗大，且拌和时间仅３ ｍｉｎ，有 的冰块尚未融化掺在混凝土中，会影响混凝土的质量。 设计人员从国外杂志上了解到“片冰机”原理，经过科 研攻关，研制成功国产“片冰机”，投入实际运用，效果 良好。 经过上述工艺生产出的混凝土达到了温度降至 ７℃（按７月份气温）的要求。 ２．２三峡工程混凝土生产工艺 三峡工程位于峡谷区，施工场地狭窄，且其低温混 凝土生产规模比葛洲坝大得多，所以不能套用葛洲坝 的工艺，必须进一步优化升级。如果用两次风冷，取消 水冷工序，占地面积就可大为缩小。经初步研究，设想 第一次风冷用０￣Ｃ以上冷风将粗骨料冷至１０℃的时 间比水冷所需时问要短很多，还可使骨料含水量降至 １％以下。第二次风冷再用一８℃冷风将粗骨料降至 ０℃，又不致结冰。再加片冰拌和，可使混凝土温度降 至７℃以下甚至更低。 为验证上述设想，先在一期混凝土生产系统中做 中间试验。经过１ ａ连续３次生产性试验，混凝土出 机口温度为３．７～７．３ｃＣ。参加专家评审会的专家们 一致认为：二次风冷粗骨料工艺设计是成功的，运行是 很好的，设备选型基本上是合理的。二次风冷新工艺 与以往的先水冷后风冷工艺相比，具有工艺简单、温度 减少制冷容量１／４，占地面积只有伊泰普的１／６，运行 成本低３０％，节省投资近１亿元。 ３三峡船闸高边坡锚固技术 三峡双线五级船闸长１ ６００ ｍ，是在左岸山体中挖 出来的深槽中建闸，最大挖深１７０ ｍ。２０世纪８Ｏ年代 以前设计方案是在深槽下部闸室部分挖成直立坡，深 ５０ ｍ，然后建混凝土重力墙来抵挡边坡岩体压力，需混 凝土４００万ｍ 。但施工期边坡稳定问题尚未解决。 在初步设计中采用锚索、锚杆支护，在岩体中采用排水 减少渗水压力来加固稳定边坡的新技术，并在国家 “七五”科技攻关（三峡工程技术）项目中加列了船闸 高边坡技术专题，共分６个子题：①高边坡地质研究； ②地应力研究（包括初始地应力场观测及开挖卸载后 地应力场变化分析）；③稳定及应力应变分析；④锚 固设计；⑤防水排水系统研究；⑥开挖锚固排水施工 程序和施工技术。长江委的设计、勘测和科研单位的 相关专业参加了这项科技研究。 边坡轮廓设计为：闸顶以上开挖边坡控制坡比为 微风化和新鲜岩体１：０．３，弱风化带１：０．５，强风化带 １：１，全风化带１：１～１：１．５。在坡顶外缘设周边沟，坡 面喷混凝土并凿排水孔，山体内设排水洞和排水孔连 通。闸室直立墙部分用薄混凝土板衬砌以便于锚固。 锚固设计方案是：在中隔墩上半部加两排３００吨 级预应力锚索，保证直立坡稳定并限制其流变；两侧直 立墙部分也加两排３００吨级预应力锚索对穿，长３５～ ４５ １ＴＩ，其中一个锚头设在排水洞内；另加一些端头预应 力锚索，其中１００吨级长２５～３０ ｍ，３００吨级长３５～４５ ｍ。坡面普遍布置非预应力锚杆，其中系统布置的锚 杆长５～８ ｍ，随机布置的锚杆则视岩体稳定状况而 定，两者均为全粘接砂浆锚杆。 施工设计所采取的施工程序为：先作坡顶地表排 水系统及地下排水系统（排水洞及排水孔），以减少渗 水压力，并可利用排水洞开挖作地质测绘了解地质情 况，观测边坡位移，用以验证或调整锚杆数量。锚固自 上而下，边挖边锚，以保证施工期边坡稳定。开挖中采 ７６ 人 民 长 江 ２０１０生 用控制爆破技术（如预裂、光面、缓冲爆破、多段微差 爆破技术等），以保护边坡岩体完整，并且要求预先作 爆破试验以选定各项爆破参数，三峡船闸高边坡锚固 方案布置参见文献［４］。由于施工设计科学、细致，并 按动态设计原则及时跟踪调整施工方案，因此整个施 工进展顺利，也很安全。三峡船闸于１９９４年开挖， １９９８年开始浇筑混凝土，２００３年实现了正式通航。正 线也相应减小，对孔底的破坏影响也可大为减少。２Ｏ 世纪７０年代初我国已有５段毫秒微差雷管，对底部破 坏深度大为降低。反之，如果一响药量２００ ｋｇ，一个梯 段可置炸药１ ０００ ｋｇ，其破坏深度比老方法５００ ｋｇ炸 药还小。该方法使梯段爆破技术前进了一大步，它既 可加大每梯段装药量，又不致增加破坏深度。实际工 程应用表明，这加快了开挖进度，又保证了地基质量。 是由于采用了这种先进的锚固技术，相对于采用重力 挡墙方案，节约挖石方近１ ０００万ＩＴＩ ，混凝土２００万 ｍ ，节省工程投资数亿元，而且保证了施工期安全。 ４先进的爆破技术 ２０世纪７０年代以前，我国水利水电工程建设采 用的爆破技术和器材较为落后。１９７１年葛洲坝工程 坝基开挖时因采用了大直径炮孑Ｌ和大药量爆破，使坝 基下软弱夹层错动受损，最终挖掉，因而增加了开挖 量，延长了施工时间。为此，在停工修改设计期间，长 江委施工设计处和爆破研究所开始在现场开展试验， 研究先进的爆破技术。其目的是探索既能快速开挖缩 短工期，又能保护地基不受损坏的爆破技术。试验研 究的项目包括：①利用微差爆破技术降低保护层厚 度；②预裂爆破；③保护层快速开挖技术。 第①和第②项在葛洲坝工程试验成功并得到大量 应用。第③项虽在葛洲坝试验未取得全面成功，但在 以后的其他工程中获得了成功。三峡工程施工时，大 量应用水平预裂和光面爆破法快速开挖保护层，施工 单位还在此基础上加以改进，采用水平预裂辅以小梯 段爆破方法，在二期大坝开挖时大量应用，效果也很 好。这些成果均已在水利水电系统推广，并为制定和 修改水利水电工程爆破技术规范提供了科学依据。 ４．１微差爆破技术 ２０世纪７０年代以前，我国水利水电系统岩石地 基开挖是用梯段爆破。钻孔深８～１０ ｍ，孔径８０—１００ ｌｒｌｌＴｌ，一次起爆几排孔，药量５００ ｋｇ（地基岩石较软弱或 邻近建筑物时减为３００ ｋｇ），预留保护层３ ｍ左右；然 后将３ ｍ保护层分４～５层开挖，每层用手风钻（直径 ３０—５０ ｍｍ）钻浅孑Ｌ放火炮，逐次爆炸；最后一层（约 ３０～５０ ｅｍ）用风镐或人工清理爆破裂隙，进度很慢。 上述５００ ｋｇ药量和３ ｍ保护层厚度为经验数据， 并未准确地反映一次起爆药量和保护层厚度的关系。 实际上，梯段爆破时，钻孔底部破坏深度（即保护层厚 度）与首次起爆药量有关，也与最小抵抗线宽度有关。 一次多排孔起爆；其内部几排孔抵抗线尺寸较大，而外 部一排抵抗线尺寸小，容易损伤基岩面。如果一个梯 段几排钻孔，一排一排地起爆，则每响药量减少，抵抗 ４．２预裂爆破技术 边坡开挖用爆破方法预留保护层比平地困难得 多。因为有的掌子面高达８～１０ ｍ，钻孑Ｌ较平地困难。 ２０世纪７０年代初，国内外已有预裂爆破开挖边坡的 报道。长江委施工处和长科院爆破研究所的科研人员 在葛洲坝现场作了试验后，得出适合葛洲坝岩体的爆 破参数，然后大量推广应用。预裂爆破效果很好，炸后 沿预裂孔中线炸出一条很整齐的缝面，都在钻孔中线 断开，保留岩体损伤较小，所以清理工作量很小。随后 对要挖除的岩体可以用大药量快速爆破开挖，而不会 破坏保留岩体。该项爆破技术在三峡工程得到大量的 推广应用，取得了很好的效益。 ４．３保护层快速开挖技术 水利水电工程开挖施工传统作法的缺点是，工期 长、机械化程度低、劳力消耗多。从葛洲坝工程开始， 长江委设计科研人员就探索保护层快速开挖的先进技 术。后来又在万安、东江工程试验，用浅孔，小药量梯 段爆破的方法取得了成功，然后在三峡工程得到了推 广应用。在三峡船闸升船机和坝基开挖中，用水平预 裂孔或水平光面爆破方式开挖保护层，爆后建基面平 整，起伏差小于１５ ｅｍ，半孔率达９８％以上。三峡二期 大坝保护层开挖量２６万ｒｎ ，施工单位采用水平预裂 爆破辅以浅孔梯段法开挖保护层也取得成功。 ５结语 几十年来，长江委人为了治江工程，围绕治江工 程，不断追求和探索施工技术的改进和创新，取得了一 个又一个突破和创新，推动了我国水利工程施工技术 的发展，为国家创造了巨大的效益。 参考文献： ［１］ 郑守仁，王世华，夏仲平，等．导流截流及围堰工程（上册）［Ｍ］． 北京：中国水利水电出版社，２００４． ［２］ 郑守仁，王世华，夏仲平，等．导流截流及围堰工程（下册）［Ｍ］． 北京：中国水利水电出版社，２００４． ［３］ 长江水利委员会编三峡工程施工研究［Ｍ］．武汉：湖北科学技术 出版社．１９９７． ［４］钮新强，宋维邦．船闸与升船机设计［Ｍ］．北京：中国水利水电出 版社．２００７． （编辑：喻伟）
