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三峽工程大壩混凝土快速施工新技術(shù)論文
摘 要：三峽工程自1993年開工至今，已經(jīng)歷了十個(gè)年頭。工程建設(shè)進(jìn)展順利，工程進(jìn)度符合總進(jìn)度計(jì)劃要求，工程質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，工程投資控制在概算范圍之內(nèi)，并在一些技術(shù)問題上取得了重大突破，創(chuàng)造了世界水電建設(shè)史上一批新的記錄，1999年～2001年混凝土澆筑連續(xù)三年三破世界記錄，本文對(duì)三峽工程大壩混凝土快速施工重大科技成就進(jìn)行介紹。
關(guān)鍵詞：三峽工程；混凝土；快速施工
1、三峽工程大壩混凝土施工特點(diǎn)
三峽水利樞紐是開發(fā)和治理長(zhǎng)江的關(guān)鍵性骨干工程。是中國(guó)、也是世界最大的水利樞紐工程。三峽工程具有防洪、發(fā)電、航運(yùn)等巨大的綜合效益，建成后對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將產(chǎn)生巨大的影響。樞紐主要建筑物由大壩、水電站和通航建筑物等三大部分組成。攔河大壩為混凝土重力壩，最大壩高181m。水電站采用壩后式廠房，總裝機(jī)容量1820萬kW。
根據(jù)三峽工程建設(shè)方案，三峽工程大壩混凝土施工主要有以下特點(diǎn)。
(1) 工程量巨大。三峽工程混凝土工程總量為2 800萬m3，是長(zhǎng)江葛洲壩工程的2.5倍 ，為世界上已建最大的巴西伊泰普工程的2倍。第二階段工程1 860萬m3混凝土中，廠壩工程1200萬m3。
(2) 高峰強(qiáng)度高，高峰期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。首先，樞紐工程年澆筑高峰強(qiáng)度特高，最高達(dá)548萬m3，最大月強(qiáng)度55.35萬m3，其中第二階段廠壩工程年最高強(qiáng)度達(dá)400萬m3，最高月強(qiáng)度達(dá)45萬m3，強(qiáng)度在40萬m3左右的月份將持續(xù)9～10個(gè)月。金屬結(jié)構(gòu)安裝以及其它項(xiàng)目的施工強(qiáng)度高，大壩和廠房各類閘門、埋件及鋼管等共約14.8萬t，年高峰強(qiáng)度約5萬t，而且安裝與混凝土施工同步進(jìn)行，相互干擾很大。其它工序如開挖、清基交面、固接灌漿、接縫灌漿等無論總量，或是施工強(qiáng)度也都是國(guó)內(nèi)外水電建設(shè)史上罕見的。其次，夏季澆筑基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土強(qiáng)度高。工程的特點(diǎn)，決定了必須要在夏季大量澆筑約束區(qū)混凝土，這既是一個(gè)施工組織難題，也是重大的技術(shù)和質(zhì)量控制難題。第三，初期混凝土施工強(qiáng)度高。大壩下部倉面面積大，從滿足大壩均勻、連續(xù)上升，間歇期盡可能短的角度，必須要做到高強(qiáng)度。而初期則由于主要澆筑設(shè)備形成需要時(shí)間、操作熟練需要有個(gè)過程，使這一矛盾十分突出。
(3) 施工干擾大、施工技術(shù)要求高、難度大。施工干擾大，一是工程施工過程中，各種工序交叉或平行作業(yè)，相互之間干擾很大；二是由于工程巨大，必須分幾個(gè)標(biāo)段施工，各承包商之間在界面交接、設(shè)備使用、進(jìn)度協(xié)調(diào)等方面必然存在大量分歧，干擾很大。
(4) 施工技術(shù)要求高、難度大。長(zhǎng)江洪水峰高、量大、水深；施工期通航要求高，第二階段工程施工期間，導(dǎo)流明渠要通航，使左、右岸分割不能支援，這些都給施工安排帶來困難。
2、大壩混凝土快速施工帶來的技術(shù)難題
(1) 在當(dāng)時(shí)情況下，國(guó)內(nèi)已有的澆筑手段如大型門塔機(jī)、纜式起重機(jī)等，均難以滿足施工強(qiáng)度要求；如果增加數(shù)量，按國(guó)內(nèi)類似水平推算，需120余臺(tái)，施工場(chǎng)地又布置不下。同時(shí)，與傳統(tǒng)澆筑手段相應(yīng)的傳統(tǒng)施工工藝也難以滿足施工強(qiáng)度和質(zhì)量要求。加之三峽大壩結(jié)構(gòu)復(fù)雜、混凝土的標(biāo)號(hào)、級(jí)配種類繁多，給混凝土快速施工更增加了復(fù)雜性和難度。
(2) 為滿足三峽混凝土強(qiáng)度需要，必須設(shè)計(jì)和建設(shè)當(dāng)今國(guó)內(nèi)外最大規(guī)模的人工砂石料和混凝土、制冷生產(chǎn)系統(tǒng)以及與之相配套設(shè)施及管理。
(3)三峽工程是千年大計(jì)、國(guó)運(yùn)所系，必須從原材料及混凝土的各環(huán)節(jié)高度重視三峽工程混凝土的質(zhì)量和耐久性，要求高性能的混凝土。
(4)第二階段混凝土澆筑高峰持續(xù)三年，而本地區(qū)夏季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不利混凝土澆筑，溫控防裂問題異常突出，為確保夏季混凝土的照常施工，特別是基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)部位的混凝土。以往各工程所采取的單項(xiàng)或多項(xiàng)溫控措施聯(lián)用都已經(jīng)不能滿足施工要求，必須采取全過程、全方位、高標(biāo)準(zhǔn)大容量的綜合溫控措施，盡可能減少一般性表面裂縫，避免產(chǎn)生危害性的基本貫穿 性裂縫。
(5) 傳統(tǒng)的混凝土澆筑倉位安排采取人工調(diào)度方法，大多靠經(jīng)驗(yàn)主觀判斷，隨意性較大，不能滿足大規(guī)模高強(qiáng)度施工需求。因此，必須采取科學(xué)排倉方法和現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)，保證混凝土連續(xù)、高效、均衡地施工。上述幾方面的問題，正是三峽大壩混凝土快速施工必須攻克的關(guān)鍵難題。十分顯然，如果這些難題不能在三峽工程施工中按期攻克，勢(shì)必嚴(yán)重拖延工程的建設(shè)工期，使國(guó)家蒙受巨大的政治影響和經(jīng)濟(jì)損失。為此，我們抓住混凝土快速施工關(guān)鍵技術(shù)研究這一課題，進(jìn)行立項(xiàng)并在工程施工前期和施工過程中開展系統(tǒng)科技攻關(guān)。
3、三峽大壩混凝土施工的關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新
三峽工程混凝土總量達(dá)2800萬m3，其中第二階段工程為1860萬m3，工程量巨大，施工強(qiáng)度特高，高峰期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)金屬結(jié)構(gòu)安裝及其它項(xiàng)目的施工強(qiáng)度也非常高，施工期有通航要求，施工干擾大。三峽工程是國(guó)運(yùn)所系的民族工程，技術(shù)要求高，質(zhì)量要求嚴(yán)，因而在施工技術(shù)上必須有重大突破和創(chuàng)新。三峽工程大壩混凝土快速施工新技術(shù)研究和實(shí)踐的主要技術(shù)突破和創(chuàng)新點(diǎn)如下。
3.1 創(chuàng)造了水電施工混凝土澆筑強(qiáng)度的世界記錄
經(jīng)過充分反復(fù)論證，選定以塔帶機(jī)為主、輔以大型門塔機(jī)和纜機(jī)的綜合施工方案。從傳統(tǒng)常規(guī)的吊罐澆筑系統(tǒng)升華為混凝土連續(xù)澆筑的系統(tǒng)，由各混凝土拌和樓通過皮帶機(jī)系統(tǒng)輸送到塔帶機(jī)直接入倉澆筑，澆筑速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)方式。1999年～2001年是三峽第二階段工程混凝土澆筑持續(xù)高峰年，年混凝土澆筑強(qiáng)度均在400萬m3以上，2000年最高混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)548萬m3，月最高混凝土澆筑強(qiáng)度55.35萬m3，日最高混凝土澆筑強(qiáng)度2.2萬m3，連續(xù)三年混凝土澆筑總量高達(dá)100萬m3以上，2000年最高混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)548萬m3，月最高混凝土澆筑強(qiáng)度55.35萬m3，日最高混凝土澆筑強(qiáng)度2.2萬m3，連續(xù)三年混凝土澆筑總量高達(dá)1409萬m3。遠(yuǎn)超過了由古比雪夫水電站創(chuàng)造的年澆筑313萬m3、月澆筑38.9萬m3和日澆筑1.9萬m3的世界最高水平，創(chuàng)造了新的世界記錄。
與混凝土快速施工相配套的還有砂石料特高強(qiáng)度生產(chǎn)及供應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)砂石料的特高強(qiáng)度生產(chǎn)和供應(yīng)，采用了國(guó)際先進(jìn)的生產(chǎn)加工成套設(shè)備，充分利用基坑開挖石碴料等有效措施，首創(chuàng)了巴馬克9000與棒磨機(jī)聯(lián)合制砂新工藝，有效地保證了混凝土施工需要。
3.2 創(chuàng)立了一整套混凝土快速施工工藝和質(zhì)量保證體系
塔帶機(jī)可實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)工廠化和混凝土水平垂直運(yùn)輸?shù)囊惑w化，具有連續(xù)澆筑、生產(chǎn)率高的特點(diǎn)。三峽工程大壩共布置6臺(tái)塔帶機(jī)，每臺(tái)理論設(shè)計(jì)生產(chǎn)率可達(dá)420m3/h，這是在世界水電建設(shè)史上前所未有的。為了與選定的特高強(qiáng)度澆筑方案相配套，確保混凝土澆筑進(jìn)度和質(zhì)量，建立了一整套新的施工工藝和現(xiàn)代施工管理體系，包括建立健全質(zhì)量保證體系，全面推行倉面工藝設(shè)計(jì)，制定一整套嚴(yán)密的澆筑施工工藝，配備與入倉強(qiáng)度相匹配的倉面資源，形成了具有三峽工程特色的混凝土快速施工工法，創(chuàng)造了塔帶機(jī)澆筑四級(jí)配和一個(gè)倉號(hào)多品種混凝土的首例。
混凝土生產(chǎn)輸送澆筑計(jì)算機(jī)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，是在大型水利水電工程施工中融入現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)的一次創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了混凝土施工全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化調(diào)度，開創(chuàng)了大型水電工程項(xiàng)目立足于自主技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工計(jì)算機(jī)綜合監(jiān)控。混凝土澆筑施工計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)針對(duì)混凝土澆筑的復(fù)雜狀況，對(duì)施工方案和施工計(jì)劃進(jìn)行更科學(xué)的選擇和安排，突破了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)決策模式，有助于大幅度提高混凝土施工效率。
3.3 首創(chuàng)二次風(fēng)冷骨料新技術(shù)
三峽工程采用二次風(fēng)冷骨料技術(shù)為國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，它解決了混凝土制冷系統(tǒng)規(guī)模大，施工場(chǎng)地不足，系統(tǒng)難以布置的困難，節(jié)省了大量施工用地及工程投資。該技術(shù)高效可靠，為三峽工程快速優(yōu)質(zhì)施工提供了重要保證，為混凝土預(yù)冷工程提供了一項(xiàng)先進(jìn)可靠的新技術(shù)。混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)采用了二次風(fēng)冷技術(shù)，5個(gè)系統(tǒng)9座拌和樓，夏季月生產(chǎn)低溫混凝土可達(dá)45萬m3，其配置的制冷容量大大低于原有的制冷方法。經(jīng)過1999年～2001年3個(gè)夏季高峰的運(yùn)行，實(shí)測(cè)混凝土出機(jī)口平均溫度為6.85℃，小于7℃合格率均在80%以上，確保了混凝土的生產(chǎn)質(zhì)量。
3.4 混凝土原材料及配合比優(yōu)化達(dá)到一流水平
混凝土原材料采用具有微膨脹性能的中熱525#硅酸鹽水泥；選用品質(zhì)優(yōu)良的高效減水劑；在混凝土中將Ⅰ級(jí)粉煤灰作為功能材料摻用；采用縮小水膠比加大粉煤灰摻量的技術(shù)路線；限制原材料的堿含量和混凝土總堿量，滿足了三峽混凝土耐久性的特殊要求。混凝土配合比先進(jìn)。用花崗巖人工骨料的大壩四級(jí)配混凝土在塔帶機(jī)為主的運(yùn)輸澆筑方式情況下，其用水量?jī)H為90kg/m3左右，并能滿足高性能大壩混凝土的要求。
3.5 首次全面實(shí)施全過程綜合溫控技術(shù)
三峽工程大壩柱狀塊尺寸大，基礎(chǔ)溫差標(biāo)準(zhǔn)高，溫控措施要求嚴(yán)格。為此，在廣泛分析國(guó)內(nèi)外工程已采取單項(xiàng)或多項(xiàng)溫控措施現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，首次實(shí)施全過程、全方位、高標(biāo)準(zhǔn)、大容量的綜合溫控技術(shù)，以確保混凝土施工質(zhì)量。尤其是高溫季節(jié)塔帶機(jī)快速高強(qiáng)度澆筑壩體約束區(qū)混凝土，在國(guó)內(nèi)外為首次，沒有可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)計(jì)算分析方法確定混凝土運(yùn)輸過程中溫度回升率。對(duì)此，建立新的計(jì)算模型采用差分法求解，解決了混凝土溫度回升計(jì)算的難題。三峽工程各建筑物孔洞多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，混凝土溫控防裂難度大，更增加了研究的難度。壩區(qū)氣溫驟降頻繁，混凝土表面防裂難度大。所采用的大柱狀塊溫差標(biāo)準(zhǔn)及綜合溫控防裂措施的規(guī)模和難度，均超過國(guó)內(nèi)外其它己建和在建工程的水平。
通過實(shí)施全過程綜合溫控措施，減少了裂縫的產(chǎn)生。三峽第二階段工程3年連續(xù)高強(qiáng)度施工共完成混凝土澆筑1400余萬m3,未發(fā)現(xiàn)危害性貫穿裂縫，大壩工程表面裂縫的最大出現(xiàn)機(jī)率僅為0.16條/萬m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于《三峽工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（TGPS）的0.5條/萬m3的 控制標(biāo)準(zhǔn)。
4、與國(guó)內(nèi)外水平的綜合比較
國(guó)外在20世紀(jì)前70年，水電開發(fā)迅猛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，200m以上的高混凝土壩就達(dá)20多座，進(jìn)人20世紀(jì)80年代后，國(guó)外在建大型水電站不多，規(guī)模也較小。在建的大型工程主要分布于 第三世界委內(nèi)瑞拉、印度、阿根廷等。在傳統(tǒng)的混凝土重力壩施工方面，除繼續(xù)采用柱狀分塊、棧橋門機(jī)或纜機(jī)運(yùn)輸，冷卻水管散熱和縱縫灌漿的一整套施工工藝外，通倉薄層澆筑的方法也得到發(fā)展，在日本大河內(nèi)施工中采用的先通倉澆筑，再用切縫機(jī)切出橫縫也屬此類方法。在混凝土澆筑強(qiáng)度方面，國(guó)外高混凝土壩最高月澆筑強(qiáng)度水平較高的有：美國(guó)大古力壩37.8萬m3，巴西、巴拉圭合建的伊泰普大壩34.8萬m3，古比雪夫壩38.9萬m3。年澆筑強(qiáng)度較高的前幾位有伊泰普壩304萬m3，大古力壩260萬m3，德沃歇克壩221萬m3，古比雪夫壩曾達(dá)到313萬m3。我國(guó)從20世紀(jì)50年代末60年代初開工興建一批100m級(jí)的高混凝土壩，隨后，葛洲壩、烏江渡、潘家口、龍羊峽、東江、隔河巖、水口、二灘等一批大型工程相繼興建，在混凝土施工技術(shù)方面，20世紀(jì)50～60年代許多工作都存在“三邊”現(xiàn)象，多采用半機(jī)械化工作，施工不能成龍配套，效率較低。進(jìn)入70年代后，積極吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，一批新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝、新材料廣泛在工程上使用，施工生產(chǎn)水平逐步提高。
在混凝土澆筑強(qiáng)度方面，最高月澆筑強(qiáng)度水平較高的有：葛洲壩24萬m3，二灘24.5萬m3。最高年澆筑強(qiáng)度水平較高的有三門峽96萬m3，葛洲壩203萬m3，二灘212萬m3。
三峽工程樞紐設(shè)計(jì)混凝土總量為2800萬m3，分為3個(gè)階段施工，其中，第二階段大壩混凝土工程是控制第二階段的主要項(xiàng)目，1998年進(jìn)入第二階段工程混凝土施工后，其混凝土年強(qiáng)度都在400萬m3以上，最高年強(qiáng)度達(dá)548萬m3。
綜上所述，在大壩混凝土快速施工的強(qiáng)度水平方面，國(guó)外混凝土澆筑最
最高年、月、日記錄為古比雪夫大壩所創(chuàng)造，分別為313萬m3、38.9萬m3和1.9萬m3。國(guó)內(nèi)混凝土澆筑的最高年、月強(qiáng)度為二灘工程所創(chuàng)造，分別為212萬m3、24.5萬m3，最高日強(qiáng)度為葛洲壩工程的1.69萬m3。而三峽工程大壩混凝土最高年、月、日澆筑強(qiáng)度分別達(dá)548萬m3、55.35萬m3、2.2萬m3，1999年～2001年3年的年強(qiáng)度在400萬m3以上，月均澆筑強(qiáng)度達(dá)39萬m3，連續(xù)三年破世界紀(jì)錄。在大壩混凝土澆筑方案和配套工藝方面，國(guó)外如墨西哥惠特斯水電工程大壩已采用了3臺(tái)以內(nèi)小規(guī)模的塔帶機(jī)澆筑方案及其倉面配套工藝。國(guó)內(nèi)沿用傳統(tǒng)的大型門塔機(jī)或纜機(jī)等澆筑方案及其傳統(tǒng)的以人工為主的倉面工藝，澆筑施工中，所配備的機(jī)械設(shè)備和人員都比較多。而三峽工程大壩采用6臺(tái)大規(guī)模塔（頂）帶機(jī)，并獨(dú)創(chuàng)了一整套快速施工工藝，同時(shí)，研究開發(fā)并實(shí)施混凝土生產(chǎn)輸送澆筑綜合監(jiān)控系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)，使工程機(jī)械化、自動(dòng)化程度和綜合施工管理水平大幅度提高。在混凝土拌和制冷生產(chǎn)工藝方面，國(guó)內(nèi)外實(shí)施7℃低溫混凝土工程的代表有伊泰普和葛洲壩工程，但它們都只采用了水冷+風(fēng)冷+冰的工藝，不僅占地較大，而且造價(jià)較高。而三峽工程首創(chuàng)二次風(fēng)冷+冰新工藝，在有效地解決系統(tǒng)規(guī)模大，施工場(chǎng)地不足，系統(tǒng)難以布置的難題的同時(shí)，還節(jié)省了大量施工用地和工程投資。在混凝土原材料及配合比優(yōu)化方面，混凝土用水量多少直接反應(yīng)了混凝土配合比的設(shè)計(jì)水平和特性。國(guó)內(nèi)外161座大壩混凝土配合比參數(shù)表明，以花崗巖作骨料的大壩混凝土最低用水量為100kg/m3，而三峽工程經(jīng)過優(yōu)化后的混凝土用水量?jī)H90kg/m3左右，且混凝土各項(xiàng)性能均滿足大壩高性能混凝土的要求。在大壩混凝土溫度控制和防裂技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)外資料僅見有單項(xiàng)溫控措施或幾種溫控措施聯(lián)用的報(bào)道，更沒有塔帶機(jī)輸送混凝土溫控措施的報(bào)道。而三峽工程首次全面實(shí)施全過程、全方位、高標(biāo)準(zhǔn)、大容量的綜合溫控技術(shù)，使大壩混凝土未出現(xiàn)危害性貫穿裂縫，表面裂縫出現(xiàn)機(jī)率也少于國(guó)內(nèi)外其它工程，創(chuàng)造了世界最新水平。
5、結(jié)論
該項(xiàng)研究成果自1998年底三峽第二階段工程大壩混凝土開始澆筑以來，在施工中得到了全面應(yīng)用，并取得了巨大的綜合經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)成果有力地保證了三峽第二階段工程的順利實(shí)施，為確保2003年初期蓄水、船閘通航和首批機(jī)組發(fā)電起到了重要作用。并取得了約10億元的直接經(jīng)濟(jì)效益。該成果可在溪洛渡、向家壩、龍灘、小灣、水布埡等大型水電工程推廣應(yīng)用，將會(huì)取得更大的綜合效益。
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