复杂地质条件特高拱坝筑坝关键技术

饶宏玲

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072）

【摘要】锦屏一级水电站拱坝坝高305m，为目前国内外已建、在建的最高拱坝。坝区两岸谷坡陡峻，地形地质条件质条件极其复杂，断层发育，大坝建设存在高边坡稳定、复杂地基基础处理、拱坝抗裂设计、窄河谷泄洪消能、大坝温度控制等一系列技术难题。通过深入研究，提出并实施了一系列创新性的工程措施，解决了工程难题，为工程的安全施工及运行提供了保证。

【关键词】高陡边坡；深拉裂缝；断层；窄河谷

1 概述

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内，是雅砻江干流中、下游水电开发规划的控制性水库梯级电站，在雅砻江梯级滚动开发中具有承上启下的重要作用。电站装机容量3600MW，保证出力1086MW，多年平均年发电量166.2亿kW·h，年利用小时数4616h。拦河大坝为世界双曲拱坝第一高拱坝，坝高305m，水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，正常蓄水位以下库容77.6亿m3，调节库容49.1亿m3，属年调节水库。

枢纽主要建筑物由混凝土双曲拱坝，坝身4个表孔+5个深孔+2个放空底孔与坝后水垫塘，右岸1条有压接无压泄洪洞及右岸中部地下厂房等组成。拱坝坝顶宽为16m，拱冠梁处坝底厚为63m，厚高比0.207，坝体基本体形混凝土方量476万m3。

锦屏一级电站坝区两岸谷坡陡峻，相对高差千余米，为典型的深切V形谷。枢纽区出露地层为中上三叠统杂谷脑组（T2-3Z），构成三滩紧闭倒转向斜核部和南东翼（正常翼）地层，按岩性可归为三大工程岩组：绿片岩（T123Z），深埋于河床下部，地表未见出露；大理岩夹绿片岩（T223Z），由8小层组成，厚约600m，出露于河谷两岸，为坝基主要岩体，其中绿片岩多发育层间错动带；变质砂岩和板岩（T323Z），由6小层组成，厚约400m，分布于左岸坝肩中上部，属三滩向斜核部地层，岩体完整性相对较差。地层走向与河流流向基本一致，倾向左岸，倾角40°左右，属典型的纵向谷，右岸为顺向坡，左岸为反向坡（见图1）。

坝区地形地质条件质条件极其复杂，断层发育，规模较大的有f38-6、f42-9、f5、f8、f2、f13、f14、f18等，同时，坡体内发育有煌斑岩脉（X）。地应力区，坝址区左右岸实测地应力最高达35.7～40.4MPa，由于河谷下切，高地应力释放，两岸岩体卸荷强烈，卸荷作用不仅使坝区谷坡浅表岩体结构面松弛张开，而且使左岸浅表卸荷带底界以里一定深度范围内的岩体出现了不同规模的松弛拉裂现象（深部裂缝）。左岸大理岩段强卸荷带水平深度10～20m，弱卸荷带水平深度50～70m，深卸荷水平深度150～200m；砂板岩段强卸荷水平深度50～90m，弱卸荷水平深度达160余m，深卸荷水平深度200～330m。右岸强卸荷带水平深度5～10m，弱卸荷带水平深度20～40m，左岸下部大理岩与上部砂板岩岩性差异大。目前发现的卸荷裂缝最大张开宽度为25cm，延伸长度最大的为179m。枢纽区地质结构平面图见图2。

由于拱坝较高，工程规模大，加上复杂的地形地质条件，给大坝的建设带来了一系列难题，主要体现在高陡边坡开挖支护及高位危岩体处理、复杂地基基础处理、坝体抗裂、工程泄洪消能、大坝温度控制等方面。

2 高陡边坡开挖支护及高位危岩体处理

2.1 高陡边坡开挖支护

大坝左岸边坡总体开挖高度约530m（高程为2110～1580m），总开挖量约550万m3，是目前水电工程开挖高度最高、开挖规模最大、稳定条件最差的边坡工程之一。左岸坝肩边坡岩体中发育的断层有f5、f8、f38-6、f42-9等，同时，左岸坡体内发育有煌斑岩脉（X），及一系列深拉裂缝。这些结构面延伸长度大，具有一定宽度的破碎带和影响带，带内物质力学性质差，构成控制边坡变形和滑动破坏的边界。岩体内节理裂隙主要发育4组，其组合可在坡面形成不利块体。

左岸坝肩开挖边坡整体稳定性受左坝头变形拉裂岩体稳定性控制，变形拉裂岩体下游边界和底滑面由f42-9断层形成，f42-9断层空间延续性较好，断层带物质力学性质较差；变形拉裂岩体上游侧边界由SL44-1松弛拉裂带构成；后缘切割面为NEE向贯穿坡体分布的煌斑岩脉。由于f42-9断层被限制在f5断层以里，因此，由f42-9断层和SL44-1组成的变形拉裂岩体天然状态下不具备滑动临空面，保持稳定状态，大坝坝肩开挖将挖除f5断层外的阻滑岩体，导致变形拉裂体整体失稳。变形拉裂岩体方量约334万m3，剪出口最低高程约为1700m高程。锦屏一级电站水库正常蓄水位1880m，死水位1800m，变形拉裂岩体下部位于水库水位变幅区，运行期水库水位变化将对其稳定产生较大影响。由于变形拉裂岩体的规模较大，坝肩开挖后稳定条件较差，且位于大坝右坝肩建基面边坡及上游坡，其施工期及运行期的稳定，是锦屏一级工程建设成败的关键。

同时，左岸边坡除控制坡体整体稳定性变形拉裂体外，高程1885m以上边坡局部稳定性也较差，在卸荷松弛的基础上又叠加了倾倒拉裂和蠕滑拉裂等变形现象，且受岩性、岩体结构控制明显。鉴于左岸坝头边坡稳定情况的复杂性和重要性，且由于目前分析边坡稳定的各种计算方法均存在一定的局限，针对边坡的整体稳定问题，边坡的变形破裂问题，采用了多种计算分析方法，对大坝左岸边坡施工期、运行期的稳定进行了全面系统的分析。在采用三维刚体极限平衡Spencer法稳定分析的基础上，还采用了三维粘弹塑性有限单元法、有限差分法、离散元法、块体单元法、不连续变形分析法（DDA）等多种数值分析方法进行了综合分析，对边坡的加固措施进行了系统设计。根据边坡稳定分析情况，采取了有针对性的系统的边坡立体加固措施，主要有：预应力锚索、表层覆盖式框格梁、表层及深层截排水系统、系统砂浆锚杆、挂网喷混凝土、局部混凝土面板支护及控制性结构面的抗剪置换洞等多种措施，并在每一级马道布置锁口锚杆束以保证左岸边坡的稳定。

预应力锚索吨位1000kN、2000kN、3000kN级，长30～80m；抗剪洞顺f42-9走向布置在1883m、1860m及1834m三个高程，均采用9m×10m的断面。为增大抗剪洞抗滑作用，在抗剪洞上设十字形布置的键槽，键槽布置在抗剪洞的中部，键槽采用4m×5m的断面。抗剪洞及键槽周围设置一定深度的固结灌浆；布置表层及深层截排水系统：坡面喷、浇混凝土防护，并设置周边截水沟、开挖坡面排水沟、坡面排水孔、地下排水洞（排水洞内设排水孔）。

施工阶段对开挖爆破、支护时机、抗剪洞完工时间与开挖下卧高程的关系均提出了严格的技术要求。如要求爆破梯段高度一般不超过6m，同一区段内的开挖应平行下降，如不能平行下挖时，相邻区段高差不应超过6m。随机支护与开挖工作面的高差不应大于6m，永久支护中的预应力锚索及系统锚喷支护与开挖工作面的高差不应大于12m，并满足边坡稳定和限制卸荷松弛的要求等。同时，施工期对开挖支护方案根据现场开挖支护条件、边坡稳定监测数据进行边坡实时动态正分析及反馈分析，动态调整边坡开挖支护方案及时序，确保施工过程及运行期边坡的稳定。

实施上述一系列边坡稳定控制措施后，尽管锦屏一级左岸坝肩边坡高陡、稳定条件极差，但在建设各方的努力下，施工期及目前蓄水期边坡稳定状况良好，也为确保今后运行期的边坡稳定创造了有利条件。边坡采用的立体支护技术已获国家专利。

2.2 左岸雾化区边坡防护

大坝左岸下游水垫塘边坡发育有f5断层、f9断层、煌斑岩脉、SL13、SL18、SL24、SL29深部裂缝等结构面，这些结构面总体走向与边坡斜交或平行、中倾～陡倾坡外，空间连通性较好，对坡体稳定不利，是边坡整体滑移破坏的重要底滑面和后缘切割面。岸坡岩体中主要发育4组裂隙，其中第三组卸荷裂隙走向基本与边坡平行，陡倾坡外，倾角基本同边坡坡度，对坡体稳定不利，是边坡浅表层滑移破坏的重要后缘面。

此外，高程1920m以上砂板岩段，在Ⅵ、Ⅳ线山梁突出部位浅表部存在倾倒—弯曲—拉裂变形现象，该倾倒变形岩体处于泄洪雾化区，浅表部存在危岩体，在雨水和泄洪雾化水的长期作用下，表部岩块可能发生倾倒崩塌破坏。

根据基本地质条件及稳定分析，对左岸雾化区边坡采用了以下边坡防护加固方案。

（1）坡面截、防、排水系统布置。包括周边截水沟、坡面喷混凝土和贴坡混凝土、坡面排水沟及排水孔。坡面贴坡混凝土和喷混凝土的区域根据设计洪水条件下4个表孔和5个深孔同时泄洪时坝身泄洪雾化强度的预测值及拟定的锦屏一级水电站泄洪雾化区边坡防护标准确定。

（2）地下排水系统布置。在山体内距坡体表面约50m深度处顺河向布置4层排水洞。为方便施工，顺河向排水洞高程与拱坝抗力体排水洞高程相同，分别为1830m、1785m、1730m、1670m。每层排水洞上游侧接抗力体排水洞，下游侧最远至Ⅳ号山梁中部，长度分别约为183m、318m、373m、313m左右。排水洞内排水孔相连形成排水孔幕，排水孔幕和边坡坡面的喷混凝土、贴坡混凝土及坡面排水孔一起，构成一个封闭的边坡浅层岩体的防排水系统。

（3）锚杆加固布置。对整个雾化区Ⅳ—Ⅵ号山梁边坡浅表层采用锚杆系统加固。

（4）预应力锚索加固。根据边坡稳定分析情况，对左岸Ⅳ—Ⅵ号山梁边坡根据不同区域进行了预应力锚索分区加固，分别为抗力体锚索加固区，煌斑岩脉锚索加固区，f5断层锚索加固区，Ⅳ号山梁深拉裂缝锚索加固区等。锚索吨位200t级，长40m、50m、60m。

（5）Ⅵ、Ⅳ号山梁1920m高程以上倾倒变形岩体加固：加固措施主要为主动防护网加锚杆、预应力锚索。

（6）f2断层加固：采用锚索加固f2断层出露位置边坡浅表层地质条件相对较差部位岩体，同时，对边坡坡脚进行锚固，以改善边坡应力条件。

2.3 枢纽区高位危岩体治理

枢纽区两岸共发育有危岩体66区，其中左岸32区，右岸34区。左岸危岩体的分布具垂直分带性，危岩体主要分布在高程1960～2100m陡壁段、高程2100～2280m缓坡段、高程2280m以上的大理岩段。危岩体多以片区集中分布，其中板裂体、楔形体构成的危岩区，最大体积约21300m3，以孤立式岩堆出现的体积较小，最小仅8m3。右岸岩性单一，危岩体主要分布在缓坡后缘高程2100～2320m的陡壁，危岩体体积一般500～2000m3，最大的为猴子坡上方的右岸1区锥形体坡表碎裂危岩区，体积约12万m3。

根据危岩体自身地质稳定性，对危岩体的稳定性进行了划分，分别是稳定性差、稳定性较差和基本稳定。对于稳定性差和稳定较差的危岩体，采用较高的防护标准，对于基本稳定的危岩体，采用较低的标准。在此基础上，对于规模较大的危岩体，适当提高防护标准。同时，根据危岩体和对建筑物及人身安全的影响，把枢纽区危岩体危害性分为3级，分别是危害性严重、危害性较严重、危害性一般。在危岩体防护加固中，如危岩体失稳危害性严重，则在考虑危岩体自身稳定性和规模的基础上，提高危岩体的防护标准。如危岩体失稳危害性一般，适当降低危岩体的防护标准。危岩体的治理主要采取总体治理与个体治理相结合的方式，左岸总体治理的防护措施为被动防护网系统布置。在左岸高程2110m附近设置一道被动防护网，高4m，上游侧延伸到上游围堰以上，下游延伸至下游围堰以下，全长约1500m。高程2100m以上地形相对较缓，植被较好，大部分方量较小的危石在地形相对较缓区域可以得到大量消能，未能完全消能的危石可被动防护网拦截。通过高程2110m被动防护网的设置，大部分高程2100m以上坡面孤石、体积较小的危岩体失稳危石可被拦截。在左岸水垫塘雾化区边坡工程防护区范围以外高程1885m附近，设置一道被动防护网，高4m，上游侧延伸至拱肩槽下游侧开挖边坡，下游延伸至下游围堰以下，全长约600m。这道防护网的主要拦截对象是高程2110m以下的危石及施工期可能的弃渣、弃石、飞石。考虑到Ⅴ号山梁和Ⅵ号山梁之间的冲沟，及Ⅵ号山梁和Ⅳ号山梁和之间的冲沟是危石通过的集中通道，在上述两道防护网之间，在这两个冲沟部位沿高程每隔50m设置一道被动防护网，高4m，拦截高程1885m以上可能产生的危石。工程后期，830泥石流发生后，对冲沟两侧边坡还拟定了一定范围的喷锚支护方案，以稳定冲沟两侧可能形成的泥石流物源。右岸总体防护措施根据危岩体分布范围、工程建筑物的重要性，在不同部位设多道柔性被动防护网。各区危岩体具体防护工程措施有清理、开挖、喷混凝土、锚杆、预应力锚索、拦石墙、防护网、浆砌石及混凝土顶固、混凝土嵌补等。

3 复杂地质条件基础处理

坝址区左岸谷坡岩体卸荷强烈，卸荷水平深度达150～300m，造成两岸坝基地质条件严重不对称，且卸荷岩体十分破碎，岩体质量不能满足大坝建基要求，同时两岸断层发育，需进行基础处理。坝基地质缺陷主要分两大类：一类是左岸坝基及抗力体存在的受卸荷拉裂影响的Ⅲ2、Ⅳ级软弱岩体；另一类是坝基及抗力体中发育的长大断层结构面。

经勘探和开挖揭示，右岸坝基Ⅱ、Ⅲ1级岩体占89.8%；河床坝基全为Ⅱ、Ⅲ1级岩体；左岸坝基上部和下部岩体质量差异较大，建基面高程1780m以下以Ⅱ、Ⅲ1级岩体为主，其比例达87.9%；高程1780m以上以Ⅳ—Ⅴ级为主，占72.7%，无Ⅱ类岩体，Ⅲ1级仅占15.1%。其中Ⅲ2和Ⅳ—Ⅴ级岩体，对坝基变形稳定影响较大，不能直接用作建基岩体；经有效工程处理，Ⅲ2级岩体可作为局部建基面岩体；Ⅳ—Ⅴ级岩体必须进行专门处理。

左岸谷坡分布的f5、f8断层，埋藏深度较浅，岩体破碎，断层以外坡体岩体卸荷强烈，对大坝变形稳定不利，同时构成坝肩抗滑稳定的侧滑边界。煌斑岩脉（X）埋藏较深，风化强烈，产状与大坝拱推力大角度相交，对坝基变形稳定不利，同时也构成坝肩抗滑稳定的侧滑边界。近河床分布的f2、f18断层，出露位置较低（坝基高程1600～1680m），位于拱坝主要受力区，对大坝应力分布和渗流稳定不利，且f2构成坝肩块体失稳的潜在底滑面，对大坝抗滑稳定不利。右岸f13分布位置较高，f14断层位于拱坝中部持力区，岩性软弱，地下水活动迹象明显，透水性较强，上游延伸至库区与库水相通，下游延伸通过地下厂房区，影响大坝右岸坝肩应力分布、拱推力传递、渗流稳定及地下厂房围岩稳定，此外f13、f14断层还构成右岸抗滑稳定的侧滑面。同时，上述所有断层结构面与坝基接触部位，由于断层的出现，都会引起拱坝坝体在该部位应力状态恶化，坝体存在开裂风险。

根据上述工程区地质条件和地质缺陷对工程的影响分析，必须对坝基存在的地质缺陷采取有效的工程措施进行加固处理，使地基满足高拱坝坝基所需要的强度和刚度要求，并改善大坝和基础应力分布状态。从技术可行，结构安全的角度，制定提出坝基各部位地质缺陷的加固处理思路。同时，采用多种计算方法及地质力学模型试验，对各种可能的基础处理方案进行了全面系统分析，提出了最终的基础处理方案。

（1）坝肩开挖。右岸谷坡为大理岩，岩体相对完整，风化及卸荷深度属于正常，一般不超过50m，以里微新岩体多为可利用的Ⅱ类、Ⅲ1类岩体，因此右岸坝肩开挖范围以风化卸荷带为限。对右岸建基面出露的地质缺陷采用局部刻槽及混凝土置换处理。左岸谷坡1750m高程以上岩体强烈卸荷，岩体松弛深度大于200m，大多属于不能直接利用的Ⅲ2和Ⅳ类岩体，建基面无法置于可用岩体之上；1750～1730m高程间f5断层距大坝拱端较近，岩体单薄，不能满足拱坝建基要求。考虑到坝肩挖除过多会造成拱坝形态畸形、应力分布不均，左岸坝肩开挖以f5、f8断层为界，挖除f5、f8断层及其以外的谷坡岩体至高程1730m。

（2）左岸混凝土垫座布置。在左岸高程1730～1885m范围设置混凝土垫座，作为拱坝的人工基础。各高程垫座设置厚度及顺河向的长度根据拱坝体形以及拱坝推力扩散情况进行应力变形分析后确定。垫座基础宽度平均为61.2m，厚度平均为49.8m，混凝土方量为56.02万m3。

（3）垫座基础抗剪传力洞布置。由于垫座基础属于卸荷松弛的软弱岩体，考虑拱坝推力分布特点，在1829m、1785m和1730m高程垫座基础上分别设置1条、2条和2条共5条混凝土抗剪传力洞，洞径为9m×12m（宽×高），深入到煌斑岩脉（X）以里相对完整的岩体。

（4）左岸坝肩f5断层和煌斑岩脉（X）硐井网格置换。对于垫座基础以下的f5断层，在1730m、1670m两个高程，沿断层面走向分别设置混凝土置换平硐，置换平硐横断面高度均为10m，宽度根据断层破碎带厚度确定，一般为9m。在高程1730～1670m之间沿断层倾向设置4条混凝土置换斜井，斜井间距30～35m，宽度为15m。上游第一条斜井同时兼作f5断层带大坝帷幕防渗斜井，宽为10m。在1829m、1785m和1730m设置3层混凝土置换平硐对左岸煌斑岩脉（X）进行置换处理。洞径为9m×12m（宽×高）。在1829～1785m之间结合大坝防渗线设置1条置换斜井，在高程1785～1730m之间设置4条置换斜井，斜井间距为31m，宽为7m。

（5）左岸抗力体软弱岩体固结灌浆。左岸抗力体中上部岩体主要为强烈卸荷的Ⅲ2、Ⅳ级岩体，需进行固结灌浆处理，固结灌浆利用左岸各高程置换平洞、抗剪传力洞进行，灌浆完成后再进行洞室混凝土回填。根据软弱岩体分布情况，确定固结灌浆高程为1635～1885m，下部高程深入到f2断层及层间挤压错动带以下相对较好岩体。水平深度范围为煌斑岩脉（X）影响带Ⅳ2类岩体以里5～10m，顺河向范围通过有限元变形敏感性分析确定。为控制灌浆质量并减小灌浆对坝肩边坡稳定的影响，抗力体固结灌浆分为控制灌浆区和主灌浆区。控制灌浆区宽为7.5～10m，采用低压浓浆先行实施，形成对主灌浆区的封闭。

（6）左岸f2断层处理。f2断层出露于左岸坝基高程1670～1680m之间，属于坝基持力较大部位，且对拱坝坝基抗滑稳定、渗透稳定至关重要。在建基面出露部位采用L形开挖刻槽开挖并进行混凝土置换，坝基以下深埋部分一定深度采用水泥灌浆处理。此外，由于f2断层由多条层间挤压破碎带组成，总厚度分布在10m范围，性状差、出露位置低，对大坝渗透稳定影响较大，顺层间挤压带进行了钻孔高压冲洗及灌浆，并对近坝区及防渗帷幕区域采用水泥—化学复合灌浆进行补强处理。

（7）右岸f13、f14断层处理。f13在右岸建基面高程1870～1885m出露，出露高程较高，该部位拱坝荷载较小，因此对建基面出露断层采用明挖混凝土置换一定深度，并结合大坝帷幕防渗布置，在高程1885～1601m范围内，顺断层倾向设置混凝土防渗斜井，截断库水通道，斜井宽5m。f14断层出露在右岸建基面高程1740～1790m，处于拱坝坝基受载较大部位，对建基面出露部分采用明挖混凝土置换，置换深度根据应力分析确定。埋藏于坝基深部的f14断层，采用混凝土网格置换和加密固结灌浆加固处理，形成一定强度的传力结构，使拱推力能向山体深部传递，避免出现胡同效应及屏蔽效应。在高程1670m、1730m和1785m布置3层混凝土置换平硐，平硐尺寸为6.5m×10m（宽×高）。高程1670m和1730m之间设置3条、1730m和1785m之间设置2条共5条混凝土置换斜井，斜井宽5m。高程1601～1730m之间，结合大坝防渗帷幕进行防渗斜井布置，斜井宽5m。

（8）右岸f18断层、煌斑岩脉（X）处理。f18断层及煌斑岩脉（X）伴生出露于坝基右岸河床部位，出露部位采用L形开挖刻槽并进行混凝土置换，坝基以下一定深度范围采用水泥浆灌后再采用水泥—化学灌浆进行补强。

（9）抗力体锚索加固。为提高左右岸抗力体岩体的承载力、加强对抗力体岩体的横向锁固作用，综合两岸抗力体地质条件、拱坝受力、建筑物布置及施工条件等因素进行抗力体锚索加固。加固范围为拱坝（垫座）和基础的交界面以下游60～80m。锚索采用200t、300t，长为30～85m，右岸锚索布置尽量穿过f14断层。锚索方向为横河向垂直于拱坝中心线指向山里。

可研和招标设计阶段先后进行了3次拱坝—坝基整体地质力学模型试验，分别对坝基处理前后的坝体位移、整体安全系数和拱坝变形进行了测试。试验结果表明，坝基加固处理后较处理前正常荷载下拱冠最大顺河向位移由105.3mm减小为85mm，坝体起裂安全系数K1由1.5～2增加为2.5，极限超载系数K3由5～6提高到7.5，在同类工程中属于中高水平。同时，拱坝变形不对称情况得到较大改善。试验表明，坝基地质缺陷处理效果明显。

4 拱坝结构抗裂措施

由于锦屏一级水电站拱坝地形地质条件极其不对称，同时，发育多条断层、煌斑岩脉、深部裂缝、顺坡裂隙、层内的挤压带、绿片岩层面等地质缺陷，可能造成大坝局部应力集中，引起坝体开裂，降低大坝整体全性，拱坝运行期可能存在开裂风险。针对锦屏一级拱坝各种地质缺陷造成的薄弱环节，结合现场的施工条件，提出并实施了以下主要抗裂加固措施。

（1）根据坝体动、静应力分析，在高应力部位及坝身孔口部位提高坝体混凝土强度等级，采用高强混凝土C18040。

（2）根据拱坝三维非线性应力分析，拱冠梁底部，上游部位主拉应力方向沿左右岸水平横河向有分量，下游坝趾部位应力方向水平向左右岸拉伸。所以下游坝面底部存在产生竖直向裂缝的可能。地质力学实验也表明，超载试验到2.0～3.0倍荷载时，坝趾及右岸低高程拱端出现较大的第二主拉应力，造成垂直于建基面的坝体开裂，该部位为拱坝地质力学模型试验时的最先起裂部位。初步分析，该现象主要由于地形不对称（拱坝体形不对称）及地质不对称，以及不良地质构造（f18及煌斑岩脉X）造成，该部位为拱坝的薄弱部位。除对基础f18断层、煌斑岩脉（X）采取了前述建基面混凝土置换、深层水泥化学复合灌浆加固外，对拱坝坝趾下游河床处采取加大贴角的加固措施，增加河床底部拱坝梁断面的厚度，以增强该部位的坝体刚度。河床贴角加大从坝基高程为1580～1610m，总高度为50m，拱冠梁底部顺水流方向厚度为10m，贴脚与坝体整体浇筑，大贴脚混凝土方量为2.88万m3。

（3）拱坝右岸上部1830m高程在地形上有一个大的垭口，根据地质力学模型试验和三维非线性有限元分析，1830m高程坝体建基面附近上游出现了高拉应力区、下游出现高压应力区、高应力梯度区等一系列问题，极度恶化了该部位坝体及基础的受力条件，运行期坝体存在开裂风险，f13、f14断层及建基面上绿片岩等不利地质条件进一步恶化了该部位的受力条件，增大了坝体开裂的风险。模型试验表明，该部位坝体在超载情况下主要表现为横河向发展的水平裂缝，基础表现为下游侧抗力体的块状破坏和沿f14断层的开裂。为改善该部位的受力条件，通过多方案分析研究，根据该部位地形及拱坝体形条件，采用加大25、26号坝段下游贴角的方式，增加拱坝该部位拱端的刚度，改善该区的受力条件，降低拱坝开裂风险。贴脚与坝体整体浇筑，该加大的贴脚混凝土方量0.4万m3。

（4）拱坝建基面布设限裂钢筋。在整个坝基范围内均布置一层抗裂钢筋网；为改善混凝土置换区域坝体局部应力条件，在置换混凝土边界以及置换混凝土和基岩接触面上再加设一层抗裂钢筋。以上钢筋直径均采用32mm，钢筋间、排距30cm。

（5）为提高拱坝复杂地质条件和复杂工况下坝面、浇筑块、横缝并缝处混凝土的限裂能力，在大坝基础约束区、河床坝段高程1630m以下上、下游坝面布置两层坝面钢筋，其中拱向钢筋直径28mm，间距50cm，梁向钢筋直径32mm，间距30cm，钢筋保护层厚度35cm，钢筋网层间距35cm。另外，为提高大坝基础部位混凝土限裂能力，在大坝基础约束区仓面每9m灌区布置一层仓面限裂钢筋，在大坝横缝并缝处布置两层并缝钢筋。

（6）纤维混凝土应用。根据现场纤维混凝土试验检测成果，掺PVA纤维混凝土与普通混凝土相比，其抗压强度相当，极限拉伸值提高14.6%，劈拉强度提高约10.6%，弹性模量降低约12.6%，在混凝土中掺纤维可以有效提高混凝土抗裂性能。为提高大坝混凝土抗裂能力，在大坝河床坝段基础固结灌浆长间歇仓面1.5m范围内、大坝及垫座混凝土长间歇层面上1.5m范围内、陡坡坝段基础区、横缝上游止水部位采用了纤维混凝土。

5 窄河谷特高拱坝坝身表深孔无碰撞联合消能技术

针对“坝身泄洪水头高、单宽流量大、下游河谷狭窄”的特点，二滩工程首次采用了“表、中孔水舌分层出流、空中碰撞，坝下设水垫塘和二道坝的泄洪消能总布置方案”。这种表、中孔分层出流，上、下水舌空中碰撞+坝后水垫塘的泄洪消能方式，具有良好消能效果，已经在小湾、溪洛渡、白鹤滩、构皮滩、拉西瓦等高拱坝工程中广泛应用。但是，坝身表、中孔水舌空中碰撞消将加剧泄洪雾化。近年来二滩等已建工程运行实践表明，泄洪雾化不仅会影响坝后交通、生活工作区的正常工作环境，还会对下游的自然环境和气候条件产生影响。易诱发山体滑坡，威胁电厂及机电设备的正常运行，影响大坝抗力体及下游雾化区边坡的稳定。

锦屏一级工程挡水、泄水建筑物设计洪水标准采用1000年一遇，相应洪水流量13600m3/s，校核洪水标准5000一遇，相应洪水流量15400m3/s。由于锦屏二级水库回水的影响，锦屏一级拱坝泄洪时水垫塘最大水垫深度可达69m，具有较大的消能水深。同时，锦屏一级拱坝下游水垫塘两岸岸坡陡峻、河谷狭窄、边坡地质条件极其复杂，稳定性较差，雾化降雨对边坡整体稳定性的影响较大。结合锦屏工程的上述特点，为了降低高拱坝坝身表、深孔联合泄洪时的泄洪雾化强度，通过深入研究，锦屏一级拱坝创新性的采用了坝身表、深孔水舌空中无碰撞泄洪消能技术。通过多方案试验比较，最终采用的表孔进口控制宽度11.0m，为了获得窄长的水舌形态以满足表、深孔水舌空中无碰撞的要求，出口采用了收缩式结构体形（矩形宽尾墩），出口宽度为4.4m，闸孔堰面坡度俯角为33°，使表孔水舌沿纵向充分拉开，同时避免表孔水舌冲击深孔启闭机房顶，出口底板采用了折线式非完全透空体形，非完全透空段长度为5m，折线与水平面夹角为41.67°。为避免深孔水舌对表孔水舌的碰撞，深孔出口不扩散，为使深孔水流及深孔孔壁有较好的运行状态，深孔出口也不收缩。试验结果表明，与坝身表深孔碰撞消能方式相比，表、深孔无碰撞联合消能方式可以有效减少枢纽泄洪雾化的影响范围和程度，节约防护工程投资，并有利于枢纽安全运行。同时，通过表深孔体形的优化，采用该消能方式坝身下游的水垫塘底板上时均最大动水冲击压力为12.65×9.81kPa，可以满足工程要求。锦屏一级拱坝采用的表、深孔水舌空中无碰撞泄洪消能技术已获国家专利。

6 大坝温度控制

锦屏一级拱坝的温控有如下特点。

（1）拱坝设置25条横缝，将大坝分为26个坝段，平均坝段宽度为22.6m。混凝土采用不设纵缝的通仓浇筑方案，混凝土浇筑仓面面积都在2000m2左右，与溪洛渡、小湾等工程一样，是当今国内外最大的浇筑块。大尺寸浇筑块温度应力大，很容易开裂，对混凝土的质量要求高，特别要求严格的温度控制和降温技术来防止温度裂缝。

（2）拱坝结构复杂。坝身设有4个表孔、5个中孔、2个放空底孔、临时导流底孔、基础灌浆廊道、排水廊道、监测廊道、交通廊道及电梯井等设施。由于坝体横河向不长，众多孔口的存在，使温度应力的分布变得十分复杂，导致混凝土容易开裂，增大了温控防裂的难度。

（3）陡坡坝段浇筑问题突出。坝址两岸岸坡陡峻，大部分坝段坐落在陡坡基础上，尖角部位的应力集中，温控防裂难度比较大。

（4）混凝土材料抗裂性能一般。由于大奔流沟砂岩具有一定的碱活性，施工图设计阶段，经过大量的混凝土试验，为抑制砂岩碱活性反应，改善混凝土的性能，大坝混凝土采用砂岩粗骨料、三滩右岸大理岩细骨料配制的混凝土。砂岩骨料线膨胀系数大，混凝土水泥用量高，自生体积变形呈收缩型，混凝土材料抗裂性能一般，对温控防裂不利。

（5）温度边界条件对温控防裂不利。根据坝址区水温气象资料按照规范确定水库水温分布和拱坝的温度边界条件，300m库水深度，存在200m左右的低温水层，相应的封拱温度也较低，使得对混凝土容许最高温度的控制相当严格。

施工图阶段，通过深入分析研究，采用数值计算方法和工程类比的方法，结合二滩水库水温实测资料和反馈分析的成果，进行了锦屏一级拱坝温度边界的研究。对锦屏一级库水温度分布，采用包络式的分析思路提出了库水温度分布的上限和下限，并据此制定出锦屏一级拱坝的封拱温度为12～15℃。根据国内其他在建特高拱坝工程实践，下部经灌缝形成的厚拱对上部混凝土有较强的约束，锦屏一级拱坝全坝按约束区进行温度控制设计，温差标准为ΔT≤14℃，拱坝混凝土最高温度按26～29℃进行控制。施工期混凝土抗裂安全系数为1.8。同时，施工图阶段，结合现场施工实际施工情况，对温控措施进行了不断优化，采用一期冷却、中期冷却、二期冷却的降温方案和按灌浆区、同冷区、过渡区、盖重区的分区方式进行温度梯度控制。采用两套冷却水温，一套主要供一期冷却和中期冷却使用，一套主要供二期冷却使用。施工过程中严格控制混凝土浇筑质量、浇筑块内部温度过程，对已浇筑混凝土加强养护、表面保护和保温。同时，施工期进行了施工过程中全过程的温控仿真分析及反馈分析，为及时分析大坝坝体混凝土应力状态、温控措施调整及施工控制提供科学依据。

7 结语

锦屏一级拱坝工程坝址区边坡高陡、河谷狭窄、地质条件复杂，工程规模较大，给工程建设带来了巨大的技术难题。通过联合国内一流的高等院校、科研单位进行科技攻关，完成了一系列高技术难度的科研课题，解决了工程面临的众多难题，并将科技攻关完成的科研成果转化成具体的设计方案，在工程中得以实施。目前，锦屏一级拱坝建设已近尾声，坝体已蓄水至1800m死水位，并即将开始第三阶段蓄水，该阶段将蓄水至1840m，水荷载将达到坝体总荷载的70%以上。监测资料分析表明，目前，大坝变形、混凝土应力应变、温度和接缝等测值基本在正常范围内，坝基渗压、坝体渗漏量符合一般规律，整体处于受控状态。两岸边坡变形和支护结构各项测值近期逐渐趋于变缓和收敛。总体而言，目前拱坝运行状态良好，表明前述一系列工程措施效果显著。