一、综述
锦屏一级大坝工程建设解决的几个重大技术难题
（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都610016）
【摘要】锦屏一级水电站坝高305m，为世界第一高拱坝，工程规模大，技术要求高，地形地质条件复杂，建设过程中面临诸多技术难题。本文主要介绍了拱坝混凝土砂石骨料生产、超高边坡稳定安全控制、复杂地质条件地基处理、特高拱坝高强度快速施工等难题的解决及采取的新技术，可为今后类似工程提供技术借鉴。
【关键词】锦屏一级特高拱坝；砂石骨料生产；超高边坡安全控制；复杂地质条件地基处理；特高拱坝快速施工技术
1 概述
1.1 工程概况
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。本工程规模巨大，开发任务主要是发电。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。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。混凝土双曲拱坝是世界第一高拱坝，坝高305m，坝顶高程1885m，坝顶宽度16m，坝底厚度63m，厚高比0.207。
锦屏一级水电站主要工程量为：土石方开挖2980万m3，混凝土1542万m3，灌浆262万m。
1.2 工程建设节点
根据工程建设总体安排，锦屏一级水电站主要建设节点如下：
2004年初开展前期准备工作，2005年9月8日经国家发改委正式核准；2005年11月12日正式开工建设；2006年12月4日实现大江截流；2009年10月23日，大坝首仓混凝土浇筑；2012年10月8日，左岸导流洞下闸；2013年7月18日第二阶段蓄至死水位1800m;2013年8月30日首批机组（5、6号机）投产发电；2013年10月14日第三阶段蓄至1840m；计划2015年6月工程完工。
2 建设过程重大技术难题处理
锦屏一级水电站作为世界第一高拱坝，工程技术要求高，但大坝位于高山峡谷内，且坝址断层、煌斑岩脉、绿片岩、深部拉裂缝及低波速拉裂岩体等广为分布，因此安全优质建好大坝面临诸多技术难题。工程建设过程中，经广大建设者共同努力，攻克了复杂地形地质条件下拱坝砂石骨料生产、超高边坡稳定安全控制、复杂地质条件地基处理、特高拱坝高强度快速施工等技术难题，基本建成了一座优质的特高拱坝。
2.1 砂石骨料生产问题
2.1.1 料源选择
锦屏一级水电站拱坝厚度薄，应力水平高，结构受力对骨料要求高。在对当地的人工骨料料场进行了大量的勘探和试验基础上，通过综合性能对比，推荐大奔流沟的砂岩料场作为大坝混凝土的人工骨料料源。但该料场变质石英砂岩为具有潜在危害性反应的活性骨料，进一步对不同骨料组合混凝土的碱骨料反应进行的试验研究表明：采用大理岩人工砂替代砂岩人工砂可以减少砂岩混凝土的碱活性膨胀。因此，在锦屏一级水电站大坝混凝土中采用三滩右岸的大理岩作为细骨料，以降低大坝混凝土中活性骨料所占的比例。同时，采用高掺优质Ⅰ级粉煤灰（掺量35%）、控制总碱量（1.5kg/m3混凝土）等措施抑制混凝土碱骨料反应。因此，大坝混凝土骨料采用大奔流沟砂岩粗骨料和三滩右岸大理岩细骨料的组合骨料料源方案。
2.1.2 料场开采布置
大奔流沟料场区陡峻的顺向边坡，自然坡度为55°～65°，最大坡高780m，料场开口线距离地面公路垂直高差超过500m。如何解决高陡边坡、狭窄场地下高强度毛料开采与运输这一问题，是大坝混凝土浇筑强度得以保障的关键。考虑料场场地狭窄，施工布置困难，汽车运输难度巨大，毛料分级开采，采用竖井与斜井相结合的毛料运输布置形式。毛料开采后，经竖井溜至布置于井下的旋回破碎机粗破后，采用皮带运输系统将半成品料直接运输至约3.5km外的印把子粗骨料砂石加工系统，进一步破碎、筛分及堆存。采用竖井和井下旋回破碎机布置的技术，成功实现了矿山技术与锦屏砂石骨料运输方式的有机结合，既解决了毛料及半成品骨料运输问题，又因地制宜解决了因为场地狭窄无法布置加工系统的难题。
料场开采后形成458.5m的高陡人工边坡，边坡层状岩体相对数百米坡高来讲可视为薄板，高程1865m以下最薄岩层层厚仅为5～10cm，当边坡开挖后，岩层缷荷回弹，层状岩层沿层面蠕滑，边坡岩层在下部受阻时，边坡中下部应力集中部位的压剪应力超过岩体的抗剪强度时，岩层剪切折断，可能引起边坡岩体溃屈整体破坏。为保证料场边坡稳定，开挖过程中控制单级边坡开挖坡比，确保边坡开挖不切脚，以此来保证岩体自身刚性；同时，在料场高程1955～1865m、1820～1805m、1745～1730m各布置3排30～60m/2000kN预应力锚索。边坡开挖过程中，严格按预裂爆破程序作业，对边坡进行保护性开挖。采取各种措施后，料场超高边坡施工期稳定，确保了毛料稳定供应。
2.1.3 骨料生产质量控制
大奔流料场有用料层状分布不均，夹层风化料、锈染料、板岩、大理岩等杂质分布于整个料场。在毛料开采过程中，加强选料控制，剔除风化料，控制锈染料、板岩、大理岩等杂质，严格控制进入骨料竖井的毛料质量。同时，受大奔流沟料场砂板岩岩性的影响，加工系统生产的各级成品骨料针片状含量较高，粒形差，其中特大石针片状超标和最大边长超长的问题显得尤为突出。为此，新增特大石整形车间，对系统进行全整形工艺改进，并组织对中碎40～80mm以下粒径进行整形工艺优化、细碎对中小石进行整形工艺优化，同时对筛分机进行调整改造。通过特大石整形车间及工艺优化的实施，有效改善了粗骨料针片状含量问题，合格率达到96%以上。
三滩右岸大理岩细骨料，大理岩中存在中晶条带，性能差异大，毛料破碎成粉率较高，成品砂石粉含量不稳定；同时毛料含水率变化制约着系统稳定生产，成品砂含水率不稳定。为此通过采取以下措施进行骨料质量控制：采取选粉机剔除石粉的新技术，并在细骨料胶带机上架设皮带秤，通过数显仪随时观察选粉机进料情况，保证选粉机进料稳定性；控制半成品料含水率，封闭造粉部位，增加除尘器，减少除尘喷头的使用和防止雨水淋湿物料。经工艺改造后，成品砂含水率控制在3%以内、石粉含量控制在14%～20%，提高了系统成品砂质量的稳定性，为大坝混凝土质量提供了保障。
2.1.4 粗骨料运输系统
大坝混凝土用粗骨料由左岸印把子沟砂石加工系统生产，距离右岸1885m高线混凝土拌和系统约5.5km，最大高差为314m。为解决高峰期每天超过1万t（最高达2.5万t）的高强度骨料运输问题，同时需解决爬坡加转弯的皮带运输难题，采用“皮带机+管带机”相结合的带式输送系统运输方式，其中管带机长2.74km，直径为500mm，最大坡度11.77%，最大运输强度2500t/h，适合锦屏高山狭谷地形，很好地解决了普通带式输送系统爬坡、大转弯限制的运输技术与特大石汽车运输配合，为锦屏一级大坝混凝土高强度浇筑提供了有力保障。
2.2 超高边坡安全控制
锦屏工程规模巨大，边坡陡峻，工程区内各水工建筑物在开挖过程中将形成一系列高陡边坡。此外，在枢纽区泄洪雾化区及高程范围，也存在十分高陡的自然边坡及危岩体。开挖边坡主要有坝肩左和右岸高边坡、电站进水口及尾水边坡、水垫塘边坡，自然边坡有泄洪雾化区边坡、左和右岸高位危岩体，施工部位相互重叠、立体交叉干扰大，施工通道布置困难，施工材料运输量大，施工安全风险突出。下面介绍几个具有代表性的边坡工程。
2.2.1 左岸高边坡
左岸高边坡由左岸坝顶1885以上拱肩槽及缆机平台开挖边坡和坝顶1885以下拱肩槽开挖边坡作为一个整体构成，总体开挖高度达530m（2110～1580m）。且地质结构面众多，相互组合，分析表明左岸坝肩边坡的存在由煌斑岩脉、f42-9断层、SL44-1深部裂隙等边界组成的控制性“大块体”整体失稳问题，天然状态下边坡安全系数不满足要求。通过在f42-9断层上设置抗剪洞增加抗滑力，采用系统锚杆和锚索为主对局部结构面组合的小型块体进行加固的措施，处理后边坡安全系数满足规范要求。
边坡处理工程量大，锚杆、锚杆束、预应力锚索主要工程量为分别为5.51万根、0.22万束、0.41万束。自2005年5月左岸边坡开始开挖施工，至2009年8月20日开挖施工结束。施工过程中采取了倾倒变形体保护层爆破预裂技术、坡积体大口径多锚头锚索钻孔成孔技术、锚索自动张拉锁定技术、高压喷水降尘等施工技术，并采用了施工排架、马道及防护网等安全防挡措施，施工过程中布置多点位移计、锚索测力计、谷幅观测等监测设施，通过数据采集和反馈分析来监测边坡稳定，确保了施工安全。监测资料分析表明目前1885m高程以下边坡变形收敛，1885m高程以上边坡蠕变也在可控范围。
2.2.2 水垫塘及雾化区边坡
水垫塘建基面高程为1591m，断面为梯形，边墙顶高程1661m，底板水平宽47m，边墙坡度为1∶0.5。水垫塘、二道坝开挖支护工程于2009年2月2日开工，2010年5月3日完工。该施工时段内，上游拱肩槽开挖、上部雾化区支护处理、左右岸高位危岩体处理等工程形成多方位立体交叉作业；施工单位多，施工面广，工期均非常紧，协调难度大；施工场地狭窄，施工道路布置困难。
泄洪雾化区自然边坡主要指拱肩槽下游坡开口线（桩号坝0+80m左右）以下，桩号（坝）0+1650m以前，左岸高程1661m（水垫塘边墙顶）至高程1920m，右岸高程1661m（水垫塘边墙顶）至高程1885m边坡。因为边坡高陡，坡度约为60°～90°，自然边坡不宜开挖削坡，因地制宜，主要采用“贴坡50cm厚混凝土+锚索的支护形式”进行加固处理，主要支护工程量为贴坡混凝土、喷混凝土、锚杆、锚索、排水孔等分别为24.25万m3、1.83万m3、6.19万根、0.15万束、39.30万m。
雾化区边坡施工与水垫塘施工上下立体交叉作业，施工干扰大，安全风险突出，在施工过程中，参建各方通过定期现场协调会、增加施工通道、加大安全防护力度（如投入主、被动防护网高达5万m2）、增加资源投入等措施，有效地解决了施工中的各项安全问题，工程按期完工，确保水垫塘充水和大坝蓄水目标如期实现。
2.2.3 高位危岩体处理工程
锦屏施工区内，在长期风化、卸荷作用下，边坡浅表层的岩体沿卸荷裂隙张拉松弛，形成“高悬”于枢纽建筑物、生活营地及交通道路上方的危岩体，主要分布于三滩、道班沟、棉纱沟及大坪四部分。
枢纽区高位危岩体规模大且远高于坝顶。左岸坝顶1885m以上拱肩槽及缆机平台开挖边坡开口线以外，以及左岸泄洪雾化区自然边坡高程1920m以上，桩号（坝）0+80m～（坝）0+1650m，涉及面积约30万m2。左岸危岩体处理最高位置为2450m高程，距离最近的汽车运输平台高差490m；右岸最高危岩体处理为2350m高程，距离最近的汽车运输平台高差435m。左、右岸枢纽区开挖边坡开口线以外的危岩体，上下立体交叉施工干扰大，施工难度高。
高位危岩体位置陡峭，没有材料运输通道，最终参建单位采取架设施工临时栈桥、缆索吊接力和人工运输等方式运输施工设备及施工材料。高位危岩体处理部位下部同时进行大坝施工、雾化区边坡处理、引水发电系统尾水施工，为确保施工安全，对危岩体采取先铺设主动防护网、被动防护网后，再进行系统支护的工艺。
高位危岩体处理工程于2008年6月开始施工，至2013年8月施工完成。主要采用锚杆、主动及被动防护网、锚索、喷混凝土等支护形式，其中锚杆为1.35万根，防护网为25万m2。
2.3 复杂地质条件地基处理
锦屏一级水电站坝基范围出露f2、f5、f8、f13、f14、f18等主要断层，同时存在层间挤压错动带、煌斑岩脉、绿片岩等软弱构造带、溶蚀性节理及左岸坝肩发育的深部荷裂隙，这些地质缺陷，对坝体的变形及应力、拱座的稳定及基础的渗流控制均会产生显著影响。本工程基础处理难度均超出了现行规范及已有工程经验。为提高岩体的抗变形能力、均匀性以及抗渗性能，基础处理工程采取了混凝土垫座及网格置换、固结灌浆、防渗排水等一系列地基加固处理措施。
2.3.1 左、右岸抗力体处理
左、右岸抗力体处理工程所涉施工项目主要有不良地质体开挖、网格混凝土回填、喷锚支护、灌浆等，其中，各类洞室总长度约15km，开挖量约为64万m3，混凝土回填量约为16万m3，固结灌浆量约为88万m。主要施工特点为处理范围大、地质条件差、程序复杂、工期紧张，因而对现场管理、资源投入要求高。施工过程中吸取其他工程类似经验，研究采取一些能够快速施工又能保证施工质量的先进工艺。
（1）开展了单一稳定性浓浆灌浆试验、不同比级水泥浆灌浆试验、水泥-环氧树脂复合灌浆试验、反循环钻进试验、高压耐久性压水试验、灌浆远程实时监控系统研究和应用、变形自动报警装置的研究应用等代表国内外先进水平的施工工艺，在试验中不断优化施工工艺。
（2）以f5为代表的宽大断层破碎带的处理，是大型水电水利工程地基处理中的一大难题。经各方综合比较论证，对f5断层采用“高压水喷射冲洗置换开挖、混凝土回填、灌浆补强”的新颖处理方案。制定非常细致的施工工艺，有效应对可能遇到的钻孔偏斜、断层泥冲空后置换网格变形拉裂等难题。经过处理完成的1730m层置换网格间的f5断层，未出现任何有害变形，各项检测指标满足设计要求。
2.3.2 坝基处理
大坝右岸建基面岩体由大理岩构成，左岸建基面由大理岩、砂板岩构成，建基面以Ⅱ级、Ⅲ1岩体为主，局部发育有断层、绿片岩、煌斑岩脉、Ⅳ2级岩体、Ⅲ2级岩体等地质缺陷。根据拱坝建基面“主要以Ⅲ1、Ⅱ级岩体作为建基岩体，高高程局部利用Ⅲ2级岩体”的原则，需对不满足建基岩体要求的地质缺陷采取必要和有效的基础处理措施，以增强大坝地基的刚度和渗透稳定性，保证大坝的安全。
拱坝基础固结灌浆工程量大（37万m），各坝段固结灌浆施工时间长，为防止常规有盖重固结灌浆施工期间大坝混凝土产生裂缝的通病，固结灌浆采取前期无盖重灌浆结合后期有盖重灌浆（河床坝段）或引管有盖重灌浆（岸坡坝段），在整个固结灌浆施工期间，仅河床坝段有极少裂缝产生，岸坡坝段则无裂缝。
拱坝基础地质条件复杂，断层多（有f2、f5、f8、f13、f14、f18等）规模大，其物理力学性能，防渗性能等较差，采取了置换平洞、防渗斜井等结合固结灌浆、帷幕灌浆、水泥-化学复合灌浆等措施进行综合处理，对f2断层还采取了“高压旋喷冲洗+高压固结灌浆”的措施，上述措施效果明显，有效改善了断层部位的物理、力学性能和防渗性能，满足了工程要求。
坝区岩体裂隙分布不均匀，且地应力较高，地层可灌性总体较差，但在局部裂隙、断层发育部位可灌性则较好，特别是高高程溶蚀裂缝吸浆量特大，为此帷幕灌浆采用可重复灌浆的孔口封闭灌浆法，灌浆材料以普通水泥为主，辅以湿磨细水泥，特殊部位还采取化学灌浆，而针对高高程溶蚀裂缝涌水大，吸浆量大的情况，则采取了提前进行地质勘探，查明溶蚀裂缝分布范围，先采用速凝浆材等进行预处理，再进行正常的帷幕灌浆施工，这些针对锦屏一级水电工程地质条件特点帷幕灌浆工艺、措施成效显著，帷幕灌浆防渗效果好。目前，坝基防渗帷幕后的扬压力、渗漏量等均较小，满足设计要求。
2.4 特高拱坝高强度快速施工技术
招标阶段大坝混凝土浇筑布置四台缆机，由于本工程施工条件复杂，边坡及坝基开挖施工难度极大，垫座以上边坡开挖工期滞后，垫座混凝土与大坝混凝土叠加，混凝土浇筑强度增加，且施工图阶段采取更为严格的温控措施，由此导致混凝土浇筑及辅助作业压力大。因此施工阶段增加了一台缆机，并在左岸坝顶高程增加一座混凝土生产系统，供应左岸垫座1800m高程以上混凝土，并将混凝土入仓方式调整为布料机入仓。
可研阶段大坝混凝土浇筑工期54个月，月平均浇筑强度为8.86万m3，高峰月浇筑强度为16.24万m3，高峰时段月平均浇筑强度为13.12万m3；施工阶段，混凝土施工强度指标有所增加，最高月浇筑强度为17.59万m3，月平均浇筑强度为14.32万m3。
大坝没产生危害性的温度裂缝。
2.4.1 4.5m浇筑升层技术
锦屏一级高拱坝浇筑因边坡及坝基开挖工程滞后、混凝土量增加、骨料前期供应紧张等因素影响，导致实现建设目标压力增大。但锦屏工程的施工能力保障充分，混凝土浇筑强度有保证，设备改造迅速，这为开展4.5m浇筑升层技术研究应用提供了条件，因此开展特高拱坝混凝土浇筑4.5m关键技术研究及实时仿真分析与评价研究，突破传统3.0m拱坝常态混凝土浇筑技术，保证混凝土施工质量，实现锦屏一级拱坝高强度浇筑快速施工。
经过系统分析研究不同条件下4.5m升层混凝土内部温度及应力，得出结论，设计温控措施条件下，非约束区4.5m升层浇筑温度应力满足要求，4.5m升层浇筑可行，故将该技术推广至全坝段非约束区混凝土浇筑中，采取4.5m升层技术浇筑混凝土229万m3，约占大坝体形混凝土总量的50%，比常规升层浇筑缩短工期约6个月。
2.4.2 温度自动化监测及全坝段全过程仿真分析技术
在制定合适的温控设计标准和要求后，拱坝混凝土温控防裂成败的关键在于温控控制。在拱坝混凝土温控防裂工作中，贯穿并实现了“早冷却、慢冷却、小温差”的温控理念，采用“精细化、科学化、动态跟踪”管理的全坝段全过程仿真分析技术。对大坝坝体混凝土内部数量极其庞大（坝体内埋设温度计约3600支）的用于温控的温度计实施自动化监测系统。该系统实现了温度数据的自动采集、传输和网络化管理，混凝土浇筑块中的稳度计在埋设12h内接入自动化监测系统，进行实时监控。同时对所采集的数据进行全坝段全过程仿真分析技术，利用温度监测数据反演分析混凝土的温度过程。同时跟踪仿真锦屏一级拱坝的温度应力场，评估混凝土坝开裂风险。当现场温控实施情况偏离设计要求或出现较大系统风险时，及时提出整改意见和建议。大坝施工过程中，还利用仿真分析技术，每月对大坝混凝土浇筑排仓计划进行一次温度、应力仿真分析，分析成果直接用于计划调整和优化。
2.4.3 智能通水冷却技术
精细控制大坝内部温度，必须适时控制冷却水通水温度、流量和时间，目前普通的人工通水方式费时费力，且易出错，不够准确。锦屏一级水电站成功开展了冷却通水智能控制系统的研发与使用。
采用混凝土坝冷却通水智能控制系统，实现了定时自动采集、记录混凝土内部温度、通水数据，解决了人为采集、录入数据的误差问题，方便了数据的管理，提高了数据记录的效率与管理的水平；系统采用数据处理软件进行分析，给出通水流量建议值，减少了以往人工经验控制算法计算时间，解决了温控滞后问题，提高了工程施工质量；高拱坝智能通水冷却技术系统既提高了控制的精度及可靠性，确保了混凝土温控质量，保证了工程施工质量，又对提高监控质量与施工管理自动化水平、降低了劳动强度、节约成本等具有重要意义。
3 结语
锦屏一级特高拱坝建设过程中，遇到了众多建设难题，经过全体建设者共同努力，克服了高陡料场开采布置、骨料加工及运输难题，确保了大坝混凝土正常浇筑；克服了狭窄空间各类高陡边坡、高位危岩体处理难题，最大限度地保证了施工人员安全；开发推广基础处理新技术，确保坝基和抗力体地质缺陷处理质量；研究采用4.5m混凝土浇筑升层，并研究了大坝温度自动化监测系统和全坝段全过程仿真分析技术、智能通水冷却技术，快速、高质量完成了大坝施工。
目前，锦屏一级大坝第三阶段蓄水至高程1840m水位，边坡变形稳定，大坝及基础变形测值变化较小，坝体及坝基变形符合一般规律；坝基帷幕和排水廊道渗压变化较小，帷幕后渗透压力折减系数均小于0.4，排水后渗透压力折减系数均小于0.2；各层抗力体平洞渗压基本无变化；坝体应力及温度状态正常。枢纽工程处于正常工作状态。