摘要：本文就二灘雙曲拱壩的設計和施工技術特點，從拱壩體形設計、應力控制標準、壩肩穩定分析、洩洪消能佈置、壩基處理和滲流控制、壩體混凝土設計、拱壩施工等方面作了比較全面的扼要介紹，同時也介紹了蓄水後拱壩安全監測的主要成果和拱壩工作性態的基本分析。
關鍵詞：二灘水電站 雙曲拱壩 設計 施工 安全監測
二灘水電站位於中國四川省西南攀枝花市境內的雅礱江下游、距雅礱江與金沙江的交匯口33km，是雅礱江干流上規劃建設的21座梯級電站中的第一座。
二灘水電站是一座以發電為主的大型水力發電樞紐。水庫控制流域面積11.64萬km2，正常蓄水位1200.0m，發電最低執行水位1155.0m，總庫容58.0億m3，調節庫容33.7億m3，屬季調節水庫。電站內裝6臺550MW的水輪發電機組，總裝機容量3300MW，多年平均發電量170億kW·h，保證出力1000MW，是中國20世紀末建成投產的最大水電站。樞紐主要建築物有混凝土雙曲拱壩、左岸引水發電地下廠房系統、右岸兩條洩洪洞等，雙曲拱壩最大壩高240.0m，為中國已建成的最高壩。
二灘水電站1991年9月14日開工，1993年11月大江截流，1998年8月18日第一臺機組投產，11月第二臺機組投入執行，1999年4月拱壩工程基本完工，其餘4臺機組在1999年內投產。二灘水電站自工程正式開工歷時8年零3個月全部建成投產。
1 壩址地形地質條件
二灘水電站壩址兩岸谷坡陡峻、臨江坡高300m～400m，左岸谷坡坡度25°～45°、右岸谷坡30°～45°，呈大致對稱的“V”型河谷。河床枯期水位1011m～1012m，水面寬80m～100m，河床覆蓋層厚20m～28m.樞紐區基岩由二迭系玄武岩和後期侵入的正長巖以及因侵入活動形成的變質玄武岩組成，均為高強度的岩漿岩、溼抗壓強度在170～210MPa之間。壩區巖體完整性較好，構造破壞微弱，斷層不發育，無大的構造斷裂及順河斷裂，小斷層僅4條，延伸不長、以中高傾角與河床正交或斜交，破碎頻寬0.1m～0.6m，結構緊密。此外，右壩肩中部存在一條因熱液蝕變和構造綜合作用形成的綠泥石——陽起石化玄武岩軟弱巖帶，頻寬10m左右。壩址屬較高地應力區，河床下部左岸高程954m至976m部位，實測最大應力50.0～65.9MPa，高程1040m附近18.8～38.4MPa.壩區岩石抗風化能力較強，風化作用主要沿結構面進行和擴充套件，總體風化微弱。拱壩建基面主要為弱偏微風化或微風化至新鮮的正長巖、變質玄武岩、微粒隱晶玄武岩和細粒杏仁狀玄武岩，巖體多為塊狀至整體結構、區域性為鑲嵌至碎裂結構，結構面閉合。
壩基水文地質條件簡單、無集中湧水和滲水，基礎巖體滲透性微弱、具有隨深度增加而減弱的垂直分佈特徵，但不均一，相對不透水層的埋深變化較大。
樞紐處在川滇南北向構造帶的中段西部相結穩定的共和斷塊上，斷塊內不存在發震構造，歷史上無強震記載、壩址區地震基本裂度為Ⅶ度。拱壩及樞紐主要建築物按Ⅷ度設防。
2 拱壩體形
二灘雙拱壩最大壩高240m、拱冠頂部厚度11m，拱冠樑底部厚度55.74m，拱端最大厚度58。51m，拱圈最大中心角91.5°，拱頂弧長774.69m.
二灘拱壩體形為拋物線形雙曲拱壩。平面上拱端曲率較小而趨扁平化，加大拱推力與岸坡的夾角、有利壩肩穩定，同時通過調整拱圈的曲率和拱厚使應力更趨均勻合理。由於壩址河床兩岸地形並不完全對稱，左半拱和右半拱採用不同的曲率半徑，頂拱中心線曲線半徑在349.19m～981.15m範圍。縱向曲率是考慮施工期獨立懸臂壩塊高度按允許產生的自重拉應力1.5MPa來控制，適當加大縱向曲率並保持壩面的連續性而使壩體獲得較好的應力分佈。相應的上游壩面最大倒懸度為0.18.
壩體設定三層孔口：7個表孔、6箇中孔和4個放水底孔。為滿足大壩監測、灌漿、排水、交通等要求，在壩內沿高程設定了基礎廊道，上、下檢查廊道和交通廊道共4層廊道。
拱壩共分39個壩段，不設縱縫，壩體混凝土通倉澆築。
3 拱壩控制應力與壩肩穩定分析
二灘拱壩壩體混凝土分成A、B、C三區，其設計強度分別為35MPa、30MPa、25MPa，設計齡期為180d.壩體應力分析按拱樑分載法，壩基變形特性採用伏格特地基模型。
蓄水前對大壩的應力狀態進行復核計算。基本荷載組合工況下，上游面最大主壓應力6.66MPa，發生在1205m高程拱冠；最大主拉應力0.99MPa，發生在1130m高程右拱端。下游面最大主壓應力8.82MPa，發生在1010m高程左拱端，最大主拉應力0.15MPa，發生在980m高程拱冠附近。
在採用拱樑分載法進行壩體應力計算時，還進行了有限元地基取代伏格特地基的壩體應力計算和模擬施工過程的分析計算、有限元一等效應力法的應力分析以及三維非線性有限元分格和結構模型試驗等。
二灘拱壩壩基岩體巖性堅硬，多屬塊狀和鑲嵌結構。壩肩穩定分析採用剛體極限平衡法進行穩定計算，用敏感性浮值分析來判別穩定條件和影響失穩的主要因素。穩定分析的荷載主要考慮拱推力(含壩體自重)、巖體自重與滲透壓力等，滲透壓力按不考慮防滲排水作用時最大可能值的100%、50%、33%、25%四級浮動。
各種分析方法成果均表明，滲透壓力對拱座穩定的影響相當顯著，對底滑面作用更突出，當滲透壓力由最大可能值降至50%時，安全係數成倍增加。加強和做好排水措施至關重要。
此外，在壩肩穩定分析中，還用三維有限元分析巖體內的點抗剪安全度進行校核，並分別用脆性破壞和塑性破壞巖體力學引數進行地質力學模型試驗，綜合評價壩肩的穩定條件。
4 壩基處理和滲流控制
二灘拱壩壩基岩石條件較好，在滿足拱壩結構應力和壩肩穩定的條件下，按不同部位分別對待，保留了部分經灌漿處理後可作為壩基的弱風化中段巖體。左岸拱座水平嵌深22m～50m、平均32.6m；右岸拱座水平嵌深26～59m、平均39.1m.對壩基中存在的部分軟弱(破裂)岩石(面積約佔10%)和斷層破碎帶按不同深度開挖(區域性槽挖)後用混凝土進行置換。置換開挖的深度一般5m～6m，綠泥石——陽起石化玄武岩軟弱帶置換深度達15m.此外，由於壩基開挖爆破鬆動和開挖面暴露時間較長而引起巖體鬆馳的影響，對壩基進行了全面固結灌漿處理。
壩基固結灌漿共13.7萬m，按不同部位的巖體質量和壩踵、壩趾、防滲帷幕線等不同要求，分為三個常規灌漿區和三個特殊灌漿區。常規灌漿區布孔間排距3m×3m，孔深8m～18m，灌漿壓力0.4～1.5MPa，使用525＃普通矽酸鹽水泥；特殊灌漿區布孔間排距1.5m×1.5m，孔深13m×25m，其Ⅰ、Ⅱ序孔用525＃普通矽酸鹽水泥，灌漿壓力分別為0.7～1.5MPa和1.0～2.0MPa，Ⅲ序孔用比表面積6900～8300cm2/g的超細水泥漿液，灌漿壓力1.5～3.5MPa.固結灌漿施工中，採用了無蓋重灌漿和有蓋重引管灌漿兩種方式。有蓋重引管灌漿是從灌漿孔預埋1英寸的水平灌漿鋼管引至壩基外，待混凝土澆築一定厚度後施灌。有蓋重高壓引管灌漿的目的是為了保證吃漿量低的部位和無壓灌漿後，表層0～5m不滿足要求部位的灌漿效果。引管灌漿壓力2～4MPa，最高達4.5MPa.
固結灌漿檢查標準除壓水試驗呂榮值外，還用聲波檢查，並以聲波檢查值為主，其標準為：正長巖Vp≥4500m/s；玄武岩Vp≥5000m/s；表層5m區域性範圍Vp≥4000m/s.滿足高拱壩對基礎的力學及變形效能要求。
二灘壩基水文地質條件簡單，基岩透水性微弱，滲流控制按“防排結合、以排為主”的原則佈置。在拱壩壩基和下游二道壩基礎各設定一道防滲帷幕。拱壩帷幕中心線近似平行壩軸線，左岸深入拱座山體然後折向上遊與地下廠房防滲帷幕連成一體，右岸從壩頭折向上遊與洩洪洞進口防滲帷幕相接。
拱壩基礎排水系統由兩道排水幕、壩內集中井和深井泵房組成。第一道排水幕在防滲帷幕中心線下游約15m處、沿左、右壩肩不同高程各設定4條排水平硐與壩內集水廊道、集水井相接，排出的水由深井泵房集中抽排。第二道排水幕位於壩趾貼角處，排水進入下游水墊塘。除此而外，壩後抗力體的排水平洞和水墊塘排水廊道、排水暗溝和二道壩的排水，通過水墊塘深井泵房集中抽排。
5 洩洪消能建築物
二灘工程設計洪水重現期為1000年，洪峰流量20600m3/s，校核洪水重現期5000年，洪峰流量23900m3/s.為了適應高水頭、大流量、洩洪頻率和狹窄河段的特點，二灘工程的洩洪佈置採用壩身7個表孔、6箇中孔和右岸兩條洩洪洞共三套洩洪設施組合的方案。三套洩洪設施可以多種執行方式組合，互* 鉤浜捅贛茫?榛羈煽俊Ｈ?仔購檣枋┑男沽魅牒擁閶睪*道縱向分開，且出流末端採用不同的消能工、擴散水流減小沖刷。表、中孔聯合洩洪，其水舌上下碰撞消能、充分摻和分散水流。
壩身孔口布置在拱壩中間河床壩段。7個表孔沿壩頂呈徑向佈置，每孔尺寸11m×11.5m(寬×高)，設弧形閘門控制水流。表孔中間閘墩首部寬11m、尾部寬2m，孔口呈擴散狀，兩邊墩為不擴散的直線型，以防水流擴散衝擊岸坡，出口採用大差動俯角跌坎加分流齒坎的消能形式、單號孔跌坎堰面俯角30°，雙號孔俯角20°，中間5孔每孔設定兩個緊靠閘墩的分流齒坎，兩個邊孔只靠邊墩各設一個分流齒坎。通過大差動跌坎加分流齒坎，出口水流縱、橫向充分擴散，大大減小了對水墊塘的衝擊動壓。水工模型試驗表明，衝擊動壓比不設齒坎的情況要減小80%以上。7個表孔在設計洪水位時洩量為6300m3/s，校核洪水位時洩量達9800m3/s.
6箇中孔佈置在表孔閘墩的下部，為上翹型壓力短管，出口採用挑流，出口斷面尺寸6m×5m(寬×高)，出口底部高程1120m～1122m，弧門工作水頭80m.為避免徑向佈置水流集中的影響並使水流縱向分散，6箇中孔分為對稱的三組(1＃和6＃、2＃和5＃、3＃和4＃)，其上挑角分別為10°、17°和30°，平面上分別向兩岸偏轉1°、2°和3°。中孔全長均用鋼襯。6箇中孔在設計洪水位時洩量6260m3/s，校核洪水位時洩量6450m3/s。
壩後消能防衝建築物包括水墊塘和二道壩及二道壩下游護坦。水墊塘長300m，複式梯形斷面，底寬40m.水墊塘末端的二道壩為混凝土重力壩，溢流段寬100m，頂部高程1012m、最大壩高35m、壩內下游側設灌漿廊道和排水廊道。
兩條洩洪洞呈直線平行佈置在右岸，兩洞中心距40m，系短進水口龍抬頭明流隧洞，斷面尺寸為13m×13.5m(寬×高)的園拱直牆式，長度分別為882.5m和1253.2m，進口底板高程1163m，洞身縱坡分別為7.9%和7%，出口底高程1040m，洩洪落差160m，出口採用挑流消能。設計洩洪能力2×3700m3/s，校核洪水時洩量達2×3800m3/s，最大流速為45m/s.除採用高強矽粉混凝土襯護外，分別在兩條洩洪洞中設定5道和7道摻氣設施，摻氣設施採用帶U型槽的挑坎。出口水流經挑坎擴散後落入下游河床。
6 拱壩施工
二灘工程施工導流採用河床圍堰、兩岸隧洞導流的方式、導流建築物按重現期30年的洪水13500m3/s設計，左、右岸各設一條導流洞，長度分別為1089m和1167m，斷面為園拱直牆型，寬17.5m、高23m上、下游圍堰為土石圍堰，填築高度分別為56m和30m，圍堰基礎防滲採用高壓旋噴灌漿，基坑內基本無滲水。壩基開挖採用梯段爆破，邊坡系統噴錨、邊開挖邊支護。兩岸邊坡和右岸部分壩基用予裂爆破，其餘壩基均用予留保護層的方法施工。拱壩混凝土施工的全過程採用計算機模擬程式進行監控，保證了施工計劃的實施。
6.1 混凝土原材料和配合比 水泥採用攀枝花市渡口水泥廠生產的525＃矽酸鹽大壩水泥，28d膠砂抗壓強度平均達59.39MPa；7d水化熱259.19KJ/kg.粉煤灰採用攀枝花市河門口熱電廠生產的粉煤灰，外加劑為國產ZB-1萘系高效減水劑和AEA202引氣劑。骨料是正長巖，質地堅固、新鮮、粒型好、質量穩定，砂子細度模數平均2.85(2。58/3.17)，石粉(＜0.074mm)含量平均4.3%，砂子含水率平均6.25%(3.7%/8.8%).
為保證混凝土的設計強度、耐久性和滿足施工和易性及溫控的要求，對拱壩各分割槽混凝土的配合比主要引數作了嚴格規定，見表1。
表1 混凝土設計強度及配合比主要引數
注：大壩全級配混凝土試件為45cm立方體，溼篩後試件為20cm立方體；有錨索間墩和大梁混凝土齡期為90d，全級配試件為30cm立方體。
拱壩A、B、C各分割槽混凝土均用四級配(最大骨料粒徑152mm)，A區主要用於靠基礎部位的強約束區和孔口周圍，佔混凝土總量的22.4%；B區用於壩體中部，佔62.6%；C區用於壩上部左右兩邊，佔15.0%.壩體混凝土不分內外，不設縱縫。實施施工使用的混凝土配合比見表2，抽樣試驗結果見表3.
表2 混凝土施工配合比
表3 混凝土抽樣試驗結果
注：錨索墩樑混凝土齡期為90d；抗壓強度合格率100%、保證率99%；混凝土絕熱溫升值＜27℃；混凝土具有20με左右的微膨脹效能。
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