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三峽工程大壩混凝土快速施工新技術論文
摘 要：三峽工程自1993年開工至今，已經歷了十個年頭。工程建設進展順利，工程進度符合總進度計劃要求，工程質量滿足設計要求，工程投資控制在概算范圍之內，并在一些技術問題上取得了重大突破，創造了世界水電建設史上一批新的記錄，1999年～2001年混凝土澆筑連續三年三破世界記錄，本文對三峽工程大壩混凝土快速施工重大科技成就進行介紹。
關鍵詞：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
三峽水利樞紐是開發和治理長江的關鍵性骨干工程。是中國、也是世界最大的水利樞紐工程。三峽工程具有防洪、發電、航運等巨大的綜合效益，建成后對我國社會經濟的發展將產生巨大的影響。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，總裝機容量1820萬kW。
根據三峽工程建設方案，三峽工程大壩混凝土施工主要有以下特點。
(1) 工程量巨大。三峽工程混凝土工程總量為2 800萬m3，是長江葛洲壩工程的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) 高峰強度高，高峰期持續時間長。首先，樞紐工程年澆筑高峰強度特高，最高達548萬m3，最大月強度55.35萬m3，其中第二階段廠壩工程年最高強度達400萬m3，最高月強度達45萬m3，強度在40萬m3左右的月份將持續9～10個月。金屬結構安裝以及其它項目的施工強度高，大壩和廠房各類閘門、埋件及鋼管等共約14.8萬t，年高峰強度約5萬t，而且安裝與混凝土施工同步進行，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，或是施工強度也都是國內外水電建設史上罕見的。其次，夏季澆筑基礎約束區混凝土強度高。工程的特點，決定了必須要在夏季大量澆筑約束區混凝土，這既是一個施工組織難題，也是重大的技術和質量控制難題。第三，初期混凝土施工強度高。大壩下部倉面面積大，從滿足大壩均勻、連續上升，間歇期盡可能短的角度，必須要做到高強度。而初期則由于主要澆筑設備形成需要時間、操作熟練需要有個過程，使這一矛盾十分突出。
(3) 施工干擾大、施工技術要求高、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，相互之間干擾很大；二是由于工程巨大，必須分幾個標段施工，各承包商之間在界面交接、設備使用、進度協調等方面必然存在大量分歧，干擾很大。
(4) 施工技術要求高、難度大。長江洪水峰高、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難題
(1) 在當時情況下，國內已有的澆筑手段如大型門塔機、纜式起重機等，均難以滿足施工強度要求；如果增加數量，按國內類似水平推算，需120余臺，施工場地又布置不下。同時，與傳統澆筑手段相應的傳統施工工藝也難以滿足施工強度和質量要求。加之三峽大壩結構復雜、混凝土的標號、級配種類繁多，給混凝土快速施工更增加了復雜性和難度。
(2) 為滿足三峽混凝土強度需要，必須設計和建設當今國內外最大規模的人工砂石料和混凝土、制冷生產系統以及與之相配套設施及管理。
(3)三峽工程是千年大計、國運所系，必須從原材料及混凝土的各環節高度重視三峽工程混凝土的質量和耐久性，要求高性能的混凝土。
(4)第二階段混凝土澆筑高峰持續三年，而本地區夏季持續時間長，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，特別是基礎強約束區部位的混凝土。以往各工程所采取的單項或多項溫控措施聯用都已經不能滿足施工要求，必須采取全過程、全方位、高標準大容量的綜合溫控措施，盡可能減少一般性表面裂縫，避免產生危害性的基本貫穿 性裂縫。
(5) 傳統的混凝土澆筑倉位安排采取人工調度方法，大多靠經驗主觀判斷，隨意性較大，不能滿足大規模高強度施工需求。因此，必須采取科學排倉方法和現代測控技術，保證混凝土連續、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，勢必嚴重拖延工程的建設工期，使國家蒙受巨大的政治影響和經濟損失。為此，我們抓住混凝土快速施工關鍵技術研究這一課題，進行立項并在工程施工前期和施工過程中開展系統科技攻關。
3、三峽大壩混凝土施工的關鍵技術及創新
三峽工程混凝土總量達2800萬m3，其中第二階段工程為1860萬m3，工程量巨大，施工強度特高，高峰期持續時間長。同時金屬結構安裝及其它項目的施工強度也非常高，施工期有通航要求，施工干擾大。三峽工程是國運所系的民族工程，技術要求高，質量要求嚴，因而在施工技術上必須有重大突破和創新。三峽工程大壩混凝土快速施工新技術研究和實踐的主要技術突破和創新點如下。
3.1 創造了水電施工混凝土澆筑強度的世界記錄
經過充分反復論證，選定以塔帶機為主、輔以大型門塔機和纜機的綜合施工方案。從傳統常規的吊罐澆筑系統升華為混凝土連續澆筑的系統，由各混凝土拌和樓通過皮帶機系統輸送到塔帶機直接入倉澆筑，澆筑速度遠遠超過了常規方式。1999年～2001年是三峽第二階段工程混凝土澆筑持續高峰年，年混凝土澆筑強度均在400萬m3以上，2000年最高混凝土澆筑強度達548萬m3，月最高混凝土澆筑強度55.35萬m3，日最高混凝土澆筑強度2.2萬m3，連續三年混凝土澆筑總量高達100萬m3以上，2000年最高混凝土澆筑強度達548萬m3，月最高混凝土澆筑強度55.35萬m3，日最高混凝土澆筑強度2.2萬m3，連續三年混凝土澆筑總量高達1409萬m3。遠超過了由古比雪夫水電站創造的年澆筑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度生產及供應。為實現砂石料的特高強度生產和供應，采用了國際先進的生產加工成套設備，充分利用基坑開挖石碴料等有效措施，首創了巴馬克9000與棒磨機聯合制砂新工藝，有效地保證了混凝土施工需要。
3.2 創立了一整套混凝土快速施工工藝和質量保證體系
塔帶機可實現混凝土生產工廠化和混凝土水平垂直運輸的一體化，具有連續澆筑、生產率高的特點。三峽工程大壩共布置6臺塔帶機，每臺理論設計生產率可達420m3/h，這是在世界水電建設史上前所未有的。為了與選定的特高強度澆筑方案相配套，確�；炷翝仓M度和質量，建立了一整套新的施工工藝和現代施工管理體系，包括建立健全質量保證體系，全面推行倉面工藝設計，制定一整套嚴密的澆筑施工工藝，配備與入倉強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，創造了塔帶機澆筑四級配和一個倉號多品種混凝土的首例。
混凝土生產輸送澆筑計算機綜合監控系統，是在大型水利水電工程施工中融入現代測控技術的一次創新，實現了混凝土施工全過程的實時監控、動態調整和優化調度，開創了大型水電工程項目立足于自主技術，實現了施工計算機綜合監控。混凝土澆筑施工計算機模擬系統針對混凝土澆筑的復雜狀況，對施工方案和施工計劃進行更科學的選擇和安排，突破了傳統的經驗決策模式，有助于大幅度提高混凝土施工效率。
3.3 首創二次風冷骨料新技術
三峽工程采用二次風冷骨料技術為國內外首創，它解決了混凝土制冷系統規模大，施工場地不足，系統難以布置的困難，節省了大量施工用地及工程投資。該技術高效可靠，為三峽工程快速優質施工提供了重要保證，為混凝土預冷工程提供了一項先進可靠的新技術。混凝土生產系統采用了二次風冷技術，5個系統9座拌和樓，夏季月生產低溫混凝土可達45萬m3，其配置的制冷容量大大低于原有的制冷方法。經過1999年～2001年3個夏季高峰的運行，實測混凝土出機口平均溫度為6.85℃，小于7℃合格率均在80%以上，確保了混凝土的生產質量。
3.4 混凝土原材料及配合比優化達到一流水平
混凝土原材料采用具有微膨脹性能的中熱525#硅酸鹽水泥；選用品質優良的高效減水劑；在混凝土中將Ⅰ級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�；炷僚浜媳认冗M。用花崗巖人工骨料的大壩四級配混凝土在塔帶機為主的運輸澆筑方式情況下，其用水量僅為90kg/m3左右，并能滿足高性能大壩混凝土的要求。
3.5 首次全面實施全過程綜合溫控技術
三峽工程大壩柱狀塊尺寸大，基礎溫差標準高，溫控措施要求嚴格。為此，在廣泛分析國內外工程已采取單項或多項溫控措施現狀的基礎上，首次實施全過程、全方位、高標準、大容量的綜合溫控技術，以確�；炷潦┕べ|量。尤其是高溫季節塔帶機快速高強度澆筑壩體約束區混凝土，在國內外為首次，沒有可借鑒的施工經驗及有關計算分析方法確定混凝土運輸過程中溫度回升率。對此，建立新的計算模型采用差分法求解，解決了混凝土溫度回升計算的難題。三峽工程各建筑物孔洞多，結構復雜，混凝土溫控防裂難度大，更增加了研究的難度。壩區氣溫驟降頻繁，混凝土表面防裂難度大。所采用的大柱狀塊溫差標準及綜合溫控防裂措施的規模和難度，均超過國內外其它己建和在建工程的水平。
通過實施全過程綜合溫控措施，減少了裂縫的產生。三峽第二階段工程3年連續高強度施工共完成混凝土澆筑1400余萬m3,未發現危害性貫穿裂縫，大壩工程表面裂縫的最大出現機率僅為0.16條/萬m3，遠遠低于《三峽工程質量標準》（TGPS）的0.5條/萬m3的 控制標準。
4、與國內外水平的綜合比較
國外在20世紀前70年，水電開發迅猛。據不完全統計，200m以上的高混凝土壩就達20多座，進人20世紀80年代后，國外在建大型水電站不多，規模也較小。在建的大型工程主要分布于 第三世界委內瑞拉、印度、阿根廷等。在傳統的混凝土重力壩施工方面，除繼續采用柱狀分塊、棧橋門機或纜機運輸，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展，在日本大河內施工中采用的先通倉澆筑，再用切縫機切出橫縫也屬此類方法。在混凝土澆筑強度方面，國外高混凝土壩最高月澆筑強度水平較高的有：美國大古力壩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，古比雪夫壩曾達到313萬m3。我國從20世紀50年代末60年代初開工興建一批100m級的高混凝土壩，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，在混凝土施工技術方面，20世紀50～60年代許多工作都存在“三邊”現象，多采用半機械化工作，施工不能成龍配套，效率較低。進入70年代后，積極吸收國外先進技術，一批新設備、新技術、新工藝、新材料廣泛在工程上使用，施工生產水平逐步提高。
在混凝土澆筑強度方面，最高月澆筑強度水平較高的有：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。
三峽工程樞紐設計混凝土總量為2800萬m3，分為3個階段施工，其中，第二階段大壩混凝土工程是控制第二階段的主要項目，1998年進入第二階段工程混凝土施工后，其混凝土年強度都在400萬m3以上，最高年強度達548萬m3。
綜上所述，在大壩混凝土快速施工的強度水平方面，國外混凝土澆筑最
最高年、月、日記錄為古比雪夫大壩所創造，分別為313萬m3、38.9萬m3和1.9萬m3。國內混凝土澆筑的最高年、月強度為二灘工程所創造，分別為212萬m3、24.5萬m3，最高日強度為葛洲壩工程的1.69萬m3。而三峽工程大壩混凝土最高年、月、日澆筑強度分別達548萬m3、55.35萬m3、2.2萬m3，1999年～2001年3年的年強度在400萬m3以上，月均澆筑強度達39萬m3，連續三年破世界紀錄。在大壩混凝土澆筑方案和配套工藝方面，國外如墨西哥惠特斯水電工程大壩已采用了3臺以內小規模的塔帶機澆筑方案及其倉面配套工藝。國內沿用傳統的大型門塔機或纜機等澆筑方案及其傳統的以人工為主的倉面工藝，澆筑施工中，所配備的機械設備和人員都比較多。而三峽工程大壩采用6臺大規模塔（頂）帶機，并獨創了一整套快速施工工藝，同時，研究開發并實施混凝土生產輸送澆筑綜合監控系統和計算機模擬系統，使工程機械化、自動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工藝方面，國內外實施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+風冷+冰的工藝，不僅占地較大，而且造價較高。而三峽工程首創二次風冷+冰新工藝，在有效地解決系統規模大，施工場地不足，系統難以布置的難題的同時，還節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化方面，混凝土用水量多少直接反應了混凝土配合比的設計水平和特性。國內外161座大壩混凝土配合比參數表明，以花崗巖作骨料的大壩混凝土最低用水量為100kg/m3，而三峽工程經過優化后的混凝土用水量僅90kg/m3左右，且混凝土各項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方面，國內外資料僅見有單項溫控措施或幾種溫控措施聯用的報道，更沒有塔帶機輸送混凝土溫控措施的報道。而三峽工程首次全面實施全過程、全方位、高標準、大容量的綜合溫控技術，使大壩混凝土未出現危害性貫穿裂縫，表面裂縫出現機率也少于國內外其它工程，創造了世界最新水平。
5、結論
該項研究成果自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用，并取得了巨大的綜合經濟效益。該項成果有力地保證了三峽第二階段工程的順利實施，為確保2003年初期蓄水、船閘通航和首批機組發電起到了重要作用。并取得了約10億元的直接經濟效益。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用，將會取得更大的綜合效益。
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