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三峡工程大坝混凝土快速施工新技术论文
摘 要：三峡工程自1993年开工至今，已经历了十个年头。工程建设进展顺利，工程进度符合总进度计划要求，工程质量满足设计要求，工程投资控制在概算范围之内，并在一些技术问题上取得了重大突破，创造了世界水电建设史上一批新的记录，1999年～2001年混凝土浇筑连续三年三破世界记录，本文对三峡工程大坝混凝土快速施工重大科技成就进行介绍。
关键词：三峡工程；混凝土；快速施工
1、三峡工程大坝混凝土施工特点
三峡水利枢纽是开发和治理长江的关键性骨干工程。是中国、也是世界最大的水利枢纽工程。三峡工程具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益，建成后对我国社会经济的发展将产生巨大的影响。枢纽主要建筑物由大坝、水电站和通航建筑物等三大部分组成。拦河大坝为混凝土重力坝，最大坝高181m。水电站采用坝后式厂房，总装机容量1820万kW。
根据三峡工程建设方案，三峡工程大坝混凝土施工主要有以下特点。
(1) 工程量巨大。三峡工程混凝土工程总量为2 800万m3，是长江葛洲坝工程的2.5倍 ，为世界上已建最大的巴西伊泰普工程的2倍。第二阶段工程1 860万m3混凝土中，厂坝工程1200万m3。
(2) 高峰强度高，高峰期持续时间长。首先，枢纽工程年浇筑高峰强度特高，最高达548万m3，最大月强度55.35万m3，其中第二阶段厂坝工程年最高强度达400万m3，最高月强度达45万m3，强度在40万m3左右的月份将持续9～10个月。金属结构安装以及其它项目的施工强度高，大坝和厂房各类闸门、埋件及钢管等共约14.8万t，年高峰强度约5万t，而且安装与混凝土施工同步进行，相互干扰很大。其它工序如开挖、清基交面、固接灌浆、接缝灌浆等无论总量，或是施工强度也都是国内外水电建设史上罕见的。其次，夏季浇筑基础约束区混凝土强度高。工程的特点，决定了必须要在夏季大量浇筑约束区混凝土，这既是一个施工组织难题，也是重大的技术和质量控制难题。第三，初期混凝土施工强度高。大坝下部仓面面积大，从满足大坝均匀、连续上升，间歇期尽可能短的角度，必须要做到高强度。而初期则由于主要浇筑设备形成需要时间、操作熟练需要有个过程，使这一矛盾十分突出。
(3) 施工干扰大、施工技术要求高、难度大。施工干扰大，一是工程施工过程中，各种工序交叉或平行作业，相互之间干扰很大；二是由于工程巨大，必须分几个标段施工，各承包商之间在界面交接、设备使用、进度协调等方面必然存在大量分歧，干扰很大。
(4) 施工技术要求高、难度大。长江洪水峰高、量大、水深；施工期通航要求高，第二阶段工程施工期间，导流明渠要通航，使左、右岸分割不能支援，这些都给施工安排带来困难。
2、大坝混凝土快速施工带来的技术难题
(1) 在当时情况下，国内已有的浇筑手段如大型门塔机、缆式起重机等，均难以满足施工强度要求；如果增加数量，按国内类似水平推算，需120余台，施工场地又布置不下。同时，与传统浇筑手段相应的传统施工工艺也难以满足施工强度和质量要求。加之三峡大坝结构复杂、混凝土的标号、级配种类繁多，给混凝土快速施工更增加了复杂性和难度。
(2) 为满足三峡混凝土强度需要，必须设计和建设当今国内外最大规模的人工砂石料和混凝土、制冷生产系统以及与之相配套设施及管理。
(3)三峡工程是千年大计、国运所系，必须从原材料及混凝土的各环节高度重视三峡工程混凝土的质量和耐久性，要求高性能的混凝土。
(4)第二阶段混凝土浇筑高峰持续三年，而本地区夏季持续时间长，不利混凝土浇筑，温控防裂问题异常突出，为确保夏季混凝土的照常施工，特别是基础强约束区部位的混凝土。以往各工程所采取的单项或多项温控措施联用都已经不能满足施工要求，必须采取全过程、全方位、高标准大容量的综合温控措施，尽可能减少一般性表面裂缝，避免产生危害性的基本贯穿 性裂缝。
(5) 传统的混凝土浇筑仓位安排采取人工调度方法，大多靠经验主观判断，随意性较大，不能满足大规模高强度施工需求。因此，必须采取科学排仓方法和现代测控技术，保证混凝土连续、高效、均衡地施工。上述几方面的问题，正是三峡大坝混凝土快速施工必须攻克的关键难题。十分显然，如果这些难题不能在三峡工程施工中按期攻克，势必严重拖延工程的建设工期，使国家蒙受巨大的政治影响和经济损失。为此，我们抓住混凝土快速施工关键技术研究这一课题，进行立项并在工程施工前期和施工过程中开展系统科技攻关。
3、三峡大坝混凝土施工的关键技术及创新
三峡工程混凝土总量达2800万m3，其中第二阶段工程为1860万m3，工程量巨大，施工强度特高，高峰期持续时间长。同时金属结构安装及其它项目的施工强度也非常高，施工期有通航要求，施工干扰大。三峡工程是国运所系的民族工程，技术要求高，质量要求严，因而在施工技术上必须有重大突破和创新。三峡工程大坝混凝土快速施工新技术研究和实践的主要技术突破和创新点如下。
3.1 创造了水电施工混凝土浇筑强度的世界记录
经过充分反复论证，选定以塔带机为主、辅以大型门塔机和缆机的综合施工方案。从传统常规的吊罐浇筑系统升华为混凝土连续浇筑的系统，由各混凝土拌和楼通过皮带机系统输送到塔带机直接入仓浇筑，浇筑速度远远超过了常规方式。1999年～2001年是三峡第二阶段工程混凝土浇筑持续高峰年，年混凝土浇筑强度均在400万m3以上，2000年最高混凝土浇筑强度达548万m3，月最高混凝土浇筑强度55.35万m3，日最高混凝土浇筑强度2.2万m3，连续三年混凝土浇筑总量高达100万m3以上，2000年最高混凝土浇筑强度达548万m3，月最高混凝土浇筑强度55.35万m3，日最高混凝土浇筑强度2.2万m3，连续三年混凝土浇筑总量高达1409万m3。远超过了由古比雪夫水电站创造的年浇筑313万m3、月浇筑38.9万m3和日浇筑1.9万m3的世界最高水平，创造了新的世界记录。
与混凝土快速施工相配套的还有砂石料特高强度生产及供应。为实现砂石料的特高强度生产和供应，采用了国际先进的生产加工成套设备，充分利用基坑开挖石碴料等有效措施，首创了巴马克9000与棒磨机联合制砂新工艺，有效地保证了混凝土施工需要。
3.2 创立了一整套混凝土快速施工工艺和质量保证体系
塔带机可实现混凝土生产工厂化和混凝土水平垂直运输的一体化，具有连续浇筑、生产率高的特点。三峡工程大坝共布置6台塔带机，每台理论设计生产率可达420m3/h，这是在世界水电建设史上前所未有的。为了与选定的特高强度浇筑方案相配套，确保混凝土浇筑进度和质量，建立了一整套新的施工工艺和现代施工管理体系，包括建立健全质量保证体系，全面推行仓面工艺设计，制定一整套严密的浇筑施工工艺，配备与入仓强度相匹配的仓面资源，形成了具有三峡工程特色的混凝土快速施工工法，创造了塔带机浇筑四级配和一个仓号多品种混凝土的首例。
混凝土生产输送浇筑计算机综合监控系统，是在大型水利水电工程施工中融入现代测控技术的一次创新，实现了混凝土施工全过程的实时监控、动态调整和优化调度，开创了大型水电工程项目立足于自主技术，实现了施工计算机综合监控。混凝土浇筑施工计算机模拟系统针对混凝土浇筑的复杂状况，对施工方案和施工计划进行更科学的选择和安排，突破了传统的经验决策模式，有助于大幅度提高混凝土施工效率。
3.3 首创二次风冷骨料新技术
三峡工程采用二次风冷骨料技术为国内外首创，它解决了混凝土制冷系统规模大，施工场地不足，系统难以布置的困难，节省了大量施工用地及工程投资。该技术高效可靠，为三峡工程快速优质施工提供了重要保证，为混凝土预冷工程提供了一项先进可靠的新技术。混凝土生产系统采用了二次风冷技术，5个系统9座拌和楼，夏季月生产低温混凝土可达45万m3，其配置的制冷容量大大低于原有的制冷方法。经过1999年～2001年3个夏季高峰的运行，实测混凝土出机口平均温度为6.85℃，小于7℃合格率均在80%以上，确保了混凝土的生产质量。
3.4 混凝土原材料及配合比优化达到一流水平
混凝土原材料采用具有微膨胀性能的中热525#硅酸盐水泥；选用品质优良的高效减水剂；在混凝土中将Ⅰ级粉煤灰作为功能材料掺用；采用缩小水胶比加大粉煤灰掺量的技术路线；限制原材料的碱含量和混凝土总碱量，满足了三峡混凝土耐久性的特殊要求。混凝土配合比先进。用花岗岩人工骨料的大坝四级配混凝土在塔带机为主的运输浇筑方式情况下，其用水量仅为90kg/m3左右，并能满足高性能大坝混凝土的要求。
3.5 首次全面实施全过程综合温控技术
三峡工程大坝柱状块尺寸大，基础温差标准高，温控措施要求严格。为此，在广泛分析国内外工程已采取单项或多项温控措施现状的基础上，首次实施全过程、全方位、高标准、大容量的综合温控技术，以确保混凝土施工质量。尤其是高温季节塔带机快速高强度浇筑坝体约束区混凝土，在国内外为首次，没有可借鉴的施工经验及有关计算分析方法确定混凝土运输过程中温度回升率。对此，建立新的计算模型采用差分法求解，解决了混凝土温度回升计算的难题。三峡工程各建筑物孔洞多，结构复杂，混凝土温控防裂难度大，更增加了研究的难度。坝区气温骤降频繁，混凝土表面防裂难度大。所采用的大柱状块温差标准及综合温控防裂措施的规模和难度，均超过国内外其它己建和在建工程的水平。
通过实施全过程综合温控措施，减少了裂缝的产生。三峡第二阶段工程3年连续高强度施工共完成混凝土浇筑1400余万m3,未发现危害性贯穿裂缝，大坝工程表面裂缝的最大出现机率仅为0.16条/万m3，远远低于《三峡工程质量标准》（TGPS）的0.5条/万m3的 控制标准。
4、与国内外水平的综合比较
国外在20世纪前70年，水电开发迅猛。据不完全统计，200m以上的高混凝土坝就达20多座，进人20世纪80年代后，国外在建大型水电站不多，规模也较小。在建的大型工程主要分布于 第三世界委内瑞拉、印度、阿根廷等。在传统的混凝土重力坝施工方面，除继续采用柱状分块、栈桥门机或缆机运输，冷却水管散热和纵缝灌浆的一整套施工工艺外，通仓薄层浇筑的方法也得到发展，在日本大河内施工中采用的先通仓浇筑，再用切缝机切出横缝也属此类方法。在混凝土浇筑强度方面，国外高混凝土坝最高月浇筑强度水平较高的有：美国大古力坝37.8万m3，巴西、巴拉圭合建的伊泰普大坝34.8万m3，古比雪夫坝38.9万m3。年浇筑强度较高的前几位有伊泰普坝304万m3，大古力坝260万m3，德沃歇克坝221万m3，古比雪夫坝曾达到313万m3。我国从20世纪50年代末60年代初开工兴建一批100m级的高混凝土坝，随后，葛洲坝、乌江渡、潘家口、龙羊峡、东江、隔河岩、水口、二滩等一批大型工程相继兴建，在混凝土施工技术方面，20世纪50～60年代许多工作都存在“三边”现象，多采用半机械化工作，施工不能成龙配套，效率较低。进入70年代后，积极吸收国外先进技术，一批新设备、新技术、新工艺、新材料广泛在工程上使用，施工生产水平逐步提高。
在混凝土浇筑强度方面，最高月浇筑强度水平较高的有：葛洲坝24万m3，二滩24.5万m3。最高年浇筑强度水平较高的有三门峡96万m3，葛洲坝203万m3，二滩212万m3。
三峡工程枢纽设计混凝土总量为2800万m3，分为3个阶段施工，其中，第二阶段大坝混凝土工程是控制第二阶段的主要项目，1998年进入第二阶段工程混凝土施工后，其混凝土年强度都在400万m3以上，最高年强度达548万m3。
综上所述，在大坝混凝土快速施工的强度水平方面，国外混凝土浇筑最
最高年、月、日记录为古比雪夫大坝所创造，分别为313万m3、38.9万m3和1.9万m3。国内混凝土浇筑的最高年、月强度为二滩工程所创造，分别为212万m3、24.5万m3，最高日强度为葛洲坝工程的1.69万m3。而三峡工程大坝混凝土最高年、月、日浇筑强度分别达548万m3、55.35万m3、2.2万m3，1999年～2001年3年的年强度在400万m3以上，月均浇筑强度达39万m3，连续三年破世界纪录。在大坝混凝土浇筑方案和配套工艺方面，国外如墨西哥惠特斯水电工程大坝已采用了3台以内小规模的塔带机浇筑方案及其仓面配套工艺。国内沿用传统的大型门塔机或缆机等浇筑方案及其传统的以人工为主的仓面工艺，浇筑施工中，所配备的机械设备和人员都比较多。而三峡工程大坝采用6台大规模塔（顶）带机，并独创了一整套快速施工工艺，同时，研究开发并实施混凝土生产输送浇筑综合监控系统和计算机模拟系统，使工程机械化、自动化程度和综合施工管理水平大幅度提高。在混凝土拌和制冷生产工艺方面，国内外实施7℃低温混凝土工程的代表有伊泰普和葛洲坝工程，但它们都只采用了水冷+风冷+冰的工艺，不仅占地较大，而且造价较高。而三峡工程首创二次风冷+冰新工艺，在有效地解决系统规模大，施工场地不足，系统难以布置的难题的同时，还节省了大量施工用地和工程投资。在混凝土原材料及配合比优化方面，混凝土用水量多少直接反应了混凝土配合比的设计水平和特性。国内外161座大坝混凝土配合比参数表明，以花岗岩作骨料的大坝混凝土最低用水量为100kg/m3，而三峡工程经过优化后的混凝土用水量仅90kg/m3左右，且混凝土各项性能均满足大坝高性能混凝土的要求。在大坝混凝土温度控制和防裂技术方面，国内外资料仅见有单项温控措施或几种温控措施联用的报道，更没有塔带机输送混凝土温控措施的报道。而三峡工程首次全面实施全过程、全方位、高标准、大容量的综合温控技术，使大坝混凝土未出现危害性贯穿裂缝，表面裂缝出现机率也少于国内外其它工程，创造了世界最新水平。
5、结论
该项研究成果自1998年底三峡第二阶段工程大坝混凝土开始浇筑以来，在施工中得到了全面应用，并取得了巨大的综合经济效益。该项成果有力地保证了三峡第二阶段工程的顺利实施，为确保2003年初期蓄水、船闸通航和首批机组发电起到了重要作用。并取得了约10亿元的直接经济效益。该成果可在溪洛渡、向家坝、龙滩、小湾、水布垭等大型水电工程推广应用，将会取得更大的综合效益。
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