二、工程特点 C}>Pn{wY9
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小浪底水利枢纽工程以其在治理黄河所占有的重要地位、特殊的高含沙水流、复杂自然地质条件、对枢纽运用调度的严格要求以及巨大的工程规模而被中外专家称为世界最复杂、最具挑战性的水利工程之一。其工程主要特点是： wW?/`>@
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(一)、要求枢纽建筑物在低水位条件下能宣泄大流量含沙水流 e qzmEg
为满足小浪底枢纽最重要的防洪和减淤的要求。在规划的126.5亿m3总库容中予留75.5亿m3库容拦存100亿吨泥沙，以取得下游河床在20年内不淤积抬高的减淤效果，但要长期保存其余51亿m3有效兴利库容，以免重蹈三门峡水库当年的复辙。因此，要求小浪底枢纽在低水位时能宣泄大流量进行冲沙，具体要求在死水位230m时，枢纽总泄量不低于8000m3/s。在非常死水位220m时泄量不低于7000m3/s。这一条件给小浪底枢纽设计和建设提出了一个十分困难的课题。 +#a_Y
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(二)复杂的工程地质条件 <+\
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坝址区出露地层主要为二选系和三选系泥岩和砂岩。地层产状倾向东即倾向下游方向，倾角8～12°，有4组较发育的节理。二岸岩层中较广泛地分布着6种类型的泥化夹层，其摩擦系数f=0.23～0.28，延续长度达60m～340m，均不同程度影响枢纽各建筑物的稳定。沿河床右岸出露F1断层，F28断层沿左岸进水塔前缘分布，左岸还有沿洞轴方向F236，F238、F240和F244等大断层，右岸坝肩有F230、F231和F238等断层。这些断层带对地下工程开挖稳定有很大影响。左岸山体由于翁沟、西沟等多个支沟的切割，形成了单薄的分水岭，且其下游方向断脚对稳定极其不利。坝址河床部分覆盖砂卵石，其深槽部位达80m深，且局部夹有粉砂层和细砂层，坝基渗透系数高为强透水体，坝基的防渗处理是工程的关键问题之一。坝址基本地震强度为7度，工程按8度设防，经水库诱发地震危险性分析，按震级6级，震中距10km震源深8km考虑。小浪底枢纽大坝和所有地下洞室尤其是密集的洞群结构在设计和施工的过程中，必须面对上述复杂的地质条件的挑战。 Td"_To@j d
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(三)工程泥沙的特殊处理 -SGo E=
小浪底枢纽年输沙量13.5亿t，平均含沙量为48.6kg/m3，历史上最大实测含沙量达941kg/m3，可谓世界之最。因此，对工程泥沙问题须给予特殊的关注。首先要防止泄水洞的进口流道不被泥沙淤堵，这是有关枢纽安全的重大问题。同时由于小浪底枢纽为高坝大库、汛期泄量大，其高速高含沙水流会引发对水工建筑物的流道、闸门门槽以及水轮发电机组等结构物的磨损和冲蚀破坏，也需有针对性的研究解决。 ub, GF?9
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(四)严格的水库运用调度要求 \sZT[42
为了全面满足水库防洪(包括防凌)、减淤、供水、灌溉和发电综合利用的要求，研究制定了严格的水库运用调度方案以保证下列目标的实现： ;# jE??E/:
1.保证水库长期保留40.5亿m3的防洪库容和10.5亿m3调水调沙库容。 d nW #"
2.水库分阶段抬高水位运用，初期三年控制汛期运用水位205m，随后10年逐渐抬高汛期运用水位至254m，其后汛期水位在230～254m之间往返变化，直到形成高滩深槽水库。 *[SOz)
3.研究控制水库汛期最佳泄量和洪量以保证不致严重冲刷河南省河道而淤积下游的山东河床，保持下游河势稳定。 [x\?._>
小浪底水库的调度运用方案研究涉及水文、泥沙、水工、人文、地理等方方面面，问题十分复杂。目前仍在集中力量采取数学、物理模型和实践经验等各种方法，继续研究力求调度方案得到不断的完善。 YLVZ]fN=>
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三、先进技术应用与创新 :t8?!9g
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针对小浪底工程特点所提出的一系列挑战性课题，在小浪底项目设计和施工建设17年间，进行了近400项科学试验研究，及时总结经验，采用新技术、新工艺、新材料和先进的施工设备，不断创新，取得了丰硕的科技成果，为成功解决工程建设中的困难课题发挥了重要作用。下面介绍几个主要的先进技术问题研究与创新。 8+yC P_Y4
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(一)大坝基础深混凝土防渗墙施工 ta'{S=^j
大坝坝基覆盖砂卵石层厚达80m，为强透水层，采用1.2m厚进防渗墙阻水。防渗墙轴线总长407.4m，其最大造孔深度81.9m，是我国最深的防渗墙。墙体混凝土28天强度达33Mpa、给接头造孔带来很大困难，覆盖层部地质条件复杂，存在夹砂层和基岩陡坎，成孔难度大。 (o5^@aDr
防渗墙分左、右岸二期施工。第一期右岸部分由中国水利水电基础工程局完成，历时20个月完成墙体面积10600m2。施工采用 CZ-30、CZ-20型冲击钻孔，但采用了膨涧土泥浆系统，保证了清孔质量并研究改用缓凝型混凝土克服高强墙体混凝接缝造孔困难的问题。第二期左岸部分由法国地基建筑公司(BGS)承建，采用HF4000履带自行式液压铣槽机，KL1200型机械抓斗等先进设备，大大提高了工效，仅用3个月时间就完成5176m2墙体面积。值得注意的是针对高强砼墙体连接处造孔困难的课题，成功地采用了“横向槽孔填充塑性砼保护下的平接式接头”工艺，这在世界上还是首创。其工艺方法是在一、二期槽孔接头处先用抓斗开挖一横向槽孔，并回填低标号1～2Mpa塑性混凝土，对后续槽孔开挖和砼浇筑起着防渗和护孔的作用；在二期槽孔浇筑砼之前，用铣槽机将一期槽孔已浇的砼，从上至下铣去伸入至二期槽内的10cm一期混凝土，并将孔壁和孔底岩石铣平，接缝平直且留有铣刀痕迹，而后浇筑二期槽砼。这种工艺有效地保证了每个槽头接头处砼质量和墙体底部与岩石接触密合。从12个检查孔取出的样品，证实了槽间缝结构以及与底部岩石结合非常密合，透水率均达到并超过了小于5Lu的要求。蓄水后的观测资料表明，砼防渗墙防渗效果良好。 B
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(二)进水口防泥沙淤堵 7I 0[Ii
黄河含沙量高，且来沙量集中在汛期，占全年沙量85%，黄河汛期水量不均，千年一遇洪水，要求枢纽总泄量达13990m3/s，但汛期经常泄量不足1000m3/s，甚至泄洪建筑物不过水(发电引水)。因此，16条过水隧洞，尤其是其中多数隧洞进口高程较低(以满足低水位大泄量的总体要求)，在长期不过水情况，其进口势必被很快淤堵，这将严重威胁枢纽的安全。因此，采用了泄水建筑物集中布置的方案。限于坝址地形和地质的条件，只能集中布置在左岸约1平方公里的山体内，这样就形成了由16条隧洞构成的洞群，以及由10座进水塔集中成一字型排列的进水塔和出口一座巨大消力塘，九条泄水洞和一座溢洪道水流从不同高程泄入塘内消能。16条隧洞进口集中布置在一起，一便共用一个进水流道。在任何情况下，10条泄水洞和6条发电引水洞，只要开启其中之一，进水流道就保持常年过流，就会冲刷进口淤堵的泥沙。这保证所有16个进水口能互相保护，防止淤堵。进水塔的布置十分独特和复杂，塔上装有各种型式闸门，拦污栅共64扇，各式起闭设备28台。进水塔砼方量虽达90万m3，但鉴于孔道密布，塔体却近似于框架结构。进水塔前缘总宽276.4，最大高度113m，平面上各种不同形式的泄洪洞洞口交错布置并紧密排列，而进水口立面高程上分为 4层，形成高位洞泄洪排污，低位洞排沙泄水的格局。排沙洞进口紧靠发电洞进口下方，以利浑水下行，较清水流过发电机。这种布置方式，经长达几年的浑水模型试验验证表明，在各级流量和不同含沙量情况下，进水口前均能保持宽度约100m河槽。进水口前未发生淤堵现象。为防止在水库骤降和地震特殊情况下，进口泥沙漏斗可能会发生滑塌淤积进口，在进水口前设置了淤积高程监测设备和高压水枪，以便及时冲开淤堵泥沙，保持进水口畅通。 Svun
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(三)大跨度地下结构的开挖与支护 ZP}NFh%,u
小浪底枢纽16条泄水隧洞集中穿过左岸山体内，其中三条孔板泄洪洞开挖直径达18m，在其孔板段后设有23.4m。宽42m高的中闸室。地下厂房开挖尺寸为251.5m长，26.2m宽，61.44m高,紧临其后还开挖150m长的变压器室和尾水闸门室。另外三条长约800多米的尾水洞开挖跨度也达19m。这些大跨度地下结构连同施工支洞、交通洞、通风竖井、灌浆洞。排水洞约一百多个，均座落在约1平方公里的范围的单薄山体内，形成密集空间布置的洞群系统，洞室群的洞挖总方量达280万m3，月平均开挖强度为10万 m3/月。洞群穿越地质条件极为复杂的山体，仅三条导流洞就穿过断层带总长度为544m。从而使洞群的设计和施工都成为挑战性的课题。所有地下工程均采用新奥法施工，多臂钻钻孔，光面爆破。根据各结构物的尺寸和地质条件，适时用锚杆、锚索和喷混凝土进行支护，同时安装了大量的收敛计，多点位移计，应力应变计，锚索测力计等观测仪器进行施工监测。在施工过程中，视现场情况，调整支护要求，如增加钢支撑，安装管式锚杆等。几乎所有大断面洞室均分期开挖，隧洞施工采用系列台车进行钢筋架立，砼衬砌以及灌浆等全部作业。导流洞进口段顶板与进水塔基之间覆盖岩层较薄，仅约11m厚，开挖方量约6万m3。岩层为砂岩，倾角8～12°，节理发育，有几条断层穿过。为保证三个跨度21.6m导流洞口在其上浅薄岩层开挖时的稳定，成功采取了特别措施：(1)开挖前在导流洞进口渐变段进行挂网喷砼并设置32根长13m锚杆，穿过洞顶覆盖层加固，并进行自重灌浆；(2)对薄层岩体开挖进行爆破试验以确定适当参数，采用予裂爆破以减少对周围岩体振动，留最后2m岩层进行结构开挖，在靠近塔基面0.5m处，单位耗药量控制0.5/m3以下。 9nrmz>es|-
高度61.44m的地下厂房，分10层开挖，在上下游边墙各留5m保护层进行周边光面爆破。厂房顶部发现有6层泥化夹层，为确保其稳定而增设325根1500KN予应力锚索支护。锚索长25m，间距4.5m×6.0m。采用德国DSI公司生产的双层保护锚索(水泥浆和波纹管，塑料套管和防腐剂)以延长使用寿命。锚索加固后，厂房顶部支护压力可由0.09Mpa提高到0.13Mpa。使用双排受力500KN予应力双层保护锚杆，固定厂房内岩臂吊车梁, 锚杆间距1.0m，长15m,该吊车梁承受2台500t桥机，经最大负荷试验表明，各项指标均达到设计要求。 MaS"V`NI
厂房下游侧尾水管洞之间岔管交会尖角处应力集中，该处顶面岩体跨度25m，高达18.7m，且发现泥化夹层。为确保岩体稳定，增设了6根1500KN予应力锚索，并在岩体尖角二侧安装钢架支撑，其间还架设钢筋砼板以抵抗沿泥化夹层剪切破坏力。 -m"9v%>Y
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(四)进出口高边坡施工期稳定加固技术 UcI;(Va
位于进水塔群后的进口边坡高达120m，坡度1:0.2，多处受断层带和不利结构面的切割。巨大消力塘的出口基岩边坡高处也达80m，但地质条件差，几条主要断层F236，F238、F240、F245及其分支断层在边坡上穿过，三组岩石节理发育，坡面地层以8～11°倾角倾向坡外，地层间夹有泥化夹层，其F值范围为0.2～0.28，对岩坡稳定不利。在进出口开挖期间，曾多次发生塌方，引起各方高度警惕。所以进出口高边坡稳定对泄水建筑物的安全运行至关重要。 ;[,r./XmH
1.进口边坡采用控制爆破、减载、予应力锚索、排水系统砂料锚杆、钢纤维喷混凝土等措施予以加固。原观资料表明，建成后的进口高边坡变形速率己趋于零，证明边坡是稳定的。 9yrSCDu00
2.出口边坡在未加固前稳定处于极限状态，除按原设计进行系统锚杆，喷砼等岩石支护外，在施工初始，沿出口边坡内115m高程打排水洞，每小时抽水量达240m3，使边坡内原地下水位由135m降至120m。以保持边坡内岩体干燥提高了稳定性。在施工过程中根据实际情况，果断地采取了优化体形、坡顶浇筑混凝土平台防渗、予应力锚索、设5根砼抗滑桩、增加和增强支墩厚度以及在关键部位抬高边坡脚改变滑动面等加固措施，大大提高了出口边坡的稳定性。观测资料表明，水平变位速度己趋于零，出口边坡是稳定的。 ( +w>hCI
3.在进出口高边坡处理中先进的科技手段发挥了重要作用。除了在地质勘探和岩土力学试验所获大量资料基础上，采用了较为先进的边坡稳定分析计算程序(改进的Sarma法)外，还成功地应用了一些新技术和新工艺，如： FT$Z8
(1)双层保护予应力锚索。进口边坡装设了421根(1000KN～2000KN)，出口边坡设置了372根(2000KN～3000KN)。这类锚索的特点是在波纹管，PE护套套内充填防锈油和水泥浆体多层保护下，具有很强的防腐能力；可重覆张拉，且在张拉段锚索受力均匀；灌浆工工艺相对简单，其外锚头易于安装测力计进行予应力变化监测等。 Y;dQLZ CC
(2)钢纤维喷混凝土。小浪底工程进口边坡210m高程以上采用钢纤维喷混凝土技术，加固边坡面积达20000m2，其主要理由是此处边坡岩体破碎，爆破后岩面严重起伏不平难以挂网。所采用钢纤维喷混凝土层厚0.10m，分三层施喷，其底层和面层为素混凝土各0.03m厚，只有中层为钢纤维砼厚0.04m，钢纤维含量60km/m3。喷钢纤维砼工艺虽简单，但施工技术性很强，要求射手须经训练考试并具有一定工作经验。 J+o6*t2|
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(五)孔板消能泄洪洞的应用与施工 jM%8h$&E
1.缘由 lC AD $Ia~
小浪底水利枢纽施工工期，用3条内径为14.5m，长1100m钢筋混凝土衬砌的导流洞过水。其进口高程接近原河床高程，分别为132m(1#)和141.5m(2#、3#)高程，比水库正常蓄水位低143m～133.5m。1#导流洞仅用1年，2#、3#导流洞用2年，即完成导流任务后封闭。导流洞能否利用改建成在高水位下长期运用的泄洪洞是一个独特的困难课题。由于小浪底坝址地形条件及黄河高含沙水流运用的限制，左岸山体己密集布置16条泄洪和引水洞群，己难寻适当空间增设三条新的高程较低而洞径较大的泄洪洞、从而满足在水库低水位时宣泄大流量的特殊运用条件的要求。因此，把三条导流洞改建成永久泄洪洞应是首选方案。但若改建成龙抬头式常规的永久泄洪洞，则在高达140m水头条件下，明流流道高含沙水流流速将达48m/s，会导致水工结构冲蚀破坏。另外，洞内过高的压力，也将严重威胁处于地质条件较差的单薄山体内的围岩稳定。为解决这一棘手问题，经研究后提出了把导流洞改建为孔板消能泄洪洞方案。 @7 j$$
2.原理与试验研究 3 J !J#
孔板消能的原理是在原导流洞内前端适当位置，设置三道内径小于洞径的钢筋混凝土环形板，称作孔板环，其内径分别为10m和10.5m与原洞的洞径比分别为0.689和0.724。当高速水流流径每级孔板环时，水流发生突然收缩和扩大，从而在板后的洞腔内形成强烈的紊流，水流内部发生的磨擦、剪切和碰撞，将其能量转化为热能，而消煞大量的动能和势能，达到了降低洞内流速和压力的目的。三级孔板的后面，设置了中间闸室，由中墩分隔。改建时，缩小其闸室过水断面并安装二扇偏心绞弧形门，以保持闸室前各孔板消能段水流的适当压力，使其不致发生空化破坏。这种大直径泄洪洞内设孔板环的消能方式，在世界上尚无实际经验借鉴。为此，自1984年以来，曾进行30多项有关孔板消能的水力学和结构动力学方面的试验研究。为了进一步验证理论计算和模型试验成果，1987年曾在甘肃碧口水电站将直径为4.4m的排沙洞改建为二级孔板消能洞，成功地进行原型观测试验，取得了大量数据，为小浪底工程孔板消能泄洪方式提供了可靠依据。 iu9 <]1k
3.导流洞改建施工技术 CL)*cu6zG
导流洞于1997年10月建成导流后，按计划要求，1#导流洞于1998年汛后11月开始关闭改建，于1999年汛前6月底完建。2#、3#导流洞于1999年汛后关闭改建，于2000年6月底汛前完建。要求工期必须在一个枯水期8个月内完成，以满足渡汛要求。 fp`k1Uq@
改建包含以下主要工作项目： o NqIrYH'
●关闭导洞进口闸门 $YztLcn
●折移导洞和交通洞之间封堵钢门、恢复施工交通道 LeT OVgjA|
●导流洞出口围堰填筑(1#洞) )@,zG(t5;
●导流洞进口段封堵(共计36块448714m3混凝土)和块间接缝灌浆 }3DZ`8u
●进口龙抬头段的开挖和钢筋混凝土浇筑 \]y /EOT
●钢筋混凝土孔板环的施工 cq#=Vb
●中间闸室的改建 4/J"} S
●偏心绞弧形闸门，油压启闭机等机械和电器设备安装和调试 5dXDL~/2p
●混凝土回填封堵交通洞 w$1B|7tX;2
改建项目达10余项，工序繁索复杂且工艺精度也比较严格。故在施工过程中采用一些创新的办法，如：混凝土封堵段36块，采用微膨胀混凝土以节省混凝土浇筑块间安装冷却水管和冷却、灌浆时间；龙抬头曲线段施工全部采用Doka木模板；保护孔板环尖端形状的高铬铸铁块，安装工作量大精度要求高，采用了洞外予拼装以及洞内精确安装工序和工艺；增加竖直施工通道等。由于8个月的工期紧迫，因此，施工时增加竖直施工通道是很关键的举措。即在进水塔后，导流洞进口弯段的上游处自230m高程至175m并再向下穿过塔基在达导流洞顶部，设置了交通竖井(分上、下二段其尺寸分别为6×11m和4.5×6m)在竖井内安装施工电梯专门做为导流洞封堵段和龙抬头段开挖与衬砌的施工通道，而靠下游段的原有的施工支洞做为孔板环和中闸室等改建项目的施工通道。这样就可在导流洞上下游同时进行改建项目作业，避免了互相干扰，保证了工期。 Ak'=/`+ p
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(六)无粘结钢绞线予应力衬砌排沙洞 ];63QJU
三条排沙洞洞径为6.5m，其长度各为1100m，进口高程较低为175m，且分别布置在发电引水洞口之下。单洞控制泄量为500m3/s。排沙洞的主要作用是泄水排沙，以便长期保持用作防洪和兴利的51亿m3有效库容，其二是有效形成并保持进口冲刷漏斗，以防进水口淤堵。其三是使相对较清的水通过发电机组以减少磨损。排沙洞是小浪底枢纽运用最频繁的主要泄水排沙建筑物，其安全可靠性尤为重要。排沙洞为压力洞，其工作闸门设在尾部，每条排沙洞在进口山体帷幕线和尾部工作闸门之间长约750m的洞段，承受内水压力水头达120m。考虑到排沙洞周围山体单薄且存在断层和软弱的泥化夹层，为了确保周围山体和洞群结构的安全，防止排沙洞洞身裂缝渗水是很关键的问题。设计阶段曾比较多种方法，如钢板衬砌、PVC夹层防渗、围岩高压灌浆以及后张法予应力混凝土衬砌等。最后设计选择了有粘结予应力混凝土衬砌方案。该方案特点是在第一期混凝土中予埋钢套管，而后将锚索穿进套管进行张拉，最后对锚索套管进行压力灌浆、从而形成有粘结予应力锚索。但在施工阶段，经各方深入研究决定采用后张法无粘结予应力混凝士衬砌的替代方案。其特点是在混凝土浇筑之前取消予埋钢套管，而先设置锚索，该锚索全长由0.5mm厚的润滑油及最小厚度1.5mm的聚乙烯套保护，从而形成无粘结锚索。上述二种方案，均在现场进行了1:1的模型试验，试验结果说明原设计方案计算排沙洞每米衬砌所需施加的予应力为5440KN/m，而所选用的无粘结方案在扣除予应力损失后每米长隧洞予应力可达5564KN/m，满足设计要求。 E-?@9!2
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施工阶段采用了无粘结予应力替代方案的主要理由：(l)予应力效果等效；(2)无粘结钢绞线因外层涂润滑油，而导致锚索磨擦力损失小；(3)每根无粘结锚索分内外二层环绕洞周二圈，且予留锚具槽少，有粘结锚索只环绕一圈因而导致前者予应力沿横向和纵向的分布都比后者均匀；(4)无粘结方案予留锚具槽少且尺寸相对小，故洞周的软弱区小；(5)无粘结锚索方案施工方便；(6)无粘结方案减少了材料的消耗，降低了工程费用。 G%#M 17
施工所采用的后张无粘结予应力锚索方案中重要装置及布置如下所述： 5xIOi (3`Q
(1)按ASTM A16标准，锚索由8股公称直径15.7mm钢绞线组成，其公称抗拉强度为1860KN/mm2,锚索全长由0.5mm厚的润滑油和最小厚度1.5mm的聚乙烯套管保护。 "t!_b ma
(2)张拉锚索间距为0.45m，每束锚索中的8股钢绞线在始端分内外二层，每层并排4股，各绕2圈共720°，又分三层汇合于锚具槽终端。 4;D>s8dgG
(3)张拉锚具槽间隔布置在洞底中心线两侧，与中心线夹角45°，锚具槽尺寸为154mm×28mm，中心线处槽深25mm。 'i5,2vT0
(4)锚具安装在锚具槽内，主动侧夹片放进锚块，锚块和偏转器之间安装应力板。 4u}jkd$]*
(5)偏转器，从锚具中引出的锚索分成2组，每组4根钢绞线，分别通过2套偏转器引入2个千斤顶。 OS]FGD3a
(6)千斤顶，其型号为H0E950～100，每个千斤顶张拉4根钢绞线。 T }r}uw`
(7)液压系统，2个千斤顶用一套EB4～500型号的液压泵充压。记录压力计和伸张仪的数据以监测张拉应力。张拉时要求锚块处在锁定前张拉力强度不小于1473KN，锁定后不小于1259KN，此时在2π处锚索最小张拉强度为1058KN。但张拉时张拉最大负荷要求不超过0.75倍的破坏张拉强度，即小于1674KN。张拉锁定后，锚具槽用无收缩混凝上回填。张拉时，除要求记录钢绞线的伸长率和应力外，还要求测定沿锚索应力分布，内外层钢筋应力分布，混凝土内的应力和应变分布。 sb"h:i>O4
三条排沙洞予应力段总长为2169m，共分182个仓，标准仓长度为12.05m，每仓有24根锚索。予应力段总共使用钢绞线1975吨，锚块4368个。 >= VCKN2'j
三条排沙洞于1999年3月竣工，工期仅用了一年，现经一年多蓄水运行考验，并通过监测资料的分析结果表明，排沙洞运行正常。
