東莊水利樞紐工程施工組織設(shè)計

楊應(yīng)軍，劉 濤，包芬芬

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450003；2.陜西省涇河東莊水利樞紐工程建設(shè)有限責任公司，西安 710004)

東莊水利樞紐工程位于陜西省禮泉縣和淳化縣交界的涇河下游峽谷，距離峽谷出口約29km，工程任務(wù)以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等綜合利用[1]。樞紐建筑物包括混凝土雙曲拱壩、壩身排沙泄洪孔、水墊塘及二道壩、岸邊發(fā)電引水進口及供水取水口、發(fā)電引水洞、地下廠房和庫區(qū)防滲工程等，水庫總庫容32.76億m3，電站裝機規(guī)模110MW，工程為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大(1)型。壩頂長度456.41m，水庫正常高水位789.00m，壩頂高程804.00m，建基面高程574.00m，最大壩高230m，壩體混凝土總量約223萬m3。

1 工程對外交通

東莊水利樞紐工程建設(shè)所需的外來物資主要包括水泥、粉煤灰、鋼筋鋼材、施工機械設(shè)備、永久機電設(shè)備、火工材料、油料、房建材料、生活物資等，對外交通運輸總量為212.59萬t，其中水泥、粉煤灰需用量為115.11萬t，占總運量的54.15%。外來物資高峰年運輸強度為92.72萬t[2-3]。

結(jié)合現(xiàn)狀交通條件，經(jīng)過比選確定東莊水利樞紐工程對外交通運輸方式主要采用公路運輸。公路運輸主要線路為：禮泉→東莊→壩址，線路長度為101km。

該運輸方案需改建現(xiàn)有縣道25.8km，新建進場道路12.2km，改建段和新建段均采用公路二級。連接兩岸的涇河大橋采用中承式組合鋼箱拱橋，總長284m，寬14.5m，行車道寬7.5m，荷載標準按公路-Ⅰ級。

2 主要建筑材料

工程區(qū)附近無天然砂礫石料源，經(jīng)地質(zhì)勘察與試驗，壩址右岸灰?guī)r是軋制混凝土骨料的優(yōu)質(zhì)料源，且開采條件較好。同時，兩岸拱肩槽及水墊塘邊坡明挖與導流洞、地下廠房等地下洞室開挖中的巨厚層灰?guī)r也是較好的軋制混凝土骨料料源。經(jīng)綜合分析比較，選擇廟上灰?guī)r料場作為工程混凝土骨料主要料源，料場距壩址直線距離約1.5km；同時，充分利用工程開挖料軋制混凝土骨料。廟上料場灰?guī)r有用料吸水率平均值為0.06%，飽和吸水率平均值為0.10%，干密度平均值為2.70g/cm3，飽和抗壓強度平均值為96.5MPa，凍融后抗壓強度平均值為69.5MPa，軟化系數(shù)平均為0.85，堿活性試驗成果表明灰?guī)r料不具有堿-碳酸鹽活性危害。此外軋制試驗結(jié)果表明，料場原巖軋制的粗、細骨料級配曲線良好。料場有用層總儲量達2000萬m3，設(shè)計需求量不足300萬m3，儲量滿足工程需求。

灰?guī)r開挖料巖石致密堅硬，干密度、飽和抗壓強度、軟化系數(shù)、凍融質(zhì)量損失率、硫酸鹽及硫化物含量等指標符合人工骨料原巖質(zhì)量指標要求。

3 施工導流

3.1 導流方案與標準

根據(jù)工程地形條件、地質(zhì)條件、建筑物布置特點等，經(jīng)比較確定，初期導流選擇一次斷流、圍堰擋水，隧洞導流的導流方式。經(jīng)綜合比較，選定右岸布置單條導流洞，上游采用膠凝人工砂石結(jié)構(gòu)、下游采用土石心墻圍堰結(jié)構(gòu)型式方案，初期導流采用圍堰攔擋全年施工洪水的導流方案[4]。

初期導流：2022年、2023年導流標準采用全年10a一遇洪水標準，相應(yīng)設(shè)計流量5300m3/s；中期導流：2024年汛前壩體上升至664m高程，對應(yīng)庫容0.95億m3，壩體臨時度汛標準選擇50a一遇設(shè)計洪水標準，相應(yīng)設(shè)計流量為11000m3/s；2025年汛前壩體上升至712m高程，對應(yīng)庫容5.4億m3，壩體臨時度汛標準選擇100a一遇設(shè)計洪水標準，相應(yīng)設(shè)計流量為13600m3/s。后期導流：2026年汛前壩體上升至748m高程，對應(yīng)庫容12.3億m3，度汛標準選擇100a一遇設(shè)計、200a一遇洪水校核標準，相應(yīng)設(shè)計流量分別為13600m3/s和16300m3/s。

3.2 導流建筑物

1)導流洞：導流洞布置在右岸，單洞布置。進口高程593.00m，底坡3.5‰，軸線長912.50m，出口高程589.81m。通過經(jīng)濟洞徑比較，選擇17m×19m的城門洞型斷面。

2)導流底孔：為滿足中期導流需要，經(jīng)調(diào)洪演算設(shè)置兩個導流底孔，對稱布置在拱壩的10#、11#壩段。進口高程620m，出口底高程620m，孔身為5.5m×10m(寬×高)的矩形斷面。為滿足導流洞封堵后下游供水需求，1#導流底孔2024年度汛后改建為初期供水洞。

3)導流圍堰：上游圍堰堰前水位638.02m，堰頂高程639.20m，建基面高程584.00m，最大堰高55.2m，圍堰堰頂寬7m，上游面邊坡634.2m以上垂直，以下1∶0.5，下游坡坡比634.20以上垂直，以下1:0.6，最大斷面底寬62.22m，堰頂長66.8m。堰體內(nèi)部采用C4W2膠結(jié)人工砂石料。

下游圍堰采用石渣填筑、復合土工膜防滲，堰前水位為611.4m，堰頂高程為612.60m，最大圍堰高27.6m。堰頂寬度8m，軸線長40.5m。

4 主體工程施工

4.1 大壩工程施工

東莊拱壩基礎(chǔ)開挖最低高程578m，最高邊坡高度左岸為278m、右岸為271m，土石方明挖量約690.22萬m3(包含水墊塘、二道壩)。土石方采用自上而下分臺階開挖，充分利用導流洞具備過流條件后的時段，在截流前進行兩岸690.0m高程以上壩肩、水墊塘邊坡、以及引水發(fā)電及供水洞進口開挖，以降低截流后岸坡及河床壩基開挖強度。根據(jù)地形條件及場內(nèi)道路布置，在右岸750m高程、左岸780m高程布置攔渣平臺，上部開挖利用支線道路出渣；中下部通過上、下游施工交通洞進入基坑，從基坑出渣。

根據(jù)工程區(qū)地形地質(zhì)條件和樞紐布置情況，壩頂布置3臺平移式纜機，作為大壩混凝土澆筑和金屬結(jié)構(gòu)安裝主要設(shè)備。纜機采用高塔架型式，兩岸塔架高度均為25m，右岸為主塔。纜機跨度為567m，平臺軌道長度160m。單臺纜機最大起重量為30t，兩機聯(lián)合抬吊起重量最大為56t。

混凝土由右岸混凝土拌和系統(tǒng)1供應(yīng)，水平運輸采用9m3后卸式料罐車，循環(huán)運距約0.9km，其中重車運距約0.3km。后御式料罐車運料至纜機供料平臺后將混凝土卸入9.0m3吊罐，由纜機吊運至澆筑倉位。纜機采用不摘鉤入倉的工作方式，單臺纜機設(shè)計月平均生產(chǎn)率按3.5萬m3考慮。左岸纜機未覆蓋的1#壩段采用汽車吊或溜槽輔助入倉澆筑方式。

壩體澆筑塊分層厚度以3m為主，壩體孔口部位、反坡部位分層分塊厚度根據(jù)孔口高度及反坡位置采用1.5～4.5m的層厚進行協(xié)調(diào)。倉面采用整體提升式鋼模板。壩體孔口部位采用組合鋼模板或襯砌鋼板作為模板立模澆筑，壩體排沙深孔、非常排沙底孔、溢流表孔進口事故門門槽采用一次成型法施工。

4.2 大壩混凝土溫度控制與接縫灌漿

大壩為雙曲拱壩，只設(shè)橫縫，不設(shè)縱縫?；炷翝仓囟劝?0℃標準控制，低溫季節(jié)澆筑溫度允許適當放寬1～2℃，但混凝土澆筑溫度不能低于5℃。為滿足溫控要求，高溫季節(jié)采用預冷混凝土澆筑，設(shè)置倉面噴霧降溫系統(tǒng)，并采取通水冷卻措施，分一期、中期、后期三個時期通水。冷卻水管層間距約束區(qū)為1.0m、自由區(qū)為1.5m，管間距為1.5m。一期通水一般采用6～8℃，降溫階段適當提高冷卻水溫到10～12℃，通水冷卻時間≥14d，以控制混凝土最高溫度。中期通水在一期通水冷卻達標后進行，按0.15～0.3℃/d降溫速率通水20～30d左右，以削減壩體內(nèi)外溫差，控制混凝土中期冷卻降溫至14～16℃，達標后進行控溫。后期通水冷卻一般應(yīng)在接縫灌漿前45d開始，冷卻水管入口最低水溫為6℃，日溫降幅度≤0.5℃，以達封拱灌漿溫度。

為使拱壩形成整體，結(jié)構(gòu)要求待壩體冷卻到灌漿溫度后進行橫縫接縫灌漿，灌區(qū)最低高程578.0m，灌區(qū)頂部高804.0m。橫縫間距為各壩塊的寬度，灌區(qū)高度為9～15m,灌區(qū)面積為200～400m2，接縫灌漿總面積約為7.64萬m2。

壩體接縫灌漿在灌漿廊道或壩后臨時施工平臺上進行。接縫兩側(cè)壩塊混凝土溫度必須達到規(guī)定的壩體灌漿溫度。除頂層外，混凝土厚度≥6m，且其溫度應(yīng)達到接縫灌漿溫度。

4.3 地下廠房施工

根據(jù)施工程序及發(fā)電廠房系統(tǒng)布置，主、副廠房系統(tǒng)共布置3條施工支洞，外加進廠交通洞、主變交通洞、尾水閘交通洞、主廠房排風廊道、主變洞室排風洞、尾閘室排風洞作為施工通道。

主廠房、副廠房采用“一字型”布置，廠房總長度91.64m，主機段開挖尺寸52m×18.8m×37.53m(長×寬×高)，安裝間開挖尺寸18.9m×18.8m×26m(長×寬×高)，副廠房開挖尺寸20.9m×18.8m×24.4m(長×寬×高)。主副廠房分6層進行開挖，分層高度為4.85～6.93m，層內(nèi)分區(qū)、分塊進行開挖支護施工。主要采用二臂液壓鑿巖臺車鉆孔，設(shè)計輪廓光面爆破，2m3裝載機出渣配15t自卸汽車出渣。

主廠房自上而下分6層進行開挖。先挖頂拱，并留有相應(yīng)的爆破安全距離后，進行頂拱部位錨噴、支護施工。巖錨吊車梁層開挖完成后進行巖錨吊車梁混凝土施工，支護逐層往下開挖，支護緊跟開挖層。當主廠房開挖到建基面后，進行下部混凝土澆筑。主廠房下部混凝土澆筑過程中，混凝土澆筑與機組埋件(尾水管、錐管)安裝交叉作業(yè)?；炷翝仓廖仛さ撞扛叱毯?，進行基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、蝸殼等埋件安裝，然后澆筑蝸殼混凝土直至發(fā)電機層高程。

引水洞、尾水洞、進出口建設(shè)物施工與主廠房施工同時進行，引水洞下平段鋼管分節(jié)由進場交通洞、施工支洞運入，部分鋼管從廠房內(nèi)經(jīng)岔洞運入，洞內(nèi)分節(jié)安裝。

混凝土由下游混凝土拌和系統(tǒng)2供應(yīng)，6m3的混凝土攪拌車運輸，混凝土泵、溜槽及橋機吊運入倉。

4.4 庫區(qū)防滲工程施工

庫區(qū)防滲工程主要為兩岸灌漿平洞、通風平洞、通風豎井及帷幕灌漿等。庫區(qū)防滲工程兩岸防滲段總長2980m，分5層灌漿廊道進行灌漿。根據(jù)防滲工程布置及施工交通條件，庫區(qū)防滲工程施工共布置7條施工支洞，其中左岸4條，右岸3條；另利用頂層通風平洞兼作施工支洞。

庫區(qū)防滲工程施工與壩體施工同步進行，帷幕灌漿按照開挖、襯砌、回填灌漿、固結(jié)灌漿、帷幕灌漿、排水孔等的順序依次進行施工。

4.5 金屬結(jié)構(gòu)安裝

本工程金屬結(jié)構(gòu)主要布置在泄洪表孔、泄洪深孔、導流底孔、電站、排沙洞、供水工程等部位，總重量約為1.25萬t。

引水發(fā)電系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)隨混凝土施工一并進行，主要由混凝土澆筑是的提升設(shè)備進行安裝，輔以移動式起重機進行吊裝。大壩孔口金屬機構(gòu)及機電設(shè)備埋件原則上隨壩體上升，由下至上進行。深孔以下主要由纜機吊裝，輔以倉面小型起重機等其它輔助設(shè)施、泄洪表孔金結(jié)安裝主要以壩頂大噸位履帶吊或汽車吊為主，輔以纜機和壩頂門機進行吊裝。

4.6 機電設(shè)備安裝

本工程布置兩大兩小共4臺混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量為110MW。水輪發(fā)電機組包括定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪、主軸、推力軸承、上機架、下機架等，工程機電設(shè)備安裝規(guī)模較小，水輪發(fā)電機組及組件主要在下游工區(qū)機電設(shè)備安裝場進行拼裝，平板車經(jīng)進廠交通洞運到廠房安裝場進行安裝，用橋機安裝就位。主變在安裝間用橋機卸車后，用滾筒和千斤頂移動就位。

5 施工布置與施工工廠設(shè)施

5.1 施工總布置

結(jié)合壩址區(qū)地形地質(zhì)、建筑物布置、料源分布、交通條件等，整個施工場區(qū)主要劃分為4個區(qū)，其中上游右岸導流工程場地劃分為導流工程施工區(qū)，右壩肩大壩及右岸防滲工程施工場地劃分為大壩工程施工區(qū)，下游水墊塘、二道壩、引水發(fā)電系統(tǒng)施工場地劃分為水墊塘廠房施工區(qū)，為滿足左岸庫區(qū)防滲工程施工，左岸設(shè)置生活營地及綜合加工場地，劃分為左岸壩肩及防滲工程施工區(qū)。

5.2 砂石加工系統(tǒng)

根據(jù)混凝土澆筑部位，考慮地形、地質(zhì)、場內(nèi)交通運輸及施工總體布置規(guī)劃，工程共設(shè)置3套砂石料加工系統(tǒng)，生產(chǎn)成品砂石骨料總量約697.72萬t。

5.2.1 砂石料加工系統(tǒng)1

砂石料加工系統(tǒng)1主要向混凝土拌和系統(tǒng)1供應(yīng)成品骨料，系統(tǒng)規(guī)模按混凝土高峰澆筑強度10萬m3/月設(shè)計，成品料生產(chǎn)能力為520t/h，處理能力為660t/h，采用兩班制生產(chǎn)，以三級配、四級配為主，最大粒徑150mm。成品骨料通過皮帶機輸送至混凝土拌和系統(tǒng)1成品料倉。

5.2.2 砂石料加工系統(tǒng)2

砂石料加工系統(tǒng)2主要向混凝土拌和系統(tǒng)2供應(yīng)成品骨料，系統(tǒng)規(guī)模按廠房、水墊塘、二道壩等混凝土高峰時段月均強度為2.0萬m3/月設(shè)計，成品料生產(chǎn)能力為150t/h，處理能力為200t/h，采用兩班制生產(chǎn)，以二級配、三級配為主，最大粒徑120mm。

5.2.3 砂石料加工系統(tǒng)3

砂石料加工系統(tǒng)3主要向混凝土拌和系統(tǒng)3供應(yīng)成品骨料，系統(tǒng)規(guī)模按上游圍堰膠結(jié)人工砂石高峰時段月均強度為2.5萬m3/月設(shè)計，成品料生產(chǎn)能力為150t/h，處理能力為200t/h，采用兩班制生產(chǎn)，以二級配為主，最大粒徑80mm。

5.3 混凝土拌和系統(tǒng)

結(jié)合工程施工總布置規(guī)劃和施工進度要求，共設(shè)置3套混凝土拌和系統(tǒng)。工程共生產(chǎn)混凝土總量約299.89萬m3。

5.3.1 混凝土拌和系統(tǒng)1

混凝土拌和系統(tǒng)1主要負責拌制壩體混凝土以及引水洞、庫區(qū)防滲工程混凝土，生產(chǎn)混凝土總量約239.02萬m3。系統(tǒng)規(guī)模按照混凝土月澆筑強度10萬m3設(shè)計，系統(tǒng)配置1座3×3.0m3單階傾翻式混凝土拌和樓和一座4×3.0m3單階傾翻式混凝土拌和樓，采用三班制生產(chǎn)，最大粒徑150mm?；炷猎瓗r由廟上料場開采，砂石料加工系統(tǒng)1加工生產(chǎn)，皮帶機輸送至混凝土拌和系統(tǒng)1成品料堆。

5.3.2 混凝土拌和系統(tǒng)2

混凝土拌和系統(tǒng)2主要負責拌制導流洞出口、洞身后半段、水墊塘、二道壩、廠房、排沙洞及部分臨時施工支洞的混凝土，生產(chǎn)混凝土總量約45.47萬m3。系統(tǒng)規(guī)模按照混凝土月澆筑強度1.7萬m3設(shè)計，系統(tǒng)配置2座1×3.0m3強制式混凝土拌和樓。混凝土拌和系統(tǒng)2在導流洞施工期間，先配置1座1×3.0m3強制式混凝土拌和樓，主體工程開工后再擴建。系統(tǒng)采用三班制生產(chǎn)，最大粒徑為120mm。

5.3.3 混凝土拌和系統(tǒng)3

混凝土拌和系統(tǒng)3負責供應(yīng)導流洞進口、塔架、部分洞身襯砌及上游膠結(jié)砂石圍堰混凝土，生產(chǎn)混凝土總量約15.41萬m3，膠結(jié)砂石材料9.95萬m3。系統(tǒng)規(guī)模按照混凝土月澆筑強度2.5萬m3設(shè)計，系統(tǒng)配置1座2×3.0m3單階強制式混凝土拌和樓。系統(tǒng)采用三班制生產(chǎn)，最大粒徑為80mm。

5.4 施工供水供電

工程施工期高峰用水規(guī)模為2930m3/h，其中生產(chǎn)用水高峰規(guī)模為2738m3/h，生活用水高峰規(guī)模為192m3/h。施工用水水源為泔河水庫水，通過三級加壓提升至高位水池后，再自流向各施工區(qū)供水。

施工用電高峰負荷約為26000kW，采用永久送電和施工供電相結(jié)合，利用右岸110kV東莊變作為施工電源。110kV東莊變采用2回110kV供電電源，10kV母線端出線26回為工程5個施工供電區(qū)供電，并根據(jù)供電區(qū)位置和負荷設(shè)置3座10kV配電所。

6 施工總進度

工程施工總工期為95個月，2019年1月工程開工，2021年10月工程截流，2025年11月導流洞下閘封堵，2026年11月底工程完工。

工程關(guān)鍵線路為：工程準備→導流工程施工→大壩岸坡石方開挖→截流→大壩基坑開挖→大壩混凝土澆筑→壩體接縫灌漿→導流洞下閘封堵→封堵后壩體混凝土澆筑→封堵后壩體接縫灌漿→工程完工。雙曲拱壩為工程施工的關(guān)鍵項目。

7 結(jié) 語

東莊水利樞紐工程具有河谷狹窄，地形陡峻，施工道路布置困難，施工場地條件差，工作面多、上下部施工交叉與干擾幾率大，大壩混凝土澆筑施工強度高，混凝土溫度控制嚴格等諸多特點，施工組織設(shè)計中系統(tǒng)的考慮了場地分區(qū)規(guī)劃、道路上下游、左右岸、高低位的銜接，同時在時間和空間上統(tǒng)籌考慮了主體工程施工與物料供應(yīng)的匹配與協(xié)調(diào)，從料場選擇與開采、施工導截流、主體建筑物施工、施工總布置及工廠設(shè)施布置、施工總進度計劃等方面進行了施工組織設(shè)計，為工程設(shè)計優(yōu)化、組織招投標、指導施工等筑實了技術(shù)基礎(chǔ)。

東莊水利樞紐工程初步設(shè)計已于2019年5月獲得水利部的行政許可，2021年10月21日實現(xiàn)河道截流，主體建安工程全部招標完成，正在進行壩肩及水墊塘邊坡開挖，施工組織設(shè)計的合理性正在逐步體現(xiàn)。