KLSK水利枢纽碾压混凝土重力坝
1 工程概况
KLSK水利枢纽是所在河流干流上具有不完全多年调节功能的控制性工程。水库坝址位于支流与干流汇合口下游2km处。工程的任务是在保证和改善所在流域社会经济发展和生态环境用水的条件下，兼顾发电和防洪，为Ⅰ等大（1）型工程。该工程是我国乃至世界上首次在高纬度地区修建的坝高最高、工程量最大的百米级全断面碾压混凝土重力坝，也是迄今为止国内坝顶长度最长的碾压混凝土重力坝。
KLSK水利枢纽全景
2 气象及工程地质
2.1 气象
坝址区多年平均气温2.7℃，极端最高气温40.1℃，极端最低气温-49.8℃。多年平均年降水量183.9mm，多年平均年蒸发量1915.1mm（φ20cm）。多年平均风速1.8m/s，最大风速25m/s，风向WNW。最大积雪深75cm，最大冻土深175cm。
2.2 工程地质
工程地震基本烈度为Ⅶ度，大坝按8度设防，100年超越概率2%的地震动峰值加速度0.207g。
河床及两岸谷坡段岩体以中厚层状变质砂岩为主，两岸台地以中厚层状变质砂岩与薄层状石英片岩互层为主，岩体为中硬～坚硬岩，较完整。坝址区基岩分布星点状的黄铁矿，岩体中含量一般为0.018%～1.29%，节理密集带和断层破碎带含量1.91%。黄铁矿氧化物对混凝土有一定的腐蚀性。
工程区调查有15个砂砾石料场和3个石料场 （P1、P2、P3）。经分析，混凝土骨料场选择P1石料场、P3石料场和 “635”水利枢纽料场技术上都是可行的，通过经济比较，最终采用P1石料场片麻花岗岩轧制人工骨料掺合C12料场天然石英砂的方案。
经对C12料场天然砂和P1料场片麻花岗岩人工轧制骨料的碱活性试验发现，两种料所成型的砂浆试件14d膨胀率均大于0.10%且小于0.20%，按规范评定为可疑骨料（当砂浆14d膨胀率小于0.10%时，即评为非活性骨料；当砂浆14d膨胀率大于0.20%时，则评为具有潜在危害性骨料；当砂浆14d膨胀率大于0.10%且小于0.20%时，为可疑骨料）。而当砂浆试件中分别掺入30%、20%、10%的粉煤灰及PMS-3减水剂0.6%、PMS-NEA3引气剂0.5/万后，试件14d的膨胀率均小于0.10%，说明掺入粉煤灰后可以抑制骨料的碱活性。
3 枢纽布置
枢纽所属建筑物由碾压混凝土重力坝（主坝）、1号、2号沥青混凝土心墙坝（副坝）、泄水建筑物，发电引水系统、厂房组成。枢纽平面布置见图1。
主坝分为87个坝段，主河床27～31号为溢流坝段，共布设4个表孔，每孔净宽12m，32号坝段为底孔坝段，布置1孔，出口尺寸4m×4m；33号为中孔坝段，布置1孔，出口尺寸5m×5m。
主河床从左至右布置溢流表孔、底孔、中孔坝段，其他部位为混凝土挡水坝段；电站进水口布置于右岸台地挡水坝段前缘，引水系统布置于右岸山体内，电站厂房布置于右岸下游约460m处。
4 大坝设计
4.1 坝体轮廓设计
碾压混凝土主坝最大坝高121.5m，坝顶长度1570m，坝顶宽10m，坝体上游面中部至坝顶为垂直面，以下至坝基为1∶0.15的斜坡面。坝体下游面114.17m以上为垂直面，以半径18m的圆弧与下部1∶0.75的坝坡相接。主河床坝段上游展视见图2，大坝典型剖面见图3。
4.2 坝体分区及混凝土设计指标
在分析各坝段工作条件、应力状态等设计成果及构造要求的基础上，坝体混凝土应满足强度、抗渗、抗冻、抗侵蚀、低热等性能方面的要求，同时还考虑到碾压混凝土坝材料分区应力求简单的特点，坝体混凝土共划分为8个分区，即：上下游水位变化区外部碾压混凝土（Ⅰ-1区）；上游死水位以下外部碾压混凝土（Ⅰ-2区）；下游水位变化区以上外部碾压混凝土（Ⅱ-1区）；内部高程5.00m以上碾压混凝土（Ⅱ-2区）；内部高程5.00m以下碾压混凝土（Ⅱ-3区）；基础垫层常态混凝土（Ⅲ区，厚1m）；溢流面下层、泄水建筑物闸墩、洞身常态混凝土（Ⅳ区）；溢流面表层抗冲耐磨混凝土（Ⅴ区）。坝体分区及主要混凝土设计指标见表1。
大坝混凝土粗骨料利用片麻花岗岩人工破碎加工，细骨料采用天然砂；水泥采用天山水泥股份有限公司普通硅酸盐水泥，与地基接触的垫层混凝土采用高抗硫酸盐水泥；粉煤灰采用新疆玛纳斯电厂Ⅰ级灰、独山子热电厂的Ⅱ级灰及甘肃西固宏大热电有限责任公司Ⅰ级灰。
图1 KLSK水利枢纽平面布置图
图2 KLSK碾压混凝土重力坝主河床坝段上游展示图
图3 KLSK碾压混凝土重力坝典型剖面图
表1 KLSK水利枢纽坝体主要混凝土设计指标表
4.3 坝体防渗结构
上游防渗层采用变态混凝土加二级配碾压混凝土防渗，并在上游坝面涂刷高分子防渗涂料作为辅助防渗措施。二级配碾压混凝土厚4～8m。
4.4 坝体分缝设计
主河床及岸坡坝段横缝间距15m，两岸阶地坝段横缝间距15～20m。为减小坝基混凝土温度应力，在坝0+470.00～坝0+680.00段主河床坝基混凝土设置了垂直纵缝。纵缝设置在平行坝轴线的自上游至下游的第三条基础排水廊道的底部，对纵缝进行接缝灌浆。
4.5 止水系统设计
横缝止水根据所承受水头的大小区别对待。上游建基面高程低于51.50m的坝段设置两道铜止水和一道橡胶止水，高于51.50m的坝段设置两道铜止水；下游面最高水位以下设置一道铜止水和一道橡胶止水，以上设置一道橡胶止水；陡坡坝段坝踵部位沿坝轴线方向布置一道基础止水，止水一侧埋设在坝体内，另一侧埋设在基础止水基座内，基础止水与坝体横缝第一道止水连接。
4.6 坝体坝基排水设计
在上游二级配下游侧设置坝体排水管，间距5m，同时每隔6m设水平向排水管与竖向排水管相接，同时在上游止水下游侧设置横缝排水管。
在坝基上下游侧设置灌浆廊道，在主河床基础设置2条纵向辅助排水廊道和3条横向辅助排水廊道。另外主河床坝段分别设置两层纵向排水检查廊道。
4.7 坝基处理
（1）坝基深层抗滑稳定。坝基地层岩性主要为变质砂岩，总体产状300°～325°NE或SW∠70°～85°，河向陡立。弱风化变质砂岩饱和抗压强度39MPa，新鲜变质砂岩饱和抗压强度69MPa，岩块抗剪断强度为f′=1.1、c′=1.0 MPa。坝址区有缓倾角裂隙发育，产状290°～340°NE或SW∠11°～25°，为方解石脉和石英脉充填。河床坝基高程-14.00～-4.00m缓倾角裂隙相对集中，裂隙连通率26%。
依据缓倾角裂隙产状、分布范围、裂隙连通率，并结合下游冲刷坑的分布和深度对坝基进行深层抗滑稳定计算分析。裂隙的抗剪断强度为f′=0.7、c′=0.3MPa，计入岩桥后的滑动面抗剪断强度为f′=0.99、c′=0.81MPa。
1）二维计算。采用刚体极限平衡法对最不利坝段（中孔坝段）分别按单线滑动和折线滑动进行了计算，计算成果（安全系数）均满足规范要求，二维计算成果见表2。
表2 河床坝段缓倾角结构面抗滑稳定二维计算成果表
2）三维计算。根据坝基节理特性和节理面抗剪断参数，采用刚体极限平衡法对单个坝段和多个坝段（包括下游冲刷坑）进行整体三维抗滑稳定分析，计算结果表明，河床坝段深层抗滑稳定安全系数满足规范要求，且有一定的裕度。三维计算成果见表3。
表3 河床坝段缓倾角结构面抗滑稳定三维计算成果表
（2）坝基开挖与灌浆。主河床及两岸岸坡坝段基础开挖至微新岩体内，波速不小于4000m/s；左岸阶地坝段基础开挖至弱风化岩体中上部，右岸阶地坝段基础开挖至弱风化岩体中下部，不小于3000m/s。
全坝基范围内进行固结灌浆，并在主河床坝段坝踵、坝趾外各布置一排灌浆孔。固结灌浆根据坝高和基岩条件孔深为5～15m，孔排距3m×3m～2m×2m。上游帷幕灌浆为2排，上游排为副帷幕，下游排为主帷幕，孔距一般为2m，局部1.5m，排距1.2m；岸坡坝段横向帷幕灌浆为单排，孔距为2m，下游帷幕为单排，孔距为2m；为防止绕坝渗漏，左右岸帷幕灌浆各向坝肩两侧延伸40m，主帷幕基岩内孔深18～62.5m。副帷幕深度一般为主帷幕的2/3；主河床及岸坡坝段灌浆防渗标准为q≤1Lu，其他坝段q≤3Lu。
坝基接触灌浆采用坝基固结灌浆与接触灌浆相结合的方式。固结灌浆孔在完成固结灌浆后，在建基面以下1m及以上的灌浆孔不回填、不封孔，作为坝基接触灌浆的灌浆孔。
坝基上下游灌浆廊道、横向灌浆廊道、辅助排水廊道各布置1排排水孔，孔距2.5～3m；主排水孔孔深为防渗帷幕深度的0.6倍，辅助排水孔孔深20m。
4.8 温控设计
（1）温控标准主要有以下方面：
1）基础温差。二级配混凝土基础强约束区基础温差ΔT≤20℃，基础弱约束区基础温差ΔT≤25℃；三级配混凝土基础强约束区基础温差ΔT≤19℃，基础弱约束区基础温差ΔT≤24℃；上下层温差ΔT≤15℃，内外温差ΔT内外≤19℃。
2）坝体混凝土最高温度。二级配混凝土基础强约束区最高温度26℃，基础弱约束区最高温度31℃，非约束区最高温度32℃；三级配混凝土基础强约束区最高温度25℃，基础弱约束区最高温度30℃，非约束区最高温度31℃。
3）通水温度。一期通水冷却温差按15～18℃控制，二期水管冷却温差20～22℃，通水后混凝土的日降温速度控制在每天0.5～1℃。
（2）温控措施主要有以下方面：
1）结构措施。主河床及岸坡坝段设置横缝，主河床坝段基础混凝土设置纵缝。水平越冬层面设置一道铜止水。
2）材料措施。优化分区和混凝土配合比，减少水泥用量。
3）制冷措施。混凝土骨料采用两次风冷，以降低混凝土浇筑温度；坝体进行通水冷却，分区埋设冷却水管，进行一期和二期冷却。
4）仓内温控措施。高温时使用制冷水进行仓内喷雾，提高仓内湿度并降低局部环境气温，减少热量倒灌和Vc（指在规定条件下碾压混凝土拌合物从开始振动到表面泛浆所需的时间）值损失。
5）养护和表面保护。在施工过程中无论天气如何，混凝土收仓后对顶表面和侧表面均覆盖临时保温材料并进行喷淋养护（侧立面需人工洒水养护）。
6）坝面保温。大坝上下游面采用粘贴厚10cm的“XPS”（高密度聚苯乙烯挤塑板）保温板进行永久保温。越冬面覆盖厚24cm的保温被进行越冬保护，为避免来年春天越冬面受到冷击，保温被采用逐步解开的方式。为提高保温效果，在保温被周边及越冬面以下2.6m范围内，在上下游面粘贴“XPS”板保温的基础上再喷涂厚10cm的聚氨酯硬质泡沫。
5 施工
（1）导流方式及导流标准。采用河床一次断流，上下游围堰挡水，左岸导流洞全年导流的方式。初期导流标准为10年一遇，相应洪峰流量1405m3/s。第五年坝体临时断面挡水度汛标准取P=1%，相应洪峰流量4524m3/s。导流共分为四个阶段。
第一阶段：工程开工至第二年9月中旬，原河床过流，主要进行导流建筑物的施工。
第二阶段：第二年9月下旬河道截流至第四年8月，围堰挡水，导流洞泄流，主要进行基坑土石方开挖，主槽段碾压混凝土坝体施工。
第三阶段：第四年8月汛后，坝体施工顶高程超过围堰顶高程，导流洞下闸蓄水，底孔泄流。
第四阶段：随着坝体的继续升高，库容增大，第五年由坝体临时缺口和中孔、底孔联合度汛。
（2）施工进度。2004年11月开始进行“五通一平”准备工作，2005年8月工程开工建设，2006年9月28日实现截流，2007年4月27日开始第一仓碾压混凝土浇筑，2010年10月浇筑到设计高程121.50m。2008年9月25日实现下闸蓄水，2010年7月首台机组并网发电。
（3）大坝混凝土配合比。经室内试验和现场复核试验，使用的基本配合比见表4。
表4 KLSK水利枢纽工程主坝RCC基本配合比表
续表
注 1.大坝RCC采用天山水泥厂特供P·O42.5水泥（比表面积310±10m2/kg），Ⅲ区混凝土采用P·HSR42.5水泥；大坝混凝土采用新疆五杰公司PMS-3缓凝高效减水剂、天山建材集团FDN缓凝高效减水剂、新疆五杰公司PMS-NEA3引气剂、Ⅰ级粉煤灰、水洗天然砂、片麻花岗岩人工碎石、石灰岩石粉。
2.含气量按不同抗冻等级进行控制，F300按5%～6%、F200按4.5%～5.5%、F100按4%～5%、F50按3%～4%，出机均按上限控制。引气剂掺量按含气量要求调整。
3.为确保碾压混凝土拌合物的工作特性，满足设计要求，鉴于当地气候条件及骨料的含水状态，要重视损失水量的计算分析，可在混凝土拌合站按损失水量进行补水，并根据气候条件的变化建立动态管理措施。
4.根据碾压混凝土分离状况适当调整砂率；根据石子超逊径调整计算石子用量，避免碾压混凝土分离。
6 大坝监测及成果分析
混凝土重力坝的监测重点为变形监测、渗流监测、温度及应力、应变监测和坝体的地震反应监测。在主河床坝段选取两个重点监测断面（29号坝段和35号坝段），同时在右岸阶地选取一个重点监测断面（57号坝段），另外对中孔33号坝段、底孔32号坝段的孔洞周围进行主要监测。
根据坝址气候条件、施工工期安排、大坝温控计算成果并结合坝体结构布置特点，大坝监测除设置了以上永久监测项目外，同时还对以下的重点部位进行了重点监测：加强坝体混凝土温度监测，运用光纤测温系统大大加密了温度测点；加强施工期及运行期越冬层面混凝土温度监测；加强越冬层面混凝土裂缝及渗压监测。根据实际监测资料分析比较，得出以下结论：
（1）坝体及坝基变形。由布设在各坝段上下游坝踵、坝趾处的裂缝计和多点变位计的监测数据可以看出，坝体坝基变形较小。
（2）坝基压应力监测。由埋设最高坝段的压应力计监测成果看，坝基压应力与计算成果接近。
（3）坝体温度监测。由温度监测资料可以看出，浇筑温度随季节变化比较明显，反映了季节温度对混凝土浇筑温度的影响，规律性较好；从监测资料中的最高温度来看，其最高温度与该仓混凝土浇筑季节的气温基本成正比。根据不同部位的实测最高温度值统计，2007年浇筑的强约束区与2008年浇筑的混凝土部分温度超过设计指标，但温控计算表明应力值基本在允许范围内。越冬层上下层温差分别为11.9～12.4℃，均小于温度控制指标，说明冬季停浇面采用的越冬保温措施效果较好；冬季混凝土表面实测温度值除个别棱角部位外，混凝土的内外温差满足温度控制指标。
（4）混凝土应力、应变监测。由埋设的五向应变计组监测可以看出，除个别点顺水流方向应力略超标，其他测点应力变化均在正常范围内。
（5）坝基扬压力监测。坝基扬压力测值均在规范允许范围内。
从监测资料看，监测数据变化符合一般规律，主坝处于安全状态。
7 工程特点
（1）严寒地区高碾压混凝土坝防渗技术研究。KLSK碾压混凝土重力坝是我国在高纬度严寒地区修建的第一座百米级全断面碾压混凝土重力坝，工程区气候条件十分恶劣。碾压混凝土坝的防渗结构选择何种型式，以解决高抗冻、防裂、防渗的要求是严寒地区浇筑碾压混凝土坝尤其要关注的重要课题，研究好这个问题，对我国广大北方地区碾压混凝土坝的建设具有十分重要的指导作用。目前，北方严寒地区（包括寒冷地区）其他已建碾压混凝土坝，其芯样的防渗标号都可以达到W8～W11，但对该工程特殊地理环境和气候条件是否也能达到该防渗标准，是该工程的关键技术问题之一。从该工程实践来看，其混凝土芯样透水率二级配为0.11～0.79Lu，三级配为0.38～2.64Lu。工程实践表明，只要做到精心施工，“二级配碾压混凝土+变态混凝土”防渗结构，其防渗体抗渗等级可以达到W8～W11（相当于渗透系数2.6×10-9～1.5×10-9cm/s），完全能够满足高坝的防渗要求，在严寒地区采用“二级配碾压混凝土+变态混凝土”的防渗结构技术上可行，经济上具有明显效益。
（2）严寒干燥地区碾压混凝土坝材料及混凝土性能研究。经深入研究片麻花岗岩人工骨料和天然冲积砂品质对碾压混凝土各项性能的影响规律，该工程采用“片麻花岗岩人工轧制骨料+天然冲积砂”骨料组合方案，可满足80～90℃高温差的碾压混凝土性能要求，特别是可进一步提高碾压混凝土可碾性、抗渗性、抗裂性、层面结合性能及抗冻融能力。这种混凝土骨料组合方案在国内尚属首例。
（3）开展现场试验，探索在不同日照、不同风向、不同保温材料条件下混凝土温度变化规律，研究不同保温材料的保温性能，主要取得了4项科技创新成果：①完善了混凝土温度场通用数学模型，填补了严寒地区保温混凝土温度场变化规律研究的空白；②提出了利用温度监测资料推求混凝土热学参数的数学模型，为修正实验室混凝土热学参数、检验保温效果提供了科学依据；③建立了利用等效表面放热系数和越冬历时直接计算混凝土温度降幅的数学模型，为科学选择保温材料及厚度提供了简捷实用的方法；④提出了风速对保温混凝土表面等效放热系数影响的判别公式，为确定多风地区混凝土保温材料所需的最小厚度提供了科学判据。
以上研究成果在混凝土温控领域理论研究及应用方面取得了重大突破，对大体积混凝土工程建设具有普遍指导意义。
（4）干燥严寒地区碾压混凝土坝温控防裂技术研究。该工程开展了仿真计算与实际监测的坝体温度场与应力场的实时对比分析，对温控仿真计算方法和成果进行了调整和修正。通过温控反馈分析，对混凝土热学特性和各项温控措施的实施效果等进行了大量的专项观测，通过实测数据了解了水泥特性和各项温控措施效果，得出了大量符合现场实际条件、合理可行的温控防裂措施，在施工过程中实现了现场温控措施的动态调整。经研究，提出了大坝在永久保温条件下的温控标准，并总结出了严寒干燥地区混凝土坝的温控防裂关键技术。其主要关键技术有：①坝体永久保温措施；②水泥细度要求，为降低混凝土早期水化热，水泥比表面积控制在310m2/kg左右，MgO含量达到3%；③喷淋、喷雾措施，在浇筑现场用喷淋、喷雾方式创造湿度不低于60%、仓内温度比外界气温低6℃的小环境；④临时保温及养护措施，在施工过程中及时对混凝土顶表面和侧表面均覆盖临时保温材料并进行喷淋养护（侧立面需人工洒水养护）；⑤越冬面保温措施，越冬面覆盖厚24cm的保温被进行越冬保护，为提高保温效果，在保温被周边及越冬面以下2.6m范围内，在上下游面粘贴“XPS”板保温的基础上再喷涂厚10cm的聚氨酯硬质泡沫；⑥越冬面保温被逐层揭开措施，为避免来年春天越冬面受到冷击，根据外界环境气温条件，科学地逐步揭开保温被；⑦坝体多期冷却通水措施，除一期冷却外，对夏季高温期浇筑的碾压混凝土，在入冬前（10月中旬）进行二期冷却。以上温控防裂关键技术可为同类地区类似工程提供参考。
（5）为降低温度应力在坝体内研究设置纵缝。已建的国内外碾压混凝土重力坝有的采用分仓跳块的常态混凝土作为固结灌浆盖板，有的采用常态混凝土基础找平层后直接顺河向通仓碾压混凝土施工，利用碾压混凝土作为固结灌浆盖板，这两种方式坝体均不设置纵缝。由于盖重混凝土位于基础强约束区且存在施工长间歇，致使盖重混凝土产生较多的裂缝。该工程依据温控仿真计算成果和大坝基础主应力分布特点，对基础采用常态混凝土基础找平层后直接进行碾压混凝土施工，利用碾压混凝土作为固结灌浆盖板，并在盖板中部设置一道纵缝，以达到降低混凝土温度应力，减少裂缝产生的目的。
KLSK水利枢纽工程特性表
本工程由新疆水利水电勘测设计研究院承担勘察设计，供稿人罗纬邦、刘涛。