严寒地区混凝土坝工技术及工程实践
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KLSK水利枢纽关键技术与创新

罗纬邦

(新疆水利水电勘测设计研究院 新疆 乌鲁木齐 830000)

摘要:KLSK主坝是我国乃至世界上首次在高纬度地区修建的坝高最高、混凝土浇筑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。坝址区气候条件十分恶劣,夏季酷热、冬季严寒,年温差与昼夜温差极大,多风干燥,蒸发强烈。根据KLSK坝址 “冷、热、风、干”气候特征、分层取水要求及大变幅水头特点,新疆水利水电勘测设计研究院在设计阶段对全断面碾压混凝土坝的坝体结构、混凝土特性、坝体温控、分层取水、高水头泄水建筑物体型、有效施工技术、水轮机适应性等难点问题进行了深入系统的研究,其主要研究成果已应用到工程实践中。目前工程已正常运行达8年,并发挥效益。

关键词:碾压混凝土重力坝 关键技术 严寒地区

1 引言

KLSK水利枢纽为Ⅰ等大(1)型工程,工程于2006年9月截流,2008年9月25日下闸蓄水,2009年7月首台机组发电。目前工程运行已达8年,运行状态良好。

KLSK水利枢纽主要建筑物包括碾压混凝土重力主坝、1和2沥青混凝土心墙副坝、泄水建筑物 (表孔、中孔、底孔)、发电引水建筑物、电站厂房和鱼类增殖站。大坝设计烈度为8度。水库总库容24.19亿m3,正常蓄水位739.00m,死水位680.00m。

该工程碾压混凝土坝最大坝高121.50m,坝顶长度1570m,是我国乃至世界上首次在高纬度地区修建的坝高最高、混凝土浇筑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。

2 设计的难点

KLSK水利枢纽坝址位于高纬度地区,多年平均气温2.7℃,极端最高气温40.1℃,极端最低气温-49.8℃,最高月与最低月平均气温差67.5℃,极端气温差89.9℃,昼夜温差平均12.8~16.2℃,多年平均年蒸发量为降水量的10倍之多,多年平均风速1.8m/s,最大风速25m/s。工程气候条件十分恶劣,夏季酷热、冬季严寒,年温差与昼夜温差极大,多风干燥,蒸发强烈,工程区“冷、热、风、干”气候特征突出,这对坝体结构、混凝土特性、坝体温控、坝体防渗、有效施工技术等提出了极高的要求;坝前水深大,为减缓水库蓄水后水温分层对水生生物的不利影响,发电洞进水口需分层取水,当时国内无类似工程实例参照;坝基分布黄铁矿蚀变带,对混凝土存在侵蚀;电站水头范围在32.00~96.00m之间,水头变幅较大,当时尚无可选机型。为满足工程建设需要,在前期设计阶段和工程建设过程中对以上难点问题进行了深入系统的研究。

3 关键技术

3.1 主坝坝型及枢纽布置研究

主坝最大坝高121.5m,坝基以变质砂岩为主,坝址附近的料场可满足土石坝和混凝土坝坝料要求,因此,从坝基特性和料场特性来看,均可满足土石坝和混凝土坝建坝要求。针对极为恶劣的气候条件和坝址位于跨界河流的特点,结合筑坝材料,对碾压混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝、沥青混凝土心墙坝和混合坝进行了同等深度的比选。比选过程中首先针对不同的坝型进行不同的枢纽布置方案比选。碾压混凝土重力坝、混凝土面板堆石坝、沥青混凝土心墙坝分别拟定了5个枢纽布置方案,混合坝拟定了2个枢纽布置方案,每种坝型推荐出各自最合理的枢纽布置方案参加坝型比选。

由于本工程坝址气候条件极为恶劣,库大坝高,且坝址下游35km处已建有“635”水利枢纽(黏土心墙坝),根据国内外高寒地区坝工建设和运行经验,选择了运行安全性较高、抗风险能力较强的混凝土重力坝作为主坝推荐坝型。主坝从左至右依次布置溢流表孔、底孔、中孔;电站进水口与右岸台地挡水坝段结合,引水系统布置于右岸山体内,闸井后直接接高压钢管。电站厂房布置于坝轴线下游460m处的右岸岸边;导流洞布置于左岸。

3.2 高地震区碾压混凝土重力坝体型优化研究

大坝设计烈度为8度,位于强震区。为了解地震作用下大坝损伤、断裂和破坏的发展过程,抗震薄弱环节以及抗震安全度,从整体角度认识大坝的地震响应,研究大坝在不同工况下弹性范围内的动力响应,对重力坝最高挡水坝段进行了弹性、开裂、损伤数值分析以及振动台模型试验,研究了挡水坝段的应力集中和抗震薄弱部位,进而开展了体型优化比较。优化的原则是其抗滑稳定值和应力值都符合控制标准的前提下,体型力求简单,以便于施工。

通过对最高挡水坝段三种不同数值的计算模型分析,并结合振动台模型试验,发现重力坝坝踵629.00m高程处是拉应力集中区,该处混凝土出现损伤和开裂。同时,在特殊组合工况下,坝踵处的受拉区宽度较大。为减小坝踵处的拉应力值和拉应力区宽度,提出了几种体型优化方案。最终选定的优化方案是将上游折坡点高程从原来的660.00m提高到672.00m,折坡点以下坝坡由原来的1∶0.2改为1∶0.15,坝踵处设计为倒圆弧形。选定方案的受拉区宽度较原设计方案减小15%,明显改善了坝体薄弱部位的应力分布,并减小了坝踵处的拉应力值和拉应力区宽度。

3.3 高寒地区高碾压混凝土坝防渗排水技术研究

本工程主坝是我国在高纬度严寒地区修建的第一座混凝土浇筑量接近300万m3的碾压混凝土坝。特殊的气候条件对大坝防渗体的抗裂性和抗冻性提出了很高要求,如何保证防渗结构体系正常发挥作用是一项重要课题,为此,对防渗排水技术进行了以下研究:

(1)坝体防渗型式研究。防渗结构作为碾压混凝土坝的重点设计部位,其型式在不同国家、不同地区、不同时期不尽相同。国内外碾压混凝土坝有多种防渗型式,我国目前主要采用二级配富浆碾压混凝土为主,外部增加变态混凝土的复合型防渗结构体系。本工程本着碾压混凝土坝体防渗结构自身稳定、防渗效果好、适应变形能力强、不易开裂,方便施工等要求,重点进行了“金包银”、“预制混凝土挂板+XPS保温板+沥青混凝土”、“外部变态混凝土+二级配富浆碾压混凝土”等三种防渗结构型式的比选。

根据本工程坝址气候条件恶劣、工期要求紧的特点,防渗体抗裂性和施工进度是影响防渗结构型式选择最关键的因素。在防裂和抗冻方面,二级配碾压混凝土更有利于温控防裂,施工干扰少,且抗冻性完全可以满足设计要求。在抗渗方面,根据试验成果及工程实践,已经建成的碾压混凝土坝采取“变态混凝土+二级配富浆碾压混凝土”防渗型式后,其混凝土钻孔芯样的渗透系数完全能够满足高坝的防渗要求。综合考虑,本工程最终确定以外部变态混凝土+二级配富浆碾压混凝土,并外涂防渗材料的复合防渗结构作为坝体防渗体。

(2)坝基防渗和排水方案研究。运用有限单元方法和排水子结构技术,对大坝坝基进行了渗流场求解,分析了坝基渗流场的水头分布规律,研究了坝基上游防渗帷幕和排水幕的选择和布置,并在此基础上提出坝基优选渗控方案;运用固定网格的等效结点虚流量法和改进的排水子结构技术,对KLSK碾压混凝土重力坝坝体的防渗体和排水孔的渗控型式进行了多个工况的计算分析,提出了坝体的防渗和排水设计方案。

3.4 严寒、干燥地区碾压混凝土材料及混凝土性能研究

本工程主坝混凝土骨料为“片麻花岗岩人工骨料+天然砂”,此种混凝土骨料组合方案国内无工程实例。提出适应高寒高震等复杂条件的筑坝材料,解决适应高达80~90℃高温差的坝体碾压混凝土材料性能及其抗冻指标,满足碾压混凝土大坝的筑坝性能要求,特别是如何进一步提高其可碾性、抗渗性、抗裂性、层面结合性能及抗冻融能力是材料研究的技术关键。为此,进行了大量的室内、外试验研究。

3.4.1 原材料性能研究

(1)骨料。深入研究了片麻花岗岩人工骨料和天然冲积砂的品质对碾压混凝土的影响,揭示天然冲积砂品质对碾压混凝土各项性能的影响规律。确定含泥量达0.6%~2.5%的天然冲积砂经过充分水洗,含泥量降至0.2%后采用。

(2)水泥。基础垫层混凝土采用42.5级高抗硫酸盐水泥,坝体碾压混凝土采用非R型普通硅酸盐水泥。为降低混凝土早期水化热,水泥比表面积由380~420m2/kg降至320m2/kg左右,MgO含量达到3%。

(3)粉煤灰。为满足高强度混凝土浇筑对粉煤灰用量的要求,经试验,最终选用了玛纳斯电厂Ⅰ级灰、兰州西固Ⅰ级灰和独山子热电厂Ⅱ级灰。

(4)外加剂。进行了多种缓凝高效减水剂和引气剂的缓凝性能和减水率比较试验,最终选定了高减水率、高缓凝性能的复合外加剂。

3.4.2 配合比研究

为改善坝体温度应力,简化温度控制措施,避免坝体出现危害性裂缝,进行了高掺粉煤灰碾压混凝土配合比的研究。研究了在高掺粉煤灰的条件下碾压混凝土的抗冻耐久性,使其达到冻融300次的能力;研究了适应多风干燥环境下碾压混凝土层面具有较好的可碾性、抗渗性和层面结合的混凝土拌合物性能参数;提出碾压混凝土的各项物理、力学、热学等性能。

3.4.3 现场碾压试验和原位抗剪断试验

选择两处场地进行碾压试验,并通过原位抗剪断试验。经现场碾压试验发现,原配合比存在外观较涩、可碾性较差等缺点。为改善这些缺点,业主中心试验室和施工方试验室分别进行了配合比复核试验研究。研究过程中主要对砂率和石粉掺量进行了优化和调整,适当降低了砂率,并增掺石粉,提出了满足本类地区建造高坝的层面抗剪断参数和施工技术要求。

3.5 “严寒地区大体积混凝土温度场变化规律及保温技术研究与应用”课题研究

国内外利用保温材料对混凝土坝表面实施保温已有60多年历史,但KLSK大坝建设之初还没有在严寒地区对碾压混凝土坝保温的系统研究。为满足主坝温控防裂需要,距主坝浇筑两年前在坝址现浇了4个混凝土试验墩,进行了为期两年的现场试验研究,表面粘贴或喷涂了5cm、8cm的XPS保温板和聚氨酯,并在混凝土内部呈网状布置了温度和应力监测仪器。

在试验墩施工过程中,根据现场实际气象条件和施工条件(如浇筑温度、冷却水管实际通水温度、保温措施以及现场其他温控措施等)进行仿真计算分析,预测试验墩后期温度场和应力场,并与实测值进行对比,清楚地了解了不同保温方案条件下坝体内温度场及应力场的分布和变化规律。

本课题取得了以下关键技术:

关键技术一:提出了在满足混凝土温差要求的条件下确定保温材料及厚度的方法,对科学确定保温方案,避免或减少混凝土温度裂缝具有普遍指导意义。

关键技术二:提出了综合推求大体积混凝土等效表面放热系数的方法,以判定保温是否满足设计要求。

关键技术三:总结了寒潮期间易发生裂缝部位的判定规律。大体积混凝土棱角应力总是大于平面应力,棱角部位容易出现裂缝,确定棱角部位的保温厚度是控制温差的关键。

关键技术四:依据课题提出的严寒地区大体积混凝土温度场全过程变化规律的基础理论,针对严寒地区特有的气候条件和夏季施工、冬季停工这种间歇式施工方案,提出严寒地区大体积混凝土特有的永久及越冬临时保温方案成套技术。

通过研究提出的严寒地区混凝土温度场通用数学模型,经不同气候区实例工程验证,对于指导大体积混凝土工程建设具有普遍意义,完善了混凝土温度场基础理论体系,研究成果涵盖大体积混凝土温控设计、施工和运行的各个关键环节。

本课题有以下技术创新:

技术创新一:混凝土温度场的数学模型。创建提出了严寒地区混凝土温度场变化规律的通用数学模型,完善了热力学理论在混凝土温控领域的应用,填补了研究严寒、寒冷地区混凝土温度场全过程变化规律的空白,取得了重大创新。

技术创新二:严寒地区混凝土热学参数计算模型。结合严寒地区混凝土重力坝设计、仿真计算的需要,提出了通过温度监测资料推求严寒地区混凝土热学参数的模型,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。对确定严寒地区混凝土综合热学参数、检验保温效果具有普遍意义。

技术创新三:越冬期混凝土温度降幅的估算。按照混凝土表面与外部温差满足规范要求的思路,创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计算模型。简化计算公式可有效反映混凝土表面及棱角部位温度降幅,为科学选择保温材料、确定严寒地区混凝土综合热学参数、检验保温效果具有普遍意义。

技术创新四:提出忽略风速影响保温材料所需最小厚度计算模型。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。对于判定严寒地区大体积混凝土温度降幅,确定保温方案(保温材料及厚度)具有普遍指导意义。

3.6 严寒、干燥地区碾压混凝土坝温控防裂技术研究

本工程坝址区气候条件恶劣,多年平均气温为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。具体表现为夏季酷热、冬季严寒、年温差(极端89.9℃)与昼夜温差(平均14.8℃)极大、多风干燥的特点。

该主坝坝高121.5m,为全断面碾压混凝土重力坝,混凝土总量近300万m3,是我国首次在高纬度、严寒、干燥地区修建的坝高最高、工程量最大的全断面碾压混凝土重力坝,恶劣的气候特点为大坝温控防裂带来了极大的难度,其难度位于国内乃至世界之首,国内、外无成功的经验可以借鉴。在广泛搜集、研究和总结国内外寒冷地区修建碾压混凝土坝经验的基础上,特别是分析国内北方地区、俄罗斯西伯利亚地区和日本北海道地区的筑坝经验和教训,深入细致地开展了严寒干燥地区碾压混凝土坝温控防裂技术的研究。

(1)多方案对比分析,确定温控防裂总体思路,提出温控防裂方案。充分模拟现场气候和施工条件,采用三维非线性有限元仿真计算方法,在大量计算和理论分析的基础上,提出了“外保内降”温控防裂总体设计方案。

在温控防裂总体设计方案的指导下,针对气候特点进行了大量的专题研究,如寒潮或气温骤降时混凝土保温方案、坝体越冬层面处理方案、冷却水管的分区布置、冷却水管一期、二期通水时机、坝面临时及永久保温方案、大坝临时及永久保温材料优选及保温时机选择、高温期施工的温控防裂措施、各种温差控制标准的确定、越冬面保温被揭开方式等,提出了有效可行的温度控制标准和成套温控防裂措施。

(2)施工期温控防裂分析研究。工程开工后,根据现场实际的气温资料、混凝土物理力学及热学参数、浇筑方案、施工间歇和温控方案,进行温度场、应力场仿真计算及预报分析;对典型坝段进行开裂风险评估;根据实际施工条件和混凝土温度资料,对典型坝块进行反馈分析,调整温度控制指标和温控措施。

对实际监测的混凝土温度场、应力场及发展过程,与温控仿真计算成果进行对比分析,对温控仿真计算方法和成果进行调整和修正,使计算结论更加符合实际。此外,还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监测,通过实测数据,了解水泥特性和各项温控措施效果。

以现场各项实际施工参数作为计算分析的边界条件,对出现的坝体混凝土主要裂缝进行温控反馈分析,其成果为调整各项温控措施提供依据,实现设计参数的动态调整。此外,对各重要的温控防裂措施进行了大量的专题计算。对如寒潮或气温骤降对混凝土应力的影响、混凝土表面保温方案、冷却水管的布置等,根据现场实际情况反复论证,得出了大量符合现场实际条件、合理可行的温控防裂措施。依据分析成果,对大坝混凝土温控标准进行了调整。

(3)实施温控措施的评价研究。依据实施的温控措施、大坝混凝土温度、应力及变形等监测数据,对坝体50年运行期进行长系列仿真计算分析,判断坝体混凝土开裂风险,据此评价实施温控措施的效果。

研究结果表明:采用较小的横缝间距、主河床坝基设置纵缝、使用比表面积较小的水泥、优化配合比和分区等措施,可有效减小温度应力;分区布置冷却水管,并采用制冷水进行一期和二期冷却,对坝体温度的削峰作用明显;及时保温,可有效防止混凝土受气温骤降或寒潮的袭击,并在高温时防止热量倒灌,隔热效果显著(保温被上、下温差可达11~18℃);低温时段保温效果明显(保温被下表层混凝土温度比环境温度高4~7℃)。

上下游面采用10cm厚XPS板、越冬顶面采用26cm厚保温被及局部加强保温的措施,保温效果显著;大坝混凝土的基础温差、上下层温差、内外温差和坝体最高温度基本满足设计要求。施工期及运行期坝体混凝土拉应力及越冬层面拉应力没有超过允许拉应力,工程实施的温控措施是合适的。

3.7 坝体设置纵缝研究

当时国内已建的碾压混凝土坝均没有设置纵缝,由于大坝基础部位纵向底宽较大,加之处于基础强约束区,混凝土出现裂缝的几率很大。为避免或减少基础混凝土裂缝,本工程对在坝基中部设置纵缝的可行性进行了研究。研究成果表明,在基础混凝土中部设置纵缝,后期进行接缝灌浆后,对坝体应力分布无不利影响,但可大大减小上、下游方向混凝土的温度应力,从而避免或减少基础混凝土裂缝的产生。依据研究成果,提出了纵缝的设置位置、高度、接缝灌浆时机等。

纵缝设置在平行坝轴线的纵0+039.75基础排水廊道的底部,纵缝型式为垂直纵缝。温控计算成果和监测成果表明,坝基设置纵缝是降低温度应力的有效手段。

3.8 高水头泄水建筑物布置及体型研究

本工程泄水建筑物具有“大泄量、高水头、高流速、应力条件复杂”等特点。通过整体模型试验、单体模型试验及底孔减压试验等多种手段研究,最终采取了建筑物单一分层平行布置,高水头底孔(水头80.00m)采用突扩突跌掺气减蚀措施。运行实践证明,过流效果良好。

3.9 黄铁矿氧化带抗侵蚀性研究

坝址左、右岸地下水中硫酸根离子含量为689~1277mg/L,对普通水泥具有硫酸盐强腐蚀性。造成地下水硫酸根离子偏高的主要原因是由于坝址区基岩、断裂带、断层带均有不同程度的黄铁矿分布,黄铁矿氧化后形成了大量硫酸根离子。

黄铁矿在坝址区岩块内呈星点状分布,但含量较低,粒径较小,在基岩裂隙和断层破碎带内相对富集。针对黄铁矿分布特点,首先对黄铁矿氧化条件进行了专题研究,认为呈星点状分布在岩块内的黄铁矿无氧化条件,黄铁矿的氧化主要是因为基岩存在裂隙水而导致。

依据黄铁矿氧化条件,提出混凝土抗侵蚀设计的总思路,即尽可能地封堵裂隙,减少裂隙水的流动。按总体思路,提出具体的混凝土抗侵蚀设计为:与基岩相接触的坝基垫层混凝土与灌浆所用水泥均采用高抗硫酸盐水泥;加强帷幕灌浆和固结灌浆,采用较小的孔排距和尽量大的灌浆压力,封闭节理裂隙,减弱黄铁矿氧化条件;主河床坝基面以下10~15m节理相对较发育,故对主河床坝段采用深孔固结灌浆;对黄铁矿脉及蚀变带挖除一定宽度和深度。实践证明,以上措施是减弱黄铁矿氧化对建筑物侵蚀的有效手段。

3.10 短浇筑时段有效施工技术研究

本碾压混凝土坝建设工期十分紧张,混凝土浇筑时段短,浇筑强度高。大坝混凝土浇筑历时3年时间,年有效施工时段仅7.5个月、最高月浇筑强度18.20万m3/月。在有效的年施工时段中,6月、7月、8月3个月的月平均最高气温分别是27.9℃、29.3℃、28.2℃,中午13—15时最高温度高达37℃。如此高温均超出碾压混凝土浇筑合理的高温要求(25℃),加之坝址区干燥多风,很不利于碾压混凝土施工。如何实现在有限的施工时段内完成近300万m3混凝土的浇筑并保证工程质量,是工程按期完工需要解决的难题之一。针对这一难题,主要从以下方面开展研究:

(1)大坝浇筑方案研究。采用斜层碾压工艺:采用此工艺,可做到快速平仓、快速碾压。当完成本仓后,下一仓的准备工作基本结束,可以做到连续施工,有利于防止停歇期混凝土温度倒灌,实现对下一层混凝土面的快速覆盖。

溢流面混凝土同步上升:目前国内大型碾压混凝土重力坝的溢流面施工一般采取坝体碾压混凝土先上,预留台阶、插钢筋,随后进行溢流面常态混凝土浇筑的方法。基于变态混凝土与常态混凝土振捣工艺相同的特点,在工程施工中采用溢流面常态混凝土与碾压混凝土同步浇筑上升的施工工艺。

(2)陡坡坝段的坝基接触灌浆方式研究。陡坡坝段的坝基接触灌浆采取固结灌浆孔与接触灌浆相结合的方式。为了减少灌浆与碾压混凝土施工间的干扰,先进行有盖重固结灌浆,然后重新扫孔,埋设接触灌浆管,从而大大提高了施工进度。

(3)入仓手段研究。根据现场布置条件,强化入仓手段。碾压混凝土大部分采用大吨位汽车直接入仓方式,并修筑双车道,以满足高强度运输的需要;主河床坝段缺口的左岸采用“汽车+满管溜筒入仓”方式,坝体缺口位置碾压混凝土采用“汽车+垂直落料器入仓”方式,确保碾压混凝土高强度入仓要求;做好坝基垫层混凝土浇筑与基础固结灌浆交叉、中底孔钢衬制作安装与碾压混凝土浇筑等各相关工序交叉的施工组织和安排,尽量减少占用直线工期。

(4)高温干燥环境碾压混凝土施工对策研究。针对高温、干燥、多风条件下的碾压混凝土施工,优化选择适应此气候条件的碾压混凝土配合比,并通过碾压试验,选择合适的施工控制参数;合理安排施工进度,尽量选择低温时段多进行碾压混凝土浇筑;针对不可避免的次高温和高温季节碾压混凝土施工,首先对拌和楼配置制冷系统,通过拌制低温混凝土而控制出机口温度和浇筑温度。另外,及时覆盖仓面,并喷雾创造湿润性小环境,以保温保湿。再次,采用斜面碾压缩短层间覆盖时间,动态控制碾压混凝土Vc值。

3.11 发电洞取水口分层取水研究

为减缓水库蓄水后水温分层对水生生物的不利影响,发电洞进水口采取分层取水。取水口分为上、中、下三层进水口,上下垂直布置。每层进水口都设竖井段、拦污栅段和事故门井段,各为4孔。在未实施分层取水措施时,坝前水深约60~74m。实施分层取水后,每层取水闸门控制水深25m,根据库水位不同开启不同分层的闸门,尽量下泄表层水,使下泄水温基本接近原河道水温。

3.12 大变幅水头水轮机转轮研发

本工程电站水头范围在32~96m之间,水头变幅较大,当时尚无可选机型。为满足全水头范围安全、稳定发电运行,研发了新的水轮机转轮,并进行流动分析与模型试验。研发的水轮机转轮X100的主要性能参数如下:模型最高效率94.1%;最优单位转速75.08r/min;最优单位流量0.683m3/s;最大双幅压力脉动相对值不大于7%;额定工况点的临界空化系数0.09。X100转轮具有效率高、高效率区范围大、空化系数小、稳定性能好的特性,在额定水头至最大水头的额定出力工况下,临界空化系数不超过0.085。真机装置空化系数与模型临界空化系数的比值大于1.88,空化系数的安全裕度K相对较大,提高了电站水轮机真机的运行稳定性,满足电站的运行要求。

4 结语

根据KLSK坝址“冷、热、风、干”气候特征、分层取水要求及大变幅水头特点,新疆院在前期设计阶段对全断面碾压混凝土坝的坝体结构、混凝土特性、坝体温控、分层取水、高水头泄水建筑物体型、有效施工技术、水轮机适应性等难点问题进行了深入系统地研究,其主要研究成果已应用到工程实践中。碾压混凝土坝建设过程中,通过优化碾压混凝土配合比、选择合适的施工控制参数、合理安排施工进度、合理配置混凝土制冷系统、仓面创造小环境、仓面保温保湿、采用斜层碾压、动态控制碾压混凝土Vc值等措施,保质保量地完成了大坝混凝土浇筑,为工程发挥效益争取了时间。目前,工程已经正常运行达8年,监测数据表明,施工期及运行期坝体混凝土拉应力及越冬层面拉应力没有超过允许拉应力,工程实施的温度控制和温控措施合理可靠;运行表明,水轮机转轮具有效率高,且高效率区范围大,空化系数小,稳定性能好的特点,提高了电站水轮机真机的运行稳定性,满足电站可靠运行要求。经运行验证,控制性参数如可碾性、抗渗性、抗裂性、层面结合性能及抗冻融能力是安全可靠的,保证了大坝安全运行。

以上关键技术问题的研究应用,为同类地区建设碾压混凝土坝积累了宝贵的经验,将对我国碾压混凝土技术水平的提高发挥重要作用。分层进水口和大变幅水头水轮机的设计也为其他类似项目提供借鉴。

该项目建成投入运行后,拦蓄洪水,在很大程度上缓解了下游城市的防洪压力,减小洪灾损失,为当地经济可持续发展保驾护航;通过人工制造洪峰,对下游河谷林草场实施大流量淹灌,为生态保护提供了坚实的保障;KLSK水电站为当地提供了强大清洁廉价的电力资源,带动了地区的工业发展;项目建成后为系统引水工程的实施提供了前提条件,有效地保护和利用了有限的水资源;对受水区经济的可持续发展产生了深远的战略意义;极大地改善了KLMY及周围的环境质量,使城市面貌焕然一新,进一步提高了城市品位,改善了人们的生活质量。