苗尾水电站施工组织设计综述
任金明，陈永红 钟伟斌 王凤军 魏芳
（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014）
作者简介：任金明 （1963-），男，辽宁北票人，教授级高级工程师，主要从事水利水电工程施工组织设计与研究工作。
摘要：苗尾水电站可行性研究阶段的施工组织设计根据该工程施工特点及具体情况，主要研究了高土石坝施工导流布置、坝体防渗料施工、坝体填筑施工规划、施工总布置规划等技术问题。工程采用河床一次断流、土石围堰挡水、隧洞导流、主体工程全年施工方式。施工组织设计中还对料场选择与开采、主体工程施工、施工工厂设施规划、施工总布置及对外交通等进行了设计研究。拟定首台机组发电工期为6年2个月，施工总工期7年6个月。
关键词：施工组织设计 可行性研究阶段 技术问题 苗尾水电站
1 工程概况
苗尾水电站位于云南省大理白族自治州云龙县旧洲镇境内的澜沧江河段上，是澜沧江上游河段一库七级开发方案中的最下游一级电站，上接大华桥水电站，下邻功果桥水电站。苗尾水电站为一等工程，挡水、泄洪、引水、发电等主要建筑物按1级建筑物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。枢纽建筑物由砾质土心墙堆石坝、左岸溢洪道、冲沙兼放空洞、引水系统及地面厂房等组成。堆石坝最大坝高139.80m，水库总库容6.60亿m3，电站装机容量1400MW。
2 施工特点
（1）受地形、地质条件限制，本工程枢纽建筑物布置十分紧凑，导流隧洞、溢洪道、冲沙兼放空洞、引水系统和发电厂房集中布置在左岸，施工中存在较大干扰，必须合理组织、妥善安排。大坝堆石料部分利用溢洪道开挖料，为减少有用料的中转，溢洪道的开挖需与大坝填筑在进度上相协调。
（2）工程区岩体倾倒变形强烈，左岸极强倾倒水平发育深度约278m，右岸极强倾倒水平发育深度约204m，施工期边坡稳定问题突出。本工程地质条件差，隧洞开挖及地基处理（如帷幕灌浆）施工难度较大，施工速度较慢。
（3）本工程开挖、填筑量大，中转、弃渣量大。本工程料源具有需求种类多（除混凝土骨料以外，还包括坝体各类填筑料）、供料点多（工程各部位开挖料，窝戛沟前期混凝土骨料料场，丹坞堑石料场）、弃料场多（湾坝河，下水井，苗尾寨，坝前、坝后，丹坞堑等弃渣场）等特点，开挖、填筑量大，合理规划堆存场地，充分利用开挖料对节省投资影响较大。
（4）场内几处沟内沟水处理未完成，存在人为形成泥石流的可能，汛期安全隐患多；每年6—9月降雨大于0.5mm的月平均天数均接近20d，大坝心墙砾质土料填筑存在季节性停工问题。
（5）混凝土人工骨料料源不甚理想，工程开挖料由于质量原因不宜作为工程混凝土骨料，石料场存在如具有碱硅酸反应活性、剥采比大、运距远等问题。
3 施工组织设计规划与研究
3.1 施工导流
施工导流方式为河床一次断流，土石围堰挡水，隧洞导流，主体工程全年施工方式，导流建筑物级别为3级。根据施工总进度计划安排，施工导流程序安排如下。
3.1.1 初期导流
从第3年11月初河床截流开始，至第5年12月底大坝填筑高程超出上游围堰堰顶高程并具备临时挡水条件时止，为初期施工导流阶段。本阶段由上、下游围堰挡水，两条导流隧洞泄流，主要进行坝基开挖及坝体填筑，厂房基础开挖及混凝土浇筑。导流设计标准为全年20年一遇洪水，流量7180m3/s，相应上游水位1357.99m。
3.1.2 中后期导流
从第6年1月初大坝填筑高程超出上游围堰堰顶高程并具备临时挡水条件开始，至首台机组投产发电止，为中后期导流阶段。本阶段第6年1—10月由坝体临时度汛断面挡水，导流隧洞泄流，坝体临时度汛标准为全年100年一遇洪水，流量9610m3/s，相应上游水位为1384.16m，为满足坝体临时度汛要求，第6年汛前大坝需填筑至1386.00m高程以上；第6年11月至第7年12月由坝体临时度汛断面挡水，导流隧洞泄流，坝体临时度汛标准为全年200年一遇洪水，流量10700m3/s，相应上游水位为1395.19m，为满足坝体临时度汛要求，第7年汛前大坝需填筑至1397.00m高程以上。
第7年11月初导流隧洞下闸封堵，水库开始蓄水，第7年12月底首台机组投产发电，第9年4月底工程竣工。
为细化导流隧洞、上下游围堰、截流规划（双洞截流方案、单洞截流方案）的设计，编制了《苗尾水电站施工导截流专题报告》。从导截流模型试验成果看，导流隧洞轴线布置较合理；导流隧洞泄流能力试验值略大于计算值；各级流量下洞内水流均较平稳，不利流态较小；下游右侧河岸冲刷相对较小。但存在部分流态下导流隧洞进口出现立轴漩涡，左岸下游山体一定程度的冲刷等问题。针对上述问题拟采取以下措施。
（1）增加导流隧洞进水塔高度，并向两侧延伸，与岸坡相接，采取上述措施后，经模型试验验证，进口立轴漩涡明显减小。
（2）结合水工对雾化区的防护设计，拟在导流隧洞出口左岸下游山体坡脚设置防淘墙，防淘墙长150.0m。
3.2 料场选择与开采
本工程填筑总量（压实方，下同）1518.95万m3，其中坝体堆石料765.65万m3，坝体过渡料141.18万m3，坝体反滤料94.19万m3，坝体防渗土料191.53万m3，围堰、厂房及溢洪道等部位填筑料326.40万m3。混凝土（含喷混凝土）浇筑总量230.43万m3，其中主体工程190.17万m3，临建工程40.26万m3。砌体填筑总量39.85万m3。
考虑开采、运输、加工过程中损耗等因素，共需从石料场开采石料551.04万m3（自然方，下同），共需从土料场开采土料285.04万m3。
根据调查，本工程所选土料场分布有大量白蚁，为确保白蚁不会对大坝安全造成威胁，拟采取下列措施：
（1）大坝建造前，采取见蚁喷粉和施放毒饵的措施，尽可能消灭土料场内已有的白蚁，从源头控制白蚁危害，以达到消除大坝安全隐患的目的。
（2）大坝建造过程中，利用白蚁检测控制装置对土料堆放场进行实时监测以减少白蚁通过堆放的土料入侵大坝的风险，同时利用诱虫灯诱杀从附近山坡飞向大坝建巢的白蚁有翅成虫，以减少新的蚁王、蚁后在大坝定居的风险。
3.3 坝体防渗料施工研究
3.3.1 防渗土料
本工程心墙防渗土料料源选择坝址左岸土料场、苗尾寨土料场和丹梯村土料场；其中坝址左岸土料场、苗尾寨土料场A区为主供土料料源。土料场土料开采顺序为：坝址左岸土料场→苗尾寨土料场A区→苗尾寨土料场B区→丹梯村土料场中与施工临建设施布置非重合区，丹梯村土料场中与施工临建设施布置重合区作为调剂料源使用。
苗尾寨土料场天然含水率较高，为进一步研究土料含水率与干密度、压实度之间的关系，验证苗尾寨土料不经翻晒直接上坝的可行性，本阶段我院委托昆明院科研所进行了土料现场碾压试验。现场碾压试验共进行了3个大场：第一大场主要确定土料铺层厚度和碾压遍数，最终选取铺料厚度28cm，碾压8遍；第二大场研究不同含水率下土料压实情况，共进行了10%、12%、14%、16%、18%、20%等6个含水率的碾压试验；第三大场为复核场。苗尾寨土料场土料填筑含水率区间为12%～18%时，全料（1470kJ/m3击实功能）压实度指标均不小于95%。考虑土料开采运输过程中含水率损失1%，则料场土料的含水率容许区间为13%～18%，而根据苗尾寨土料场全井含水率统计成果，苗尾寨料场土料含水率基本在14%～20%范围内。因此，苗尾寨料场土料大部分可以直接上坝填筑。
3.3.2 开挖石料
本工程开挖料数量巨大，板岩和砂岩互层分布，开挖过程中将不可避免形成开挖混合料，混合料中的板岩呈扁平片状，粒形欠佳，可能存在碾压不密实、架空等现象，导致饱水后变形较大，同时也可能存在碾压后破碎率较高，细粒含量偏多，透水性差等情况。
基于上述考虑，可研阶段对绢云板岩和变质石英砂岩按不同比例混合开展了大量的室内试验。试验成果表明，开挖混合渣料各项指标均满足筑坝要求，但丹坞堑石料场弱风化片麻岩性能优于工程开挖混合渣料。同时从国内外利用片状岩石筑坝的经验分析，施工中经碾压试验选取合适的施工机械、碾压层厚等参数，将提高开挖料作为筑坝材料的效果。
3.4 主体工程施工
3.4.1 砾质土心墙堆石坝施工
大坝基础开挖以枯水期常水位为界分坝肩和坝基开挖两部分，坝肩开挖不受水文条件控制，在河床截流前完成；坝基开挖安排在河床截流、围堰闭气后进行。
大坝左、右岸坝肩开挖渣料主要向下游方向出渣，根据场内交通、地形条件及施工总布置规划，右坝肩开挖利用右岸沿江道路、8号临时道路、坝顶交通洞作为施工通道；左坝肩开挖利用左岸中线道路、5号临时道路、左岸低线道路作为施工通道。坝基开挖出渣主要向坝前弃渣场及丹坞堑沟弃渣场两个方向出渣。覆盖层采用反铲开挖，推土机集料；石方开挖采用潜孔钻辅以手风钻钻孔、梯段爆破，3～4m3挖掘机配20～25t自卸汽车出渣。
大坝填筑总量1192.55万m3。根据施工总进度安排，坝体填筑共分5期，大坝填筑分期详见表1。
表1 大坝填筑分期一览表
坝体堆石料填筑采用20～25t自卸汽车运输，混合法卸料，自行式振动碾碾压；反滤料、过渡料填筑采用15～20t自卸汽车运输，后退法或混合法卸料，推土机平料，自行式振动碾碾压；砾质土料采用15～20t自卸汽车运料，进占法卸料，凸块振动碾压。
3.4.2 溢洪道施工
溢洪道边坡最大开挖高度达210m，根据坝体填筑及溢洪道施工工期要求，溢洪道需分期、分区开挖，将溢洪道的开挖分为3段：①进水渠段；②泄槽段；③预挖冲刷坑段。溢洪道开挖先进行全强风化无用层的剥离，再进行有用料的开挖。有用料采用自上而下分层开挖方式进行，分层高度控制在8～10m内。覆盖层采用反铲剥离，推土机集料；石方开挖采用潜孔钻辅以手风钻钻孔爆破，推土机集渣，3～4m3挖掘机配20～25t自卸汽车运输。
溢洪道进水渠底板混凝土采用10t自卸汽车直接入仓浇筑；闸墩、泄槽边墙混凝土采用塔机及履带吊配3m3罐入仓浇筑；泄槽底板混凝土采用滑模施工，混凝土泵泵送入仓。
3.4.3 输水系统施工
引水洞进水口边坡最大开挖高度约120m，与溢洪道进水渠段开挖同步进行，采用自上而下分层开挖，分层高度控制在8～12m内。覆盖层采用反铲剥离，推土机集料；石方开挖采用潜孔钻辅以手风钻钻孔，梯段爆破，推土机集渣，3m3挖掘机配20t自卸汽车出渣。进水口混凝土浇筑采用3m3混凝土搅拌车运输，塔机配3m3罐入仓。
上平洞开挖从引水隧洞上平洞施工支洞进入工作面，拟分上、下两层进行，上层开挖采用钻架台车钻孔，3m3装载机配20t自卸汽车出渣；下层开挖采用三臂液压凿岩台车沿边墙和底板钻周边孔，潜孔钻钻垂直孔，梯段爆破，3m3装载机配20t自卸汽车出渣。下平洞开挖从厂房后边坡进入工作面，施工方法同上平洞。斜井待上、下平洞开挖完成后进行，采用反井钻开挖导井，自上而下扩挖。
压力钢管安装以竖井下弯管节作为始装节，形成上、下游两个安装工作面，分别向上、下游两个工作面安装其余管节。竖井段采用在竖井的顶部设吊装洞室，安装简易桥式起重机，吊运钢管就位，自下而上逐段安装。混凝土回填配合钢管安装进程分段施工，由6m3混凝土搅拌运输车运送混凝土至上、下平洞，泵送入仓。
3.4.4 冲沙兼放空洞施工
进水口段明挖采用潜孔钻钻孔，2m3挖掘机配10～15t自卸汽车出渣；洞挖段洞挖采用全断面钻爆法施工，装岩机装渣，小型自卸汽车或手扶拖拉机出渣；事故检修闸门井采用自上而下人工卷扬机打导井，然后自上而下扩挖。
压力钢管安装以上游第一节为始装节，采用从上游至下游的安装顺序。混凝土回填配合钢管安装进程分段施工，由6m3混凝土搅拌运输车运送混凝土至洞内，泵送入仓。
3.4.5 发电厂房施工
厂房开挖以枯水期常水位为界，分上、下两部分开挖，每层控制开挖高度8.0～12.0m。覆盖层采用反铲开挖，推土机集料；石方开挖采用YQ-100型潜孔钻及手风钻钻孔，梯段爆破，3～4m3挖掘机配20～25t自卸汽车出渣。
厂房混凝土由厂房工程混凝土系统供料，采用自卸汽车运送3m3、6m3混凝土料罐至吊运点，转高架门机或塔机吊运入仓，共布置两台SDTQ1800高架门机、两台MQ600高架门机和1台MD2200塔机。
3.5 施工交通运输
对外交通以公路运输为主，主要交通线为昆明—大理—永保桥—功果桥—旧州—坝址右岸，全长544km。铁路转运站设在祥云，祥云至坝址公路里程为272km。超出铁路二级超限尺寸的大件设备，可由水运至广西北海码头起岸后经南宁、贵阳、昆明、祥云、大理、永保桥、功果桥、旧州至坝址，公路运输里程2095km。
铁路二级超限尺寸内的重大件可由各设备制造厂家通过铁路运输至祥云转运站卸货，然后沿G320经大理、永保桥、功果桥、旧州至坝址，公路运输里程272km。
本工程场内交通线路总长50.50km，其中永久公路11.30km，临时道路39.20km，跨江交通桥3座。为满足地下工程施工及缩短运距等的要求，本工程布置有3条施工支洞，1号、2号施工支洞为导流隧洞施工支洞，3号施工支洞为引水上平洞施工支洞。
3.6 施工工厂设施
3.6.1 砂石加工及混凝土系统
本工程共布置两座砂石加工系统，分别为丹坞堑砂石加工系统和窝戛沟砂石加工系统。
丹坞堑砂石加工系统布置丹坞堑沟左岸，主要承担坝体反滤料以及大坝、溢洪道等主体工程混凝土粗、细骨料的生产任务，共需生产成品砂石料约385万t，其中人工砂约135万t，料源为丹坞堑石料场开采料。系统按满足反滤料与混凝土叠加后的高峰时段填筑（浇筑）强度12.2万m3/月设计，两班制考虑，系统处理能力1025t/h，成品生产能力795t/h，其中人工砂生产能力约330t/h。
窝戛沟砂石加工系统位于窝戛沟内，主要承担导流隧洞、雾化区坡脚防护等前期工程混凝土（含喷混凝土）粗、细骨料的生产任务，共需成品砂石料约105万t，其中人工砂约40万t，料源为窝戛沟石料场开采料。系统按满足混凝土高峰时段浇筑强度3.0万m3/月设计，两班制考虑，系统处理能力250t/h，设计生产能力195t/h。
本工程共布置两座混凝土生产系统，分别为大坝工程混凝土生产系统和厂房工程混凝土系统。为满足混凝土的温控要求，两座混凝土系统均附设制冷系统。
大坝工程混凝土生产系统主要承担大坝、溢洪道混凝土的生产任务。系统主要承担大坝及溢洪道等工程共约60万m3混凝土的生产任务，按满足混凝土高峰月浇筑强度4.7万m3/月设计，选用HL240-4F3000LB混凝土搅拌楼一座，系统生产常温混凝土时的生产能力为240m3/h，生产12℃低温混凝土时的生产能力为180m3/h。
厂房工程混凝土系统前期主要承担导流隧洞混凝土的生产任务，后期主要承担引水发电系统混凝土约110万m3的生产任务，按满足混凝土高峰月浇筑强度5.5万m3/月设计，选用HL240-4F3000LB混凝土搅拌楼一座，系统生产常温混凝土时的生产能力为240m3/h，生产12℃低温混凝土时的生产能力为180m3/h。
3.6.2 施工工厂
本工程施工工厂由综合加工企业和修配加工企业组成，综合加工企业包括钢筋加工厂、木材加工厂、混凝土预制件厂、转轮拼装厂、钢管加工厂和金属结构拼装厂等，修配加工企业包括机械修配厂、汽车保养站等。施工工厂分左、右岸布置，重心在右岸下游，为节约用地，利用工程前期形成的弃渣场布置部分施工工厂。
3.6.3 施工风、水、电供应
本工程施工供风系统采取分散和集中的布置方法，高峰总用风负荷约880m3/min，供风系统的设计供风能力1240m3/min。根据本工程特点共设置右岸坝头、导流隧洞进口、导流隧洞出口、厂房及丹坞堑石料厂共5座固定供风站。为满足高峰期石方开挖的需要，另设置移动式空压机12台。
本工程高峰用水量约25500m3/d，选用左岸上游的三棵枪河作为本工程生产及生活用水主供水源，石沙场沟作为补充水源。为满足供水要求，共布置2座加压泵站、6座高位水池、12条供水管线。
本工程高峰用电量约14600kW，施工用电选择由漕涧变引一回110kV线路至施工中心变，筹建期及准备期施工用电可由旧表线梯接一回35kV线路至施工中心变，同时该线路可作为主体工程施工期一类负荷的备用电源。为满足供电要求，共引接1回110kW供电线路、12回10kW供电线路。
3.7 施工总布置
根据本工程施工总布置规划原则，经规划专题研究，推荐方案的施工总布置确定了以右岸为主、偏重下游的布置格局。主渣场位于坝址右岸下游丹坞堑沟；堆石料存料场、土料存料场及表土料堆存场在上、下游分别设置；主体工程砂石加工系统布置于丹坞堑沟左岸；施工工厂及仓库布置以左岸下游沿江缓坡地和鲁羌村缓坡地为主；大坝及溢洪道工程承包商营地布置于鲁羌村缓坡地，厂房及引水工程承包商营地布置于左岸下游沿江缓坡地。施工场地布置主要分5个区，分别为坝址左岸下游工区、坝址右岸上游工区、鲁羌村工区、窝戛沟工区及丹坞堑沟工区。
为满足存弃渣料堆存，本工程共布置7个弃渣场及8个存料场。
根据施工总布置规划，本工程施工征地按用地性质、时间，分为永久征地、库区工程先期征地和临时征地。本工程永久用地为133.62万m2（2004.32亩），库区先期用地为128.99万m2（1934.88亩），临时用地为314.46万m2（4717.00亩），共计用地为577.07万m2（8656.20亩）。
3.8 施工总进度
施工总进度计划按国内先进水平编制，施工总进度安排时，根据工程规模、主体及临建工程建筑物形式和特点，并考虑施工条件及导流方案等因素，既考虑各单项工程施工水平的先进性，同时又留有适当余地；充分考虑施工度汛要求，注重施工的连续性、资源需求的均衡性和合理性。
工程筹建期1年6个月，不计入总工期。拟定的施工总工期7年6个月，其中工程准备期2年，主体工程施工期4年2个月，工程完建期1年4个月，首台机发电工期6年2月。
本工程施工关键线路为：导流隧洞施工→河床截流→厂房基础土石方开挖→厂房混凝土浇筑→机组安装调试→第一台机组投产发电→剩余机组投产发电→工程完工。次关键线路为：导流隧洞施工→河床截流→坝基土石方开挖→盖板及廊道混凝土浇筑→大坝填筑→水库蓄水→第一台机组投产发电→剩余机组投产发电→工程完工。
4 结语
苗尾水电站可行性研究阶段施工组织设计历时3年，针对工程高土石坝、大型地面厂房的特点，进行施工关键技术问题的深入研究，并吸取多家国内知名科研单位的有关科研成果，在设计过程中，得到中国水利水电建设工程咨询公司多次咨询指导，较好地完成了施工组织设计，顺利通过水电水利规划设计总院的审查，获得好评。当然，在设计中，也存在一些疏漏与不足之处，已在招标设计和施工图设计阶段进行了完善和优化。