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碾压混凝土20年
碾压混凝土筑坝20年
王圣培
(中国水力发电工程学会碾压混凝土筑坝专委会)
1回顾
1979年我国开始碾压混凝土筑坝技术探索、研究和实验工作,1986年在福建坑口电站建成第一座碾压混凝土坝。
经过20年的开发与实践,碾压混凝土在大坝工程建设筑坝技术方面,取得了令人瞩目的进展和成就,积累了宝贵的经验,形成了一整套具有我国特点的筑坝技术。
总体上,碾压混凝土筑坝技术的发展的步调是稳健的、顺畅的,是相当成功的。
目前(至2005年末),我国已建成的碾压混凝土坝共66座,在建的35座,近期拟建的24座(见表1)。
表1碾压混凝土坝工程项目统计(单位:
座)
项目
重力坝
拱坝
合计
已建
52
14
66
在建
29
6
35
拟建
17
7
24
总计
98
27
125
20世纪80年代末至90年代初期,主要是建设70m高以下的中低坝。
至90年代从岩滩电站建成第一座百米级高坝后,江垭、棉花滩、大朝山等一批百米以上高坝先后相继开工兴建,碾压混凝土筑坝技术全面提升到新的高度,转入向百米级高坝快速发展阶段。
经过"八五"国家科技攻关,在对修建二百米级碾压混凝土高坝技术难题取得重要成果后,21世纪开始了龙滩及光照两座二百米级碾压混凝土高坝建设(见表2)。
自普定成功建成第一座碾压混凝土高拱坝后,碾压混凝土拱坝在我国很快得到公认,迅速推广发展,并在设计和施工中也形成较有特色的技术体系。
现在已建成14座,在建6座。
其中高度达百米级以上的7座(见表2)。
沙牌拱坝高132m,目前正在设计和拟建140~160m的高拱坝。
20世纪90年代末至21世纪开始出现百米级双曲薄拱坝。
目前这些坝上游面均未发现裂缝和坝体渗漏现象,设置的几种分缝结构也正常发挥作用。
碾压混凝土围堰具有显著的施工速度快,适用溢洪过流能力强的特点,现已修建21座。
其中三峡三期围堪、龙滩上围堪和构皮滩上围堪,高度均在70m以上,已属于高混凝土坝。
这些围堪最长的仅用4~5个月。
在一个枯水季内全部顺利建成,并及时投入运行,当年拦洪、过流、度汛、有的围堰还经受多次大流量溢流考验。
所有围堰均没有明显渗漏现象,并一直安全运行。
我国碾压混凝土筑坝技术,自坑口第一座坝初步形成具有我国特点的技术模式后,在这一基础上,经过多年设计、科研、施工和管理等各方面人员的奋发开拓,不断提高完善,形成了不设纵缝富浆碾压混
凝土防渗、低水泥高掺粉煤灰(或矿碴类掺和料)、低VC值、大仓面连续浇筑、斜坡铺筑碾压以及
表2高于100m的碾压混凝土坝
项
目
重力坝
拱坝
坝名
坝高(m)
坝名
坝高(m)
已建工程
江垭
大朝山
岩滩
棉花滩
水口
索风营
128
118
111
111
101
115.8
沙牌
石门子
蔺河口
招徕河
132
110
100
107
在建工程
龙滩
光照
观音阁
金安桥
百色
洪口
武都引水
戈兰滩
彭水
景洪
咯腊塑克
思林
192(216.5)
195.5(200.5)
160
160
130
130
130
120
116.5
110
123
117
大花水
白莲崖
罗坡坝
134
102
104
变态混凝土代替常态混凝土等一整套技术路线,并在设计、材料、施工工艺等方面进行一系列改革、创新,形成若干新的理念与思路。
工程实际应用表明,碾压混凝土坝施工速度快,混凝土质量好,且节省造价,坝体安全可靠。
对于这种水泥用量很少、胶材用量不多的干硬性混凝土,经过防渗、防裂、抗冻、耐久性及热学等方面的研究分析,确认具有良好、可靠的性能,已形成广泛而牢固的共识。
这是肯定和发展碾压混凝土筑坝技术的基本点,也是进一步改进、完善坝工设计,提高施工质量,获得技术、经济效益的基础。
在碾压混凝土筑坝的技术规程、规范的基础上,经过不断总结经验,紧跟技术发展,先后在设计、施工和材料方面分别依据原有的"准则"、"导则"制订出行业专用规范。
例如,《水工碾压混凝土施工规范》、《碾压混凝土实验方法》、《碾压混凝土重力坝设计规范》、新订《混凝土重力坝设计规范》(水电系列,其中含碾压混凝土部分)。
这些规程规范的编制、发布、实施,标志着碾压混凝土筑坝技术的成熟。
在"六五"、"七五"、"八五"和"九五"国家科技攻关中,对碾压混凝土高坝、碾压混凝土拱坝做了大量科学研究、试验等专题安排,参加科学试验的单位近百个,人员涉及设计、科研、施工、教学、机械设备、施工材料、基础理论等各方面的专家、教授和工人。
获得的成果,很大部分直接转化到工程的设计和施工中,取得明显技术、经济效益,为发展我国碾压混凝土筑坝技术铺垫了雄厚扎实的基础。
其中不少成果通过工程建设获得科技进步奖。
例如,普定、沙牌碾压混凝土高拱坝,分别获国家科技进步一等、二等奖;江垭,大朝山,龙首等工程获省、部级科技进步一等、二等奖;棉花滩,大朝山电站工程,基于优良的碾压混凝土坝工程质量,获得鲁班奖。
招徕河百米级碾压混凝土双曲薄拱坝,获2005年度企业十大技术创新奖。
这些奖项反映出碾压混凝土筑坝技术确有较高的技术含量和技术推进。
通过二十多年的科技开发和百余项大坝工程实践,锻炼造就了一大批从事碾压混凝土筑坝工程设计、施工、科研、设备制造、工程管理等方面专业新生力量和技术队伍。
就已建和在建的工程而言,从事有关碾压混凝土坝工程设计的单位,有原水利、电力两部直属设计研究院,长江委、黄委设计院。
还有17个省区属水利水电设计研究院(如:
辽宁、吉林、延边、河北、山西、甘肃、新疆、云南、贵州、四川、浙江、福建、广东、广西水利、广西电力、湖南、湖北、安徽等)也承担不少百米级以上高碾压混凝土坝工程的设计。
参加碾压混凝土坝工程施工的单位,除中国水利水电工程集团公司、葛洲坝集团公司及武警水电指挥部外,还有一些省属水利、水电施工队伍,共24个。
部分工程局目前正在承担4~6座百米级高碾压混凝土坝的施工。
总之,我国碾压混凝土筑坝经历的道路是健康扎实的,有技术发展成就的,建成的工程是安全的。
2经验与特色
我国碾压混凝土筑坝技术在坝工设计、混凝土材料、大坝施工等方面,积累的经验和创造的特色技术相当丰富。
2.1碾压混凝土材料
碾压混凝土的构成,组合和性能都直接影响到大坝的设计和施工。
在这方面,多年来的研究结果,不断为发展碾压混凝土技术水平起到促进作用。
高掺粉煤灰(或掺和料)和中胶凝材是我国碾压混凝土构成组分的重要特点。
许多百米级高坝的混凝土(三级配R9015MPa)。
水泥用量多在55~65kg/m3之间,粉煤灰掺量达60%~65%,R9020MPa以上的混凝土,水泥用量在70kg/m3左右。
拌制的和浇筑的混凝土,强度指标及变形性能均远超过设计规定要求,绝大部分的混凝土强度保证在90%以上;极限拉伸值普遍超过设计值15%以上。
表明坝体混凝土的物理学特性是有充分安全裕度的。
对于普遍关切的碾压混凝土层面结合质量及抗剪断性能,许多工程结合工程实用材料,
在现场进行室内、原位和芯样抗剪断试验。
其试验成果摘列于表3。
结果表明,混凝土层间结合面的抗剪断性能,在符合施工规范条件下,正常施工时,其f’、C’值均远大于设计指标。
即使中低坝工程中胶凝材料很少的贫混凝土,抗剪断性能也高于设计指标。
对于龙滩二百米级高坝,设计的指标是f’≥1.0~1.1,c’≥1.9~1.7MPa,其试验结果,不论是常温或高温条件下浇筑的混凝土,f’,C’值均分别高于1.1和2.OMPa。
表3碾压混凝土抗剪断试验成果表
项
目
工程名称
胶材用量(kg/m3)
试验成果
备注
水泥
粉煤灰
F’
C’
原
位
抗
剪
岩滩围堰
初凝前覆盖
45
115
1.3/1.35/1.08
1.4/0.92/1.24
R9010MPa
岩滩主坝
初凝前覆盖
55
104
1.2/1.17
1.025/1.36
R9015MPa
坑口
初凝前覆盖
60
80
1.10
1.92
R9010MPa
铜街子
层面铺覆盖
76/65
76/85
1.23/1.38/1.5
2.25/1.16/1.3
水口
初凝前覆盖
60
74
1.37
1.40
大朝山
67
103
1.48
1.20
R9015MPa
缝面冲毛铺浆
1.43
1.00
磷矿+凝灰岩
江垭
64
96
1.12
2.34
峰值平均
三峡围堰
1.52
2.92
R9015MPa
石漫滩
1.15
2.30
R9010MPa
棉花滩
R18015MPa
1.68/1.77
2.68/2.20
铜街子
R118
1.80
1.60
龙
滩三级配
C15均值
常温施工
60
100
0.96/1.15
1.71/1.86
90d/180d
初凝前覆盖
高温施工
1.17/1.59
2.11/1.56
C20
2-5h
常温施工
75
105
1.08/1.42
1.64/2.27
高温施工
1.53/1.45
2.04/2.61
C25
常温施工
90
100/110
1.15/1.38
1.51/2.51
90d/180d
高温施工
1.31/1.41
2.65/2.41
芯
样
坑口
60
80
1.12
1.17
φ20cm
碗窑(初凝前覆盖)
68
103
1.36
1.78
层面
江垭(打毛+砂浆)
64
96
1.18/1.20
2.36/2.28
缝面
室
内
试
验
洪口(三级配)
0.99
3.23
石漫滩(三级配)
51
100
1.15
2.30
普定(二级配)
54/85
99/103
1.37/1.64
1.53/2.41
临江
83
83
1.33/1.58
1.82/1.85
葛洲坝试块
50
75
1.18
1.35
通过钻取岩芯对层面和缝面进行专门检查和分析,表明层面的折断率一般仅5%~6%左右,缝面的折断率约7%~9%。
层面不是主要薄弱环节,相对而言缝面折断还高些。
这种缝面折断与缝面处理技术、处理质量有直接关系。
其效果与常态混凝土的缝面处理是同样的,不是碾压混凝土等有的层面结合问题。
大量取芯检验成果表明碾压混凝土不再是千层饼工程,也不是原发性固有的缺陷,依现有技术,层间结合问题是可以正常解决的。
碾压混凝土的热学特性是大坝简化温度控制、不设缝、减少拱坝分缝、实行大仓面浇筑和防止产生裂缝最本质的要素。
特别是早期混凝土温升慢而且少,弹模成长很慢,早龄期的混凝土的拉应力效也很小。
这是碾压混凝土在早期强度不高情况下很少发生表面张缝的基本根由。
在碾压混凝土拱坝中,这种防裂效果更为明显。
因此,大坝混凝土防裂应更加注意混凝土材料组合及特性方面的合理利用与发挥。
普定坝首先采用二级配富浆碾压混凝土作坝体防渗材料,投产运行后,至今未发现上游区混凝土有渗漏现象,也未发现表面裂缝。
这一技术改变了以后碾压混凝土坝的防渗结构模式。
江垭大坝在大坝上游面通过钻取垂直和水平(骑层面缝)混凝土芯样,做了专门抗渗性能试验研究,混凝土不仅能满足设计的W8抗渗指标,甚至超过W10,混凝土的渗透系数可达10-9~10-10cm/s,相当于240m高的二滩拱坝混凝土抗渗指标。
在二级配混凝土外缘加上一层30~50cm厚的变态混凝土,切断了层间结合面的渗漏通道,其抗渗性能更有提高,渗透系数可达10-10~10-11cm/s。
大朝山工程在粉煤灰材料不相宜的情况下,专门研究开发出磷矿碴与凝灰岩混合磨旧的粉料作混凝土掺和料,掺量是60%。
其物理学和热学性与掺同量粉煤灰的混凝土性能基本相同。
仓面的作业适应性很好,混凝土凝结效应与施工也相应。
应用后,经现场试验和取芯检验,均满足设计要求,具有相当超强幅度。
现已普遍推广应用,并作更深化的研究,开发利用。
碾压混凝土中掺用石粉问题,早在建坑口坝工程时已开始研究,对它的作用和掺量已有初步认识,经不断深化研究,砂中含有适量石粉确有提高混凝土抗分离、促泛浆、改善层间结合效果和抗渗性能,提高层面粘结强度增强混凝土内部结构的致密性的作用和提高混凝土本体抗渗性能效果。
是碾压混凝土组分中备受关注的材料成分。
近些年,对细度小于0.075mm的细粒颗粒在改善混凝土性能方面的作用有了更深认识,有的工程在人工砂生产中已明确提出细粉的基本含量指标。
为改善混凝土的层面结合以及防止日晒或高气温条件下的混凝土表面经常产生过早泛自或干化现象。
对碾压混凝土的可碾性、泛浆性进行综合考虑后,混凝土的VC值,由原初的15~20s,改进到8~15s,现在通常己较普遍采用3~5s。
而且对碾压混凝土碾压过程中的"弹簧土"反弹现象也有放宽。
为此在碾压混凝土配合比设计中,混凝土抗压强度已是很容易解决的指标,不再是主要考核的关键,更加注重混凝土泛浆速度和状态,这是我国碾压混凝土配合比设计理念的重要思路。
施工中,很多部位的混凝土经碾压初凝后仍经过行车运送混凝土,长时间经受重载汽车反复碾压,特别是在汽车上坝入口处和斜坡碾压的混凝土表面上。
对这种不断的碾压扰动已经压实并初凝的混凝土质量是否会产生破坏,存在某种疑虑。
为此,有些研究人员针对这一问题专门进行现场行车碾压试验和室内模拟试验。
结果示于表4及表5。
从表5看出,混凝土初凝后在经表4仓面行车现场试验结果
混凝土碾压后历时
6h
12h
24h
未走车
90d芯样强度(105Pa)
226
160
160
180
90d试块强度(105Pa)
241
250
260
250
10~16h以上的碾压,其初凝时间随
碾压功时增长而相应延长。
而混凝土
抗压强度基本同步增长,未发生混凝
土破坏现象。
注:
(1)未行走车辆混凝土R90180,R9025O;
(2)行车走压,走压时间18h。
表5室内混凝土模拟重复碾压试验结果
重复振压时间(h)
0
4
8
10
12
16
20
初凝时
间(h)
试验A
2:
30
13:
30
14:
40
16:
20
19:
18
17:
16
试验B
13:
40~14:
10
14:
10~14:
50
16:
40~17:
20
19:
10~20:
00
19:
50~20:
30
22:
30~21:
40
A28d,相对抗压强度(%)
100
117
111
111
129
119
117
B90d,相对抗压强度(%)
100
105.6
108
110
105.8
109
注:
试验A、B,是贵阳院和四局研所分别进行的。
2.2坝工设计
在重力坝和拱坝设计中,从坝体构造到结构形体到坝工应力分计等技术,都有创新和发展。
2.2.1碾压混凝土重力坝
首先在坝体分缝方面,早期为了建碾压混凝土坝创造大仓面机械化作业条件,有些重力坝(如坑口、水东、山仔等坝)曾采用整体式结构,既无纵缝,也无横缝。
后来有的坝设置横缝,但缝间间距较长。
在一些大坝上游面混凝土产生较深劈头裂缝后,分横缝和诱导缝技术和轻便设备,使设置横缝的难度缓解开。
逐步形成以20m左右为间距的横缝间,有诱导缝的布置横缝,使上游面混凝土裂缝问题很快化解。
百色则在30m长的坝段中的上游混凝土的中间部位加设一条深约4~6m(自上游面向坝内)长的短缝,缝内布置与横缝相同的止水结构。
有一条是共同的,所有的碾压混凝土都不设纵缝。
在防渗结构方面,早期在中低坝工程中,先后探索应用过沥青砂浆护面、预制混凝土模块嵌缝、预应力补偿收缩钢筋混凝土、PVC膜等防渗结构形式。
后又多年采用"金包银"形式。
现今已根据普定拱坝的经验,形成以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。
其防渗效果可满足W10、W12的抗渗指标要求。
变态混凝土是由中国特点的创新工艺、新模式材料,既使于运输摊铺、施工,有利于与相邻碾压混凝土的结合,在性能上可达到与同设计标号常态混凝土的各项要求,现今除在大坝上、下游面采用外,在与岸坡接触,坝内细部钢筋混凝土部位也广泛采用,减少了坝内的混凝土品种,使异种混凝土的施工干扰大为简化。
重力坝溢流坝段的消能,在常用的泄洪结构形式外,在水东电站、大朝山电站的碾压混凝土坝中创新性采用了台阶式消能功,两座坝分别经历了108m3/(m·s)和200m3/(m·s)大单宽流量泄洪过流考验,混凝土表面均完好无破坏,而后在索风营坝上也已采用。
碾压混凝土坝温度控制问题,长期以来存在较大认识差别。
已建的中低碾压混凝土坝基本上依靠低温季节多浇混凝土(特别是基础约束部位);夏季浇筑上部混凝土,辅助以仓面喷雾、保湿、成品料堆防晒等常规措施解决问题,一般没有进行混凝土预冷或水管冷却。
一些百米级高碾压混凝土坝(如江垭、大朝山、棉花滩)虽有一定温控指标要求,实际施工中基本上也是采取上述同样措施和夏季向上浇筑混凝土等方式,实施坝体温控。
实测坝体温度均略高,但与设计要求相差很少。
21世纪开始兴建的百米级以上高碾压混凝土坝,为响应规范要求,温度控制设计指标明显加严。
而大多数高坝工程在设计中均较好地结合该坝的坝体设计与施工,并取用碾压混凝土实际配合比的性能,进行了分析计算,提出较宽松的温控指标。
看来,碾压混凝土在简化温控的道路上仍有一段历程要跋涉。
大坝上游面混凝土防止表面裂缝,除在寒冷地区的石门子、龙首等大坝表面采用了永久性保温措施外,大部分工程依然靠混凝土的自身性能抗裂,个别工程在个别时段采用了临时表面保护。
2.2.2碾压混凝土拱坝
在普定首次突破性建成当时世界第一高(75m)碾压混凝土拱坝后,许多更高和建设条件更恶劣的碾压混凝土拱坝相继开始兴建。
在拱坝建设中创造出各种分缝横式、横缝设置、缝结构、薄拱结构、快速翻升施工等若干新技术和设计计算方法。
这些技术都是具有我国的知识产权的技术成果。
至今已建成的拱坝,除早期的温泉堡因防渗,保温方式存在较大缺陷产生渗漏冻结作用外,大部分工程经过长期运行考验,均运行正常,没有发现坝上游面产生裂缝或明显渗水现象。
沙牌130m高拱坝的横缝,诱导缝布置问题在"七五"、"八五"科技攻关中做了大量专题研究,提出许多创见性成果,应用于大坝中以后,效果良好,缝体工作正常。
横缝中设置的重复灌浆系统,经实际灌浆应用和检验也获得成功。
碾压混凝土拱坝采用埋水管冷却能更为有效地控制坝体的升温、降温和促进并缝泛浆。
在溪柄坝和石门子拱坝创造的应力释放短缝的分缝结构,也有其特色,坝体应力明显受到分缝效应的调整。
招徕河坝在原设计常态混凝土百米级双曲薄拱坝基础上,经分析论证后,在体型未作变更的状态下,适当改变分缝结构和缝体布置,直接转换为碾压混凝土坝。
经过13个月的建设已顺利投产,现今,坝体横缝已正常张开,并进行了灌浆。
大坝经过泄洪溢流考验,应力变形等均都正常。
百米级双曲薄拱坝应用碾压现凝土进行筑坝,把碾压筑坝提升了很大高度。
现今有几座14Om到160m的高拱坝正在进行碾压混凝土拱坝设计。
2.3施工创新与经验
变态混凝土的优点被广泛确认,并在所有碾压混凝土坝工程中采用。
其应用部位,基本上取代了与大体积碾压混凝土相邻的搭接带与接合面常态混凝土。
实用中,需进一步改进铺浆计量方法,并克服铺浆不均现象。
混凝土的配合比还可进一步优化。
斜坡法碾压可减小碾压仓面作业面积,缩短层面覆盖时间,有利于提高层面结合质量。
特别是在高温条件下浇筑。
斜坡法有显著优点,层面汽车不断行走,对混凝土质量没出现不利影响。
斜坡法把水平的层面改变成斜坡面,对抗滑稳定十分有利。
在基岩水平层面上直接浇筑碾压混凝土,替代常态垫层混凝土,既有利于垫层混凝土的大仓面快速施工,又有利于缓解常态的温升压力。
在大朝山应用得很成功。
施工中减少了常态混凝土的分缝、分块,跳仓浇筑,无须配置专门的起吊浇筑设备。
高落差负压流槽。
在大朝山研制出落差达80m的单级流槽,并相应解决耐磨性高、变形好的柔软橡胶盖带。
配套采用高速皮带运输机混凝土输送能力每条系统超过20Om/h。
双曲拱坝翻转模板。
招保河双曲薄拱坝混凝土浇筑上升速度快,坝体体形随时上升都有双向变位,普通模板安装时要不断用辅料填补上下方向及左右方向的变形缺口部位的模板。
为此专门研制出双向收分式翻转模板,利用模板中的调节板条调整模板形状,并使混凝土表面平滑。
与此同时,专门配套研制出适应双曲体形的快速放样程序。
在坝上4~5h即可全面翻升一层3m高的模板。
碾压混凝土埋水管技术,在大仓面,群机行走浇筑碾压混凝土施工过程中,成功地解决了坝体埋水管的防止压坏压破技术。
使水管得以较早通水,降温削峰。
个别工程在水管接头处理碾压,通水时间等方面缺乏处理经验,产生破管现象造成混凝土层面结合质量受损害现象。
半干法人工骨料加工工艺,干法生产骨料存在粉尘环境污染,需专门解决粉尘,防污染问题。
湿法生产骨料,砂中石粉含量流失严重,回收石粉投入大,且含水量难以控制到位。
在索风营专门开发了半干法砂石骨料加工工艺,基本保存住干法生产相近的石粉及细粉含量,砂的含水量也较低(约在3%以下),符合规范要求。
低温条件浇筑碾压混凝土。
在寒冷天气气温低于-3~-5℃时,碾压混凝土通常较难施工。
在龙首碾压混凝土拱坝施工中,采用预热混凝士和加防冻剂并在仓面和坝面保温等措施,实现了在-10℃气温条件下,大仓面露天浇筑碾压混凝土,争取了近一个月的工期。
为坝体利用冬季降温早日形成并缝灌浆创造有利条件,大坝浇筑后,未发现混凝土有受冻害现象。
混凝土强度,层间结合未受损伤,对寒冷气温下进行碾压混凝土施工,是项有利的验证和推进,值得进一步研究发展。
龙滩是世界上第一座二百米级碾压混凝土坝,工程量巨大,工期相当紧迫,需进行全年高强度施工。
该工程地处全年高气温地区,经常进行高温下混凝土浇筑,针对这一特点,专门研究了高温浇筑时的层面结合技术和结合质量。
实现了一万平米级大仓面4~6h快速浇筑覆盖技术,并采用仓面强加喷
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