寒冷干旱地區(qū)碾壓混凝土重力壩保溫保濕措施

艾尼·努爾塔扎

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000)

1 概述

碾壓混凝土壩RCC(Roller Compacted Dam)筑壩技術(shù)是20世紀(jì)70年代興起的一種新型筑壩技術(shù)。因其結(jié)合了土石壩造價(jià)低廉、施工效率高和混凝土壩抗震、抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水安全性高的優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代初問世以來，越來越受到世界壩工界的青睞，現(xiàn)已成為最受歡迎的新壩型之一。

碾壓混凝土壩筑技術(shù)得到了我國壩工界的重視，取得了舉世矚目的成就。然而，在淮河以南暖濕地區(qū)取得的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)并不能完全解決在北方寒冷干旱地區(qū)建設(shè)碾壓混凝土壩中遇到的工程技術(shù)問題，盡管我國水利工程師已重視如何防止壩體裂縫問題，并做了大量的研究探索工作，也取得了很多成就，但已建的碾壓混凝土壩仍或多或少都存在著裂縫，“無壩不裂”是不爭的事實(shí)，尤其在北方寒冷干旱地區(qū)，已建成的碾壓混凝土壩壩體開裂現(xiàn)象更為普遍且更為嚴(yán)重，同時(shí)，寒冷地區(qū)存在施工期壩面越冬問題，干旱地區(qū)存在施工層面薄弱問題:

a.碾壓混凝土重力壩屬大體積混凝土，在“冷、熱、風(fēng)、干”的寒冷干旱地區(qū)修建的碾壓混凝土重力壩，由于澆筑混凝土?xí)r溫度高，而年平均溫度較低，大壩穩(wěn)定溫度也相對較低，較大的基礎(chǔ)溫差極易引起基礎(chǔ)貫穿性裂縫和深層裂縫。較大的氣溫年變化幅度、較大的晝夜溫差、頻繁的寒潮作用和干燥的氣候條件，極易引起混凝土表面裂縫，壩體裂縫問題更為嚴(yán)重，在一定條件下表面裂縫會發(fā)展為深層裂縫。而混凝土一旦開裂，會對混凝土壩的使用功能、耐久性、抗?jié)B性、整體性及美觀產(chǎn)生有害影響，如果壩體裂縫發(fā)展為貫穿裂縫或深層裂縫，甚至?xí)＜按髩芜\(yùn)行安全。附加地震災(zāi)害的聯(lián)合作用后，壩體裂縫將會延伸，對壩體的危害猶如雪上加霜，將會更嚴(yán)重地危及大壩安全。

b.碾壓混凝土壩由薄層攤鋪碾壓而成，存在著眾多的碾壓施工層面。寒冷地區(qū)碾壓混凝土大壩混凝土施工期一般為4～10月，每年10月末至翌年4月初停止混凝土施工。這種冬季長間歇式施工方式，在混凝土大壩上形成越冬層面，越冬層面附近因較大的上下層溫差和較大的內(nèi)外溫差，上下游表面附近引起較大的拉應(yīng)力集中，在越冬停澆面的頂面中間部位引起較大的水平拉應(yīng)力，為混凝土的防裂帶來較大困難。

山口水電站工程混凝土重力壩是在北方寒冷干旱地區(qū)和工程場址地震基本烈度為8度的強(qiáng)地震烈度區(qū)修建的首座碾壓混凝土重力壩。該工程碾壓混凝土重力壩也同樣存在上述兩項(xiàng)問題的影響，因此，本文以“山口水電站工程”作為實(shí)例，重點(diǎn)介紹碾壓混凝土大壩的溫度控制保溫保濕措施。

2 工程概況

山口水電站工程是新疆維吾爾自治區(qū)能源建設(shè)項(xiàng)目重點(diǎn)工程，位于新疆伊犁鞏留縣境內(nèi)，是特克斯河干流梯級開發(fā)的最末一級，距鞏留縣縣城27km，距伊寧市125km。水庫總庫容1.21億m3，裝機(jī)容量141MW，工程規(guī)模屬大(2)型Ⅱ等工程，任務(wù)是發(fā)電及反調(diào)節(jié)。主要由攔河壩、泄水建筑物和發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房、戶內(nèi)式開關(guān)站等水工建筑物組成。攔河壩“一”字形布置，全長963.10m，壩0+000.00～壩0+496.00為碾壓混凝土重力壩，壩0+496.00～壩0+556.00為碾壓混凝土重力壩與黏土心墻壩的結(jié)合段，壩0+556.00～壩0+963.10為黏土心墻壩。碾壓混凝土重力壩共分為30個壩段，壩段長度在15～25.5m之間，最大壩高49.8m。

工程位于寒冷干旱地區(qū)，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫－32℃，多年平均降水量334.0mm;多年平均蒸發(fā)量1961.0mm;多年平均風(fēng)速3.3m/s，最大風(fēng)速24.0m/s。春秋季短;夏季炎熱、干燥、風(fēng)大;冬季寒冷，寒潮頻繁，平均年寒潮次數(shù)為20次。晝夜溫差大，年平均晝夜溫差為18℃，年溫度變化幅度大，年溫差超過60℃。工程場址的地震基本烈度為8度，屬強(qiáng)地震烈度區(qū)。由于“冷、熱、風(fēng)、干”的寒冷干旱氣候特點(diǎn)，碾壓混凝土重力壩的溫控防裂問題尤為突出，對于混凝土壩施工及安全運(yùn)行將產(chǎn)生嚴(yán)重影響。無論是“內(nèi)降”或“外保”的溫控抗裂措施，均需加強(qiáng)混凝土的保護(hù)。因此，保溫、保濕是該工程碾壓混凝土重力壩筑壩的關(guān)鍵技術(shù)。

3 碾壓混凝土重力壩壩體整體保溫保濕措施

常規(guī)的溫控措施是基于溫度梯度過大產(chǎn)生裂縫的認(rèn)識提出的，雖然能在某種程度上減少出現(xiàn)裂縫的幾率，但由于未考慮到濕度場的存在所致溫濕耦合機(jī)制對混凝土裂縫產(chǎn)生的作用，因此，無法從根本上防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，要從根本上防止混凝土裂縫的產(chǎn)生，必須采取混凝土永久保溫保濕的防裂措施。

3.1 保溫保濕材料選擇

根據(jù)工程特性和氣候條件，碾壓混凝土重力壩壩體整體保溫的材料一般為三種:聚苯板保溫材料、珍珠巖發(fā)泡保溫涂料、聚氨脂保溫材料。

氨基甲酸酯高聚物(簡稱聚氨酯)是由異氰酸酯和羥基化合物反應(yīng)生成氨基甲酸酯作為其特征鏈節(jié)而命名，聚氨酯具有較高的扯斷強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐磨性和突出的抗沖擊性能，同時(shí)具有良好的裝飾性能和優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能。因此，常以其作為成膜物質(zhì)合成保護(hù)涂料，廣泛應(yīng)用于裝飾和防腐領(lǐng)域。近年來，隨著反應(yīng)噴涂成型(Reaction Spraying Molding)技術(shù)的發(fā)展和成熟，在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，具有不污染環(huán)境，不需加熱，節(jié)約能源，快速固化，施工期短等優(yōu)點(diǎn)。

保溫材料和混凝土之間的黏結(jié)直接影響其保溫性能，聚氨脂在沒有加入發(fā)泡劑之前本身是一種強(qiáng)度極高的黏合劑，在加入發(fā)泡劑制成泡沫后，其黏結(jié)力仍然很強(qiáng)，仍能和混凝土連為一體，而且水對于聚氨酯基本沒有溶解腐蝕作用，即水與聚氨酯不發(fā)生反應(yīng)，水淹后不會脫落，可用于壩體水位變動區(qū)的保溫保濕。

聚苯板保溫材料的做法為:人工涂刷黏結(jié)劑+人工黏貼聚苯板+防水涂料;珍珠巖發(fā)泡保溫涂料的做法為:人工涂抹珍珠巖發(fā)泡涂料;聚氨酯保溫材料的做法為:機(jī)械噴涂聚氨酯。其中，發(fā)泡聚氨酯保溫材料的施工對于施工機(jī)具有一定的要求。噴涂需借助空壓機(jī)、噴涂機(jī)等設(shè)備。噴涂必須采用噴槍進(jìn)行，需離開壩面一定距離，施工作業(yè)有一定技術(shù)含量。噴涂前，設(shè)備吊運(yùn)安裝調(diào)試及材料準(zhǔn)備工作量較大。但是相對于傳統(tǒng)的保溫方式，聚氨酯保溫保濕具有以下幾個方面優(yōu)點(diǎn):?由于采用噴涂方式，施工速度快;?材料與壩面粘貼牢靠，而且具有一定強(qiáng)度，無需在其表面采用鋼模固定和保護(hù)，簡化了施工工序;?噴涂過程中采用高壓，聚氨酯材料能有效滲入混凝土表面，材料反應(yīng)后能夠屏蔽混凝土表面的毛細(xì)孔和微裂隙，可以起到一定的防滲作用;?噴涂工藝使聚氨酯材料在壩面形成一個整體，沒有接縫，這有兩方面好處:一方面可以保持內(nèi)部混凝土濕度，使混凝土不出現(xiàn)干縮裂縫;另一方面，可以阻止外界水的滲入，較之于另兩種材料有無滲入水凝結(jié)成冰，產(chǎn)生膨脹，從而剝離等優(yōu)點(diǎn)。

從材料造價(jià)、保溫效果、施工簡便等方面考慮，山口水電站工程碾壓混凝土大壩的溫度控制保溫保濕選擇了噴涂聚氨酯泡沫材料。

3.2 春、夏、秋季保溫保濕

此部分混凝土澆筑時(shí)間均在規(guī)范要求的冬季氣溫以上，所以對于每個升程頂面，在混凝土碾壓結(jié)束后，立即覆蓋彩條布，進(jìn)行表面保濕，待混凝土終凝后，進(jìn)行表面刷毛或沖毛處理，之后繼續(xù)進(jìn)行表面保濕養(yǎng)護(hù)，直到大于14天或上層混凝土澆筑。

現(xiàn)場施工時(shí)，通過倉面噴霧或表面流水方式加強(qiáng)澆筑倉面養(yǎng)護(hù)，高溫期施工的停澆面，倉面碾壓完畢后覆蓋帆布或苫布進(jìn)行保濕或噴霧。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)，如寒潮來臨時(shí)，做好層面的保溫工作。

3.3 冬季保溫保濕

冬季主要是在氣溫達(dá)到規(guī)范溫度時(shí)，在混凝土施工結(jié)束后，立即覆蓋一層棚布加一層彩條布進(jìn)行保溫，直到同時(shí)期成型的混凝土試塊強(qiáng)度超過抗凍強(qiáng)度(設(shè)計(jì)強(qiáng)度的40%)，之后，將覆蓋分片除去，在白天氣溫達(dá)到0℃以上時(shí)，進(jìn)行冬季越冬層面的保溫。

越冬層面的保溫:采用10cm聚苯板保溫，在聚苯板表面覆蓋1.5m左右的土層，以起到保護(hù)的作用，棱角處的保溫見下圖。

保溫示意圖

3.4 上下游混凝土表面的保溫保濕

在聚氨酯噴涂之前主要采用表面流水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14天，并在冬季來臨之前及時(shí)噴涂5cm聚氨酯。

對于表面有插筋的混凝土表面，如表孔溢流壩段、壩后臺階等，在冬季來臨前覆蓋1m左右的秸稈或稻草進(jìn)行保溫。

4 保溫保濕效果安全監(jiān)測與措施評價(jià)

山口水電站工程碾壓混凝土大壩壩體共埋設(shè)了74個溫度計(jì)監(jiān)測壩體溫度變化，其中臨時(shí)溫度計(jì)30支，共取得觀測數(shù)據(jù)11506組。另設(shè)壩體導(dǎo)溫觀測斷面3個，每個斷面在距壩面 0.05m、0.15m、0.35m、0.65m、1.15m處各埋設(shè)溫度計(jì)兩支，設(shè)壩體表面溫度觀測斷面兩個，在距壩面0.05m處埋設(shè)溫度計(jì)，共埋設(shè)溫度計(jì)17支，對壩體溫度梯度變化進(jìn)行了觀測，共取得觀測數(shù)據(jù)1884組。安全監(jiān)測結(jié)果如下:

壩體表面0.05m處冬季最低溫度為0.4～8.6℃之間，平均為3.5℃，夏季最高溫度為22.3～33.1℃，平均為26.8℃;

壩體表面0.15m處冬季最低溫度為1.0～4.4℃之間，平均為3.0℃，夏季最高溫度為21.8～28.1℃，平均為24.3℃;

壩體表面0.35m處冬季最低溫度為1.2～4.5℃之間，平均為3.1℃，夏季最高溫度為22.0～34.8℃，平均為26.5℃;

壩體表面0.65m處冬季最低溫度為1.7～6.3℃之間，平均為4.5℃，夏季最高溫度為21.3～34.8℃，平均為26.3℃;

壩體表面1.15m處冬季最低溫度為2.2～7.8℃之間，平均為5.3℃。

另外，在下游壩面與保溫層結(jié)合面埋設(shè)4支溫度計(jì)，最低溫度2.6℃，最高溫度29.6℃，聚氨酯泡沫消減壩面與大氣溫度差作用明顯。

從壩體溫度梯度變化規(guī)律可知，壩體噴涂聚氨酯保溫效果良好，壩體表面溫度為正溫，年變幅在23.2±0.8℃，符合設(shè)計(jì)要求。

2007年冬季山口水電站工地最低氣溫達(dá)到－21.7℃，無聚氨酯保溫的距下游壩坡混凝土內(nèi)1m處測點(diǎn)的最低溫度達(dá)到－4.1℃;有聚胺脂保溫的下游壩面溫度測點(diǎn)的最低溫度為3.1～4.5℃，說明聚胺脂保溫效果良好。

工程安全監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，壩面噴涂聚氨酯泡沫保溫保濕措施，取得了良好的防裂效果，壩體基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫，應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測值符合設(shè)計(jì)要求，壩面溫度、壩面濕度等觀測數(shù)據(jù)符合溫濕耦合理論防裂要求，層間結(jié)合質(zhì)量良好，大壩運(yùn)行安全。

5 結(jié)語

山口水電站工程碾壓混凝土重力壩壩體表面噴涂聚氨酯泡沫進(jìn)行保溫保濕和防裂效果明顯，該大壩已投入運(yùn)行一年多時(shí)，經(jīng)歷了設(shè)計(jì)洪水位的考驗(yàn)，大壩的工程質(zhì)量和各項(xiàng)性狀指標(biāo)良好，符合設(shè)計(jì)和國家相關(guān)規(guī)范要求，為寒冷干旱地區(qū)碾壓混凝土重力壩采用噴涂聚氨酯泡沫保溫保濕防裂提供了成功應(yīng)用實(shí)例，并且已推廣應(yīng)用于新疆沖呼爾水電站工程碾壓混凝土重力壩和湖北云龍河三級水電站工程，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。