高碾壓混凝土重力壩設計方案的探究

潘燕琴

（廣西壯族自治區河池水利電力勘測設計研究院）

高碾壓混凝土重力壩設計方案的探究

潘燕琴

（廣西壯族自治區河池水利電力勘測設計研究院）

本文主要采用了現場、室內試驗分析計算相結合的方法對壩體應力計算方法和承載能力、施工期溫度應力分析方法和溫控防裂措施以及大壩連續施工技術等問題進行了研究，從而建立了一套符合我國高碾壓混凝土重力壩特點的設計方法。

高碾壓混凝土重力壩；設計方案

1 前言

高碾壓混凝土重力壩是一種新型的壩型，它的施工工藝較為簡單，易于掌握且成本較低，投資收益較快，因此受到人們廣泛的應用。但是隨著高碾壓混凝土重力壩的不斷建設，也帶來了許多新的困難和挑戰。

2 應力計算方法和承載能力的研究

高碾壓混凝土重力壩在應力計算方法和承載能力方面的研究主要包括對碾壓混凝土重力壩及其材料性能的主要特點、混凝土重力壩設計準則的研究，通過對這些內容進行研究使得高碾壓混凝土重力壩的計算方法、應力控制標準、參數取值和安全系數等標準在配套的情況之下，滿足工程的安全標準和經濟要求。在對混凝土筑壩及其材料進行研究時，要結合現場碾壓試驗的結果，來對混凝土的配合比和密度進行研究，明確混凝土的配合比與密度之間的關系，從而為設計密度與混凝土壩的質量控制提供依據。除此之外，還要根據大量碾壓混凝土層面抗剪斷試驗強度參數特性的試驗結果，來對混凝土凝聚力和摩擦系數的變異系數之間的關系進行研究，從而對碾壓混凝土重力壩應力和承載能力進行分析計算。同時，還要對混凝土強度的尺寸效應和粒徑效應進行分析研究，從而得出這兩種效應對混凝土強度的影響情況，為高壩強度的分析提供依據。

在對重力壩壩基巖體質量分級方法進行完善之后，采用了人工智能的原理，創建了通用型重力壩壩基巖體分級專家系統，有效的提高了壩基巖體分級的質量和效率。根據對壩基變形對重力壩應力分布影響的分析可以看出，將壩基面應力狀態從線性分布改成非線性分布時的附加應力是平衡的，壩踵區拉應力的范圍以及數值會對壩基的剛度產生影響。對重力壩實例的有限元應力進行分析研究，可以對有限元法的壩基面應力制定出相應的控制標準。

對碾壓混凝土重力壩設計計算的彈塑性增量理論、線性斷裂理論以及非線性彈性理論進行研究之后可以對水電站重力壩的應力狀態、承載能力有一定的了解。根據碾壓混凝土損傷軟化和擴容的實際情況，突出了穩定性理論和提高材料抗剪強度保證率的安全儲備原則等系統化的方法。在對重力壩的破壞過程、破壞機理以及承載能力和安全余度進行研究時，建立了可以準確計算重力壩穩定性的方法，并制定了判別混凝土重力壩是否穩定的標準。研究工作還對材料強度參數進行了研究，并將重力壩承載能力的穩定性與強度進行了對比，發現碾壓混凝土重力壩的穩定性會對其承載能力產生影響，混凝土重力壩的穩定性是對碾壓混凝土材料質量以及是否軟化等情況的具有反應，運用工程結構失穩的計算分析新方法可以得出壩體在失去穩定性之前的臨界數值，從而保證壩體的安全使用。

3 溫度應力分析和防裂措施

在對高碾壓混凝土重力壩溫度應力的規律進行研究之后發現高碾壓混凝土重力壩溫度應力不同于常態的混凝土重力壩溫度應力，這就使得對高碾壓混凝土重力壩的溫度控制研究有了針對性。高碾壓混凝土的防裂能力略微低于常態混凝土，較容易出現裂縫情況，基礎溫差與壩體自重以及水壓力共同作用使得拉應力減小。一般情況下，通倉澆筑的碾壓混凝土重力壩的上下層溫差會導致較大的拉應力，內外溫差會始終起控制作用，由于基巖表面墊層混凝土的溫度應力比較大，所以要采取必要的措施來防止裂縫的產生。

通過“九五”對碾壓混凝土重力壩溫度應力的計算方式進行了改善，提出了并層壩塊接縫單元、仿真并層復合單元、溫度場和應力場的分區異步長解法、和等效熱傳導方程等一系列計算方法，除此之外，還將非穩定溫度場分區異步長解法與三維有限元浮動網格法結合在一起，創新了計算機的程序，精確了工程溫度應力的計算分析。

溫度應力仿真計算方法主要應用于水電站碾壓混凝土重力壩從施工期開始到運行期的全程計算，可以快速的分析出不同工況之下的溫度場和應力場情況。根據研究的結果，制定了多種可行的溫控方案。

4 高溫多雨環境碾壓混凝土壩施工技術研究

通過現場的試驗，對氣溫、日曬、濕度、風速等環境因素進行了系統的研究，得出了這些因素對碾壓混凝土連續施工質量造成的影響。又根據水電站碾壓混凝土壩材料的配合比和性能，分析出了溫度、層面抗剪斷參數以及成熟度之間的關系，并制定了關系式，這個關系式可以根據具體的環境因素來快速的得到層間允許的間歇時間，從而為混凝土壩夏季施工設計方案和決策提供了參考。

在夏季高溫條件之下為延長碾壓混凝土拌和物的初凝時間，對不同的緩凝劑的緩凝情況進行了研究。對降雨對碾壓混凝土壩施工的影響進行了研究，從而制定出相應的控制標準，從而為雨季施工提供了依據。

高碾壓混凝土重力壩斜層平推鋪筑法使得工程可以在高溫與多雨夏季連續開展，采用高碾壓混凝土重力壩斜層平推鋪筑法可以用較小的澆筑強度覆蓋較大的壩體澆筑面積，從而減輕由于壩體分塊面積過小而帶來的不利影響，并且可以進行大面積的澆筑，有效的提高了工程效率。由于斜層平推鋪筑法碾壓混凝土的層間間歇時間縮短了，所以使得混凝土各層面之間的結合情況得到了改善，因此，高碾壓混凝土重力壩斜層平推鋪筑法是適用于夏季施工的方法。根據對壩體鉆孔取樣進行研究之后發現，斜層平推鋪筑法比通倉薄層鋪筑法更加的具有抗剪強度。

5 施工層面處理和壩體快速施工技術分析

經過對現場和室內的研究發現，增加膠凝材料用量、縮短層間間歇時間、提高砂漿強度、進行刷毛和鋪漿處理、保持層面上濕潤、增大上下層骨料間的咬合程度等方式對于提高層面的膠結強度有顯著作用。層間間歇時間是決定碾壓混凝土層面處理選擇何種方式的重要素，如果層間間歇時間比較短，則可以選用鋪膠凝材料凈漿的處理方式，如果層間間歇時間比較長，則要在層面上凹凸不平時進行水平砂漿的鋪設工作。在對碾壓混凝土壩施工過程中傳熱介質解算進行研究之后發現，在夏季高溫條件下，要嚴格控制膠凝材料凈漿和水泥砂漿水膠在陽光下的暴露時間，并且在配置時根據天氣的實際情況，對用水量進行調整。降低砂漿和凈漿的入倉溫度或者采取倉面噴霧的方式可以有效控制水分蒸發的速度。

根據對碾壓混凝土壩施工工序過程進行分析并對其內在規律進行研究之后開發出了仿真的計算機軟件，從而對工程中出現的各種情況進行了研究，從而有助于保證決策的正確性，通過對施工過程中的參數以及過程進行研究，為水電站碾壓混凝土壩制定具體的施工方案提供了參考依據。

綜合考慮碾壓混凝土壩建設工期，要求采用成都粉煤灰（二級）摻量一般控制為40～50%。外加劑選擇滿足緩凝、具有較好的減水作用的品種。沙牌壩碾壓混凝土的基礎配合比見表1。

該碾壓混凝土室內試驗90d齡期的抗壓強度為24.8MPa和23.29MPa（二、三級配，下同），極限拉伸值為 158×10-6和 146×10-6，彈模為17.42GPa和15.6GPa，國內外尚無先例。

表1 沙牌壩碾壓混凝土基礎配合比

6 總結

本文全面的提出了誘導縫的設置理論和方法，優化了仿真計算的理論要求，對仿真計算的程序進行了完善，并結合物力模型與數學分析的方式，對出拱壩的承載能力及開裂機制和破壞形態進行了研究，提出了重復灌漿的成套技術，并揭示出水泥、骨料的微觀機理，從而配置具有高抗裂性能的碾壓混凝土，提高了工程所帶來的社會效益。

[1]隋馥名.高碾壓混凝土重力壩防滲結構型式研究[J].黑龍江科技信息，2014（4）：170.

[2]劉占龍.高碾壓混凝土重力壩防滲結構型式研究[J].黑龍江科技信息，2012（28）：264.

[3]莫志財，孫巖麗.倉面設計在官地水電站碾壓混凝土重力壩施工中的應用[J].混凝土世界，2011（11）：78～81.

[4]陳強，廖桂英，閆勇.官地水電站碾壓混凝土重力壩設計簡介[J].水電站設計，2013，29（03）：05～08.

TV642.3

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1004-7344（2016）25-0132-02

2016-8-15

潘燕琴（1987-），女，助理工程師，本科，主要從事水工設計工作。