貴陽院碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)研究與實(shí)踐綜述

崔 進(jìn)，羅洪波，陳毅峰，居 浩

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 況

我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)從技術(shù)引進(jìn)、消化開始，堅持不斷創(chuàng)新，至今我國已建成碾壓混凝土壩幾百座。中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院(以下簡稱“貴陽院”)承擔(dān)設(shè)計的普定水電站工程擋水建筑物首次采用碾壓混凝土拱壩，并開展了“八五”國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項目《碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)研究》課題，于1994年建成了當(dāng)時世界上最高的碾壓混凝土拱壩(壩高75 m)，開創(chuàng)了我國碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)的先河。“普定碾壓混凝土拱壩設(shè)計”于1996年獲“全國第七屆優(yōu)秀工程設(shè)計金獎，“普定碾壓混凝土拱壩筑壩新技術(shù)研究”獲得1998年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。

通過總結(jié)普定碾壓混凝土拱壩的研究和實(shí)踐經(jīng)驗，以及國內(nèi)各研究單位在國家“九五”期間取得的一系列科研成果，碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)向100 m級、150 m級推進(jìn)。2001年貴陽院設(shè)計建成了壩高80 m的甘肅龍首雙曲薄拱壩，完成了以新疆石門子和甘肅龍首為依托的《高寒地區(qū)碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)研究》，填補(bǔ)了我國在高寒、高震地區(qū)碾壓混凝土拱壩設(shè)計抗凍、抗裂、抗震等關(guān)鍵技術(shù)空白，解決了冬季低溫施工等施工技術(shù)難題。2004年至今設(shè)計建成了大花水(壩高134.5 m)、善泥坡(壩高110 m)、立洲(壩高132 m)、象鼻嶺(壩高141.5 m)等碾壓混凝土拱壩，在防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計、溫度控制技術(shù)、層間結(jié)合保障技術(shù)、峽谷地區(qū)高碾壓混凝土拱壩快速施工技術(shù)等方面均取得重大突破，工程均運(yùn)行良好，成為目前世界上100 m、150 m級碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)的標(biāo)志性工程。貴陽院目前還承擔(dān)了正在實(shí)施的剛果民主共和國布桑加(壩高141.5 m)和我國的馬嶺(壩高90 m)、河灣(壩高85 m)等碾壓混凝土拱壩的設(shè)計工作；先后參與了福建溪柄(壩高63 m)、新疆石門子(壩高109 m)和湖北招徠河(壩高107 m)碾壓混凝土拱壩的監(jiān)理工作。

表1 貴陽院設(shè)計碾壓混凝土拱壩

貴陽院經(jīng)過20余年10余個工程科技攻關(guān)研究與工程實(shí)踐，已經(jīng)形成了一套完整的碾壓混凝土筑壩技術(shù)。貴陽院承擔(dān)設(shè)計的已建、在建碾壓混凝土拱壩見表1。

2 貴陽院碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)研究與實(shí)踐

2.1 碾壓混凝土拱壩布置

碾壓混凝土拱壩樞紐工程與常態(tài)混凝土拱壩一樣，最理想的壩址地形條件是河谷狹窄、巖石較為完整，地形地質(zhì)條件基本對稱，且?guī)r層產(chǎn)狀有利于壩肩穩(wěn)定的河谷。但工程場址往往存在各種各樣缺陷，需要采取合理工程措施滿足安全及功能要求，如拱壩壩址兩岸或一岸的上部由于地形開闊或基巖較差，不宜作為拱壩基礎(chǔ)時，可設(shè)置重力墩、推力墩，這在多個工程碾壓混凝土拱壩得到應(yīng)用，如甘肅龍首、貴州普定及大花水等；局部地質(zhì)條件較差時可采取墊座擴(kuò)大基礎(chǔ)等措施，如象鼻嶺拱壩。

碾壓混凝土拱壩樞紐布置還應(yīng)滿足工程開發(fā)任務(wù)(如泄洪、發(fā)電、排沙等)要求，其中考慮節(jié)省工程投資，往往將泄洪建筑物布置于壩身。而在碾壓混凝土拱壩建設(shè)早期普遍認(rèn)為壩身布置會影響碾壓混凝土快速施工和質(zhì)量控制，經(jīng)過多個工程精心布置研究與實(shí)踐，將壩身泄洪建筑物、壩內(nèi)廊道等建筑物綜合協(xié)調(diào)考慮，大大減少對碾壓混凝土拱壩施工的干擾，仍能充分發(fā)揮碾壓混凝土上升速度快的特點(diǎn)。壩身泄洪建筑物布置工程實(shí)例見表2。

表2 碾壓混凝土拱壩壩身泄洪建筑物布置工程實(shí)例

2.2 碾壓混凝土拱壩體形特點(diǎn)

碾壓混凝土拱壩體形設(shè)計與常態(tài)混凝土拱壩的要求基本相同，但在設(shè)計過程中，應(yīng)考慮碾壓混凝土施工特性的不同，所以在壩體結(jié)構(gòu)尺寸選擇、上下游倒懸度控制等有一定差異。①結(jié)構(gòu)尺寸。碾壓混凝土壩體厚度需滿足碾壓施工要求，上部一般要求厚度在5 m以上。②倒懸度。碾壓混凝土拱壩需考慮施工期自重情況下壩體結(jié)構(gòu)安全和混凝土澆筑過程中人員、設(shè)備安全，但考慮碾壓設(shè)備自重及振動力影響，碾壓混凝土拱壩需更為嚴(yán)格地控制向上游、下游傾斜的倒懸，最大倒懸度一般控制不超過0.25。壩體體形、結(jié)構(gòu)尺寸及倒懸度工程實(shí)例見表3。

表3 碾壓混凝土拱壩壩體體形、結(jié)構(gòu)尺寸及倒懸度實(shí)例

表4 碾壓混凝土拱壩砂石料及摻合料應(yīng)用和施工配合比實(shí)例

2.3 拱壩碾壓混凝土材料

2.3.1 原材料

碾壓混凝土原材料重點(diǎn)要關(guān)注骨料與摻合料。貴陽院設(shè)計建成的碾壓混凝土拱壩骨料有爆破開采加工或天然砂卵礫石料，爆破開采母巖主要為灰?guī)r、玄武巖。摻合料全部為粉煤灰。

2.3.2 碾壓混凝土水膠比

(1)水膠比。根據(jù)統(tǒng)計表明，國內(nèi)碾壓混凝土拱壩壩體內(nèi)部三級配碾壓混凝土水膠比一般在0.47～0.55，二級配防滲區(qū)碾壓混凝土一般在0.42～0.50。水膠比與混凝土設(shè)計參數(shù)(抗壓、抗拉、抗凍、抗?jié)B等)、極限拉伸值和原材料的品質(zhì)有關(guān)，由于拱壩碾壓混凝土有劈拉參數(shù)要求，所以水膠比一般比同等級重力壩碾壓混凝土略小。

(2)砂率。砂率大小直接影響碾壓混凝土的施工性能、強(qiáng)度及耐久性，人工骨料三級配碾壓混凝土砂率一般在32%～34%，二級配碾壓混凝土砂率在36%～38%。影響砂率主要因素包括骨料種類與品質(zhì)，顆粒級配、粒型、石粉含量等。

(3)摻合料。三級配碾壓混凝土摻合料摻量一般在50%～60%，二級配碾壓混凝土一般在50%～55%，粉煤灰摻量主要與粉煤灰品質(zhì)、碾壓混凝土設(shè)計指標(biāo)有關(guān)。

(4)外加劑。外加劑是改善混凝土各項性能最重要的措施之一，一般以萘系高效緩凝減水劑和引氣劑為主。

(5)石粉含量。碾壓混凝土存在一定比例的石粉可明顯改善可碾性和層間結(jié)合，能發(fā)揮微集料作用充填骨料，通過大量工程試驗表明，石粉含量占砂的17%～22%為最優(yōu)，特別是0.08 mm以下的微顆粒能夠有效增加活性膠凝材料在混凝土骨料表面的分布，充分發(fā)揮活性膠凝材料的膠結(jié)作用，使碾壓混凝土碾壓密實(shí)泛漿良好，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)。 砂石料及摻合料應(yīng)用和施工配合比工程實(shí)例見表4。

2.3.3 VC值

VC值的大小對碾壓混凝土可碾性、層間結(jié)合性能有顯著的影響，根據(jù)工程實(shí)踐證明，出機(jī)口VC值一般控制在1～5 s，倉面VC值一般控制在3～8 s。

2.4 碾壓混凝土拱壩分縫與溫控防裂

2.4.1 壩體分縫

碾壓混凝土壩一般不設(shè)縱縫，視地形地質(zhì)條件、壩體結(jié)構(gòu)、溫度應(yīng)力、施工條件等因素設(shè)置橫縫或誘導(dǎo)縫。橫縫縫面成型方法一般有：分區(qū)澆筑、預(yù)埋分縫器，采用哪種方式根據(jù)施工布置、澆筑能力等綜合因素確定；誘導(dǎo)縫成型采用預(yù)埋分縫器。碾壓混凝土橫縫、誘導(dǎo)縫拱壩分縫間距宜為30～60 m，間距選擇應(yīng)充分考慮拱壩基礎(chǔ)巖石條件、不均一性、壩基平順性、岸坡陡緩等基礎(chǔ)情況。各碾壓混凝土拱壩分縫特性實(shí)例見表5。

表5 碾壓混凝土拱壩分縫特性工程實(shí)例

2.4.2 溫度控制

碾壓混凝土拱壩溫度控制應(yīng)結(jié)合材料特性、結(jié)構(gòu)特性、施工特性及氣候特性等綜合分析確定。

(1)材料特性。①碾壓混凝土水泥用量少、粉煤灰摻量高，其絕熱溫升值比常規(guī)混凝土小；早期水化熱相對較低，水化熱溫升持續(xù)時間長。②碾壓混凝土極限拉伸值90 d齡期一般在(0.65～0.80)×10-4，比常態(tài)混凝土略低，混凝土抗拉能力相對偏低。

(2)結(jié)構(gòu)特性。碾壓混凝土拱壩在溫控防裂方面除常規(guī)拱壩結(jié)構(gòu)特性外，還有誘導(dǎo)縫屬于“半連續(xù)”結(jié)構(gòu)(削弱面積大約占1/3)，需要在溫度應(yīng)力超過其縫面整體抗裂能力后，誘導(dǎo)逐步開裂。

(3)施工特性。碾壓混凝土拱壩采用全斷面、薄層、連續(xù)上升，澆筑過程中散熱條件差。另外，由于采用全斷面整體上升，澆筑溫度往往難以區(qū)分基礎(chǔ)約束的強(qiáng)、弱或非約束區(qū)，因此需采取與之相適應(yīng)的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

從碾壓混凝土拱壩溫控防裂的材料特性、結(jié)構(gòu)特性與施工特性來看，有一定有利條件，但也有較多不利因素，在確定允許內(nèi)外溫差、基礎(chǔ)溫差等時一般需要嚴(yán)于常態(tài)混凝土拱壩。大壩碾壓混凝土施工采取的溫控措施主要有：原材料及配合比優(yōu)選、降低混凝土出機(jī)口溫度、控制混凝土運(yùn)輸及澆筑過程中的溫度回升、表面養(yǎng)護(hù)與保護(hù)、通水冷卻等措施。

2.5 碾壓混凝土拱壩壩體材料分區(qū)

碾壓混凝土拱壩應(yīng)根據(jù)不同部位及其工作環(huán)境分區(qū)，一般分為：壩體河床基礎(chǔ)混凝土；上游水位最低水位以下抗?jié)B混凝土，厚度一般為承受水頭的1/15～1/20；上、下游水位變幅區(qū)抗凍混凝土；壩體內(nèi)部混凝土；常態(tài)混凝土。碾壓混凝土拱壩上下游面、兩拱端應(yīng)設(shè)置0.5～1.0 m厚變態(tài)混凝土。

3 碾壓混凝土筑壩關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展展望

碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)發(fā)展取得了豐碩的成果，日趨成熟，但隨著應(yīng)用地域上擴(kuò)大、壩高增加，仍有較多技術(shù)問題需要進(jìn)一步深入研究、發(fā)展與探索。

3.1 碾壓混凝土防滲與層間結(jié)合問題

高碾壓混凝土拱壩防滲與層間結(jié)合問題，通過國內(nèi)大量工程試驗、實(shí)踐證明，目前建成的200 m級龍灘、光照碾壓混凝土重力壩運(yùn)行良好，據(jù)室內(nèi)試驗表明碾壓混凝土防滲能力能達(dá)到W9～W12。而150 m級以上碾壓混凝土拱壩，以及極高寒極高溫不利于施工質(zhì)量的地區(qū)建設(shè)，其防滲能力、層間結(jié)合能力是否能滿足要求，還需要廣大工程技術(shù)人員進(jìn)一步試驗、論證、實(shí)踐。

3.2 摻合料選擇

目前國內(nèi)大部分碾壓混凝土拱壩工程摻合料采用粉煤灰，少數(shù)重力壩工程采用了磷礦渣、錳鐵礦渣、凝灰?guī)r等摻合料，運(yùn)行良好。所以對于部分工程與生產(chǎn)粉煤灰廠家距離遠(yuǎn)、價格高情況，選擇這些摻合料也是一種較為經(jīng)濟(jì)合理的方法，但需要長期多個工程的試驗論證與研究。

3.3 壩體防滲體系

目前已建成的碾壓混凝土拱壩大量采用二級配作為防滲體，但仍有不足之處，如二級配富膠凝材料碾壓混凝土與下游大體積三級配碾壓混凝土，仍有拌和樓轉(zhuǎn)換頻繁、施工車輛必須嚴(yán)格區(qū)分運(yùn)料、倉面分區(qū)控制困難等問題，在洗馬河賽珠水電站(高68 m)首次采用了壩體全斷面采用2.5級配碾壓混凝土防滲取得了良好效果；同時，在索風(fēng)營、光照、枕頭壩一級、馬馬崖一級等重力壩部分或全部采用了三級配防滲，效果良好，取得了一定試驗數(shù)據(jù)及經(jīng)驗。所以在碾壓混凝土拱壩壩采用更高級配的防滲是下一步的研究方向。

3.4 碾壓混凝土快速施工

碾壓混凝土一個重要的優(yōu)點(diǎn)就是全斷面整體、快速上升，壩體混凝土動輒幾十萬、幾百萬方，工期緊，為了達(dá)到碾壓混凝土連續(xù)、高強(qiáng)度、快速施工的目的和滿足質(zhì)量要求，必須從原材料供應(yīng)、碾壓混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、入倉及碾壓工藝等環(huán)節(jié)作科學(xué)統(tǒng)籌安排，針對工程特點(diǎn)采取合理的施工技術(shù)。

3.5 碾壓混凝土施工質(zhì)量控制

大壩碾壓混凝土質(zhì)量控制主要包括原材料控制、施工過程控制、質(zhì)量檢查3個方面。碾壓混凝土施工全過程動態(tài)質(zhì)量控制系統(tǒng)是建設(shè)發(fā)展的必然，對混凝土從原材料、配合比確定、拌和系統(tǒng)、運(yùn)輸及入倉、碾壓施工、質(zhì)量檢測等進(jìn)行全程控制，提供各方面的數(shù)據(jù)和信息，確保各個環(huán)節(jié)工序不出現(xiàn)問題，一旦有偏差在下一環(huán)節(jié)或工序中必須調(diào)整糾偏，為達(dá)到較為理想的碾壓混凝土施工質(zhì)量控制提供了科學(xué)的決策依據(jù)。

4 結(jié) 語

(1)碾壓混凝土拱壩經(jīng)過了30多年的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了從重力拱壩至薄拱壩，從中壩至高壩，從謹(jǐn)慎布置小流量壩身泄洪建筑物至大泄量布置泄洪建筑物，防滲體系從“金包銀”至二級配防滲體系。碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)已較為成熟，在結(jié)構(gòu)布置、體形設(shè)計、材料選擇與特性研究、溫控防裂、快速施工、質(zhì)量控制等方面均積累了豐富的經(jīng)驗。

(2)碾壓混凝土拱壩建設(shè)在地域方面擴(kuò)大與更大壩高方面的發(fā)展，還需要在碾壓混凝土材料防滲能力、層間結(jié)合、摻合料選擇、快速施工、動態(tài)質(zhì)量控制等方面進(jìn)一步試驗、研究、實(shí)踐。

我國碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)的發(fā)展方興未艾，正從節(jié)省工程投資、加快工程建設(shè)、節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮其卓越作用，廣大工程建設(shè)者有必要從理論研究、工程實(shí)踐中總結(jié)創(chuàng)新，繼續(xù)將其發(fā)揚(yáng)光大，為我國水電水利建設(shè)乃至國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出更大的貢獻(xiàn)。