嚴寒地區碾壓混凝土筑壩技術創新與實踐

常昊天，姚寶永，薛建峰，田 政

（1.水電水利規劃設計總院，北京 100120；2.中國水利水電建設工程咨詢北京有限公司，北京 100024）

0 前 言

碾壓混凝土大壩是筑壩界公認的環保型、節能型和安全型大壩，是最有發展前景的壩型之一。碾壓混凝土筑壩技術與傳統常態混凝土筑壩技術相比，在施工速度、節省投資等方面的優勢較為明顯，得到了廣泛推廣。我國在碾壓混凝土筑壩過程中，逐步形成了不設縱縫、富漿碾壓混凝土防滲、低水泥高摻粉煤灰或礦渣類摻合料、低VC值、大面積連續澆筑、斜層鋪筑碾壓、變態混凝土代替常態混凝土等一套完整的碾壓混凝土設計理論和施工技術體系［1］。

龍灘、光照、黃登等200 m級的碾壓混凝土重力壩和萬家口子、三河口、象鼻嶺等100 m級碾壓混凝土拱壩的成功實踐，充分證明了我國碾壓混凝土筑壩技術已達到世界領先水平，并在有些領域達到世界領先水平［2］。新疆石門子、喀臘塑克碾壓混凝土壩的成功建設證明了我國在嚴寒地區的筑壩技術水平。豐滿重建工程碾壓混凝土重力壩是我國在嚴寒地區實施碾壓混凝土壩筑技術的又一次重要實踐。

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程是按恢復電站原有任務和功能，在原大壩下游120 m處新建一座大壩，并利用原豐滿電站三期工程。豐滿重建工程為一等大（Ⅰ）型工程，水庫正常蓄水位263.50 m，水庫總庫容103.77億m3。新建電站安裝6臺單機容量為200 MW的水輪發電機組，利用原三期2臺單機容量140 MW的機組，總裝機容量1 480 MW。電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統、左岸泄洪兼導流洞、壩后式引水發電系統、過魚設施及利用的原三期電站組成。

碾壓混凝土重力壩壩頂高程269.50 m，最大壩高94.50 m，壩頂總長1 068.00 m。大壩共分56個壩段，其中1～9號壩段為左岸擋水壩段；10～19號壩段為主河床溢流壩段；20～25號壩段為主河床偏右的廠房壩段；26～56號壩段為右岸擋水壩段。壩身泄洪系統采用壩頂開敞式溢流表孔，共9孔，壩后采用深挖式消力池底流消能方式。

2 壩基開挖控制爆破技術實踐

新豐滿大壩壩基開挖難度極大，在老電站樞紐運行區內進行大型水電站壩基爆破開挖國內尚屬首次，存在如下難點：

（1）新、老壩間僅相距120 m，壩基開挖期間，豐滿老壩仍發揮其應有的擋水、泄洪等功能；

（2）爆破影響范圍內的豐滿電廠一二期發電廠房、三期廠房、三期泄洪洞等電廠設施內機電設備正在運行且運行多年，廠區內還有諸多辦公樓還在使用；

（3）壩址區地處AAAA級景區，兩岸上壩公路也在爆破影響范圍內，游客、社會車輛過往頻繁，爆破及警戒時間極為有限；

（4）壩基爆破開挖主要在寒冬進行，氣候條件極其惡劣。

新豐滿大壩壩基開挖爆破采用精細設計、控制爆破。施工過程中對每一炮均進行了爆破設計，從控制爆破規模、單響藥量、聯網方式、飛石方向、炮區覆蓋沙袋和炮被等方面對爆破振動和飛石進行控制，同時對每一炮均進行了爆破振動監測，通過監測數據分析不斷優化調整爆破設計，累計監測676次爆破，各測點的爆破峰值振動均滿足各保護對象爆破振動安全允許振速［3］。

大壩水平建基面保護層開挖采用“先鋒槽+水平預裂爆破”開挖技術，即根據水平建基面總寬度和鉆孔機具的體型，預先形成縱向先鋒槽，再進行建基面保護層水平預裂爆破。預先形成的先鋒槽雖然增加了部分開挖量，但大大縮短了水平預裂鉆孔長度，降低了開挖施工難度，保證了鉆孔精度，使得建基面平整度大幅提高；而水平預裂爆破技術則大大減弱了對建基面以下巖體的振動和沖擊，起到了保護建基面的作用，使得壩基開挖質量得到保證。

3 碾壓混凝土筑壩技術實踐

3.1 粉煤灰代砂技術

施工過程中，經檢測人工砂中石粉含量略有不足，高溫季節施工時部分碾壓混凝土存在泛漿效果和可碾性略差的情況。為此新豐滿大壩進行了不同比例粉煤灰替代同體積人工砂試驗，補充人工砂中的細顆粒含量，以提高碾壓混凝土泛漿效果。通過試驗分析，采用5%粉煤灰代替同體積人工砂效果最優。粉煤灰代砂技術有效地解決了人工砂石粉含量不足的問題，保證了碾壓混凝土施工質量。

3.2 墊層混凝土澆筑技術

碾壓混凝土壩基礎墊層通常采用常態混凝土澆筑，常態混凝土水化熱高、對溫控不利，需要進行分塊澆筑，模板制作安裝工程量較大，基巖面覆蓋時間較長，難以充分發揮碾壓混凝土快速施工優勢。

新豐滿大壩施工提出墊層混凝土全面采用薄層變態混凝土找平的施工工藝。考慮在凹凸不平的建基面上直接澆筑富漿碾壓混凝土可能會出現局部碾壓不密實的情況，新豐滿大壩墊層施工過程中，全面采用0.3～0.5 m厚C9020機拌變態混凝土找平基巖面。相對于常態混凝土墊層，更進一步地降低了基礎墊層混凝土的水化熱反應，可有效控制基礎溫差。同時，0.3～0.5 m的找平層厚度大大減少了模板制安工程量和墊層混凝土澆筑量，可使碾壓混凝土快速上壩施工，減小了壩體冷升層時間。

3.3 全斷面斜層碾壓筑壩技術

新豐滿大壩采用全斷面斜層碾壓的施工工藝，具有如下幾個方面的優點：

（1）有利于控制層間間隔時間。采用斜層碾壓技術，可通過調整層面坡度靈活地控制層間間隔時間，使之滿足施工進度和層間結合質量的要求，特別是只要澆筑塊高度和斜層坡度選擇合適，可以在不增大混凝土生產、運輸與澆筑能力的前提下，使層間間隔時間縮短，甚至小于混凝土的初凝時間。

（2）有利于壩體混凝土溫度控制。斜層碾壓工藝相對于平層碾壓工藝來講，倉面面積相對較小，每層混凝土的覆蓋時間縮短，大大減少了倉面的溫度倒灌回升。

（3）節省工程投資。采用斜層碾壓技術，可以用較小的澆筑強度覆蓋較大的壩體澆筑倉面面積，從而減小澆筑能力配置，降低設備投入和臨時工程費用。

（4）有利于雨季施工倉面排水。碾壓混凝土平層碾壓施工工藝排水通常較為困難，而斜層碾壓施工工藝下，雨水可沿坡面快速排出。

（5）有利于減小對已完成碾壓倉面施工質量的影響。碾壓混凝土平層碾壓施工工藝易出現重載汽車轉彎時對已碾壓好層面造成損傷的問題，而斜層碾壓施工工藝下，重載汽車可以在下層收倉的層面上先調頭，隨后倒車至碾壓層面，避免對已碾壓好層面的損傷。

新豐滿大壩采用了全斷面碾壓混凝土設計理念，施工過程中碾壓混凝土全部采用自卸汽車直接入倉，采用先澆式入倉口設計，使得碾壓混凝土快速連續上升的優勢得以充分發揮，極有利于對層間結合質量、壩體溫度、施工進度、投資等各方面控制。針對斜層碾壓時坡角處的薄層尖角問題，采用專人清除坡腳薄層和補灑水泥粉煤灰凈漿的方式，完善了斜層碾壓工藝，提高了層面結合質量［4］。

3.4 異種混凝土同步上升技術

新豐滿大壩溢流面斜直段常態混凝土澆筑采取了與碾壓混凝土同步上升的施工工藝。常態混凝土與碾壓混凝土同時澆筑且結合良好，不存在二期結合面；避免了常態混凝土大面積、大體積澆筑帶來的溫度應力裂縫及干縮裂縫的產生；避免了后期混凝土澆筑時的澆筑倉面狹小、振搗困難、倉面清理困難、入倉手段匱乏等不利狀況，有利于保證混凝土的澆筑質量。

溢流面采用低坍落度常態混凝土，使用倉面自卸車直接入倉，避免常規的采用攪拌車運輸、高塌落度常態混凝土帶來的混凝土成本增加及溫度裂縫所帶來的不利影響。

3.5 變態混凝土澆筑技術

變態混凝土主要分為加漿變態混凝土和機拌變態混凝土兩種。加漿變態混凝土是在碾壓混凝土拌和物鋪料后灑鋪水泥粉煤灰凈漿，以常態混凝土振搗法作業振實是較為常用的做法，但由于是現場人工加漿可能存在漿液分布不均勻及和易性存在差異的情況；機拌變態混凝土是在拌和樓按照試驗確定的配合比和攪拌時間拌制而成，運輸至現場直接使用。

為保證變態混凝土良好的和易性、均勻性，豐滿重建工程在大壩上游防滲區、下游模板邊、廊道周邊、兩岸岸坡及其他大面積變態區域采用機拌變態混凝土施工，僅在碾壓混凝土與常態混凝土或變態混凝土搭接部位、壩體內部碾壓混凝土與橫縫模板接觸部位等少量區域采用加漿變態混凝土。

3.6 全斷面裝配式鋼模板技術

新豐滿大壩廊道施工總長為2 150 m，廊道頂部為直徑3 m的半圓，廊道墻高2 m，總高度3.5 m。廊道截面小，起重吊裝設備無法進入，模板必須向內拆除。傳統施工方法采用輕巧便利的木質模板，便于人力方式拼裝和拆除，但也不可避免地出現木質模板重復使用率低，造成了資源浪費。

綜合考慮，本工程現澆廊道全面采用全斷面裝配式鋼模板［5］。鋼模板研發沿用了組合鋼模板的設計理念，單片墻體直模板和弧形頂模板力求做到小巧輕便。全斷面裝配式鋼模板技術便于人工拆除、重復利用率高，大大節約了生產成本。

3.7 上游止水系統設計及橫縫止水間接縫灌漿技術

橫縫滲漏問題在水電站大壩中較為常見，大壩橫縫滲漏對水工建筑物的危害很大，輕則加速老化病害的發生與發展，重則造成水工建筑物破壞甚至失事。造成橫縫滲漏主要原因包括止水安裝工藝控制不嚴、止水片自身缺陷和施工中止水周邊混凝土振搗不密實等。通常的橫縫滲漏處理措施均屬于在大壩施工完畢后對滲漏問題的事后補救措施，不可避免地對壩體造成一定的破壞，還存在一定的風險和偏差。

為規避上述風險，新豐滿大壩上游面橫縫共設2道銅片止水，第1道止水向上通至防浪墻頂，第2道止水向上通至壩頂鋪裝層，第2道止水后設直徑219 mm的圓形排水井，橫縫排水井為熱軋鋼管，鋼管對稱剖開后預留1.5 cm左右的縫隙，在縫隙部位沿高度方向不連續對焊。為防止壩體混凝土澆筑時從鋼管縫隙部位向內進漿，事先在鋼管外側包無紡布2層。同時，豐滿重建工程在大壩上游2道銅止水之間增設了接縫灌漿系統，作為橫縫防滲輔助措施，通過后期聚氨酯灌漿起到了良好的封閉效果，對重力壩止水系統的結構設計起到了非常有益的探索和實踐。此外在高壩止水設計中，除在上游2道銅止水間增加接縫灌漿系統外，再把止水做成“2道銅止水、1道橡膠止水、1個橫縫排水井”的型式，實現止水結構精細化設計，最大程度減小壩體滲漏量，有利于大壩永久運行安全。

3.8 碾壓混凝土溫度控制技術

豐滿水電站重建工程充分利用了壩前高達百億庫容的松花湖的優越條件，采用庫區深井取水技術取得庫區深層的較低溫水，用于混凝土拌和和壩體通水冷卻，大大降低了溫控成本，取得了很好的經濟效益。

本工程高溫季節精細化的混凝土溫度控制與防裂綜合措施，包括優選原材料、優化配合比、分階段制定溫度控制措施、通水冷卻、養護和表面保護等。

對于嚴寒地區碾壓混凝土越冬臨時保護，本工程采用高防火等級的橡塑海綿作為主要臨時保溫材料，根據越冬面保溫參數計算分析以及保溫材料性能，制定了“塑料薄膜+N層橡塑海綿+三防布”的綜合保溫措施，在實際應用中取得了優良的保溫效果［6］。同時，開展了嚴寒地區人工造雪越冬保溫技術試驗研究，結果表明，該技術可有效減少越冬混凝土與外界冷空氣的熱交換，能起到較好的保溫作用［7］。越冬后的快速復工是嚴寒地區碾壓混凝土筑壩過程中的關鍵工序，新豐滿大壩分三次逐步揭開臨時越冬保溫材料的方式，最大限度地避免了越冬停澆面的溫度驟降。

隨著新豐滿大壩的逐步建成，在大壩上、下游全面采用了聚氨酯永久保溫以消減表面溫度梯度，控制表面溫度應力，防止產生危害性裂縫。

4 大壩上游輔助防滲技術實踐

聚脲材料以其優異的理化性能、整體防護性及施工高效性在水利水電工程防滲以及防護項目中得到推廣應用，目前已在混凝土壩表面防滲、泄洪建筑物抗沖磨防護等建筑物的表面防護（降糙、防滲）等領域得到廣泛應用。

新豐滿大壩上游面以及廠房壩段、溢流表孔門槽上游面分別采用不同類型的聚脲材料進行輔助防滲處理。通過實踐，不同種類的聚脲應根據使用條件的不同進行選擇；雙組分噴涂聚脲具有施工快速、成本低以及良好的柔性，適用于迎水面大面積的輔助防滲；聚天門冬氨酸脂雙組分聚脲具有優異的物理力學性能、耐候性以及與混凝土的可靠黏結性，可應用于水流沖刷、抗凍蝕等混凝土部位的防護。

5 大壩上游抗冰拔材料研究與實踐

嚴寒地區，冬季壩前庫區結冰，冰層隨水位變動對壩體產生拉拔作用。新豐滿大壩上游采取了聚氨酯保溫，當冰層與混凝土聚氨酯保溫層黏結在一起時，隨著庫水位變動，厚冰層會對聚氨酯保溫層產生拉拔、推動、撞擊現象，從而造成保溫層拉拔破壞。因此，需要找到滿足一定性能要求的抗冰拔涂層材料，其具體要具備：良好的防滲性和較低的吸水率；涂層表面光滑，具有較強的憎水性；涂層與聚氨酯保溫層結合良好；涂層材料具有良好的耐候性能及適應變形能力。經過試驗比選，新豐滿大壩采用了“雙組分涂刷聚脲+氟改性天冬聚脲面漆”作為保溫層表面抗冰拔材料，經過蓄水后第一個越冬年的實踐，水位變動區聚氨酯保溫層保存較好，起到了良好的抗冰拔作用［8］。

6 大壩建設智慧管控全面應用與實踐

隨著物聯網、數據挖掘、人工智能、大數據、計算機視覺及云計算等先進科學技術的日益成熟以及在大壩建設中的廣泛應用，我國全面實現大壩智能建設已成為必然趨勢［9］。為保證大壩建設質量，新豐滿大壩建設采用了施工現場多網組合技術、施工過程實時監控技術、碾壓施工智能化監控技術、核子度密儀信息自動采集與分析技術、智能溫控技術、質量驗評智能化技術等智慧管控技術，這是高寒地區碾壓混凝土重力壩從數字化建設向智能建設發展的有益探索和實踐［10-13］。

7 結 語

位于嚴寒地區的豐滿水電站重建工程碾壓混凝土重力壩建設，是對嚴寒地區碾壓混凝土筑壩技術、智慧建設技術的一次重要實踐。其工程實踐豐富和完善了碾壓混凝土壩建設的理論、方法與技術。諸多先進的工程應用和創新成果對嚴寒地區碾壓混凝土筑壩建設具有重要的參考價值和實踐意義，對未來大型水電站重建工程的建設和管理具有重要的示范作用和借鑒意義。