碾壓混凝土重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)高效施工影響的探討

馬萌濛，劉元廣，丁熙昊，靳俊杰

(中國水利水電第十一工程局有限公司， 河南 鄭州 450000)

電力是社會(huì)經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力源，世界各國對(duì)于氣候變化報(bào)以巨大的關(guān)注，國際水電協(xié)會(huì)對(duì)于零碳排放的承諾力度和對(duì)于該領(lǐng)域的投資都是史無前例的，全球能源的可再生轉(zhuǎn)型刻不容緩，而水電行業(yè)在轉(zhuǎn)型中至關(guān)重要。1981年在日本建成世界上第一座碾壓混凝土大壩——島地川大壩，碾壓混凝土壩以其施工效率高、建設(shè)周期短的特點(diǎn)迅速成為全球應(yīng)用最普遍的大壩類型之一。我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)的研究開始于1978年，經(jīng)過30余年發(fā)展，碾壓混凝土壩在壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝方面取得重大突破，形成了具有中國特色的碾壓混凝土筑壩技術(shù)體系，如壩前二級(jí)配碾壓混凝土防滲、高摻粉煤灰、低VC值、壩體大倉面間歇澆筑上升、斜層碾壓等。

1 工程簡介

下凱富峽水電站工程位于非洲贊比亞，工程坐落于距離首都盧薩卡90km的凱富河上，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩高130.5m、壩長374m、壩頂寬度8m，大壩底高程EL450.5m，上游面EL530m以下為1∶0.2斜坡面，以上為鉛直面，下游EL569.5m以下為1∶0.75斜坡面，以上為鉛直面。

2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 大壩混凝土分區(qū)優(yōu)化

大多數(shù)上游防滲區(qū)寬度一般為水頭的1/15～1/30，采用二級(jí)配碾壓混凝土(最大粒徑為40mm)，其中在靠近上游面50～100cm范圍內(nèi)采用變態(tài)混凝土，壩體內(nèi)部采用三級(jí)配碾壓混凝土。上游設(shè)置二級(jí)配防滲區(qū)設(shè)計(jì)易造成參與大壩澆筑的設(shè)備操作手和設(shè)備指揮人員以及土建施工人員相互干擾，且需要時(shí)刻關(guān)注區(qū)分混凝土的強(qiáng)度、級(jí)配和位置等信息，降低了施工速度。

碾壓混凝土重力壩在上游設(shè)置防滲區(qū)，大壩防滲由二級(jí)配碾壓混凝土承擔(dān)，下游三級(jí)配碾壓混凝土功能僅為保證重力壩的穩(wěn)定。此設(shè)計(jì)理念忽略了三級(jí)配碾壓混凝土的抗?jié)B性能，同時(shí)二級(jí)配防滲區(qū)在厚度有限的情況下，承擔(dān)全部的防滲功能必然需要提高混凝土強(qiáng)度，滿足抗?jié)B要求。三級(jí)配碾壓混凝土配合比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整后，利用整個(gè)壩體作為抗?jié)B區(qū)，經(jīng)大壩蓄水監(jiān)測顯示，大壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；大壩滲漏量0.96L/s，每米水頭1萬m2總滲漏量0.002L/s小于國際大壩委員會(huì)的優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)0.04，防滲性能優(yōu)良。取消上游專設(shè)的二級(jí)配抗?jié)B區(qū)，簡化了拌和樓拌料和現(xiàn)場入倉攤鋪的施工程序。

下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩于2018年6月6日開始澆筑，2020年4月16日澆筑完成，歷時(shí)680天，共澆筑碾壓混凝土121萬m3。下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩實(shí)際平均澆筑強(qiáng)度為4275m3/d，其中壩面寬度超過(含)40m的平均澆筑強(qiáng)度為5595m3/d，壩面寬度小于40m且大于12m的平均澆筑強(qiáng)度為3500m3/d，壩面寬度小于12m的平均澆筑強(qiáng)度為1191m3/d。根據(jù)國際碾壓混凝土專家MD&a公司提供的RCC大壩入倉強(qiáng)度圖上看，1.3百萬級(jí)大壩的入倉強(qiáng)度區(qū)間為2.5萬～7.5萬m3，入倉強(qiáng)度位于中上等水平。

圖1 大壩混凝土體積與入倉速率對(duì)照表

此外，充分利用材料的各項(xiàng)性能，降低施工成本。優(yōu)化前和優(yōu)化后的大壩混凝土分區(qū)圖如2所示。

圖2 大壩分區(qū)圖

2.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

下凱富峽水電站項(xiàng)目碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)分為2個(gè)階段。第一階段試拌了90d齡期的碾壓混凝土，根據(jù)大壩施工部位的不同，使用3種強(qiáng)度等級(jí)的碾壓混凝土，即R8(三級(jí)配，最大粒徑75mm)，R12(三級(jí)配，最大粒徑75mm)，R16(三級(jí)配，最大粒徑37.5mm)，并進(jìn)行了試驗(yàn)段施工。第一階段配合比試驗(yàn)完成后，專家對(duì)碾壓混凝土配合比、試驗(yàn)段的現(xiàn)場情況以及未來大壩的優(yōu)質(zhì)高效施工提出了4點(diǎn)建議：

(1)大壩使用一種碾壓混凝土進(jìn)行施工，降低施工難度，提高工效。

(2)降低碾壓混凝土的最大骨料粒徑，采用最大粒徑50mm或者63mm的碾壓混凝土，降低混凝土的骨料分離，改善混凝土性能。

(3)使用更長的混凝土設(shè)計(jì)齡期180d或者365d，降低水泥含量，增大粉煤灰摻量，降低水化熱。

(4)混凝土初凝時(shí)間控制在21±3h，現(xiàn)場攤鋪碾壓時(shí)間充足，基本滿足層間均為熱縫，層間結(jié)合質(zhì)量能得到保證。

在已得到的碾壓混凝土配合比成果的基礎(chǔ)上，增加最大骨料粒徑63mm和50mm，設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度12MPa的碾壓混凝土配合比研究，最終配合比及物理性能見表1—2。

表1 推薦碾壓混凝土配合比

表2 碾壓混凝土配合比試驗(yàn)力學(xué)性能 單位：MPa

在滿足設(shè)計(jì)要求的條件下，超長齡期和高摻粉煤灰關(guān)鍵技術(shù)顯著減少了水泥用量，有利于大體積混凝土溫度控制，倉內(nèi)不需要布置冷卻水管。從對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知365d齡期的碾壓混凝土與其他齡期的配合比相比較，各項(xiàng)物理性能滿足設(shè)計(jì)要求，并且最大骨料粒徑越小，改善了碾壓混凝土和易性，骨料包裹性越好，出現(xiàn)分離現(xiàn)象越少，提高了碾壓混凝土的均勻性。

下凱富峽水電站應(yīng)用365d超長齡期和65%高摻粉煤灰碾壓混凝土配合比，在滿足混凝土物理特性的前提下，比國內(nèi)普遍采用的碾壓混凝土配合比減少了21kg水泥；利用粉煤灰后期增長強(qiáng)度，降低混凝土溫升，取消倉內(nèi)碾壓混凝土水冷卻系統(tǒng)，簡化倉面施工程序，充分發(fā)揮碾壓混凝土高效機(jī)械化施工的優(yōu)勢(shì)。

2.3 大壩水平觀測廊道調(diào)整

壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)物一般有水平觀測廊道、斜坡灌漿廊道等，壩體內(nèi)部結(jié)構(gòu)物將施工倉面切割成若干區(qū)域，處于邊緣的狹長區(qū)域由于空間限制碾壓混凝土的運(yùn)輸、攤鋪和碾壓效率低、質(zhì)量無法保證。

下凱富峽水電站碾壓混凝土大壩針對(duì)壩體內(nèi)結(jié)構(gòu)物阻隔形成的狹小區(qū)域通過調(diào)整結(jié)構(gòu)物的位置，擴(kuò)大狹小區(qū)域的寬度，以滿足攤鋪碾壓設(shè)備的通行要求。

壩體上游面揚(yáng)壓力等應(yīng)力合力決定大壩水平觀測廊道位置，在保證應(yīng)力合力不影響大壩整體穩(wěn)定的范圍內(nèi)，下凱富峽大壩將水平觀測廊道調(diào)整為直線布置，廊道上游模板和上游壩面之間的距離由原設(shè)計(jì)的4.3m優(yōu)化為11.4m。優(yōu)化后設(shè)備施工通道寬度為9m，碾壓混凝土攤鋪碾壓設(shè)備可自由通行。大壩觀測廊道優(yōu)化對(duì)比平面布置如圖3所示。

圖3 優(yōu)化前后廊道平面布置對(duì)比圖

2.4 大壩廊道斷面優(yōu)化

國內(nèi)大壩廊道一般采用城門洞形斷面、廊道周圍配置抗裂鋼筋、廊道頂拱采用現(xiàn)澆形式施工，廊道區(qū)域在澆筑過程中不允許施工設(shè)備通行，不利于碾壓混凝土連續(xù)高效升倉澆筑。為提高碾壓混凝土施工速度，保證施工質(zhì)量，下凱富峽大壩將廊道斷面優(yōu)化為矩形斷面，如圖4所示。廊道底板和邊墻不配置抗裂鋼筋，廊道頂板采用荷載計(jì)算通過的預(yù)制混凝土蓋板，蓋板和邊墻搭接長度50cm。碾壓高程至廊道頂高程時(shí)，可使用裝載機(jī)或者汽車吊將預(yù)制混凝土蓋板安裝在指定位置，預(yù)制蓋板頂部和周圍采用變態(tài)混凝土澆筑。預(yù)制蓋板以上的碾壓混凝土厚度達(dá)到1m以上時(shí)，可承受碾壓機(jī)具的靜荷載或振動(dòng)荷載。通過優(yōu)化大壩廊道斷面，實(shí)現(xiàn)了碾壓混凝土在水平廊道高程連續(xù)升倉，加快了施工速度。

圖4 廊道優(yōu)化

3 結(jié)語

通過研究碾壓混凝土大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，科學(xué)分析各類材料性能、優(yōu)化施工工序，形成碾壓混凝土重力壩的高效施工經(jīng)驗(yàn)，為以后類似施工項(xiàng)目提供借鑒。探討結(jié)論如下：①大壩分區(qū)。取消了二級(jí)配防滲區(qū)，全斷面采用單一配合比，施工效率提高10%以上。施工過程中需嚴(yán)格執(zhí)行碾壓混凝土施工工藝，杜絕骨料分離形成滲水通道。②碾壓混凝土配合比。高摻粉煤灰和超長齡期配合比可簡化溫控措施，是取消了倉內(nèi)冷卻水管和簡化倉面施工的基礎(chǔ)。粉煤灰摻加比例仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。③觀測廊道布置和形式。優(yōu)化了廊道布置和廊道模板形式，為機(jī)械化施工提供便利。