碾壓混凝土壩早期三個代表性工程簡介及啟示

艾克明

（湖南省水利水電勘測設(shè)計研究總院 長沙市 410007）

碾壓混凝土筑壩是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，是筑壩技術(shù)上的一個重大創(chuàng)新，它具有施工速度快、工期短、造價低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)將早期三個代表性工程簡介如下。

1 三個代表性工程[1]

1.1 日本的島地川壩

1977～1980年日本修建了世界上第一座碾壓混凝土壩——島地川（圖1）。該壩高89m，頂長240m，體積322萬m3。壩體采用“金包銀”形式，即壩體內(nèi)部采用碾壓混凝土填筑（水泥用量84kg/m3～91kg/m3；粉煤灰用量36kg/m3～ 39kg/m3），外部包圍（2～3）m厚的常規(guī)混凝土（VCC）。此種“金包銀”式的碾壓混凝土壩習(xí)稱RCD壩，島地川壩的壩體未設(shè)縱縫，橫縫按VCC方法按15m設(shè)置。鄰近上游面，橫縫內(nèi)設(shè)二道金屬片止水，止水片后設(shè)排水井。層面做了加鋪水泥砂漿層處理。經(jīng)大口徑壓水試驗(yàn)，滲透系數(shù)K=（1.47～2.76）×10-5cm/s。工程于1982年建成投產(chǎn)，未發(fā)現(xiàn)上、下游貫穿性裂縫，滲漏量可忽略不計，工程運(yùn)行良好。

1.2 美國的兩座RCC壩

繼日本之后，美國于20世紀(jì)80年代修建了12座碾壓混凝土壩，基本采用全斷面碾壓方式施工，習(xí)稱RCC壩。

（1）柳溪RCC壩（圖2）。

圖1 島地川壩結(jié)構(gòu)

圖2 柳溪RCC壩結(jié)構(gòu)

美國修建的第一座全斷面碾壓混凝土壩是柳溪壩，這也是世界上第一座全斷面碾壓混凝土壩，該壩由美國陸軍工程兵團(tuán)設(shè)計和修建。壩高52m，頂長543m，體積33.1萬m3。壩體填筑從1982年4月開始，9月中旬完成，歷時4個多月，工期為堆石壩的1/3，造價為其一半。柳溪壩的主要技術(shù)特征是大壩混凝土的主要部分為內(nèi)部貧混凝土，要求具有最低的水泥水化熱和足夠的抗剪強(qiáng)度。因此水泥用量降低到47kg/m3，粉煤灰用量為19kg/m3。壩體的上、下游面及溢洪道均為富膠凝材料碾壓混凝土，厚（2～3）m，全斷面碾壓。其抗壓強(qiáng)度90d為7.3MPa，抗拉強(qiáng)度365d為0.51MPa，壩體大口徑鉆孔壓水試驗(yàn)獲得滲透系數(shù)K=（10-3～10-5）cm/s，重度為2466kg/m3，絕熱溫升為11.78℃。柳溪壩的上游面采用非粘合的預(yù)制常規(guī)混凝土企口模板，板后為水泥用量較高的碾壓混凝土，一直澆筑到廊道為止，廊道下游為貧水泥碾壓混凝土。層面未鋪砂漿處理，整個壩體未分縱縫和橫縫。1983年春蓄水后，隨即在排水廊道和下游面出現(xiàn)了滲水，其量為170L/s，兩個月后減至150L/s，為此用純水泥漿對壩體進(jìn)行了灌漿處理，1年半后滲水量減至13.8L/s。

（2）上靜水RCC壩（圖3）。

圖3 上靜水RCC壩結(jié)構(gòu)

1987年6月，由美國墾務(wù)局設(shè)計建成了上靜水壩，該壩高87m，頂長825m，壩體未設(shè)縱縫和橫縫，壩體體積113萬m3。RCC澆筑用10個月完成，這是美國繼柳溪壩之后設(shè)計建成的另類碾壓混土壩。它吸取了柳溪壩層面結(jié)合不良、膠凝材料用量過低的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用了高膠凝材料筑壩，其水泥用量為（79.5～92）kg/m3，粉煤灰用量為（172.7～203.5）kg/m3，這種高膠凝材料的RCC提高了抗拉、抗剪強(qiáng)度和密實(shí)性。其抗壓強(qiáng)度為 （21.1～24.8）MPa（90d），重度為2339kg/m3，絕熱溫升為 （28d）18.08℃～ 25.28℃。壩體下游坡為1∶0.6，相對于常規(guī)VCC重力壩減少了壩體體積。上靜水壩的上、下游面采用水平滑模澆筑厚0.6m的常規(guī)混凝土護(hù)面層防滲，下接碾壓混凝土壩體。工程蓄水后，發(fā)現(xiàn)了12條上、下游貫穿壩體的橫向裂縫，平均縫距75m。

2 三種不同設(shè)計思路[2]

島地川壩、柳溪壩和上靜水壩同是20世紀(jì)80年代設(shè)計建成的碾壓混凝土壩，在設(shè)計思想上各具特色，代表了三種不同的RCC壩設(shè)計方法，它們的不同點(diǎn)不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，同時還在RCC的配合比上。

（1）島地川壩。防滲由上游厚3m的常規(guī)混凝土和碾壓混凝土壩體承擔(dān)，另外該壩較高，要求壩體混凝土具有較高的抗剪抗拉力學(xué)指標(biāo)，因此采用了富膠凝材料筑壩，在富膠凝材料中水泥用量較大，為防止?jié)仓^程中出現(xiàn)“冷縫”，影響壩體的防滲性能，因而要求對層面進(jìn)行處理。另外，為防止水泥水化熱造成壩體裂縫，按常規(guī)混凝土壩的技術(shù)要求，對壩體設(shè)置了橫縫。以上設(shè)計思想明確，技術(shù)處理得當(dāng)，因而工程建成投產(chǎn)后，運(yùn)行正常。此種RCC壩設(shè)計施工方法在日本一直延續(xù)到現(xiàn)在。

（2）柳溪壩。富膠凝材料筑壩固然防滲性能好和力學(xué)指標(biāo)較高，但施工工藝要求高，時間上和經(jīng)濟(jì)上對于只有中等壩高（52m）的柳溪壩不盡合算，因此美國陸軍工程兵團(tuán)采用了貧水泥干硬性碾壓混凝土筑壩，以使其工藝上變得更經(jīng)濟(jì)。壩的防滲由上游厚3m的富膠凝材料RCC和壩體承擔(dān)。由于采用貧水泥筑壩，初凝時間較長，水泥水化熱低，因而壩體填筑時未做層面處理，壩體也未設(shè)縱縫和橫縫。工程蓄水后發(fā)現(xiàn)壩體滲漏，這就迫使設(shè)計者們在此類工程的設(shè)計中研究了多種上游壩面防滲結(jié)構(gòu)，包括預(yù)制混凝土面板外襯或外噴膜料等多種型式。20世紀(jì)80年代在美國采用貧水泥碾壓混凝土施工建成的中等壩高工程列舉見附表。

附表 美國20世紀(jì)80年代部分RCC壩一覽表

（3）上靜水壩。上靜水壩壩高87m，與島地川壩接近，屬高壩。美國墾務(wù)局采用了高膠凝材料筑壩，以達(dá)到提高RCC壩體的防滲性能和使層面具有較高抗拉、抗剪指標(biāo)的目的。壩體未設(shè)縱縫和橫縫，施工鋪筑時也未做層面處理。工程蓄水后發(fā)現(xiàn)12條貫穿壩體上、下游的橫向裂縫，這就提醒工程師們在往后的設(shè)計中設(shè)置橫縫，美國第一座設(shè)置橫縫的工程是大鹿溪壩（ELKCreek）。在壩頂長786m的壩體上設(shè)置了10條橫縫，最大縫距91m（平均73m），在靠近上游面的橫縫里設(shè)二道止水，止水后設(shè)排水井，在另一座奎爾溪南壩上采用了較小的橫縫距14.6 m，使壩體裂縫的擴(kuò)展得到了有效控制，1990年以來美國修的RCC壩中約有50%設(shè)置了橫縫，縫距在上述兩壩縫距之間。

3 幾點(diǎn)啟示

（1）碾壓混凝土壩早期三個有代表性工程的設(shè)計思想有些差異，但其實(shí)踐結(jié)果共同表明，施工速度是很快的，其費(fèi)用比其它壩型省，相對于傳統(tǒng)的重力壩是重大創(chuàng)新。

（2）三個工程的運(yùn)行整體上是成功的，但有的也不十分完美，正是這些不完美之處推動了RCC壩不斷向前發(fā)展.如柳溪壩的壩體滲漏，警示人們對于貧水泥碾壓混凝土壩必須采取壩面防滲措施，上靜水壩出現(xiàn)的貫穿壩體的12條橫向裂縫，警示人們對于富膠凝材料筑壩應(yīng)考慮對壩體設(shè)置橫縫。

（3）低膠凝材料筑壩，其力學(xué)指標(biāo)和防滲性能不及富膠凝材料，但其水泥水化熱低，初凝時間較長，施工工藝較簡單，比較適用于中等及中等以下壩高。但事物是發(fā)展的，20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了斷面對稱面板硬填方壩（FSHD），由此借鑒低膠凝材料筑壩技術(shù)，可能是發(fā)展FSHD壩的一個方向，如土耳其2002年開始，已設(shè)計和施工兩座100m以上FSHD壩（Cindere&Oyuk），就是一個良好的例證[3]。因?yàn)橥粔胃邨l件下，F(xiàn)SHD壩壩體和建基面的受力條件都優(yōu)于傳統(tǒng)的重力壩，對于基礎(chǔ)條件較軟弱的地方、強(qiáng)地震區(qū)和缺少防滲材料的地區(qū)，尤其有它的優(yōu)勢。

（4）根據(jù)島地川和上靜水等高壩的經(jīng)驗(yàn)，對于中等以上的高壩，基于防滲性能和抗剪抗拉指標(biāo)的要求，選取富膠凝材料筑壩是很自然的，但壩體上游面和壩體的防滲、橫縫設(shè)置和裂縫控制、以及層面抗剪強(qiáng)度的控制等一系列技術(shù)問題，應(yīng)根據(jù)工程具體情況慎重處理，在滿足力學(xué)指標(biāo)和防滲性能的前提下，盡量降低膠凝材料特別是水泥用量是大家所期望的。如我國江埡全斷面碾壓混凝土壩，壩高131m壩頂全長368m，設(shè)12條橫縫，縫距（14.5～35）m，未設(shè)縱縫，最大倉面3755m2。初凝前覆蓋上一層RCC時，層面不做處理。經(jīng)過大量試驗(yàn)研究和計算分析論證，采用A1區(qū)（上游防滲區(qū)，C20）水泥用量84kg/m3，粉煤灰用量103kg/m3；A2區(qū) （壩體區(qū)，C10）水泥用量65 kg/m3，粉煤灰用量98kg/m3屬中等膠凝材料壩。江埡全斷面碾壓混凝土壩，在同類壩型中是世界最高的。自1999年投產(chǎn)運(yùn)行以來一直正常，說明它在繼承和發(fā)展碾壓混凝土筑壩技術(shù)上是一個良好范例[4]。

1 許百立，等.水利水電工程勘測設(shè)計專業(yè)綜述(水工)[M].北京：電子科技大學(xué)出版社，1993.

2 Kenneth Hansen.Diverging ViewsonRCC[J].WaterPower&Dam Construction，1996，48（8）.

3 S.Matmaz，etc.Design of the 100 in-high OyukHard fill Dam[J].International Journalon Hydropower&Dams，2003，10.

4 劉紅運(yùn).江埡水庫[M].北京：中國水利水電出版社，2007.