碾壓混凝土壩施工技術探討

陳林

（遼寧省大伙房水庫管理局，遼寧 撫順 113007）

碾壓混凝土壩融合了常態(tài)混凝土壩和碾壓土石壩的長處，具有節(jié)約水泥用量，簡化施工工藝，機械化程度高，施工速度快和工程造價低等優(yōu)點，因而在國內(nèi)外得到了廣泛的應用[1]。

碾壓混凝土最早由美國加州大學的Raphael教授于20世紀70年代提出的。1975年，巴基斯坦在塔貝拉壩的緊急加固和保護處理工程中首次采用了碾壓混凝土。1981年日本建成了世界上第一座“金包銀”式的碾壓混凝土重力壩—島地川壩。1982年美國建成了世界上第一座全碾壓混凝土重力壩—柳溪壩[2]。此后，碾壓混凝土筑壩技術在世界范圍內(nèi)得到了長足的發(fā)展。

我國的碾壓混凝土筑壩技術是從1980年起步的。20多年來，經(jīng)過廣大科研工作者和設計、施工專業(yè)人員的不懈努力，碾壓混凝土筑壩技術在我國已經(jīng)非常成熟，截至2004年，已建成的碾壓混凝土壩64座，還有不少的碾壓混凝土圍堰工程。目前，我國的碾壓混凝土筑壩技術已達到世界領先水平[3]。

1 施工技術的優(yōu)點

碾壓混凝土作為一種干硬性混合料，無塌落度，施工方法接近于土石壩的填筑方法，采用通倉薄層鋪料，振動碾壓壓實。與常規(guī)混凝土相比，無論在材料消耗、施工效率，還是其本身性能等方面都有明顯的優(yōu)越性[3]。

1）施工速度較快。碾壓混凝土壩的斷面尺寸與常態(tài)混凝土壩相似，但混凝土的水泥用量少、壩體結(jié)構簡單、不設縱縫、不以橫板形成橫縫、使用土石壩施工機械，所以澆筑速度比常態(tài)混凝土壩快。日本的玉川壩采用自卸卡車運輸混凝土至壩址附近，經(jīng)斜坡道入倉，用21個月的時間澆筑了100萬m3的混凝土，比用吊罐入倉縮短工期5～7個月。該壩冬季5個月不施工，因此實際縮短工期約1年左右。我國巖灘水電站主壩于1989年11月10日創(chuàng)造了10 681 m3/d的最高澆筑強度。

碾壓混凝土壩和土石壩相比，具有斷面小、工程量少，又采用與土石壩相同的施工機械，所以碾壓混凝土壩比土石壩工期短。美國芒克斯維勒壩設計比較了4種壩型，認為碾壓混凝土壩的工期只有土石壩的—半[4]。

2）工程造價較低。和常態(tài)混凝土相比，碾壓混凝土壩節(jié)約了模板工程量。根據(jù)玉川壩的估算，碾壓混凝土壩可節(jié)約模板費用30%，同時節(jié)省了冷卻、接縫灌漿費用。玉川壩節(jié)省水泥11%，混凝土單價降低10%左右。坑口壩碾壓混凝土單價為同標號常態(tài)混凝土單價的88%。天生橋二級碾壓混凝土單價為常態(tài)混凝土單價的77%。

和土石壩相比，碾壓混凝土壩體積小、壩基寬度小，減少了開挖和基礎處理范圍，縮短了施工導流及泄洪建筑物的長度。而且把泄洪建筑物布置在河床內(nèi)，不必像土石壩那樣在河床外另設溢洪道。由于中小型碾壓混凝土壩可在幾個月內(nèi)碾壓完畢，大大降低施工導流標準。另外，碾壓混凝土壩施工期間如遇洪水漫頂，造成的損失也相對較小，如澳大利亞克賴格本壩，施工期洪水漫過正在施工的碾壓混凝土壩體，洪水過后見到只有2 d齡期的混凝上表面遭到損壞，只花了5 d時間又恢復了施工。巖灘圍堰和隔河巖圍堰都曾在建成當年漫頂過水，均末發(fā)現(xiàn)明顯破壞[4]。

2 施工中應注意的問題

2.1 層面處理

層面處理是影響碾壓混凝土壩安全穩(wěn)定的一個重要問題，尤其是高壩尤為重要。解決此問題除了處理好骨料離析問題和改善層面條件以外（如保持層面濕潤、清除層面上浮漿皮、松散物和過量集水及污物），要求著重控制好碾壓混凝土的初凝時間。初凝時間是根據(jù)實測時間并考慮鋪筑環(huán)境溫度、日曬、表面保護等因素確定。我國不少碾壓混凝土壩參考國外經(jīng)驗，用成熟度（即表面溫度與暴露時間的乘積）來控制初凝時間?？涌谀雺夯炷林亓螌用嫣幚淼慕?jīng)驗是：當氣溫在13℃以下、層面間隔時間在16 h以內(nèi)時，不做任何處理直接在碾壓混凝土層面上鋪筑上層混凝土；當層面間隔時間超過16 h，且在24 h以內(nèi)時，在層面鋪筑1.5 cm厚的水泥砂漿再鋪筑上層碾壓混凝土；當層面間隔時間超過24 h，則用低壓水沖洗混凝土層面，并鋪筑1.5 cm厚的水泥砂漿后再鋪筑上層碾壓混凝土[5]。

2.2 防滲

2.2.1 采用斜層鋪筑法提高層間抗?jié)B能力

根據(jù)對國內(nèi)外已建碾壓混凝土壩的運行觀測，總體來說碾壓混凝土筑壩技術是成功的，但普遍都存在滲漏問題[4]。形成壩體滲漏的一個主要原因是，碾壓混凝土壩是采用大面積薄層碾壓而成的層狀結(jié)構，層面抗剪強度及抗?jié)B能力均低于混凝土本體，是影響壩體滲漏的關鍵因素。

碾壓混凝土斜層鋪筑法是相對傳統(tǒng)的鋪筑方法而言的，即將傳統(tǒng)的水平攤鋪碾壓層改為1∶10～1∶20的斜層。1996年在江埡工程中，經(jīng)過壩內(nèi)外幾次試驗和測試，于1997年11月份在較大倉面正式采用斜層鋪筑法施工，層間間隔時間由平層鋪筑法的6～7 h縮短為2～4 h，混凝土質(zhì)量達到或超過傳統(tǒng)的平層鋪筑法，最大單倉混凝土量達3.5萬m3。江埡工程采用斜層鋪筑法澆筑碾壓混凝土45.5萬m3，占碾壓混凝土總量的41.1%。目前，斜層鋪筑法的優(yōu)點已被廣泛認可，該法可以利用有限的資源實施大倉面的施工，并可縮短層間間隔時間，特別是高溫多雨條件下。采用斜層坡度合理、平推方向合適的斜層平推鋪筑法施工的碾壓混凝土，其層面抗?jié)B能力可以達到或接近碾壓混凝土本體的抗?jié)B性能，使碾壓混凝土本身即可承擔起壩體防滲的任務，不再需要其他的輔助防滲措施[6]。

2.2.2 自防滲技術

碾壓混凝土的防滲形式主要有以下3種類型：“金包銀”模式、碾壓混凝土自防滲、在壩的上游面另做防滲層等。自普定拱壩成功采用二級配碾壓混凝土自防滲技術以來，當前在我國已普遍采用第二種模式，即采用三級配碾壓混凝土做大壩主體，其上游采用二級配碾壓混凝土作防滲結(jié)構，在壩體上游面采用二級配富膠凝材料碾壓混凝土自身防滲。如大朝山、大花水等百米高壩，均沒有在壩上游面另做防滲層。

近年來，水電八局在昆明紅坡碾壓混凝土重力拱壩施工實踐中，通過優(yōu)化混凝土配合比設計，加強層間結(jié)合處理和施工工藝控制等，實現(xiàn)了全斷面三級配碾壓混凝土的自防滲。這是碾壓混凝土施工技術的一個新突破。紅坡碾壓混凝土重力拱壩自1999年竣工以來正常運行至今，防滲效果良好。此后，水電八局在世界上最高碾壓混凝土拱壩沙牌大壩的上部也成功地采用了這一技術[7]。

2.3 完善和拓展變態(tài)混凝土

壩體結(jié)構物周邊及壩基（肩）部位受鋼筋、模板拉筋或基巖的限制，實施碾壓混凝土非常困難，一般需配備小型碾壓設備處理，這就大大降低了碾壓混凝土整體施工效率。1989年巖灘碾壓混凝土圍堰施工時，將一定濃度的水泥漿灑入靠近模板的碾壓混凝土中，用插入式振搗器振搗，這便是變態(tài)混凝土的初級階段。在江埡大壩工程施工中，進一步完善了變態(tài)混凝土的漿液濃度和摻入比例。同時，變態(tài)混凝土應用范圍擴大，除基巖面以外的碾壓混凝土，包圍的結(jié)構物周邊及模板邊緣均采用了變態(tài)混凝土。由于變態(tài)混凝土的“變”是在倉面最終完成，拌和樓不必頻繁變換混凝土類型，做到了與碾壓混凝土同步上升，使得碾壓混凝土施工更加簡潔流暢。江埡大壩工程采用制漿站集中制漿，通過管道輸送到倉面，漿液水灰比為0.7，漿液與碾壓混凝土的比例為1∶9[1]。

2.4 溫控措施

碾壓混凝土壩綜合了混凝土壩的安全性和土石壩的高效率施工特性，但在許多已建工程中卻不同程度地存在裂縫，嚴寒地區(qū)的碾壓混凝土壩裂縫尤為嚴重。裂縫降低了碾壓混凝土的完整性、抗?jié)B性和耐久性，降低了大壩的安全度。研究表明，碾壓混凝土壩的溫度應力是導致壩體裂縫的主要因素，因此，施工期對溫度應力和溫度進行控制是預防混凝土裂縫、保證大壩安全的重要措施。高碾壓混凝土重力壩和高碾壓混凝土拱壩在施工期和運行期的壩體溫度場、徐變應力場、溫度應力場的分布規(guī)律和隨時間的分布規(guī)律也有別于一般的碾壓混凝土重力壩，特別是在嚴寒干旱地區(qū)，冬季長間歇施工及惡劣的氣候條件，使高碾壓混凝土壩具有獨特的溫度應力時空分布規(guī)律，溫控防裂難度更大，因此，高碾壓混凝土壩溫控防裂是當前迫切需要研究解決的課題[8]。

在溫度控制方面，彭水、龍灘等工程均采用了高效空氣冷卻器及兩次風冷技術、輔以片冰機制冰、少量摻冰的預冷碾壓混凝土生產(chǎn)工藝。已建的中低碾壓混凝土壩基本上依靠低溫季節(jié)多澆混凝土（特別是基礎約束部位）夏季澆筑上部混凝土通常輔助以倉面噴霧、保濕、成品料堆防曬等常規(guī)措施，并普遍采用初期通水冷卻降溫措施。混凝土的側(cè)面永久保溫已由過去的掛草席、布簾改為粘貼聚乙烯保溫板或覆蓋PEP保溫被等具有良好保溫性能的化工產(chǎn)品。在倉面施工中，新型倉面噴霧機的研制應用，有利于形成倉面小氣候。預冷碾壓混凝土和預埋聚乙烯冷卻水管初期通水冷卻降溫施工工藝先后在大朝山、沙牌、索風營、大花水、龍灘等碾壓混凝土工程施工中得到了廣泛應用，促進了碾壓混凝土夏季施工這一重大課題的解決[7]。

3 待探索問題

1）寒冷地區(qū)高碾壓混凝土壩的控溫防裂。針對寒冷干旱地區(qū)的氣候條件及該地區(qū)碾壓混凝土壩特殊的施工方法，研究其溫度場及溫度應力的時空分布變化規(guī)律，就干旱條件下水分散失理論進行深入的研究，以確定現(xiàn)場碾壓混凝土的各項指標(VC值、水膠比及單位用漿量等)是否滿足設計要求。針對目前碾壓混凝土壩溫度徐變應力仿真計算尚待解決的問題進行研究。研究有效的防裂措施，以解決碾壓混凝土壩的溫度裂縫問題[8]。深入研究和完善高溫和嚴寒季節(jié)碾壓混凝土施工溫控技術，探索中、低碾壓混凝土壩經(jīng)濟適用的溫控措施[4]。

2）促進碾壓混凝土的快速施工技術。隧著壩的規(guī)模增大，要求的施工強度也愈益增大。應用于中、小型工程的施工機械往往滿足不了高施工強度的需要。近年來對于連續(xù)拌和及連續(xù)運輸澆筑的興趣日益增長，正是出于形勢發(fā)展的需要[4]。

3）碾壓混凝土的耐久性。低水泥用量與高粉煤灰摻量使混凝土的初期強度降低，但隨著齡期增長、強度得到發(fā)展，以至后期(如180，365 d)強度會高于常態(tài)混凝土的強度。然而直至目前為止，這種混凝土的長期(例如50年、100年)性能到底如何還不清楚，因為最老的碾壓混凝土壩才不過10多年。開展碾壓混凝土壩耐久性的研究盡管是因難的，然而是十分必要的[4]。

4）高陡邊坡大壩施工技術。依托工程實踐進行高陡邊坡條件下混凝土垂直運輸入倉方式及新工藝、新設備的研究，為日益增多的高山峽谷地區(qū)高壩建設創(chuàng)造條件[6]。

4 結(jié)語

碾壓混凝土壩結(jié)合了常態(tài)混凝土壩和碾壓土石壩各自的優(yōu)勢，具有施工速度快、工程造價低的特點，目前已由低壩發(fā)展到高壩、由重力壩發(fā)展到拱壩，并且在圍堰工程中也得到了廣泛應用。我國的碾壓混凝土壩施工技術在整體上處于世界領先水平。

碾壓混凝土壩施工要注意處理好不同層面之間的結(jié)合質(zhì)量，并應利用合理的施工方法和自防滲來提高整個壩體的抗?jié)B能力，同時必須采取有效的控溫防裂措施。

隨著我國水電事業(yè)的發(fā)展，更高、更復雜的碾壓混凝土壩不斷涌現(xiàn)，圍繞嚴寒地區(qū)、施工條件復雜地段碾壓混凝土壩的施工技術，展開新材料、新工藝、新設備的研究具有重要意義。

[1]宮凌杰.碾壓混凝土施工綜述[J].東北水利水電，2009，27（1）：17-19.

[2]孟慶義.水電站碾壓混凝土筑壩施工質(zhì)量控制[J].中小企業(yè)管理與科技，2009（34）：150-151.

[3]徐偉，梁學文，張玉清.北方碾壓混凝土壩研究與發(fā)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2007，35（12）：3758-3759，3761.

[4]楊康寧.碾壓混凝土壩施工[M].北京∶水利電力出版社，1997.

[5]陳宗梁.我國碾壓混凝土筑壩技術的發(fā)展及其主要特點[J].水利水電技術，1993（2）：12-14，32.

[6]周宜紅，蔣忠，張澤武.碾壓混凝土壩防滲技術對策研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2008（8）：55-58.

[7]涂懷健，黃巍.碾壓混凝土筑壩施工技術綜述[J].水利學報，2007.

[8]侍克斌，毛遠輝，牛景太.高碾壓混凝土壩在嚴寒干旱地區(qū)的溫控探討[J].水力發(fā)電，2007，33（1）：29-30.