碾壓混凝土壩應(yīng)用的關(guān)鍵問題及前景展望

朱金華

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司海南抽水蓄能項(xiàng)目部，?？?570105）

1 前言

碾壓混凝土筑壩，是七十年代以來國際上新興的一種筑壩技術(shù)，是對混凝土壩傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和施工工藝的一次重大改革。碾壓混凝土的基本特征，是采用干硬性混凝土，摻入適量的火山灰（一般用粉煤灰）以代替部分水泥用量，然后用高頻振動(dòng)碾，通倉薄層振壓密實(shí)，達(dá)到簡化工藝，快速施工，節(jié)約水泥，降低造價(jià)的目的。

碾壓混凝土拱壩既有常態(tài)混凝土拱壩具有的超載能力大、工程量少的特點(diǎn)，又具有水泥用量少、準(zhǔn)備工作量少、大倉面快速施工的特點(diǎn)，因而近幾年發(fā)展迅速。

2 碾壓混凝土壩的材料

碾壓混凝土是一種低水泥用量干硬性的混合材料，使用硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)摻和料、水、外加劑、砂和分級控制的粗骨料拌制成無塌落度的干硬性混凝土，和易性相對較差，有別于常態(tài)混凝土。在運(yùn)輸和攤鋪過程中易分離，整體抗?jié)B性能較常態(tài)混凝土差，如果層間結(jié)合面處理不好，極易形成滲漏通道。

碾壓混凝土與常態(tài)混凝土根本不同點(diǎn)是搗實(shí)方法的不同，前者在外部壓實(shí)震搗，后者在內(nèi)部震搗。為承載外部壓實(shí)震搗的機(jī)械，要求混凝土為干硬性。碾壓混凝土與常態(tài)混凝土的另一主要區(qū)別是碾壓混凝土水泥用量較少，原因在于碾壓混凝土單位用水量少，并摻用粉煤灰或火山灰等活性摻合料替代部分水泥。

2.1 碾壓混凝土的摻合料

目前，大多數(shù)碾壓混凝土壩選用的摻合料是粉煤灰。摻用粉煤灰是一種既能填充碾壓混凝土骨料空隙、改善和易性及提高后期強(qiáng)度，又可降低水化熱、減少溫度裂縫的可行措施。棉花灘水電站碾壓混凝土中粉煤灰最大摻量達(dá)65%。武漢大學(xué)的室內(nèi)研究顯示，高摻粉煤灰可能抑制堿骨料膨脹，其摻量可以達(dá)到2/3。

除粉煤灰以外，火山灰或其他有活性的摻合料在國外一些工程中得到了應(yīng)用。大朝山水電站是我國首例采用非粉煤灰摻合料的工程，選用的是凝灰?guī)r和磷礦渣。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)和實(shí)際操作，除開始時(shí)因?yàn)槭蹞搅坎粔?，和易性較差外，經(jīng)過調(diào)整配合比，檢查溫度，抗?jié)B最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。我國西南水利資源充沛，粉煤灰匱乏但磷礦渣資源豐富。可以預(yù)見，用磷礦渣分做碾壓混凝土的摻合料，前景廣闊。

2.2 碾壓混凝土的砂石骨料

大部分工程選用天然產(chǎn)砂石，而在西南地區(qū)，高壩大多采用人工砂石骨料。因灰?guī)r骨料的膨脹系數(shù)較大，在抗裂上占有優(yōu)勢，其他物理性能也較好，所以高壩都在壩址附近盡量尋求這種料場，如江埡、汾河二庫、普定等工程。但也有些高壩的壩址附近沒有這種優(yōu)良的石骨料，為了降低運(yùn)費(fèi)、節(jié)省開支，只能用火成巖，如百色的輝綠巖，大朝山的玄武巖，沙牌、棉花灘的花崗巖?；鸪蓭r具有較高的密度，其優(yōu)點(diǎn)可體現(xiàn)在可提高壩體容重、減少壩體體積，但在治砂過程中，較難回收石粉。如在大朝山工程中，為了多回收石粉專門設(shè)置了沉淀池，仍不能達(dá)到17%的最優(yōu)比例。

2.3 碾壓混凝土的配合比

混凝土配合比是保證混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵之一?；炷恋呐浜媳纫鶕?jù)壩址自然條件和材料而定。在工程實(shí)踐中采用的混凝土施工配合比是在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，并隨著施工進(jìn)展和需要，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，不斷優(yōu)化和完善。

1999年開始，南京水科院根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將國內(nèi)外碾壓混凝土壩的實(shí)際應(yīng)用的配合比加以匯總分析，建立碾壓混凝土配合比的數(shù)據(jù)庫，通過統(tǒng)計(jì)分析，可在輸入壩址所在的自然條件和設(shè)計(jì)要求后，預(yù)選較適合的配合比，僅用少量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，即可取得合適的配比，極大地節(jié)約試驗(yàn)工作和時(shí)間。

常用三級配碾壓混凝土粗骨料的比例是小石：中石：大石=30%∶40%∶30%。在季節(jié)變化時(shí)，碾壓混凝土配合比可做適當(dāng)調(diào)整，以便取得更好的施工質(zhì)量。在北方干燥、多風(fēng)、蒸發(fā)量大的地區(qū)，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的砂、石、粉煤灰等原材料。

2.4 碾壓混凝土的外加劑

雖然外加劑分量在材料配比中一般不到1%，占量很小，但可以有效地改善碾壓混凝土的性能，增強(qiáng)其耐久性。由于緩凝減水劑可以延長初凝時(shí)間，以使碾壓混凝土層面結(jié)合有所加強(qiáng)，所以此類外加劑在我國選用較廣泛。

為提高抗凍性，在國內(nèi)工程常用松香皂和改性松香類、聚氧化乙烯醚類及皂角等引氣劑。同時(shí)許多室內(nèi)實(shí)驗(yàn)也已證明了碾壓混凝土的抗凍性并不比常態(tài)混凝土差。

3 碾壓混凝土壩的設(shè)計(jì)

碾壓混凝土壩具有混凝土壩樞紐布置之特點(diǎn)，又有近似土石壩施工工藝之優(yōu)點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮其特有的施工特性，充分發(fā)揮該壩型的優(yōu)越性?；驹瓌t和指導(dǎo)思想是：①有適當(dāng)?shù)氖┕雒妫岳鞣N機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)；②盡可能減少干擾、保證施工的連續(xù)性；③做到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的統(tǒng)一。

3.1 結(jié)構(gòu)布置

結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)減少碾壓混凝土施工干擾和防止發(fā)生裂縫。通過壩體的孔洞、管道應(yīng)按常態(tài)混凝土壩設(shè)計(jì)，如壩塊太長應(yīng)設(shè)置縱縫，經(jīng)冷卻后灌漿，并采用防止裂縫向上延伸的措施。如觀音閣壩在壩底部和中部設(shè)置導(dǎo)流底孔和永久放水孔，都產(chǎn)生較多的裂縫，并向上發(fā)展貫穿壩體。結(jié)構(gòu)布置和施工安排上要避免臨空面長期暴露，以減少裂縫。觀音閣壩因鐵路穿過壩體，引水鋼管、泄水孔存在等問題不能與相鄰壩段同時(shí)上升而造成側(cè)向臨時(shí)空面，經(jīng)過一個(gè)冬季產(chǎn)生較多裂縫。

蘇風(fēng)營水電站在設(shè)計(jì)中對大壩結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行了大量優(yōu)化，采用臺(tái)階式下游非溢流壩面，取消壩體排沙底孔、壩內(nèi)電梯井及樓梯井，減少壩內(nèi)廊道及采用預(yù)制廊道。

3.2 施工導(dǎo)流方式

導(dǎo)流方式也是碾壓混凝土筑壩特點(diǎn)之一。既可采一次斷流圍堰和隧洞泄流的方式，也可用底孔導(dǎo)流、分期導(dǎo)流、壩體過水等方式，比較靈活。

最好采用一次斷流方式，底孔或隧洞泄水，使全壩平起上升，避免缺口或梳齒導(dǎo)流。

3.3 防滲設(shè)計(jì)

碾壓混凝土壩防滲設(shè)計(jì)的三個(gè)主要目的：①減少滲透水量；②降低壩體層面上的揚(yáng)壓力；③降低排水幕上游面混凝土中和防滲結(jié)構(gòu)中的水力比降，防止發(fā)生水力擊穿等滲透破壞現(xiàn)象。

幾種常見的碾壓混凝土壩防滲結(jié)構(gòu)包括 “金包銀”防滲結(jié)構(gòu)、薄層防滲結(jié)構(gòu)、薄膜防滲結(jié)構(gòu)、瀝青混合料防滲結(jié)構(gòu)、以碾壓混凝土自身防滲為基礎(chǔ)的聯(lián)合防滲結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土面板防滲結(jié)構(gòu)、變態(tài)混凝土防滲結(jié)構(gòu)等。

1993年貴州普定工程開創(chuàng)了全斷面碾壓混凝土筑壩技術(shù)的先河，采用碾壓混凝土自身防滲，是中國筑壩技術(shù)上的重大創(chuàng)新?？涌谄茐夯炷翂尾捎脼r青砂漿防滲，它具有防滲性能好，施工速度快、干擾少，且具有較好的熱穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)。

4 碾壓混凝土壩的施工

碾壓混凝土筑壩技術(shù)是一種新的施工工藝，各國在施工方法上存在不少差異，采用的許多施工設(shè)備、材料運(yùn)輸方法、碾壓工藝、模板、施工縫處理及質(zhì)量控制等方面都不一致。需要不斷實(shí)踐，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)際情況逐步完善。

4.1 施工要點(diǎn)

碾壓混凝土壩施工方法按近于土石壩的填筑方法，采用通倉薄層鋪料，振動(dòng)碾壓壓實(shí)。它克服了常態(tài)混凝土施工工藝中的許多缺點(diǎn)。由于碾壓混凝土壩取消了縱縫，同時(shí)也不用模板形成橫縫，所以少用模板，澆筑面積可以靈活調(diào)整、易于做到均衡生產(chǎn)，施工設(shè)備可以得到充分利用，設(shè)備利用率較高。

與常態(tài)混凝土壩比較，碾壓混凝土壩沒有柱狀分塊，不受倉面限制，可以通倉碾壓。準(zhǔn)備工作量少，減少模板和腳手架用量，取消冷卻水管、灌漿管等項(xiàng)目繁多的附屬工作，不受垂直運(yùn)輸能力限制，減化了溫控措施，施工速度快，節(jié)省了投資，改善了勞動(dòng)條件。

同常態(tài)混凝土相比，由于碾壓混凝土壩取消了縱縫，同時(shí)也不用模板形成橫縫，所以少用模板，澆筑面積可以靈活調(diào)整，易于做到均衡生產(chǎn)，施工設(shè)備可以得到充分利用，設(shè)備利用率較高。

4.1.1 拌和、運(yùn)輸和卸料

拌和及配料拌和用的粗細(xì)骨料、水泥、粉煤灰等，均儲(chǔ)存于儲(chǔ)料筒或料倉內(nèi)，用皮帶輸送機(jī)和螺旋輸送機(jī)，按要求的配合比設(shè)計(jì)，均勻連續(xù)地送入拌和機(jī)內(nèi)。應(yīng)配備適用的配水器，使其能在規(guī)定的范圍內(nèi)分配拌和用水。

混凝土攪拌應(yīng)嚴(yán)格按配合比及參數(shù)的要求進(jìn)行，控制好攪拌時(shí)間和坍落度。拌和好的混凝土必須盡快地運(yùn)送到澆筑倉面。從裝料、運(yùn)輸和卸料的全過程，必須防止混凝土分離。為避免混凝土在轉(zhuǎn)運(yùn)中砂漿流失和骨料分離，宜采用低坍落度混凝土。

4.1.2 防滲防裂工藝

施工期裂縫預(yù)防，通常采用的措施是原材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、表面保溫、原材料降溫、合理安排施工進(jìn)度以及加強(qiáng)混凝土質(zhì)量等措施。但重點(diǎn)要從結(jié)構(gòu)和材料方面進(jìn)行研究，以避免大壩在無措施部位開裂，解決大壩越冬層面水平施工縫的開裂問題。

面板澆筑后，嚴(yán)格控制拆模時(shí)間。由于15d之內(nèi)混凝土仍處于膨脹高峰期，面板鋼筋以外的保護(hù)層較厚，拆模后解除約束，容易形成表層裂縫，甚至進(jìn)一步發(fā)展為貫穿裂縫，所以拆模時(shí)間均應(yīng)在澆筑后的14d以上。

防滲面板與周邊的連接施工是難度較大的工序，面板與河床壩基的連接施工采用在基礎(chǔ)墊層混凝土施工的同時(shí)澆筑防滲面板混凝土。巖基表面處理要完善，采用與補(bǔ)償收縮混凝土的類似配方，即水泥漿摻適量的膨脹劑，盡管使混凝土與巖基面不會(huì)出現(xiàn)接觸裂縫。防滲面板與左、右壩身的連接采用預(yù)留槽及埋止水銅片。

4.1.3 溫控

碾壓混凝土壩在施工期間采用整體通倉澆筑，施工速度快，層面間歇短，產(chǎn)生的水化熱積蓄在壩體內(nèi)不易散發(fā)，致使溫度成為重力壩的主要荷載之一，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂縫。壩內(nèi)的最高溫升不一定比常規(guī)混凝土壩低很多，并且與常規(guī)混凝土相比，抗裂能力較差。因此，施工過程中的溫度控制尤為重要。

景洪電站工程在高溫氣溫條件下，遮陽蓬采用帆布作為遮陽材料，倉面隔熱材料一般選擇兩層1cm厚的聚乙烯卷材外套塑料編織彩條布作為保溫被，并結(jié)合風(fēng)機(jī)噴霧和摻氣管噴霧等倉面噴霧。

光照水電站工程得到的經(jīng)驗(yàn)有：①選用水化熱低的水泥，在滿足混凝土強(qiáng)度、耐久性和和易性的設(shè)計(jì)要求前提下，改善混凝土級配，加入優(yōu)質(zhì)的摻和料和外加劑以適當(dāng)減少單位水泥用量，以降低水化熱溫升；②合理利用施工時(shí)段，嚴(yán)格控制澆筑層厚度；③采用制冷工藝；④控制澆筑溫度，水管冷卻降低混凝土的澆筑溫度，加強(qiáng)表面保護(hù)以及加強(qiáng)過水度汛層的保護(hù)。

龍灘大壩碾壓混凝土的溫控與防裂關(guān)鍵技術(shù)主要有如下幾點(diǎn)：①優(yōu)化混凝土配合比，采用中低熱水泥、高溫型高效緩凝減水劑以及高摻粉煤灰技術(shù)，拌制預(yù)冷混凝土等常規(guī)溫控技術(shù)；②充分利用溫控計(jì)算成果，采取分區(qū)冷卻，合理控制混凝土內(nèi)部溫差和內(nèi)外溫差，降低混凝土溫度應(yīng)力；③加強(qiáng)通水冷卻，嚴(yán)格控制壩體內(nèi)混凝土最高溫度；④選擇合理的壩段長度，對容易產(chǎn)生劈頭裂縫的上游面布設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)；⑤選用新型噴霧機(jī)，減小霧滴粒徑，增大噴霧覆蓋范圍，在倉面的小環(huán)境內(nèi)，進(jìn)行物理降溫保濕。

巖灘大壩采用碾壓混凝土內(nèi)埋置高密聚乙烯塑料水管通天然河水、強(qiáng)迫冷卻的方法，有效降低了混凝土的溫升，簡化了施工溫控措施，更經(jīng)濟(jì)、方便、快捷。

4.2 碾壓混凝土壩施工工藝的改進(jìn)

碾壓混凝土壩通常的施工程序是先在下層塊鋪砂漿，汽車運(yùn)輸入倉，平倉機(jī)平倉，振動(dòng)壓實(shí)機(jī)壓實(shí)，在擬切縫機(jī)位置拉線，機(jī)械對位，在振動(dòng)切縫機(jī)的刀片上裝鐵皮并切縫至設(shè)計(jì)深度，拔出刀片，鐵皮則留在混凝土中，切完縫再沿縫無振碾壓兩遍。普通的通倉薄層鋪筑法倉面過大，拌和樓容量不足，碾壓混凝土層間間隔時(shí)間過長，難以保證下層初凝前完全鋪蓋上層進(jìn)行碾壓。

針對以上施工困難，建議混凝土壩采用斜層鋪筑法。斜層法可以較好地符合大壩來的層間結(jié)合質(zhì)量和抗剪強(qiáng)度的高要求。斜層鋪筑法的作業(yè)面積相對比較小，縮短了碾壓層之間的間隔，有利于保證碾壓混凝土的層間結(jié)合，對高溫季節(jié)施工的溫控混凝土，可以減少溫度倒灌，噴霧等措施也易于實(shí)施。不必高摻量高效緩凝劑以延長混凝土初凝時(shí)間，降低了混凝土的費(fèi)用?？蛇x用較小的澆筑強(qiáng)度進(jìn)行大倉面施工，減小混凝土澆筑能力資源配置，降低施工成本。若遇降雨，由于斜坡面的存在，可以降低雨水對新澆碾壓混凝土的侵害。

可以看出，斜層澆筑法兼顧質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、效率等幾個(gè)方面，可以在資源配備有限的情況下，做到最大效率的連續(xù)施工，提高設(shè)備的利用率，充分發(fā)揮了碾壓混凝土筑壩的優(yōu)勢。

在江埡工程和白蓮崖水庫樞紐工程等實(shí)例中，斜層施工法都得到了較好的應(yīng)用。斜層碾壓施工的三個(gè)控制要點(diǎn)，即坡度、厚度和坡角處理。斜層施工工藝的坡度1∶20～1∶10，斜層攤鋪厚度34～36cm，壓實(shí)厚度30cm左右為宜。

但任何事物都好壞兩面，斜層澆注法也不例外。斜層碾壓的層面比平層多，且層面面積之和比平層大，如層面處理不當(dāng)，則層間質(zhì)量難以保證。整個(gè)壩體必須澆筑得充分連續(xù)一致，使之凝結(jié)成一個(gè)整塊，不允許出現(xiàn)滲水通道或?qū)娱g薄弱面。

5 研究方向展望

碾壓混凝土技術(shù)進(jìn)展不僅僅是材料本身，更多的在于混凝土材料配比和澆筑方法。采用土石壩運(yùn)輸、攤鋪和碾壓機(jī)械，將混凝土優(yōu)良的性能與土石壩快速填筑施工結(jié)合起來。在20年來的碾壓混凝土筑壩經(jīng)驗(yàn)中得出的結(jié)論是，碾壓混凝土設(shè)計(jì)應(yīng)選擇最佳方案，至少應(yīng)在其它壩中應(yīng)用過的方案中選擇。下面從設(shè)計(jì)、材料實(shí)驗(yàn)、施工工藝三個(gè)方面來展望碾壓混凝土壩的研究方向。

5.1 設(shè)計(jì)方面

在設(shè)計(jì)上，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)理論，依據(jù)碾壓混凝土特點(diǎn)優(yōu)化壩體細(xì)部結(jié)構(gòu)。

對碾壓混凝土壩施工期及運(yùn)行期的溫度、徐變應(yīng)力仿真計(jì)算研究的框架已基本建立，但就仿真分析而言，其參數(shù)的選取存在著不穩(wěn)定性，尚待深入研究。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的進(jìn)程，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)。工程方案的選擇也不能違背設(shè)計(jì)工藝要求。在大壩中采用碾壓混凝土的條件極為廣泛，但不是任何條件都適用。

5.2 材料試驗(yàn)方面

在材料試驗(yàn)方面，要在提高碾壓混凝土的粘聚性、耐久性、抗凍性等方面進(jìn)行優(yōu)選配合比，進(jìn)一步尋找解決抗凍問題的最佳途徑。

5.2.1 外摻MgO微膨脹碾壓混凝土

在碾壓混凝土中外摻MgO，可以減少碾壓混凝土的收縮，提高抗裂性能。但從2000年建成的第一座全壩摻MgO拱壩—廣州長沙壩以及后來的壩美壩等實(shí)例來看，僅靠MgO混凝土的微膨脹，不足以完全補(bǔ)償溫降收縮。需要進(jìn)一步研究實(shí)驗(yàn)。

5.2.2 復(fù)合外加劑

目前提高碾壓混凝土性能的最有效的做法是既用引氣劑提高其耐久性，同時(shí)用緩凝減水劑以延長初凝時(shí)間，即配制復(fù)合外加劑，一舉兩得。復(fù)合外加劑在普定、大朝山、棉花灘等工程中得到較好的運(yùn)用，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展。

5.2.3 變態(tài)混凝土

變態(tài)混凝土是指在碾壓混凝土拌合物中加入適量的水泥灰漿，使其從干硬性變?yōu)閬喠鲬B(tài)性，具有可振性，再用插入式振搗器振動(dòng)密實(shí)，形成一種具有常規(guī)混凝土特征的混凝土。變態(tài)混凝土的使用可以有效解決靠近模板不便碾壓處加水泥灰漿的問題。此材料從1989年在巖灘碾壓混凝土工程研發(fā)并取得了較好的效果后，被推廣至榮地、普定和江埡等工程中。

5.3 施工工藝方面

一般多采用常態(tài)混凝土的拌制機(jī)械。美國及日本均選用大容量拌和機(jī)。但從實(shí)踐中看，常態(tài)混凝土拌和機(jī)葉片易粘結(jié)過多砂漿，需頻繁清洗，葉片易磨損，需經(jīng)常更換，耗費(fèi)較多時(shí)間和金錢。因此研制適合于拌制干硬性混凝土的拌和機(jī)械，將成為一個(gè)研究的課題。

6 結(jié)語

碾壓混凝土筑壩是筑壩技術(shù)上的一次革命，碾壓混凝土技術(shù)將會(huì)成為水利水電工程建設(shè)的主導(dǎo)，具有旺盛的生命力和廣闊的發(fā)展前途，將取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]張有天.中國水科院科研報(bào)告（7）—碾壓混凝土重力壩的滲流問題[R].北京：中國水利科學(xué)研究院，1993.

[2]黃東軍，聶廣明.重力壩深層抗滑穩(wěn)定安全評價(jià)若干問題的思考[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005，（4）：90-94.

[3]李春敏.我國碾壓混凝土拱壩發(fā)展概述 [A].2004年全國RCC筑壩技術(shù)交流會(huì)議論文集[C].北京：中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)碾壓混凝土專業(yè)委員會(huì)，2004.1-10.

[4]朱伯芳等.第五屆碾壓混凝土壩國際研討會(huì)論文集[C].2007.

[5]袁廣裕，胡志根.水利工程施工[M].北京：中國水利水電出版社，2005.