外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)及其應(yīng)用

李承木,李萬軍

(1.中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院科研所,四川 成都 610072;2.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

經(jīng)過30多年的基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用,我國壩工界已總結(jié)出一套較為完整的外摻MgO混凝土筑拱壩技術(shù)體系,并全面掌握了MgO混凝土的物理力學(xué)性能及長期膨脹變形規(guī)律[1-2]。在膨脹機(jī)理、變形性能、應(yīng)力應(yīng)變補(bǔ)償理論、施工措施、均勻性控制與檢測、安定性試驗(yàn)方法、仿真分析程序研制等方面已形成了一套完整的筑壩理論體系[3-4],并在我國四川、貴州、廣東等10多個省近50座大中型水利水電工程不同部位應(yīng)用[5],獲得了成功。其中,長沙拱壩、三江拱壩、落腳河拱壩等13個拱壩工程采用了全壩外摻MgO混凝土不分橫縫或設(shè)少量誘導(dǎo)縫快速筑拱壩新技術(shù),目前均已成功建成[6],均取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在國家“十五”計(jì)劃期間,為了將MgO技術(shù)用于高拱壩,國家電力公司主持對“高拱壩MgO混凝土筑壩的關(guān)鍵技術(shù)研究及推廣應(yīng)用”課題的研究,該課題依托小灣高拱壩(壩高292m)和龍灘碾壓混凝土重力壩(壩高216.5m),在高壩設(shè)計(jì)計(jì)算方法,應(yīng)力應(yīng)變補(bǔ)償,仿真程序研制,施工組織設(shè)計(jì),溫度對全級配混凝土性能的影響,外摻粉煤灰混凝土自生體積變形的提高,MgO材料的膨脹性能及外摻工藝自動化等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。該科研成果為推動這項(xiàng)筑壩新技術(shù)的發(fā)展及將其推廣應(yīng)用于100m級以上高壩創(chuàng)造了條件。長期理論研究[3-4,6]和工程應(yīng)用實(shí)踐表明,MgO筑壩新技術(shù)安全可靠,目前已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)一步推廣MgO筑壩新技術(shù),制定了2個部頒標(biāo)準(zhǔn)[7-8]和2個地方標(biāo)準(zhǔn)[9-10],這4個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)保障,為全面推廣應(yīng)用該項(xiàng)新技術(shù)創(chuàng)造了條件。筆者歸納總結(jié)了采用全壩外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)建成的混凝土拱壩工程,介紹了各拱壩的工程特征、施工情況、MgO摻量、長期觀測的混凝土自生體積變形、應(yīng)用新技術(shù)后的經(jīng)濟(jì)效益等基本情況,以期為類似工程提供參考。

1 外摻MgO混凝土快速筑拱壩工程

1.1 外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩工程

外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術(shù)首先應(yīng)用于廣東省陽春市長沙拱壩工程中。大壩為雙曲薄拱壩,壩高55.5m,混凝土總量為3.1萬m3。該工程在拌和機(jī)口外摻MgO,根據(jù)溫控設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算要求,按上、中、下3部分外摻MgO,MgO摻量分別為4.5%,4.2%,3.5%。全壩不分橫縫,實(shí)行通倉連續(xù)快速澆筑,大壩澆筑約每4d上升2.5m。長沙拱壩于1999年1月6日開始澆筑,4月5日澆至壩頂,施工期僅為 90 d。原體觀測結(jié)果表明,大壩自生體積膨脹變形多數(shù)超過160×10-6,基本滿足設(shè)計(jì)要求。工程正常運(yùn)行至今已超過12a,摻4.5%MgO混凝土的自生體積膨脹變形的平均值長期穩(wěn)定在160×10-6～180×10-6之間。

長沙拱壩采用外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術(shù),是溫控設(shè)計(jì)和簡化溫控措施的重大突破。利用混凝土自身膨脹變形補(bǔ)償混凝土溫降收縮,對簡化溫控措施、加快施工進(jìn)度、保證工程質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益均十分有效。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是:不分橫縫,分層通倉澆筑,水平整體上升,以坯層臺階式連續(xù)滾動推進(jìn),連續(xù)快速全天候澆混凝土(夏季也是一個很好的施工季節(jié)),不埋冷卻水管,不需封拱灌漿。該技術(shù)徹底摒棄了傳統(tǒng)修建混凝土拱壩需分橫縫,柱狀、跳塊、薄層澆筑,需封拱灌漿等諸多制約筑壩速度的施工工序,極大地加快了施工速度。大壩澆筑多采用垂直與水平運(yùn)輸兩者合二為一的施工方案。其后采用同樣技術(shù)施工的壩美拱壩和沙老河拱壩的基本情況見表1和表2。

需要指出的是:沙老河拱壩澆筑后不到1個月,因突受寒潮襲擊而形成過大的溫度梯度,混凝土的坍落度又太小,影響了施工質(zhì)量,使壩體產(chǎn)生了5條貫穿性裂縫(左壩肩2條,右壩肩3條,最大縫寬7～8mm)。灌漿處理后,大壩已安全正常運(yùn)行至今。

1.2 外摻MgO混凝土設(shè)誘導(dǎo)縫通倉快速筑拱壩工程

三江拱壩工程位于貴州省貴陽市北郊,大壩為單心圓薄拱壩,壩高 71.5 m,混凝土總量為3.8萬m3。全壩采用在拌和機(jī)口外摻MgO混凝土施工,根據(jù)溫控設(shè)計(jì)要求和壓蒸試驗(yàn)結(jié)果,MgO摻量為4.5%,全壩實(shí)行通倉連續(xù)快速澆筑,每個澆筑層高2.5m,采用水平整體上升,并以臺階方式連續(xù)滾動推進(jìn)澆筑大壩混凝土。通過仿真分析發(fā)現(xiàn),在澆筑大壩上部時氣溫高,溫降收縮大,導(dǎo)致兩岸坡的約束大(拉應(yīng)力超過3MPa),需要應(yīng)變量達(dá)200×10-6方可完全補(bǔ)償混凝土溫降收縮,而僅憑MgO混凝土的自生體積膨脹不能完全補(bǔ)償溫降收縮。由此提出有針對性地設(shè)置誘導(dǎo)縫,以達(dá)到釋放超標(biāo)拉應(yīng)力的目的。經(jīng)計(jì)算,需在0.7H(H為壩高)以上位置設(shè)置2條誘導(dǎo)縫。施工時在兩壩肩各設(shè)置了1條誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫采用混凝土預(yù)制板成縫技術(shù),確?；炷恋目焖偈┕?縫內(nèi)埋設(shè)重復(fù)灌漿管以便蓄水前灌漿。大壩于2002年12月13日開始澆筑至2003年6月17日結(jié)束,歷時186d。施工中,冬季上游基坑自然進(jìn)水,除下游堆渣對壩體下部壩面進(jìn)行保護(hù)外,中上部壩面未采取任何保溫措施。

表1 各類拱壩工程混凝土的原材料及施工配合比

表2 全壩外摻MgO混凝土通倉連續(xù)澆筑拱壩工程基本情況

原體觀測結(jié)果表明,大壩自生體積膨脹變形量長期穩(wěn)定在130×10-6～160×10-6之間;2條誘導(dǎo)縫被拉開,最大縫寬4～5mm,壩體其他部位均未發(fā)現(xiàn)裂縫;拱座測縫計(jì)反映混凝土與巖石之間的裂縫多數(shù)為受壓縫,少數(shù)為張開縫,其縫寬多在 0.1mm內(nèi),不再隨時間變化。灌漿處理后大壩已安全正常運(yùn)行至今。實(shí)踐證明,除MgO的補(bǔ)償作用外,設(shè)置誘導(dǎo)縫釋放拉應(yīng)力的作用十分明顯,達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo),保證了工程質(zhì)量。

誘導(dǎo)縫的設(shè)計(jì)主要考慮混凝土的膨脹量,而混凝土的膨脹量是溫度和齡期的函數(shù),溫度越高,膨脹量越大?？紤]溫度對自生體積膨脹變形的影響,當(dāng)仿真計(jì)算膨脹量可能無法滿足設(shè)計(jì)要求時,為了釋放壩體內(nèi)過大的超標(biāo)拉應(yīng)力,有必要在兩壩肩各設(shè)置1～2條誘導(dǎo)縫。這是對外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術(shù)的創(chuàng)新,也是設(shè)計(jì)理念的深化和完善。三江拱壩設(shè)誘導(dǎo)縫是經(jīng)過精準(zhǔn)仿真計(jì)算后的成功典型實(shí)例,其設(shè)計(jì)方法合理,符合工程實(shí)際,值得推廣應(yīng)用。貴州省內(nèi)的幾座外摻MgO混凝土拱壩誘導(dǎo)縫的縫距在河床部位較大,一般都在100m左右;而兩岸坡壩段的縫距較小,一般為15～20m。其后采用同樣技術(shù)在廣東省修建了長潭拱壩(該壩體混凝土在溫度高達(dá) 52.7℃時照常施工),在貴州省又成功修建了落腳河、馬槽河、老江底等3座混凝土拱壩,各工程的基本情況見表1、表2。

1.3 外摻MgO碾壓混凝土拱壩工程

貴州省息烽縣境內(nèi)的魚簡河水利樞紐工程,其大壩為碾壓混凝土雙曲薄拱壩,壩高81m。根據(jù)溫控設(shè)計(jì)要求,除采用內(nèi)含高鎂膨脹水泥外,在大壩拱端還分了2條橫縫、2條誘導(dǎo)縫。實(shí)踐證明,合理分縫顯著減小了超標(biāo)拉應(yīng)力。該大壩澆筑層高2m,每層間隔時間為5～6d,連續(xù)水平整體上升,碾壓混凝土的Vc值控制在4～8s,用機(jī)械平倉鋪料,按碾壓程序進(jìn)行碾壓,其防滲體為2級配變態(tài)混凝土,該大壩實(shí)際筑壩時間約為1a,共澆碾壓混凝土11萬m3。監(jiān)測結(jié)果表明:相對密度的平均值達(dá) 98.7%～99.7%,抗壓強(qiáng)度平均值超標(biāo)達(dá)31%～45%,碾壓混凝土的自生體積膨脹變形量達(dá) 40×10-6以上。工程完工后,除 1條誘導(dǎo)縫有微小的張開度外,其余3條均呈閉合狀態(tài),因此尚未進(jìn)行灌漿處理,大壩蓄水已安全正常運(yùn)行至今。其后采用同樣的外摻MgO技術(shù)在貴州省又修建了黃花寨碾壓混凝土拱壩,在甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)成功建成了龍首[11]和石門子[12]2座碾壓混凝土拱壩。此外,為了解決夏季施工問題,在廣西壯族自治區(qū)那坡縣成功修建了那恩碾壓混凝土拱壩(壩高26m以上外摻MgO),各工程的基本情況見表1、表2。

朱伯芳[13]指出:為了避免目前碾壓混凝土施工在夏季多停工的現(xiàn)象,最好的辦法就是壩體采用外摻MgO混凝土施工,并建議設(shè)法提高M(jìn)gO摻量。潘家錚曾指出:現(xiàn)在夏季變成很好的澆筑季節(jié),溫度應(yīng)力可以補(bǔ)償,MgO混凝土筑壩是革命性的措施,將MgO混凝土和碾壓混凝土二者結(jié)合起來,則“革命”較徹底。普定碾壓混凝土重力拱壩最好采用MgO微膨脹混凝土施工。實(shí)踐證明這些技術(shù)觀點(diǎn)都是正確的。在碾壓混凝土中外摻MgO能實(shí)現(xiàn)夏季繼續(xù)施工的目的,可加快施工速度,放寬澆筑溫度;以誘導(dǎo)縫替代橫縫,可改善混凝土質(zhì)量,提高壩體抗?jié)B能力,增強(qiáng)壩體耐久性能。因此可以認(rèn)為外摻MgO混凝土筑拱壩技術(shù)是有效的施工技術(shù)措施,所起的綜合效應(yīng)對工程有利,值得推廣應(yīng)用。

2 長期觀測的拱壩混凝土自生體積變形

貴州省內(nèi)的沙老河拱壩、三江拱壩及廣東省的長沙拱壩長期觀測的大壩混凝土自生體積膨脹變形量列于表3中。從表3可以看出:①外摻MgO混凝土自生體積變形均隨MgO摻量的增加和觀測齡期的延長而增大,并隨著溫度的增高而增大。②外摻MgO混凝土自生體積變形主要發(fā)生在最高溫升之后、有顯著的降溫之前,具有延遲微膨脹特性。大量研究結(jié)果表明,約70%的膨脹量是在7d齡期之后發(fā)生。③MgO混凝土自生體積膨脹變形是長期穩(wěn)定不可逆的,其膨脹變形量是永久性的,且室內(nèi)外變形規(guī)律一致[1]。

由文獻(xiàn)[6]可知,沙老河和三江拱壩壩體混凝土早期溫度高,膨脹增量大,1a后的溫度已接近穩(wěn)定溫度場,其膨脹發(fā)展逐年變小,到第6年和第4年分別還有2×10-6～7×10-6和5×10-6～8×10-6的膨脹增量,這對穩(wěn)定補(bǔ)償應(yīng)力極為有利。一般齡期1a以后的膨脹增量可占總膨脹量的10%左右。另外,廣東地區(qū)壩體起始溫度較高,其膨脹變形的穩(wěn)定時間相對較早,通常在齡期1a后基本趨于穩(wěn)定。據(jù)文獻(xiàn)[13]計(jì)算,只要常態(tài)混凝土有100×10-6的自生體積膨脹變形,在華南地區(qū)可省去預(yù)冷骨料和冷卻水管工序而進(jìn)行通倉澆筑;在其他地區(qū),只有當(dāng)混凝土自生體積膨脹變形量達(dá)150×10-6～200×10-6時方可省去預(yù)冷骨料和冷卻水管工序執(zhí)行通倉澆筑,這是推廣的基本條件。

文獻(xiàn)[6]指出,全壩外摻6%的MgO的馬槽河拱壩混凝土自生體積膨脹變形量較大,1a齡期的膨脹量達(dá)120×10-6～165×10-6,其膨脹變形過程和規(guī)律也較好。因?yàn)楣こ趟盟嗟馁|(zhì)量較好且不收縮,單方膠材用量和MgO摻量都較高,這些因素有利于提高預(yù)期膨脹量。大量試驗(yàn)研究表明,膨脹量大小與水泥的質(zhì)量組成及性質(zhì)、MgO質(zhì)量及摻量、混合材料種類及摻量、環(huán)境溫度、外加劑品種、單位膠材用量、級配材料組成、施工質(zhì)量、外摻均勻性等諸多因素密切相關(guān)。

3 工程經(jīng)濟(jì)效益分析

壩高50～70m的混凝土拱壩常規(guī)施工期為2～3a,應(yīng)用新技術(shù)后的施工期僅為4～7個月;壩高100m級的混凝土拱壩常規(guī)施工期為3～4a,應(yīng)用新技術(shù)后的施工期約為1a[4]。與傳統(tǒng)筑壩技術(shù)相比,應(yīng)用新技術(shù)后壩高50～100m級的水電工程可提前1a多發(fā)揮效益。新技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)于建壩投資的45%以上(視工程規(guī)模和裝機(jī)容量大小而定)。經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在省去溫控措施(據(jù)統(tǒng)計(jì),溫控費(fèi)用占工程投資的4%～6%)、縮短工期、節(jié)省工程投資和提前發(fā)電等方面。長沙拱壩、壩美拱壩、長潭拱壩采用新技術(shù)后分別提前投產(chǎn)14個月、12個月、14個月,所取得的經(jīng)濟(jì)效益見表4。

采用MgO混凝土并適當(dāng)進(jìn)行表面保溫和養(yǎng)護(hù),有利于解決混凝土壩的開裂問題,可全部或部分取代傳統(tǒng)的溫控措施,實(shí)現(xiàn)長塊、厚層、通倉連續(xù)澆筑,可以全天候施工,夏季也是一個很好的施工季節(jié),從而大幅度降低工程造價,簡化施工工藝,縮短工期,具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢和應(yīng)用前景。據(jù)統(tǒng)計(jì),小型水電站工程提早發(fā)揮的效益相當(dāng)于壩體投資的30%以上。發(fā)電站裝機(jī)容量越大,其經(jīng)濟(jì)效益越顯著。貴州落腳河水電站由于澆筑拱壩時采用了新技術(shù),縮短了1a工期,獲得提前發(fā)電等各項(xiàng)直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1365萬元。貴州東風(fēng)電站高拱壩基礎(chǔ)回填處理工程采用外摻MgO混凝土施工,減少了分縫分塊,不僅在一個汛期提前完成了混凝土澆筑任務(wù),而且為工程節(jié)約了1a施工期,為國家避免了2.04億元的電能損失,其間接經(jīng)濟(jì)效益則更為顯著。某高拱壩壩高 292 m,底寬 73m,電站裝機(jī)容量為420萬kW,年發(fā)電量為 188.9億kW·h。若在壩基36m強(qiáng)約束區(qū)采用MgO混凝土快速施工,至少可提前1a發(fā)電,可產(chǎn)生 66億元的電價收益,簡化(或取消)溫控措施可節(jié)約工程費(fèi)約20億元,再加上縮短施工工期所節(jié)省的開支、減少的貸款利息等,預(yù)計(jì)可獲得經(jīng)濟(jì)效益近100億元。

表3 大壩混凝土的自生體積膨脹變形量

表4 外摻MgO混凝土工程效益

4 結(jié) 論

a.采用外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)施工,具有不分橫縫或設(shè)少量誘導(dǎo)縫,分層通倉澆筑,水平整體上升,連續(xù)快速全天候澆混凝土,不埋冷卻水管,不需封拱灌漿等優(yōu)點(diǎn)。該施工技術(shù)已被實(shí)踐證明是成功的,并能獲得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益,值得推廣應(yīng)用。

b.該項(xiàng)新技術(shù)涉及混凝土材料試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工、原體監(jiān)測等多方面,尤其要重視材料試驗(yàn),它為設(shè)計(jì)、施工、仿真分析提供基本資料,因此十分重要,應(yīng)提前開展材料試驗(yàn)工作。

c.將該項(xiàng)新技術(shù)用于高壩理論上是成熟的,關(guān)鍵是要把好施工技術(shù)關(guān),精心施工,并提高M(jìn)gO材料的質(zhì)量及膨脹性能,使混凝土自生體積膨脹量達(dá)到150×10-6～200×10-6,便可在各類混凝土壩中全面推廣應(yīng)用。

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