外摻氧化鎂碾壓混凝土技術(shù)在黃花寨水電站的應(yīng)用

鄭國(guó)旗，趙其興，2

（1.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 結(jié)構(gòu)材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

碾壓混凝土（RCC）技術(shù)以其施工快速、節(jié)約水泥用量等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)外蓬勃發(fā)展，但近期的低溫澆筑、通水冷卻等溫控措施，影響了RCC快速澆筑優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。水泥中含有氧化鎂時(shí)使配制的混凝土產(chǎn)生體積微膨脹，可以抵消溫降收縮，部分或全部取代溫控措施［1］。外摻氧化鎂技術(shù)和碾壓混凝土技術(shù)相結(jié)合，可以簡(jiǎn)化碾壓混凝土的溫控措施，使碾壓混凝土快速施工的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。

氧化鎂混凝土的微膨脹性對(duì)混凝土壩防裂的作用最早發(fā)現(xiàn)于白山拱壩［2］，其后我國(guó)學(xué)者開展了大量的研究工作［3-5］。文獻(xiàn)［1］對(duì)氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)進(jìn)行了全面總結(jié)，對(duì)氧化鎂混凝土的膨脹機(jī)理、對(duì)大壩應(yīng)力的影響、數(shù)值計(jì)算模型及在混凝土壩中的應(yīng)用原則與方法等進(jìn)行了論述。張國(guó)新等［6］提出了氧化鎂混凝土膨脹變形的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，開發(fā)了考慮氧化鎂膨脹的大壩應(yīng)力仿真計(jì)算軟件并應(yīng)用于若干工程。

自2002年開始，貴州和廣東的技術(shù)人員開始嘗試全壩外摻氧化鎂取代傳統(tǒng)溫控措施，并相繼建成了三江、沙老河、長(zhǎng)沙壩和魚簡(jiǎn)河等工程，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。黃花寨水電站建設(shè)中綜合利用外摻氧化鎂筑壩技術(shù)和RCC技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，全壩外摻氧化鎂，利用其微膨脹性抵消溫降收縮，取消了傳統(tǒng)的溫控措施，僅設(shè)置少量橫縫，通倉(cāng)碾壓澆筑壩體，實(shí)現(xiàn)了快速筑壩，取得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 壩體設(shè)計(jì)及構(gòu)造

黃花寨水電站位于蒙江干流格凸河上，距貴陽(yáng)市約150km，是蒙江干流格凸河上的第三級(jí)電站。壩址以上流域面積2 163km2，多年平均流量41.0m3/s。水庫(kù)總庫(kù)容1.748億m3，正常蓄水位795.5m，死水位770.0m，屬大（2）型水庫(kù)，調(diào)節(jié)庫(kù)容9 540萬(wàn)m3，具有季調(diào)節(jié)性能。大壩壩型為碾壓混凝土雙曲拱壩，采用壩頂表孔泄洪挑流消能，發(fā)電廠房布置在壩后左岸邊，裝機(jī)容量2×30MW，年發(fā)電量2.215億kW·h，引水系統(tǒng)布置在左岸，全長(zhǎng)255.8m。電站由貴州中水建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司總承包建設(shè)，于2010年9月30日蓄水、12月29日投產(chǎn)發(fā)電。

黃花寨水電站大壩設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合外摻氧化鎂混凝土技術(shù)在貴州實(shí)踐的成功經(jīng)驗(yàn)［7-9］，進(jìn)一步綜合這兩種技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，采取碾壓混凝土施工工藝，全壩利用氧化鎂混凝土的微膨脹作用，簡(jiǎn)化溫控措施。大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了外摻氧化鎂碾壓混凝土技術(shù)快速施工的需要，盡量簡(jiǎn)化附屬結(jié)構(gòu)的布置，為通倉(cāng)澆筑創(chuàng)造條件。

2.1 大壩體形 壩址為基本對(duì)稱的“V”形谷，河谷寬高比2.2。地層屬石炭系下統(tǒng)擺佐組，巖性為深灰色薄至中厚層燧石條帶灰?guī)r。雙曲拱壩體形在立面上選用了中下部前傾、中上部后仰的拱冠梁形式，水平拱圈采用變厚度橢圓曲線，長(zhǎng)軸順河向布置，拱圈曲率半徑由拱冠向兩岸逐漸減小，拱厚由拱冠向兩岸沿弧長(zhǎng)逐漸增加，為使拱圈應(yīng)力分布均勻，中、下部拱圈中心角取大值，最大中心角95°，壩頂最小中心角48°，壩頂弧長(zhǎng)243.58m。壩頂高程800.0m，最大壩高108.0m?？紤]滿足閘門安裝、運(yùn)輸?shù)仁┕ば枰?，壩頂寬度?.0m，經(jīng)計(jì)算取壩底寬25.1m，壩體最厚部位25.6m。

2.2 壩體構(gòu)造及混凝土分區(qū) 壩體碾壓混凝土主體采用C9020，三級(jí)配，抗?jié)BW6。上、下游壩面50cm厚范圍為C9020變態(tài)混凝土，根據(jù)高程不同在壩體上游側(cè)設(shè)置厚2.0、2.5和3.0m的防滲層（二級(jí)配、抗?jié)BW8、C9020碾壓混凝土）。變態(tài)混凝土中，上游迎水面、兩拱端與基巖接觸部位采用二級(jí)配，下游面采用三級(jí)配。拱壩體形的設(shè)計(jì)采用多拱梁分析程序ADASO進(jìn)行，在完成混凝土性能試驗(yàn)后，結(jié)合施工組織計(jì)劃由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院采用SapTis開展了三維有限元仿真計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，確定大壩設(shè)4條縫（見圖1），其中2條橫縫、2條誘導(dǎo)縫。

3 混凝土原材料選擇及配合比

3.1 水泥選擇 大壩采用安順暢達(dá)瑞安水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5水泥，水泥的物理力學(xué)性能見表1,水泥熟料的化學(xué)成分見表2。

采用遼寧海城東方滑鎂公司生產(chǎn)的輕燒氧化鎂，氧化鎂的純度大于90%，指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表3。

3.2 廠摻氧化鎂 由于施工組織選用的是連續(xù)式拌合系統(tǒng)，拌合時(shí)間較短，不能保證現(xiàn)場(chǎng)外摻氧化鎂在混凝土中均勻性。因此，MgO的摻入采取了廠摻的做法，將MgO熟料（半成品）在水泥廠與水泥熟料等進(jìn)行共磨。MgO訂貨合同里明確規(guī)定了質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)每一批到貨進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，合格后方能與水泥熟料共磨。

表1 水泥物理力學(xué)性能

表2 熟料化學(xué)成份及礦物組成 （單位：%）

表3 氧化鎂試驗(yàn)成果

MgO摻量越高，混凝土的膨脹量也越大，貴州地區(qū)外摻氧化鎂混凝土技術(shù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)是MgO摻量占膠凝材料的5%～6%，輔以設(shè)置誘導(dǎo)縫釋放拉應(yīng)力［10-11］。為了解不同氧化鎂（外摻）摻量對(duì)水泥、混凝土的影響，進(jìn)行了凈漿、砂漿和一級(jí)配混凝土壓蒸試驗(yàn)，壓蒸試驗(yàn)表明安全摻量為6%?？紤]到水泥占膠凝材料的比例，MgO摻量未按室內(nèi)試驗(yàn)得出的極限摻量設(shè)計(jì)，而僅取膠材重量的3%～4%，相應(yīng)地，實(shí)際生產(chǎn)的MgO水泥中MgO含量為6.5±0.5%。

3.3 配合比 通過(guò)混凝土配合比試驗(yàn)，確定了推薦配合比，要求膠凝材料用量不低于95kg/m3，水膠比不大于0.6。施工單位進(jìn)場(chǎng)后，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的砂石料和原材料對(duì)混凝土配合比進(jìn)行了復(fù)核，最終確定施工配合比，見表4。

表4 黃花寨水電站碾壓混凝土配合比

4 溫控設(shè)計(jì)

4.1 溫控設(shè)計(jì)理念 溫控設(shè)計(jì)理念為以氧化鎂混凝土延遲性微膨脹作為主要的溫控措施，充分利用冬、春、秋季中低溫季節(jié)施工，輔以遮陽(yáng)棚、地壟取料等簡(jiǎn)易措施，高溫天氣利用夜晚低溫期澆筑、白天倉(cāng)面噴霧形成小氣候。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真分析壩體應(yīng)力，分析合理的誘導(dǎo)縫（或橫縫）設(shè)置方式。工程未采用砂石骨料冷卻系統(tǒng)及敷設(shè)冷卻水管。

4.2 仿真計(jì)算 電站樞紐地址區(qū)多年平均氣溫15.1℃，最高月平均溫度23.0℃（7月），最低月平均溫度5.4℃（1月），氣溫年變幅17.6℃。

對(duì)多種溫控方案的仿真計(jì)算分析揭示了大壩整體的溫度及溫度應(yīng)力狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上確定了分縫方案和溫控標(biāo)準(zhǔn)。主要計(jì)算思路和結(jié)論如下：（1）夏季連續(xù)澆筑（利用夜晚），壩體連續(xù)均勻上升時(shí)，壩體最高溫度39.6℃（8月份澆筑的混凝土）。利用秋、冬、春季澆筑混凝土，最高溫度僅為33.7℃。壩體內(nèi)溫度升至最高后受氣溫影響逐漸下降，之后年度周期性變化；（2）夏季連續(xù)澆筑（利用夜晚），不設(shè)橫縫時(shí)，兩岸750.0m以上拉應(yīng)力超過(guò)2.0MPa；720.0m高程分2條縫后，縫附近應(yīng)力得到改善，但兩岸750.0m以上仍有超過(guò)2.0MPa的拱向拉應(yīng)力。夏季停澆，不設(shè)橫縫時(shí)，由于6—8月停澆避開了最高溫季節(jié)澆筑，中面最大溫度應(yīng)力由原來(lái)的較大范圍超過(guò)2.0MPa（局部2.3MPa）改善為個(gè)別點(diǎn)接近2.0MPa。但709.0m高程長(zhǎng)間歇后成老混凝土，形成強(qiáng)約束區(qū)，導(dǎo)致709.0m—720.0m高程大范圍應(yīng)力超過(guò)1.86MPa；（3）在720.0m高程設(shè)2條橫縫時(shí)，拱冠梁上游面最大拉應(yīng)力1.53MPa，下游面2.12MPa，兩岸坡727～760m約束區(qū)范圍內(nèi)平行建基面拉應(yīng)力大面積超過(guò)1.5MPa，有產(chǎn)生垂直建基面裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。采用分4條縫方案，即709.0m高程分橫縫、739.0m高程設(shè)誘導(dǎo)縫時(shí)，兩岸坡727.0m～760.0m范圍內(nèi)只有個(gè)別點(diǎn)應(yīng)力超過(guò)1.5MPa，較好地解決了約束區(qū)溫度應(yīng)力問題；（4）要求澆筑溫度不高于26℃，氣溫較高時(shí)建議盡量晚上澆筑混凝土，白天澆筑混凝土?xí)r采取噴霧措施降低太陽(yáng)輻射熱的影響。

4.3 仿真反饋分析 根據(jù)施工期實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演計(jì)算分析，調(diào)整了計(jì)算參數(shù)，使其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫控措施和管理要點(diǎn)更加清晰，主要內(nèi)容如下：（1）由埋設(shè)的無(wú)應(yīng)力計(jì)實(shí)測(cè)資料反饋，大壩混凝土實(shí)體的微膨脹性低于室內(nèi)試驗(yàn)值。故將試驗(yàn)室取得的自生體積變形值折減，最終按MgO混凝土30℃養(yǎng)護(hù)140d齡期時(shí)膨脹量60με、最終膨脹量85με作為計(jì)算基準(zhǔn)；（2）對(duì)比實(shí)測(cè)溫度過(guò)程與初始計(jì)算結(jié)果，由于實(shí)際施工時(shí)多為白天，初始計(jì)算的混凝土入倉(cāng)溫度與實(shí)際不符，不同部位最高溫度與計(jì)算值相差甚遠(yuǎn)，按最高值對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行反演，調(diào)整絕熱溫升公式，將澆筑溫度在氣溫基礎(chǔ)上提高8℃，能基本反映實(shí)際溫度過(guò)程，計(jì)算結(jié)果顯示最高澆筑溫度31.0℃，最高溫度45.9℃（8月份澆筑的混凝土）。

壩體分縫后最大應(yīng)力見圖2，由圖2可知，大壩應(yīng)力除局部外，整體拉應(yīng)力水平滿足抗裂要求。

5 施工及質(zhì)量控制

5.1 斜層碾壓 根據(jù)大壩倉(cāng)面面積為2 200～3 300m2，在平均拌和能力140m3/h的條件下，假定運(yùn)輸、碾壓和立模等環(huán)節(jié)全部通過(guò)良好的施工組織和管理得到保證，對(duì)兩種澆筑方式進(jìn)行了分析：一是平層通倉(cāng)澆筑法，按0.3m逐層上升；二是斜層平推鋪筑法，按1∶10～1∶20斜層鋪筑推進(jìn)、3m層高逐層上升。根據(jù)比較分析結(jié)果，考慮斜層平推鋪筑法具有更好的適應(yīng)性，實(shí)際施工中得到了采用。

5.2 施工質(zhì)量控制 施工中采用分段驗(yàn)收，混凝土沖毛、立模、沖洗、驗(yàn)收及澆筑各工序流水作業(yè)，充分發(fā)揮碾壓混凝土快速筑壩優(yōu)越性。

拌和樓選用DWS240連續(xù)強(qiáng)制式拌和系統(tǒng)，設(shè)計(jì)能力240m3/h，布置在砂石料加工系統(tǒng)附近，骨料用皮帶機(jī)從砂石料加工系統(tǒng)料倉(cāng)輸送至拌和樓料倉(cāng)，電腦控制操作系統(tǒng)，每班拌和前均進(jìn)行校驗(yàn)。試驗(yàn)工跟班控制VC值，檢測(cè)砂石料含水率、超遜徑和含泥量。

對(duì)碾壓混凝土的兩個(gè)層面進(jìn)行鋪漿：一是新、老混凝土或混凝土與巖石結(jié)合面，鋪1～2cm水泥砂漿；二是壩前3～4m范圍內(nèi)鋪1～1.5mm厚水泥粉煤灰凈漿，以保證防滲效果。

壩體分層厚度3m，采用左右岸方向斜層碾壓鋪筑法澆筑，斜層坡度不小于1∶10，鋪35cm料（壓實(shí)后30cm）。選用操作靈活的平倉(cāng)機(jī)，采用邊卸料、邊攤鋪和邊平倉(cāng)的工藝，以改善骨料分離現(xiàn)象，另安排人工將集中的粗骨料分散。模板、埋件和鋼筋等附近人工鋪料。

兩壩肩局部橫向碾壓，其余平行于壩軸線碾壓。碾壓設(shè)備為BW202-AD、BW203-AD，先無(wú)振碾壓2遍，再有振碾壓8遍，后無(wú)振碾壓2遍，振動(dòng)碾行走速度控制在1～1.5km/h。碾壓條帶側(cè)面搭接15～20cm，端頭重疊2.4～3m。一般情況下，混凝土從拌和到碾壓完畢控制在120min以內(nèi)，攤鋪到碾壓不超過(guò)30min。要求碾壓后層面微漿出露、振動(dòng)碾滾輪前后略呈彈性起伏、上下層骨料相互嵌入、骨料粘接牢固，相對(duì)壓實(shí)度檢測(cè)不低于98%，補(bǔ)壓不合格作廢料挖除處理。

進(jìn)入6月份以后，采取料倉(cāng)、混凝土運(yùn)輸自卸汽車搭設(shè)遮陽(yáng)棚及水泥、煤灰罐淋水降溫等措施?，F(xiàn)抽溫度較低的河水拌制混凝土，采用北京科寧ADD-3型緩凝高效減水劑（使初凝時(shí)間超過(guò)8h）。太陽(yáng)照射和大風(fēng)條件下，在混凝土澆筑倉(cāng)面上、下游方向，各布置2臺(tái)移動(dòng)式噴霧機(jī)，專人進(jìn)行噴霧降溫。倉(cāng)面灑水養(yǎng)護(hù)，及時(shí)用麻袋和彩條布覆蓋，保持倉(cāng)面混凝土處于濕潤(rùn)狀態(tài)。

6 安全監(jiān)測(cè)

大壩安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目除常規(guī)觀測(cè)項(xiàng)目外，重點(diǎn)觀測(cè)摻MgO后混凝土的膨脹性及大壩變形、縫的開度，黃花寨拱壩共埋設(shè)34套無(wú)應(yīng)力計(jì)和30支測(cè)縫計(jì)，用于量測(cè)混凝土膨脹變形和監(jiān)測(cè)誘導(dǎo)縫開合度。

施工期內(nèi)部觀測(cè)儀器觀測(cè)成果如下：（1）混凝土澆筑后一般在2～15d達(dá)到最高溫度，最大溫升值在13.0～16.6℃，然后開始緩慢下降。拱圈中心溫度高于上、下游壩面溫度，高程720m以上壩體混凝土溫度受氣溫影響比較明顯；（2）墊層混凝土膨脹量較小，720.0m高程膨脹量相對(duì)大，120、180d膨脹量分別為39με和52με，740.0、760.0m高程膨脹量穩(wěn)定在10～30με之間；（3）4條誘導(dǎo)縫最大開度分別為1.89、1.87、0.08和0.05mm；（4）受庫(kù)水位上升影響，大壩整體表現(xiàn)為向下游位移，最大位移為14.8mm；（5）計(jì)算滲壓系數(shù)分別為0.08～0.38。712.76m高程廊道實(shí)測(cè)滲漏總量為0.7L/s。

7 結(jié)語(yǔ)

從黃花寨水電站大壩建設(shè)實(shí)踐中得到如下經(jīng)驗(yàn)和啟示：（1）外摻氧化鎂混凝土技術(shù)和碾壓混凝土技術(shù)一樣，都追求簡(jiǎn)單快速、經(jīng)濟(jì)的筑壩效果。黃花寨大壩將這兩種技術(shù)有機(jī)結(jié)合，全壩利用氧化鎂混凝土，簡(jiǎn)化溫控措施，僅設(shè)置少量橫縫，實(shí)現(xiàn)了通倉(cāng)連續(xù)碾壓、快速澆筑壩體；（2）黃花寨拱壩設(shè)置了2條橫縫、2條誘導(dǎo)縫，除對(duì)1#、2#縫局部（735.0m高程以下，吃漿量?。┻M(jìn)行過(guò)接縫灌漿以外，其余部位因縫開度極小而未灌漿，這是氧化鎂混凝土微膨脹和水庫(kù)蓄水的共同作用結(jié)果。其安全運(yùn)行為今后拱壩設(shè)計(jì)提供了啟示，傳統(tǒng)方法強(qiáng)調(diào)先采取工程措施讓縫張開、然后灌漿形成整體，一定齡期后才能蓄水，對(duì)于氧化鎂混凝土拱壩而言，這不是必須的，可以及早蓄水；（3）采取水泥廠共磨方式摻加氧化鎂后，現(xiàn)場(chǎng)混凝土生產(chǎn)時(shí)間不需延長(zhǎng)。但廠摻帶來(lái)的問題是水泥出廠強(qiáng)度與現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不符，這需要建設(shè)者采取制訂專門驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的辦法來(lái)解決；（4）溫控設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)大壩采用三維有限元進(jìn)行應(yīng)力分析是必要的。與此同時(shí)，及時(shí)整理和反饋施工期觀測(cè)資料，對(duì)仿真分析貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際也顯得尤為重要；（5）隨著黃花寨大壩的建成運(yùn)行，外摻氧化鎂混凝土技術(shù)應(yīng)用范圍拓展到百米級(jí)（108m）。與此同時(shí)，其本身也是碾壓混凝土拱壩，其溫控理念與目前國(guó)內(nèi)碾壓混凝土越演越烈的嚴(yán)格的骨料冷卻及冷卻水管等溫控趨勢(shì)相比，無(wú)疑更簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)一些，在某種程度上代表了另外一個(gè)溫控方向。

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