RCC在圍堰中的應(yīng)用

［美國(guó)］K.D.漢森 等

承包商通常根據(jù)設(shè)計(jì)工程師及業(yè)主的要求負(fù)責(zé)圍堰設(shè)計(jì)。但就全球水電工程的主壩而言，其圍堰設(shè)計(jì)都由設(shè)計(jì)工程師承擔(dān)較大的責(zé)任。這是因?yàn)檠诱`工程進(jìn)度會(huì)減少電站收入。圍堰潰決對(duì)項(xiàng)目成本及工程進(jìn)度的不利影響明顯要比漫頂大得多。歷史上，大多數(shù)圍堰屬于土石結(jié)構(gòu)。

很明顯，圍堰在不潰壩的前提下應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成過(guò)水圍堰。RCC 開始受到設(shè)計(jì)人員的青睞緣于其抗侵蝕能力強(qiáng)。修建圍堰最好選擇在枯水期盡快完成，且應(yīng)滿足防滲要求。圍堰設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)設(shè)法權(quán)衡成本與風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論是采取部分?jǐn)嗝孢€是全斷面RCC 圍堰，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)都應(yīng)努力降低風(fēng)險(xiǎn)或成本，或二者均兼顧。

1 RCC 在土石圍堰中的早期應(yīng)用

自從大壩工程師在土石圍堰中采用RCC 以來(lái)，圍堰漫頂與潰決的后果得以減輕。但50 多年前RCC 就在圍堰中得到首次運(yùn)用卻是鮮為人知。RCC在圍堰中的某些早期應(yīng)用比20 世紀(jì)80 年代初期開始發(fā)展的RCC 重力壩還要早。

1.1 土石圍堰RCC 心墻

1960 年臺(tái)灣在石門湖水利樞紐工程圍堰中首先應(yīng)用后來(lái)被稱作RCC 的材料。該水利樞紐土壩施工圍堰高64 m，原設(shè)計(jì)要求圍堰施工采用風(fēng)化砂巖作為心墻防滲體，以便為主土壩的施工創(chuàng)造條件。結(jié)果因原定心墻材料太濕不適合鋪筑，決定改為澆筑總量為38 000 m3的RCC(見圖1)。粒徑為0.36 mm的材料在最佳含水量條件下碾壓而成的試件28 d 的抗壓強(qiáng)度為13.8 MPa。

圖1 臺(tái)灣石門圍堰截面

石門圍堰采用RCC 作為防滲墻材料取得了積極成果。在此鼓勵(lì)下，法國(guó)一家顧問(wèn)公司在兩座混凝土壩施工中也采用了這種材料作圍堰的心墻，第1 座是1970 年為伊朗卡魯恩(Karun)混凝土拱壩的施工作準(zhǔn)備的堆石圍堰(高50 m)。由于施工現(xiàn)場(chǎng)及附近缺少黏土，故用RCC 取代黏土作為防滲心墻材料。第2 座為1975 年摩洛哥阿爾馬希拉(Al Massira)混凝土支墩壩下游堆石圍堰，最大高度20 m，由于沒(méi)有足夠的空間可以建造黏土心墻堆石圍堰，因而該顧問(wèn)公司對(duì)圍堰防滲心墻采用了具有堆石堰肩的RCC。

1.2 堆石圍堰RCC 堰頂

1979 年，位于加拿大不列顛哥倫比亞(BC)省哥倫比亞河上的雷維爾斯托克(Revelstoke)大壩，采用堆石圍堰進(jìn)行施工，圍堰最大高度46 m，為盡量減少因可能的圍堰漫頂造成的損失，BC 水電公司圍堰設(shè)計(jì)有兩大特點(diǎn):①圍堰采用RCC 堰頂;②在圍堰下游壩坡布置鋼絲網(wǎng)，垂直高差每隔1.2 m用錨筋錨固到堆石體中?？箾_堰頂RCC 澆筑厚度為2.1～3.1 m。圖2 為圍堰一段截面。

圖2 加拿大BC 省雷維爾斯托克大壩圍堰截面

1.3 土石/RCC 混合圍堰

RCC 圍堰經(jīng)廣泛應(yīng)用，逐步發(fā)展為土石/RCC混合結(jié)構(gòu)。該種圍堰主斷面為土石結(jié)構(gòu)，下游面為RCC 結(jié)構(gòu)。這種混合圍堰理念是由TAMB 公司在巴基斯坦的塔貝拉(Tarbela)壩和Coyne et Bellier 公司在土耳其西爾(Sir)壩建立的。

1974～1984 年間，塔貝拉壩在8 個(gè)單獨(dú)修復(fù)項(xiàng)目中共澆筑RCC 達(dá)270 萬(wàn)m3。其中一個(gè)項(xiàng)目是1980 年為修復(fù)輔助溢洪道而修建的下游圍堰，以便排干修復(fù)區(qū)。該圍堰為澆筑溢洪道下游及消力池兩邊的大體積RCC 丁壩創(chuàng)造了條件。

圍堰的RCC 部分在迎水面方向，受波浪作用及5 號(hào)泄洪洞高速回流影響。圍堰另一半朝向溢洪道，堰體為高9 m 的土堤。這部分土堤為圍堰的RCC 部分形成一個(gè)垂直面提供了一種造價(jià)低廉的方法，圍堰的RCC 部分方量約為3.8萬(wàn)m3。輔助溢洪道消力池采用RCC 襯砌后，將圍堰左邊拆除，溢洪道恢復(fù)運(yùn)行。圍堰余下的RCC 部分完整保留下來(lái)，并經(jīng)受了溢洪道泄流量高達(dá)11 320 m3/s 考驗(yàn)。

1987 年，為土耳其西爾混凝土拱壩的施工建造了更高的堆石/RCC 混合圍堰，圍堰最大高度45 m。承包方提出一項(xiàng)替代方案，在不增加成本的情況下，將圍堰的混凝土拱形結(jié)構(gòu)改為混合型直線結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目業(yè)主及設(shè)計(jì)工程師單位同意了這一方案。

RCC 圍堰包含兩部分，一部分為4 m 寬的富漿RCC 防滲心墻，另一部分為RCC 心墻的下游部分，其下游壩面坡比為1∶1，采用抗侵蝕力強(qiáng)且膠結(jié)材料含量較低的RCC 混合料。下游斷面底層5 m 也采用富漿RCC。堰肩的上游部分采用堆石體，下游部分為RCC(見圖3)。

圖3 土耳其西爾壩圍堰截面

RCC 為圍堰防滲及汛期堰頂安全過(guò)水提供了保證，據(jù)報(bào)道，RCC 圍堰使西爾壩工期縮短了3～4 個(gè)月，幫助承包商彌補(bǔ)了因巖石開挖難而延誤的工期。

1.4 施工期堆石壩保護(hù)

在雷維爾斯托克大壩堆石圍堰中，BC 水電公司采用鋼筋網(wǎng)格，以保護(hù)該圍堰免受洪水漫頂?shù)钠茐?。然而?992 年，在巴西146 m 高的辛戈(Xingo)堆石壩施工中，一工程顧問(wèn)認(rèn)為采用鋼筋網(wǎng)這種方法保護(hù)施工中的壩體免遭漫頂破壞的造價(jià)昂貴且工程進(jìn)度緩慢。因此，堆石壩下游面底部50 m 采用RCC 作為漫頂保護(hù)。經(jīng)計(jì)算表明，若沒(méi)有RCC 保護(hù)，即使配4 個(gè)直徑為16 m 的導(dǎo)流洞，堆石壩修建到50 m 高僅能抵擋30 a 一遇的洪水。采用RCC 保護(hù)后，設(shè)計(jì)人員確信50 m 高的壩體在第1 個(gè)汛期可以抵擋200 a 一遇的洪水。該保護(hù)方案雖未得到檢驗(yàn)，但已經(jīng)很接近了。有次洪水來(lái)襲時(shí)，僅在上游面鋪設(shè)砂袋即防止了尚處于施工期的壩體免遭洪水漫頂。

盡管辛戈壩的RCC 應(yīng)用并非針對(duì)圍堰，但它為保護(hù)施工期堆石壩免受洪水漫頂破壞提供了解決方案。土石圍堰下游面采用RCC 覆蓋可以很容易地防止洪水漫頂引起的潰堰事故。

2 土石壩全RCC 圍堰

盡管1976 年日本在大川(Ohkawa)壩圍堰施工期間對(duì)他們所稱的RCD 作了全比尺試驗(yàn)，但RCC早期應(yīng)用于整個(gè)圍堰有最多文獻(xiàn)記載的實(shí)例是1989 年巴西的塞拉梅薩(Serra de Mesa)土壩。該壩上游圍堰高22 m，RCC 澆筑量達(dá)17 300 m3，下游圍堰高13 m，澆筑量為11 300 m3。兩圍堰施工共耗時(shí)72 d。這項(xiàng)RCC 工程是由巴西一家國(guó)有電力公司完成的。

RCC 含磨細(xì)的高爐礦渣水泥。RCC 圍堰建成450 d 芯樣顯示其抗壓強(qiáng)度為22.6 MPa，6 a 后另一組芯樣平均抗壓強(qiáng)度約為25.5 MPa。

上游圍堰投入使用5 a 中每年都安全過(guò)水。RCC圍堰最大過(guò)堰流量達(dá)6 671 m3/s，最大過(guò)堰水流高度為12 m。未見其受損報(bào)道。假定水流通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)有保護(hù)措施，則不會(huì)對(duì)土壩施工產(chǎn)生危害。

3 RCC 在常態(tài)混凝土壩導(dǎo)流工程中的應(yīng)用

本節(jié)描述的RCC 應(yīng)用包括:委內(nèi)瑞拉某工程下游尾水渠圍堰，中國(guó)及萊索托混凝土拱壩施工圍堰，中國(guó)兩個(gè)大型水利樞紐施工橫、縱向大體積RCC 圍堰。

3.1 下游尾水渠RCC 圍堰

哈扎工程公司需要修建一座防水圍堰將1 號(hào)尾水渠與2 號(hào)尾水渠分隔，以便能完成委內(nèi)瑞拉古里(Guri)水利樞紐2 號(hào)尾水渠的關(guān)鍵開挖工作，RCC因其施工速度快，節(jié)省材料、模板和勞力而成為首選。

圍堰高7 m，堰頂寬5 m，澆筑RCC 達(dá)15 600 m3。兩側(cè)邊坡比均為1∶1。工程在短短2 個(gè)月內(nèi)順利完工(1980～1981 年枯水期)。

3.2 用作混凝土高拱壩施工的RCC 圍堰

對(duì)1988 年中國(guó)修建的隔河巖壩(最大壩高155 m)及1995 年萊索托修建的卡齊(Katse，最大壩高185 m)壩而言，在其上游設(shè)置RCC 圍堰有利于這兩座高拱壩施工順利進(jìn)行?；炷粮吖皦纬＝ㄓ讵M窄河谷，施工現(xiàn)場(chǎng)缺少土，尤其是黏土，而這些材料正是土壩或土圍堰所需求的。RCC 料可采用與主壩類似的骨料。

隔河巖RCC 圍堰高40 m，呈曲線型式布置，卡齊壩圍堰高35 m，為直線重力結(jié)構(gòu)。隔河巖圍堰RCC澆筑量達(dá)13.6萬(wàn)m3，卡齊圍堰澆筑量為9 萬(wàn)m3。

隔河巖圍堰18 次安全過(guò)水，未發(fā)生嚴(yán)重破壞事件。最大過(guò)堰流量10 600 m3/s，計(jì)算得出的過(guò)堰水流最大高度約為5.8 m。

3.3 混凝土重力壩RCC 圍堰

對(duì)于大江大河，中國(guó)采用RCC 圍堰作為三期導(dǎo)流方案的一部分，其應(yīng)用相當(dāng)成熟。這些早期的RCC 圍堰與修建常規(guī)混凝土重力壩結(jié)合使用。

3.3.1 水口壩

該例討論福建省閩江水口大壩施工縱向圍堰(順河道水流方向)。該圍堰主要用于將大壩及發(fā)電廠房施工區(qū)與開挖的導(dǎo)流明渠分隔開來(lái)。該導(dǎo)流明渠渠道底寬75 m，設(shè)計(jì)過(guò)流能力為閩江的全部洪水流量。施工圍堰為RCC 圍堰，總長(zhǎng)度647 m，RCC 澆筑量為29.8萬(wàn)m3。

RCC 圍堰為重力式壩型，兩側(cè)擋水用厚50 cm的常規(guī)混凝土護(hù)面。采用RCC 圍堰是因?yàn)檠邏κ┕た臻g有限，而且河水流速過(guò)快(達(dá)15 m/s)。由于最大堰高要求的相應(yīng)底部寬度不適合于可用的空間，故排除土石圍堰方案。同樣，由于地基條件不允許，也未采用格形空腹鋼板樁圍堰。水口電站圍堰RCC 澆筑速度很快，月澆筑量達(dá)37 500 m3，日澆筑量為2 423 m3。

3.3.2 三峽大壩

雖然水口電站縱向圍堰本身就是一座相當(dāng)大的壩，其澆筑速度也相當(dāng)高，但與長(zhǎng)江三峽工程相比，其規(guī)模和澆筑速率還是略遜一籌。

三峽工程修建了兩座RCC 圍堰。一期縱向圍堰長(zhǎng)1 163 m，澆筑RCC 達(dá)131 萬(wàn)m3?；緦?dǎo)流方案與水口電站相似。三峽工程攔河主壩為混凝土重力壩，在河水能夠經(jīng)主壩中的導(dǎo)流底孔下泄以后，采用橫向圍堰完成明渠截流，以便能對(duì)大壩右岸余下工程進(jìn)行施工。

該橫向RCC 圍堰最大高度107 m，澆筑RCC 達(dá)110 萬(wàn)m3，兩圍堰均采用常規(guī)混凝土護(hù)面。橫向圍堰RCC 澆筑速度創(chuàng)下新的世界紀(jì)錄。2006 年三峽工程RCC 最大月、日、小時(shí)澆筑量分別達(dá)476 000 m3、21 060 m3及1 365 m3。

3.4 RCC 重力壩RCC 圍堰

一直以來(lái)，中國(guó)流行的導(dǎo)流方案不僅僅是在下游采用RCC 圍堰，上游圍堰也同樣如此。上游圍堰通常為典型拱形重力結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)能經(jīng)受洪水漫頂而不潰堰。1988 年巖灘壩與1996 年江埡壩的RCC 施工圍堰最具代表性。2003 年伊朗在建造賈赫金(Jahgin)壩以前也修建了一座RCC 圍堰作為全比尺試驗(yàn)段。

3.4.1 巖灘壩

巖灘RCC 大壩高110 m，施工要求在上、下游均布置圍堰。上游RCC 拱圍堰高52.2 m，RCC 澆筑量為16.5 萬(wàn)m3。下游圍堰規(guī)模略小，最大高度39.2 m，RCC 澆筑量為11 萬(wàn)m3。

1990 年8 月29 日，一場(chǎng)特大洪水襲擊上游圍堰，洪水流量達(dá)1.9萬(wàn)m3/s，過(guò)堰水流高度超過(guò)3 m。這次洪水漫頂雖然超出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但圍堰安然無(wú)恙。盡管如此，由于漫頂及隨后氣候轉(zhuǎn)冷造成圍堰表面溫度驟降，堰體還是出現(xiàn)一些裂縫。

3.4.2 江埡水壩

江埡RCC 壩，最大壩高131 m，施工圍堰最大高度36 m，設(shè)計(jì)洪水小于1 a 一遇洪水。這是因?yàn)閲弑辉O(shè)計(jì)成在夏季3～4 個(gè)月汛期可以讓洪水漫頂，如同整個(gè)大壩部分完工。在這段時(shí)間內(nèi)，停止大壩施工。江埡拱圍堰顯得頗為獨(dú)特，因?yàn)樗挥械讓?0 m 為RCC 填筑。由于堰頂寬度較窄，不適合RCC 機(jī)械施工，因此堰體頂層16 m 采用省料的常規(guī)混凝土建造，從而使堰體底部寬度變得狹窄。在1 a 一次洪水漫頂中，堰體和大壩均未遭受損壞，最大過(guò)水流量達(dá)4 000 m3。

3.4.3 賈赫金(Jahgin)壩

賈赫金壩位于伊朗東南部，其施工圍堰最大高度為30 m，與江埡水電站的圍堰類似，采用常規(guī)混凝土與RCC 混合結(jié)構(gòu)。但其施工順序與江埡圍堰相反，底層11 m 采用常規(guī)混凝土填筑，而頂層19 m采用RCC 結(jié)構(gòu)。此外，圍堰不僅利于攔河筑壩，而且為RCC 主壩(高78 m)施工提供了一個(gè)全比尺的RCC 澆筑試驗(yàn)段。圍堰混凝土總澆筑量為3.2 萬(wàn)m3，其中RCC 澆筑量達(dá)2.1萬(wàn)m3。

導(dǎo)流系統(tǒng)還包括一條直徑6 m 的混凝土襯砌導(dǎo)流隧洞及最大高度為5 m 的下游圍堰。整個(gè)導(dǎo)流方案設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為3 a 一遇。

4 整合的RCC 圍堰

RCC 壩施工導(dǎo)流最新解決方案之一是使圍堰成為最終重力壩的一部分。盡管整合圍堰概念一直用于土石壩，但對(duì)混凝土壩來(lái)說(shuō)這是一次新的應(yīng)用。該理念是在壩踵處將大壩的一部分截面快速修建到所需要的高度，這一部分截面實(shí)際上是更高的最終主壩中的一座小RCC 重力壩。因此施工質(zhì)量須與主壩一致。

1999 年阿爾及利亞貝尼哈龍(Beni Haroun)壩率先采用該設(shè)計(jì)理念，其次是2006 年緬甸的耶瓦(Yeywa)壩。

4.1 貝尼哈龍壩

如圖4 所示，貝尼哈龍整合圍堰(高35 m)的上下游壩坡度與RCC 主壩(高118 m)的上下游壩面坡度相同。

圖4 阿爾及利亞貝尼哈龍壩圍堰壩截面

整合圍堰不僅節(jié)省了與修建一座上游圍堰有關(guān)的工程開挖、基礎(chǔ)準(zhǔn)備及基坑排水費(fèi)用，還減少了RCC 方量。若設(shè)置上游圍堰，最終還需要被拆除。

4.2 耶瓦壩

耶瓦碾壓混凝大壩高134 m，其施工導(dǎo)流方案大致分為左右兩部分，左岸為廠房，溢流壩及擋水壩段在右岸。計(jì)劃在豐水期修建河道左岸廠房，枯水期進(jìn)行河道壩段及右岸施工。左右兩部分均采用RCC 整合圍堰方案，其中右側(cè)整合圍堰高度超過(guò)72 m(可能最大洪水PMF)。

5 RCC 修復(fù)潰堰

采用RCC 修復(fù)圍堰唯一已知案例是智利南部的拉爾科(Ralco)RCC 壩施工圍堰。該圍堰高50 m，由于地處南半球，5～10 月為冬季，圍堰的設(shè)計(jì)表明它可能會(huì)被冬季1 a 一遇洪水漫頂，而在5 月前的枯水期該圍堰能擋15 a 一遇洪水。

在圍堰施工比計(jì)劃遲后一個(gè)月的情況下，2001年5 月26 日和27 日，接近完工的圍堰遭到一場(chǎng)20 a 一遇的洪水襲擊。當(dāng)時(shí)，大部分堰頂施工已修建到堰頂高程，僅留下緊鄰左壩肩一小段尚未完工。另外，堰頂下方6～8 m 水平帶區(qū)的堆石體鋼絲網(wǎng)加固工作尚未完成。

緊鄰左壩肩1/3 的圍堰最頂層35 m 被洪水沖走。盡管事故發(fā)生后加快了施工進(jìn)度，但該圍堰的一部分潰決仍使主壩施工延誤了4 個(gè)月。

圍堰水毀區(qū)修復(fù)方案采取先澆筑細(xì)石混凝土找平，后澆筑RCC，RCC 澆筑量達(dá)5 萬(wàn)m3。這次修復(fù)工程特意將RCC 部位的堰頂高程降低了15 m 以便讓以后的洪水通過(guò)。圍堰修復(fù)工程還包括兩道高5 m 的混凝土導(dǎo)墻，以保護(hù)圍堰其余填筑體免遭該圍堰上的RCC 溢流通道過(guò)流沖刷。圍堰RCC 修復(fù)區(qū)隨后3 次過(guò)水均完好無(wú)損。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文回顧了RCC 在圍堰工程中的各種應(yīng)用情況。RCC 最早用于圍堰可以追溯到半個(gè)世紀(jì)前，比開始修建RCC 重力壩還要早20 多年。

RCC 材料早期主要用于土石圍堰的防滲心墻。隨后用于土石圍堰堰頂及下游斜坡部分的堰體斷面，以防止圍堰因溢流而潰決。RCC 在圍堰工程中的這些早期應(yīng)用得益于一批巖土工程師的技術(shù)創(chuàng)新，正是他們，才使得RCC 成為解決大壩工程問(wèn)題的有用工具。

到了20 世紀(jì)80 和90 年代，隨著RCC 技術(shù)逐漸開始盛行，工程師們發(fā)現(xiàn)圍堰是測(cè)試(全比尺現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn))這種新的施工方法的絕佳場(chǎng)所。用這種材料和方法建成的建筑物具有抗侵蝕性強(qiáng)、防滲效果好、施工速度快的優(yōu)點(diǎn)。由于圍堰是臨時(shí)建筑物，與重力壩相比，其設(shè)計(jì)要求相對(duì)寬松，允許混凝土有較低的水泥含量，可采用天然級(jí)配骨料。

很快，所有壩型的導(dǎo)流工程均廣泛采用RCC 圍堰(跨河直線堰及拱圍堰)。其中許多圍堰被有意地讓洪水漫過(guò)或被不常見的洪水漫過(guò)。記錄在案的漫頂水流深度達(dá)12 m，RCC 無(wú)實(shí)質(zhì)性損毀。

導(dǎo)流工程最新進(jìn)展是采用RCC 整合圍堰。該理念是乘枯水期時(shí)在主壩上游快速修建一小斷面堰堤，圍堰與主壩的上、下游壩面坡度相同。這種施工方法對(duì)于新修的大型RCC 壩來(lái)說(shuō)似乎可以大幅降低成本及風(fēng)險(xiǎn)。

考慮到土石圍堰漫頂甚至潰堰會(huì)給建設(shè)成本及施工進(jìn)度造成嚴(yán)重后果，因而RCC 在圍堰工程中的應(yīng)用為設(shè)計(jì)工程師及承包商提供了一種具有吸引力的替代辦法。工程師、業(yè)主及承包商應(yīng)根據(jù)每個(gè)工程不同情況對(duì)施工導(dǎo)流進(jìn)行專門的評(píng)估。