混凝土大壩加高施工關(guān)鍵技術(shù)研究

周厚貴

(中國葛洲壩集團公司，湖北宜昌 443002)

1 前言

世界上第一個有相關(guān)記載的大壩加高工程大約可以追溯到1600年左右波斯帝國(今伊朗)的Kebar拱壩[1]。隨后的數(shù)百年間，諸多的混凝土壩進行了加高施工[2]，如西班牙的Almansa壩，意大利的Pontalto壩，澳大利亞的Parramata壩，瑞士的Grand Dixence壩，委內(nèi)瑞拉的 Guri壩，美國的 Roosevelt壩、Olivenhain壩以及在建的San Vicente壩。國內(nèi)的混凝土壩加高工程相對較少，此前完成加高的英納河水庫大壩和寶泉抽水蓄能電站下庫大壩均為漿砌石重力壩，龍灘大壩加高正在規(guī)劃設(shè)計中，在建的丹江口大壩加高工程開創(chuàng)了國內(nèi)混凝土壩加高工程加高規(guī)模、技術(shù)難度的新紀錄。

混凝土壩體的加高主要來源于以下幾個方面的需求:a.隨著壩工建設(shè)的發(fā)展，可供選擇的優(yōu)質(zhì)壩址日益減少，對于之前由于技術(shù)限制或資金不足等原因?qū)е碌乃Y源未完全開發(fā)的樞紐，通過加高壩體可實現(xiàn)增加庫容、抬高水位、提高防洪標準，進而實現(xiàn)興利除害、充分開發(fā)水資源的目的。大壩加高方式較之新建壩體具有技術(shù)、經(jīng)濟和環(huán)保等方面的優(yōu)勢。b.壩體在建設(shè)初期出于某種需要而分階段建設(shè)的工程，如果后期與前期的時間間隔超出一定范圍，后期工程建設(shè)也屬于壩體加高施工。c.由于各種原因引起的壩體老化、損傷，或者由于壩體在建設(shè)過程中存在某種不足，需要對壩體進行加固或維修，同時對壩體進行適當加高。d.在混凝土壩大范圍、大規(guī)模的維修與加固的改擴建工程中，雖然不加高壩體，但其施工內(nèi)容、施工條件、技術(shù)難點、技術(shù)要點與混凝土壩加高施工基本相似[3]。

時至今日，混凝土壩加高的工程規(guī)模、加高高度、加高難度、加高方式、加高的壩型都已取得了巨大的突破，并且由于混凝土壩加高工程的施工條件與技術(shù)要求等與新建工程差別顯著，逐步形成了與新建工程相區(qū)別的混凝土壩加高技術(shù)體系，成為水電工程建設(shè)的一個重要分支和組成部分，也得到了壩工界的廣泛關(guān)注和重視[4～6]。

目前，混凝土壩加高的壩型主要為重力壩，其次為重力拱壩。在混凝土重力壩的各種加高方式中，后幫整體式(俗稱“穿衣戴帽”)技術(shù)成熟、施工難度相對較小、對現(xiàn)行工程運行影響不大，成為混凝土壩普遍采用的加高方式，如圖1所示。建立與完善混凝土壩后幫整體式加高施工的技術(shù)體系對于該方法的進一步推廣和應(yīng)用、提高混凝土壩加高建設(shè)水平具有重要意義。

圖1 后幫整體式加高方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of integral heightening mode of concrete gravity dam

文章從后幫整體式混凝土重力壩加高工程的施工技術(shù)出發(fā)，在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)工程，特別是我國丹江口大壩加高工程施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了混凝土壩加高施工的技術(shù)特點與難點，并探討了關(guān)鍵技術(shù)的解決策略，供國內(nèi)外類似工程建設(shè)參考。

2 主要關(guān)鍵技術(shù)

混凝土壩加高工程通常是在現(xiàn)有樞紐運行期間施工，在老壩體的下游面及壩頂進行混凝土澆筑。需要重點解決以下4大關(guān)鍵技術(shù):新澆混凝土的原材料及配合比優(yōu)化問題、新老混凝土結(jié)合問題、原有結(jié)構(gòu)體的拆除與轉(zhuǎn)移問題、施工期資源的時間與空間調(diào)配問題。各項關(guān)鍵技術(shù)的特點與難點、技術(shù)要求如下。

2.1 新澆混凝土的原材料及配合比優(yōu)化

考慮到新老混凝土結(jié)合等方面的需要，混凝土壩加高工程中新澆混凝土的性能需要在抗裂強度，溫升特性、徐變性能等方面滿足特殊要求。為此，需要對混凝土的原材料和配合比做專門的研究。

2.1.1 技術(shù)特點與難點

1)原材料的選擇。要求所使用的骨料堅固、自身體積變形小、無堿活性;要求外加劑為混凝土施工提供良好的和易性，促進膠凝材料釋放凝固力量;同時要求膠凝材料穩(wěn)定、均一、牢固。

2)新材料的應(yīng)用。包括微膨脹膠凝材料、金屬/非金屬礦渣摻和料以及第三代聚羚酸類新型外加劑的使用。

3)配合比優(yōu)化。需要提高混凝土各類原材料的適配性、材料特性的互補與互增性，并確定最優(yōu)配合比用于現(xiàn)場施工。

2.1.2 技術(shù)要求

通過優(yōu)選混凝土的原材料、使用新材料、調(diào)整外加劑、優(yōu)化配合比等手段盡量提高新澆混凝土的抗裂強度，盡量減少混凝土水化熱溫升和延緩水化熱發(fā)散速率，盡量提高混凝土初期硬化時的徐變能力，最終實現(xiàn)新老混凝土之間的良好結(jié)合。

2.2 新老混凝土結(jié)合

新老混凝土結(jié)合是混凝土壩加高施工中的核心問題之一，新老混凝土之間的良好結(jié)合對于確保大壩的整體性和安全性具有直接影響。

2.2.1 技術(shù)特點與難點

新老混凝土結(jié)合施工技術(shù)特點與難點的根本在于新老混凝土的物理力學性質(zhì)差異引起的一系列問題。主要反映在以下幾個方面:

1)新老混凝土性能差異。通常情況下，老壩體混凝土齡期已經(jīng)很長，彈性模量較高且已達到穩(wěn)定狀態(tài)，甚至表面存在不同程度的碳化和風化層，而新澆混凝土的強度、彈性模量等尚處于變化中，收縮變形較大，易在新老混凝土結(jié)合面產(chǎn)生應(yīng)力。

2)溫度場差異。老壩體混凝土的溫度已趨穩(wěn)定且新澆混凝土將其與外界隔離，而新澆混凝土體因本身水化熱和外界氣溫引起的溫度變化相對較大，會在新老混凝土的結(jié)合面產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

3)下游壩面新澆混凝土除受側(cè)面老混凝土的約束外，還受底部混凝土或基巖的約束，使得新老混凝土結(jié)合面的應(yīng)力狀態(tài)更為復(fù)雜。

4)結(jié)合面的形態(tài)。新老混凝土結(jié)合面的形態(tài)直接影響其應(yīng)力分布形式、新老壩體之間的傳力方式和傳力特性，是調(diào)整新老混凝土壩體聯(lián)合作用狀態(tài)的重要手段。

2.2.2 技術(shù)要求

新老混凝土結(jié)合施工技術(shù)要求的根本在于實現(xiàn)加高后由老混凝土和新混凝土共同構(gòu)成的壩體共同工作，使加高后壩體的穩(wěn)定安全系數(shù)、壩基應(yīng)力、壩體應(yīng)力滿足規(guī)范和設(shè)計要求。主要反映在以下兩方面:

1)新老壩體之間的結(jié)合程度。新老混凝土之間應(yīng)實現(xiàn)良好結(jié)合，控制或避免壩體結(jié)合面裂縫。

2)新老混凝土結(jié)合面的應(yīng)力狀態(tài)。結(jié)合面的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)滿足混凝土強度的要求，包括溫差應(yīng)力控制在許可的范圍內(nèi)，避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)等具體的要求。

2.3 原有結(jié)構(gòu)體的拆除與轉(zhuǎn)移

拆除與轉(zhuǎn)移是指混凝土壩加高工程施工過程中原有結(jié)構(gòu)體的拆除，以及結(jié)構(gòu)體拆除后的對外運輸。

2.3.1 技術(shù)特點與難點

混凝土壩加高施工中的拆除具有點多、面廣、量大的特點。需要拆除的結(jié)構(gòu)體(主要為混凝土結(jié)構(gòu))既有少量拆除，又有薄層拆除，還有大體積拆除。拆除的結(jié)構(gòu)體通常位于樞紐運行區(qū)，對震動、飛石、粉塵等有較多限制，拆除施工不能破壞保留結(jié)構(gòu)體的物理力學性質(zhì)。混凝土壩加高施工中的拆除是典型的控制拆除。此外，拆除體的外運受空間和調(diào)運設(shè)備布置的限制，比通常情況下困難。

2.3.2 技術(shù)要求

1)對混凝土保留體外形輪廓的精確控制。包括保留混凝土的外型輪廓尺寸、平整度等要求。

2)對混凝土保留體損傷的嚴格控制。包括對保留體裂縫的嚴格控制、對拆除體內(nèi)保留鋼筋的操作限制、對保留體的震動限制。

3)對周圍建筑物和設(shè)施的保護要求。包括對控制爆破拆除點周邊一定范圍的原有混凝土、新澆混凝土、灌漿區(qū)、閘墩、廠房、中控室、發(fā)電機組及其他建筑物和設(shè)施的振動強度限制，以及對一定范圍內(nèi)建筑物和設(shè)施的防止飛石保護和爆破粉塵控制。

4)拆除體外運所使用的調(diào)裝設(shè)備不得與各類空中線纜、各類建筑物和設(shè)備發(fā)生碰撞。

2.4 施工期資源的時間與空間調(diào)配

由于混凝土壩加高施工期間樞紐正常運行，需要承擔防洪、安全度汛、發(fā)電等任務(wù)，各項施工作業(yè)與樞紐運行存在一定的沖突，導致施工工作面狹窄、受制約因素較多、矛盾突出、關(guān)系復(fù)雜。為此，需要處理好各項施工活動的時間與空間調(diào)配工作，以確保加高施工不影響樞紐運行。

2.4.1 技術(shù)特點與難點

施工期各類資源的時間與空間調(diào)配工作的特點在于樞紐的運行對施工場地布置、施工機械配置與調(diào)度、施工現(xiàn)場交通、施工進度控制與管理等都提出了特殊的要求。施工中需要考慮施工與防洪、施工與發(fā)電的沖突:一是時間沖突，如大壩安全檢測及日常維護與加高施工的時間沖突，溢流面泄洪與加高施工的時間沖突;二是空間沖突，如進場公路的使用、壩頂門機與壩頂閘門啟閉設(shè)備軌道的使用;三是資源沖突，如利于增加發(fā)電效益的高水位與施工限制水位引起的庫容矛盾。

2.4.2 技術(shù)要求

1)施工場地布置。加高施工的施工場地布置不能影響度汛與汛期泄洪、不能影響發(fā)電。

2)施工機械布置。加高施工的機械布置不能影響發(fā)電與防洪，如布置于壩頂?shù)幕炷寥雮}機械不能影響壩頂門機的正常使用。

3)交通道路布置。加高施工的交通道路布置不能影響防洪物資、壩體維修材料與設(shè)備的運輸，需要確保防洪、發(fā)電、壩體維修等充足的道路運輸能力。

4)施工進度計劃。加高施工進度必須滿足樞紐運行、泄洪等要求。如為確保壩體應(yīng)力滿足施工技術(shù)要求，當庫水位超過一定高程時，不能進行貼坡混凝土澆筑;為使汛期閘門及泄流堰體和深孔滿足度汛要求，在汛期到來之前混凝土澆筑必須達到相應(yīng)的形象進度。

3 技術(shù)措施研究

針對以上混凝土壩加高工程施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題，結(jié)合國內(nèi)外混凝土壩加高工程施工實踐，解決以上技術(shù)難題的主要措施如下。

3.1 新澆混凝土的原材料及配合比優(yōu)化

主要通過配合比優(yōu)化設(shè)計、現(xiàn)場試驗確定混凝土各種原材料性能、各類外加劑數(shù)量，具體的參數(shù)根據(jù)實際工程情況而定，其基本原則如下。

1)通過減少水泥用量，以及具有減水、緩凝及引氣效果的復(fù)合型高效外加劑的使用，改善混凝土和易性，提高混凝土耐久性、抗?jié)B性和抗裂能力，延緩水化熱發(fā)散速率。

2)選擇發(fā)熱量較低的中/低熱水泥、較優(yōu)骨料級配和I級粉煤灰，優(yōu)選復(fù)合外加劑(減水劑和引氣劑)，降低混凝土的單位水泥用量，以減少混凝土水化熱溫升和延緩水化熱發(fā)散速率，提高混凝土抗裂能力。

3)通過配比試驗優(yōu)化混凝土配合比，保證混凝土所必需的抗拉強度、施工勻質(zhì)性指標及強度保證率，改善混凝土抗裂性能，提高混凝土抗裂能力。

4)在全面滿足設(shè)計要求的各項技術(shù)參數(shù)的條件下，摻用粉煤灰，降低水泥用量，提高混凝土初期硬化時的徐變能力，并選用較低的水灰比，以提高其極限拉伸值。

5)綜合選擇與合理使用各類新材料，包括新型外加劑、新型摻和料等，提高混凝土各項性能，滿足施工要求。

3.2 新老混凝土結(jié)合

新老混凝土結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)措施如下:

1)鑿除老壩體表面的碳化層，并通過機械切割設(shè)置人工鍵槽，以改善新老壩體之間的受力狀態(tài)[7]。

2)在新老混凝土結(jié)合面設(shè)置植筋和錨樁，利于新老壩體的結(jié)合。

3)在新老混凝土結(jié)合的特殊部位，如溢流壩段老閘墩與新加高溢流堰結(jié)合面，刷涂界面劑，以增加新老混凝土之間的粘結(jié)力[8]。

4)嚴格控制新澆混凝土溫度，加強混凝土溫度控制及防裂措施，減少混凝土溫度應(yīng)力，提高混凝土抗裂能力。

5)貼坡混凝土澆筑時，適當控制水庫水位，以降低老壩體上游面初始應(yīng)力。

6)修整老壩體下游面體形，清除突出部位混凝土，減少應(yīng)力集中。

3.3 原有結(jié)構(gòu)體的拆除與轉(zhuǎn)移

混凝土壩加高工程中的拆除方法幾乎涵蓋了各種拆除技術(shù)，在工程實踐中需要根據(jù)具體情況選用相應(yīng)的技術(shù)[9]。各種拆除方法的適用條件和技術(shù)特點簡述如下。

1)人工拆除。主要應(yīng)用于少量拆除作業(yè)，或者其他方法難以實施的情況，通過人工輔助簡易工具拆除混凝土。該方法機動靈活，工藝簡單，成型質(zhì)量好，適用于各種復(fù)雜的施工環(huán)境，對混凝土保留部分幾乎沒有損壞。

2)機械拆除。適用于拆除量較大，拆除要求高，拆除體周邊施工環(huán)境較差，緊臨發(fā)電廠、開關(guān)站等重要保護建筑物，現(xiàn)場不宜實施控制爆破，對拆除產(chǎn)生的危害控制要求嚴格的部位，包括手風鉆、風鎬鑿除、振動錘鑿除以及液壓盤鋸、金剛石鏈鋸等鋸割拆除。該方法易形成機械化流水作業(yè)，拆除效率較人工拆除高，對混凝土結(jié)構(gòu)保留部分和周圍保護對象影響較小。

3)靜爆拆除。適用于不允許有震動、噪聲、有毒有害氣體、飛石、靜電或電磁波輻射的部位;對混凝土結(jié)構(gòu)保留部分不允許有任何損壞的部位。該方法通常作為機械等其他拆除方法的一種輔助手段，通過靜爆先在拆除體與保留體間形成裂隙，再使用機械分離。該方法拆除過程無震動、無飛石、無噪聲、效率高，對保留部分不造成任何損害，而且施工簡便、安全。在實施中需要通過計算和現(xiàn)場試驗確定靜爆劑藥量。

4)控制爆破拆除。如果可將爆破產(chǎn)生的振動、飛石、粉塵等控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，該方法是大規(guī)模混凝土控制拆除的首選方法。該方法理論上較成熟、施工經(jīng)驗豐富;效率高，利于縮短工期;通常情況下施工費用較低。實施的關(guān)鍵在于將振動、飛石、粉塵等控制在許可的范圍內(nèi)。

3.4 施工期資源的時間與空間調(diào)配

針對混凝土壩加高施工中各項工作的時間與空間調(diào)配的特點，除了通過加強現(xiàn)場管理等措施確保工程施工的順利實施外，通過優(yōu)化調(diào)配與模擬技術(shù)實現(xiàn)施工機械的調(diào)度、施工進度的制訂、混凝土澆筑倉位的編排等目標，可以顯著提高調(diào)配的效率和優(yōu)化水平，即開發(fā)混凝土壩加高施工模擬與優(yōu)化系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能包括系統(tǒng)管理、施工數(shù)據(jù)管理、施工過程模擬與優(yōu)化、施工現(xiàn)場管理、施工參數(shù)統(tǒng)計與分析、混凝土澆筑虛擬現(xiàn)實等方面[10]。

4 工程實例應(yīng)用

上述4項混凝土大壩加高施工關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在南水北調(diào)中線丹江口大壩加高左岸工程中得到了全面的應(yīng)用，實施效果良好，為工程的順利建設(shè)發(fā)揮了重要作用。以下是各項技術(shù)應(yīng)用的基本情況和實施效果的簡要總結(jié)。

4.1 新澆混凝土的原材料及配合比優(yōu)化

在工程施工中，為使新澆混凝土更好地與老混凝土結(jié)合，通過添加活性材料、表面活性劑、膨脹成分、惰性材料、保水材料等措施優(yōu)化了混凝土配合比。此外，對新澆混凝土進行分區(qū)設(shè)計，在新老混凝土結(jié)合處設(shè)置一個過渡層，通過過渡層混凝土的特殊設(shè)計使得新混凝土在澆筑初期性能急劇變化時在結(jié)合面形成一個過渡緩沖區(qū)，來減弱老混凝土對新澆混凝土的約束，從而實現(xiàn)了良好結(jié)合的目的。

4.2 新老混凝土結(jié)合

在工程施工中，通過老混凝土表面鑿毛、新增人工鍵槽、增設(shè)錨桿、涂刷界面膠、接縫灌漿、混凝土溫控等一系列綜合措施，有效保證了新老混凝土結(jié)合面的處理質(zhì)量，改善新老壩體之間的傳力方式和傳力特性，確保了新老混凝土壩體聯(lián)合作用狀態(tài)，保障了壩體的安全運行。目前的觀測資料表明新老混凝土結(jié)合沒有開裂。

工程施工中共完成混凝土結(jié)合面鑿毛69053 m2、鍵槽混凝土切割2362 m、現(xiàn)澆混凝土671398.2 m3、砂漿錨桿7924根、鎖口錨桿753根、接縫灌漿44296 m2、涂刷界面密合劑12000 m2。

4.3 原有結(jié)構(gòu)體的拆除與轉(zhuǎn)移

工程施工中的老混凝土拆除量高達26707.4 m3，分布于老壩體的多個部位，拆除施工工期緊、轉(zhuǎn)移難度大、技術(shù)要求高。通過以上拆除與轉(zhuǎn)移施工技術(shù)的應(yīng)用，滿足了相關(guān)技術(shù)要求，且按計劃或提前完工[9]。特別是在人工鍵槽施工中，綜合采用液壓圓盤鋸切割與鉆孔靜態(tài)破碎相結(jié)合的方法，發(fā)明了“鋸割靜裂法”。該方法對保留混凝土體無任何損傷，顯著加快了施工進度(工期僅為傳統(tǒng)方法的50%)，大幅減低了施工成本，且安全可控、鍵槽成型精確，不存在爆炸、沖擊、飛石等危險源[7]。

4.4 施工期資源的時間與空間調(diào)配

工程施工作業(yè)與樞紐發(fā)電、防洪之間存在一定的沖突。為此，在施工進度計劃編制、施工道路安排、大型施工機械布置等方面都進行了有針對性的技術(shù)研究，并制訂了有效的實施方案。如汛期不進行貼坡混凝土澆筑、確保汛期防洪道路通暢、給閘門啟閉設(shè)備預(yù)留足夠的運行空間等。此外，通過“丹江口混凝土壩加高施工模擬與優(yōu)化系統(tǒng)”的開發(fā)與應(yīng)用，實現(xiàn)了對施工資源、施工進度的優(yōu)化調(diào)配和管理，進一步確保了工程的順利實施[10]。

5 結(jié)語

混凝土壩加高工程施工相對于新建工程而言，其施工約束與限制更多、環(huán)境更復(fù)雜，對施工技術(shù)提出了更高的要求。

文章通過對國內(nèi)外混凝土壩加高工程施工實踐的分析與總結(jié)，討論了混凝土壩加高施工中的4項關(guān)鍵技術(shù)，即新澆混凝土原材料及配合比優(yōu)化、新老混凝土結(jié)合、原有結(jié)構(gòu)體的拆除與轉(zhuǎn)移、施工期資源的時間與空間調(diào)配，討論了每一項關(guān)鍵技術(shù)的特點與難點、技術(shù)要求，并提出了每一項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)措施，以期為今后的混凝土壩加高施工提供參考和借鑒。

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