東北寒冷地區(qū)采用碾壓混凝土筑壩的實踐

李寶石

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000)

東北寒冷地區(qū)采用碾壓混凝土筑壩的實踐

李寶石

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000)

白石水庫混凝土大壩位于東北寒冷地區(qū)，由于氣候的特殊性，在施工過程中采用碾壓混凝土筑壩技術(shù)，將RCD技術(shù)和RCC工法配比結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展了RCD技術(shù)，增加采用碾壓混凝土筑壩的經(jīng)驗。該文主要闡述了在不利氣候條件和施工條件下，為確保工程質(zhì)量，從越冬面混凝土層間強(qiáng)度、溫度控制、防裂措施、吸取其它水庫經(jīng)驗教訓(xùn)等環(huán)節(jié)對工程質(zhì)量進(jìn)行控制。

筑壩特點;筑壩經(jīng)驗;溫度控制;防裂措施;白石水庫

0 引言

攔河筑壩擋水已有近5000年的歷史。然而，19世紀(jì)以前修建的壩，基本屬土石壩范疇的漿砌毛石壩。

19世紀(jì)后期，逐漸開始用混凝土筑壩。當(dāng)時人們認(rèn)為混凝土的強(qiáng)度不如砌石，因而規(guī)定僅在壓應(yīng)力＜5 kg/cm2的部位才可使用混凝土。19世紀(jì)末開始出現(xiàn)塊石混凝土壩，然而混凝土僅被做為填塞料使用。

20世紀(jì)初，由于混凝土施工工藝和施工機(jī)械的迅速發(fā)展，70年代末，中國開始對碾壓混凝土技術(shù)進(jìn)行研究。80年代后進(jìn)入現(xiàn)代設(shè)計與施工的階段。成為當(dāng)今最具竟?fàn)幜Φ膲涡椭弧?/p>

1 RCD和RCC的特點

碾壓混凝土筑壩和常規(guī)混凝土筑壩，其設(shè)計原理并無差別，只是其施工方法有所改變。碾壓混凝土筑壩技術(shù)，利用自卸汽車運(yùn)輸拌和的干貧混凝土直接入倉、濕地推土機(jī)通倉薄層攤鋪并預(yù)壓、振動切縫機(jī)切縫、自行式振動碾碾壓而實現(xiàn)壩體混凝土澆筑。

碾壓混凝土筑壩:由于工藝流程規(guī)范、施工設(shè)備配套，可以實現(xiàn)施工的高度機(jī)械化，因而具有快速施工的特點;由于采用干貧混凝土并摻和部分粉煤灰，因而可以減少水泥用量、降低水化熱溫升、簡化溫度控制措施。

然而，作為碾壓混凝土筑壩技術(shù)兩大分支的RCD和RCC，又各自具有不同的特點。其中主要的差別在于:

1)RCD采用“金包銀”的斷面型式，即所有外部的基礎(chǔ)墊層、上游防滲層、下游保護(hù)層均采用常規(guī)混凝土，僅在內(nèi)部采用RCD碾壓混凝土;而RCC則采用全斷面碾壓型式。

2)RCD碾壓層厚75 cm，分 3層攤鋪(每層27 cm)，1次碾壓。碾壓層間間歇3～5 d。層間處理規(guī)定，在每層終凝前要進(jìn)行刷毛，然后流水養(yǎng)生，并在下一層澆筑前鋪一層1.5 cm厚的水泥砂漿。而RCC的碾壓層厚30 cm，一次攤鋪并碾壓。層間不間歇、不處理，連續(xù)升程。

3)RCD混凝土的配合比，采用膠凝材料總量為(C+F)=(120～130)kg/m3，其中粉煤灰摻量F/(C+F)=30%。

RCC一般則采用高膠凝材料總量和高粉煤灰摻量，且變動幅度都比較大;目前F/(C+F)平均在60%左右。

4)RCD和RCC均不在壩體內(nèi)部設(shè)置縱縫。但RCD為避免壩體產(chǎn)生裂縫發(fā)生滲漏，同常規(guī)混凝土壩一樣，每隔15 m左右設(shè)置一道橫縫，并采取常規(guī)的止、排水措施。

RCC一般則不設(shè)橫縫;若設(shè)，間距也很大，有的上百米［1-2］。

2 寒冷地區(qū)筑壩技術(shù)的選擇

白石水庫位于遼寧西部地區(qū)，氣候條件惡劣，極端最高氣溫達(dá)42℃，最低氣溫至-37℃。水面蒸發(fā)量高達(dá)2 000 mm，降水量僅為500 mm，每年的降水多集中于7、8兩月。

風(fēng)沙大，旱情不斷，再加上冰凍期長達(dá)5個月之久，無霜期只有130～180 d。這種氣候條件，對大體積混凝土的施工極為不利。

寒冷地區(qū)修建碾壓混凝土壩對筑壩技術(shù)的選擇，除了要考慮穩(wěn)定、強(qiáng)度的要求外，還應(yīng)該考慮防滲、抗凍和耐久性的要求，尤其要對防裂措施給予足夠的重視［3］。

上述碾壓混凝土筑壩技術(shù)特點表明，RCD采用“金包銀”的斷面，外部防滲層、保護(hù)層全部為常規(guī)混凝土，碾壓層間處理要求嚴(yán)格，層間結(jié)合良好，完全可以滿足常規(guī)混凝土壩安全可靠、特別是防滲、抗凍和耐久性的要求。

但是，RCD筑壩技術(shù)的施工速度不如RCC快，同時也不具備RCC高摻粉煤灰的優(yōu)點［4］。

因此，在寒冷地區(qū)修建碾壓混凝土壩，以選擇RCD筑壩技術(shù)為宜，同時應(yīng)適當(dāng)吸取RCC筑壩技術(shù)的優(yōu)點。

3 已成工程的經(jīng)驗教訓(xùn)

觀音閣壩是我國首次引進(jìn)日本RCD筑壩技術(shù)、在嚴(yán)寒地區(qū)修建的碾壓混凝土重力壩。

觀音閣壩于1990年開工，1995年建成。該壩前期準(zhǔn)備工作充分，設(shè)計研究嚴(yán)謹(jǐn)，建設(shè)管理嚴(yán)格，施工質(zhì)量優(yōu)良。采用RCD筑壩技術(shù)是成功的。

在大壩建成的當(dāng)年，經(jīng)受了1995年渾河、太子河大水的考驗。庫水位猛漲至正常高水位以上，變形觀測正常，全壩基最大滲流量僅為99.7 L/min。水庫發(fā)揮了巨大的防洪作用和供水、發(fā)電效益。

然而，觀音閣地處北方嚴(yán)寒地區(qū)，其氣候條件遠(yuǎn)比日本海洋性氣候和我國南方暖濕氣候惡劣得多。主要是冬季停工期長達(dá)5個月之久，春季干旱多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季晝夜溫差大。

因此，在觀音閣大壩建設(shè)期間，曾產(chǎn)生了一些程度不同的裂縫。這些裂縫大體可以劃分為4類:

1)基礎(chǔ)墊層混凝土裂縫。

2)溢流壩反弧段上游側(cè)裂縫。

3)泄水底孔環(huán)形縫。

4)越冬面水平施工逢的開裂。

其中尤以越冬面水平施工縫的開裂最為嚴(yán)重。

可以看出，導(dǎo)致越冬面水平施工縫的開裂的原因:

1)混凝土上下層溫差與內(nèi)表溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大大超過混凝土的抗裂強(qiáng)度。

2)層間、特別是越冬面層間的抗拉強(qiáng)度明顯低于本體抗拉強(qiáng)度。所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，上游面是由上下層溫差起控制作用，下游面則系內(nèi)表溫差占主導(dǎo)地位。

這說明，在嚴(yán)寒地區(qū)修建碾壓混凝土重力壩，仍然是一個值得重視研究的課題。

觀音閣碾壓混凝土采用了日本標(biāo)準(zhǔn)的RCD配合比(膠凝材料總量130 kg/m3，粉煤灰摻量F/(C+F)=30%)。日本RCD工法的規(guī)定比較嚴(yán)格。近年來在配合比方面有所進(jìn)展，但粉煤灰摻量最高僅為40%。

在總結(jié)觀音閣經(jīng)驗教訓(xùn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的白石壩的設(shè)計和施工中，企圖吸取RCC配合比的優(yōu)點，進(jìn)一步減少水泥用量，提高粉煤灰摻量，以降水泥的水化熱溫升。

通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場碾壓試驗，白石碾壓混凝土采用了C=72 kg/m3、F/(C+F)=59%、砂率s/a=34%的配合比，并通過摻入混凝土保塑劑，節(jié)約水泥，提高塑化性能，使其振動壓實指標(biāo)VC值隨時間的變化來滿足RCD施工的要求。

白石碾壓混凝土摻入粉煤灰的數(shù)量達(dá)到了國內(nèi)RCC平均水平，有利于施工的和易性，同時也有利于溫度控制。

白石的混凝土碾壓技術(shù)將RCD與RCC完美結(jié)合，從而發(fā)展了RCD筑壩技術(shù)。

4 越冬面混凝土層間強(qiáng)度

越冬面附近的混凝土均是在上一年的10月份停止?jié)仓模谙乱荒甑?月份恢復(fù)澆筑的層面，此時上下層面的溫差較大。在這段時期內(nèi)澆筑的混凝土由于強(qiáng)度增長緩慢，養(yǎng)生條件差，其強(qiáng)度要低于正常氣溫澆筑混凝土的強(qiáng)度［5］。

根據(jù)觀音閣水庫對澆筑混凝土強(qiáng)度試驗資料的數(shù)據(jù)分析，澆筑的混凝土強(qiáng)度為平均強(qiáng)度的85%～87%。

由于碾壓技術(shù)使混凝土上下層面產(chǎn)生微小裂隙，導(dǎo)致上層混凝土的強(qiáng)度要低于下層的混凝土強(qiáng)度。根據(jù)鉆芯樣本統(tǒng)計結(jié)果，其強(qiáng)度比值為0.92。

這兩種原因使混凝土強(qiáng)度降低，盡管層間結(jié)合面鋪設(shè)水泥砂漿，但其強(qiáng)度仍然偏低，約為本體混凝土強(qiáng)度的75%。

白石壩體不同部位混凝土容許拉應(yīng)力值［σ］見表1。

表1表明:要提高混凝土強(qiáng)度，停工不能太晚，開工不能太早，必須做好保溫工作。

5 溫度控制

碾壓混凝土筑壩，由于采用干貧配合比的混凝土，因而可以簡化溫控措施，從以往的施工經(jīng)驗與教訓(xùn)再結(jié)合白石的具體條件，確定并執(zhí)行，強(qiáng)約束區(qū)內(nèi)混凝土允許澆筑溫度15℃，其余18℃。強(qiáng)約束區(qū)的壩體高度分別為:擋水壩段8 m，溢流壩段12 m，底孔壩段20 m。

根據(jù)混凝土表面溫度應(yīng)力不大于混凝土允許拉應(yīng)力的原則，從而確定了壩體保溫的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與保溫層的厚度［6］。

為了達(dá)到混凝土的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)方面采取倉面噴霧及涼棚、表面流水養(yǎng)護(hù)生、夏季實行夜間澆筑、注意保溫防護(hù)等措施外，還設(shè)置了裝機(jī)容量360萬kJ/h的制冷廠，用以風(fēng)冷骨料和冷水拌和混凝土。越冬保溫，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

6 防裂措施

在嚴(yán)寒地區(qū)采用RCC、RCD筑壩技術(shù)，碾壓混凝土越冬層面的水平施工縫防裂措施是一個全新的課題，更是一個嚴(yán)竣的考驗。

通過對白石壩體進(jìn)行的仿真計算表明，即使對壩體進(jìn)行嚴(yán)格的溫度控制與越冬保溫措施，但是水平施工縫也是難以避免的。

為此，白石壩體在保證壩體穩(wěn)定的前提下，又分別在擋水壩段越冬層面附近的上、下游部位，預(yù)設(shè)誘導(dǎo)縫，以期達(dá)到應(yīng)力釋放和重分布、嚴(yán)格防止上游面產(chǎn)生水平縫的目的。上游縫寬1 m，設(shè)置兩道止水，縫端埋設(shè)開口圓管，縫后布設(shè)限裂筋。下游縫寬3m，縫端埋設(shè)開口圓管，縫面傾向下游，傾角3°同時，在溢流壩反弧段也設(shè)置了誘導(dǎo)縫。

仿真計算結(jié)果表明，擋水壩段上、下游面最大主拉應(yīng)力均在允許范圍內(nèi)，溢流壩反弧段最大主拉應(yīng)力由原來的6 MPa降至3 MPa。預(yù)設(shè)誘導(dǎo)縫措施效果明顯。

7 結(jié)語

由于嚴(yán)寒地區(qū)冬季氣候寒冷、年內(nèi)氣溫變化幅度大;碾壓混凝土壩采取通倉澆筑、不分縱縫以及越冬長間歇式的施工方法，使其具有獨(dú)特的溫度應(yīng)力時空分布規(guī)律，更增加了碾壓混凝土壩溫控與防裂難度。使嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩溫度應(yīng)力與溫控防裂制成為一個新課題。

碾壓混凝土筑壩方法是一種與以往傳統(tǒng)澆筑施工法不同的方法，它的特點是有效的減少水泥量，增加混凝土后期硬度，澆筑倉面變大，簡化溫控措施，從而加快施工進(jìn)度。

RCD工法施工工藝簡單，作為新的筑壩方法具有很多的優(yōu)點和特點，但它在碾壓層面密結(jié)性表現(xiàn)并不不理想，存在的不足有待進(jìn)一步研究、解決。

［1］?鄒廣岐，李貴智，王成山，杜志達(dá).觀音閣水庫混凝土大壩越冬面水平施工縫的開裂原因及處理措施［J］.水利水電技術(shù)，1995(08):49-53.

［2］馬傳龍.朝陽水庫大壩混凝土溫度控制措施［J］.東北水利水電，2006(12):20-21.

［3］劉永浩.觀音閣水庫大壩碾壓混凝土配合比設(shè)計［J］.水利水電技術(shù)，1995(08):29-33.

［4］杜志達(dá)，李曉華.RCC與RCD施工對比分析［J］.水利水電技術(shù)，1998(02):9-11.

［5］曹剛，高宇，諸葛妃.碾壓混凝土筑壩技術(shù)在東北地區(qū)的應(yīng)用與發(fā)展［J］.水利建設(shè)與管理，2001(S1):59-61.

［6］楊愛費(fèi).碾壓混凝土壩綜述［J］.東北水利水電，1987(08):18，44-48.

TV544.921

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1007-7596(2014)05-0163-03

2013-09-11

李寶石(1976-)，男，遼寧開原人，工程師，研究方向為水庫工程建設(shè)、管理等。