堆石混凝土重力壩分縫設(shè)計(jì)的思考與實(shí)踐

何濤洪，張全意，張文勝，曾 旭

(遵義水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義 563000)

1 概述

堆石混凝土技術(shù)是由清華大學(xué)水利水電工程系發(fā)明并獲得國家發(fā)明專利授權(quán)的新型大體積混凝土施工技術(shù)。其施工工藝是將粒徑大于300mm的塊石或卵石直接入倉，形成有自然空隙的堆石體，利用無需振搗的高自密實(shí)性能混凝土(High Self-Compacting Concrete，簡稱HSCC)，依靠其自重充填堆石體空隙，形成完整、密實(shí)的混凝土。具有低碳環(huán)保、水化熱低、密實(shí)度高、穩(wěn)定性好、層間抗剪能力強(qiáng)、施工速度快等特點(diǎn)。自2003年發(fā)明至今，國內(nèi)已建成堆石混凝土壩60余座，在建堆石混凝土壩30余座，其中已建的陜西省佰佳水電站堆石混凝土拱壩壩高69m，在建的云南省松林水庫堆石混凝土重力壩壩高達(dá)90m。該技術(shù)在行業(yè)內(nèi)得到廣泛的關(guān)注和認(rèn)可，正在從國內(nèi)走向世界，老撾、肯尼亞、埃及、越南等國正在籌備建設(shè)堆石混凝土大壩。

目前尚未正式發(fā)布堆石混凝土相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，其大壩結(jié)構(gòu)分縫設(shè)計(jì)理念分歧較大。在SL678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》第5.4.2條中闡述“堆石混凝土壩不宜設(shè)置縱縫，可根據(jù)工程的具體條件和需要設(shè)置橫縫，間距宜為20～30m”。受該條款約束，我國已建和在建堆石混凝土重力壩設(shè)計(jì)中，壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分縫未充分考慮堆石混凝土水化熱低的特點(diǎn)，主要參照混凝土壩分縫設(shè)計(jì)要求，設(shè)置較多橫縫，使大壩施工倉面較小，增加堆石入倉難度，施工干擾大，并降低壩體堆石率，影響施工進(jìn)度和質(zhì)量，未能充分凸顯堆石混凝土的優(yōu)勢。

2 堆石混凝土重力壩分縫設(shè)計(jì)的思考

在遵義市境內(nèi)建成并蓄水運(yùn)行正常，且未出現(xiàn)裂縫、滲水等不良現(xiàn)象的不分縱、橫縫全斷面整體上升結(jié)構(gòu)型式的混凝土砌石重力壩見表1。

表1中混凝土砌石重力壩在施工過程中壩體挖坑檢測試驗(yàn)成果資料表明：每方砌體中混凝土用量55%～60%，其C15混凝土配合比：每方混凝土水泥用量220～260kg(摻有適量粉煤灰)，換算每方砌體中水泥用量121～156kg。根據(jù)SL678—2014中每方堆石混凝土堆石率和水泥用量闡述，換算每方C9015堆石混凝土中水泥用量小于80kg。為此，思考堆石混凝土重力壩結(jié)構(gòu)分縫設(shè)計(jì)借鑒上述工程不分縱、橫縫全斷面整體上升結(jié)構(gòu)型式。

3 堆石混凝土重力壩分縫設(shè)計(jì)的實(shí)踐

貴州省余慶縣打鼓臺水庫工程大壩為C9015堆石混凝土重力壩，壩頂高程799.00m，最大壩高41.0m，壩頂寬度6.0m，壩底最大寬度33.94m，壩頂長198.0m。大壩基礎(chǔ)河床至左岸774.00m、右岸777.00m段為三迭系下統(tǒng)夜郎組玉龍山段中厚層灰?guī)r，岸坡左岸774.00m、右岸777.00m以上段則為薄層泥灰?guī)r與泥頁巖互層、泥頁巖等。工程所在地多年平均氣溫14.9℃，鑒于其氣候條件和大壩體型與上述混凝土砌石重力壩接近，加之其配合比為每方自密實(shí)混凝土水泥用量167kg，粉煤灰用量322kg，按每方堆石混凝土中自密實(shí)混凝土用量45%，換算每方堆石混凝土中水泥用量75kg，其用量遠(yuǎn)低于上述混凝土砌石重力壩。在大壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為減少倉面堆石和澆筑帶來的施工干擾，加快施工進(jìn)度，采用不分縱、橫縫全斷面整體上升結(jié)構(gòu)型式。由于其大壩基礎(chǔ)巖性不均勻，考慮在大壩基礎(chǔ)巖性變化處(樁號壩0+030.54、壩0+164.54)設(shè)置了2條橫縫，最大縫距134.0m。大壩防滲面板分別于樁號壩0+030.54、壩0+058.54、壩0+086.54、壩0+112.54、壩0+138.54、壩0+164.54處設(shè)置6條橫縫，最大縫距28.0m?？p內(nèi)距上游壩面0.2m處設(shè)置一道銅片止水，并采用聚乙烯閉孔泡沫板材填縫，如圖1—2所示。

表1 混凝土砌石重力壩統(tǒng)計(jì)表

圖1 面板橫縫大樣圖

圖2 壩體橫縫大樣圖

4 壩體堆石混凝土溫升監(jiān)測

為了解壩體堆石混凝土施工期和運(yùn)行期的變化情況，在打鼓臺水庫工程大壩最長壩段(長度134.0m)中間剖面(樁號壩0+097.54)769.00m高程布置了溫度計(jì)3支(T1、T2、T3)，于2016年10月10日埋設(shè)完成，埋設(shè)時(shí)氣溫23℃；779.00m高程布置溫度計(jì)2支(T4、T5)，于2016年11月24日埋設(shè)完成，埋設(shè)時(shí)氣溫12℃；789.00m高程布置溫度計(jì)1支(T6)，于2017年3月8日埋設(shè)完成，埋設(shè)時(shí)氣溫11℃。實(shí)測壩體堆石混凝土溫度變化過程如圖3—8所示。

圖3 769.00m高程T1溫度變化過程線圖

圖4 769.00m高程T2溫度變化過程線圖

圖5 769.00m高程T3溫度變化過程線圖

圖6 779.00m高程T4溫度變化過程線圖

圖7 779.00m高程T5溫度變化過程線圖

圖8 789.00m高程T6溫度變化過程線圖

壩體堆石混凝土溫度監(jiān)測監(jiān)測成果見表2。數(shù)據(jù)表明：壩體堆石混凝土澆筑兩周之內(nèi)，因受水化溫升影響，其溫度達(dá)到最高，然后開始緩慢下降。769.00m高程溫度計(jì)T2實(shí)測溫度最高為32.3℃，溫升值7.3℃；779.00m高程溫度計(jì)T5實(shí)測溫度最高為20.7℃，溫升值9.2℃；789.00m高程溫度計(jì)T6實(shí)測最高溫度為19.8℃，溫升值8.3℃。

表2 壩體堆石混凝土溫度監(jiān)測成果表

5 堆石混凝土絕熱溫升計(jì)算

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]擬合的自密實(shí)混凝土絕熱溫升計(jì)算公式：

T=34.31×(1-e-0.0339τ)

(1)

式中，T—溫度值，℃；τ—齡期，h。

堆石混凝土絕熱溫升計(jì)算公式：

(2)

式中，V—材料的體積百分比；ρ—材料的密度；c—材料的比熱，SCC和rock—自密實(shí)混凝土和堆石；θSCC—自密實(shí)混凝土的絕熱溫升。

打鼓臺水庫工程自密實(shí)混凝土和堆石相關(guān)參數(shù)詳見表3。

表3 自密實(shí)混凝土和堆石參數(shù)表

綜上所述，打鼓臺水庫堆石混凝土絕熱溫升計(jì)算公式如下：

(3)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]擬合公式計(jì)算的打鼓臺水庫堆石混凝土絕熱溫升變化規(guī)律與儀器實(shí)測情況基本吻合，如圖9所示。但是，理論計(jì)算最大溫升值16.35℃和儀器實(shí)測最大溫升值9.2℃尚存在一定差異，導(dǎo)致差異的因素可能有：①工程所在地氣溫相對較低，為堆石混凝土澆筑過程中向外界散熱提供了有利條件；②堆石和自密實(shí)混凝土之間存在溫差，堆石吸熱；③儀器監(jiān)測點(diǎn)堆石和自密實(shí)混凝土體積比與整個(gè)壩體的堆石和自密實(shí)混凝土體積比存在差異；④材料比熱采用室內(nèi)試驗(yàn)值，施工現(xiàn)場材料情況可能和室內(nèi)試驗(yàn)值存在差異。

圖9 堆石混凝土絕熱溫升曲線圖

6 結(jié)論

通過介紹打鼓臺水庫堆石混凝土重力壩分縫設(shè)計(jì)，借鑒已成混凝土砌石重力壩不分縱、橫縫全斷面整體上升結(jié)構(gòu)型式成功經(jīng)驗(yàn)，突破現(xiàn)行設(shè)計(jì)導(dǎo)則對堆石混凝土重力壩分縫要求，通過埋設(shè)儀器監(jiān)測壩體堆石混凝土溫升情況，成果表明，壩體堆石混凝土澆筑兩周之內(nèi)，因受水化溫升影響，其溫度達(dá)到最高，然后開始緩慢下降，最大溫升值9.2℃，工程建成后全面檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫等異常情況，結(jié)構(gòu)安全，水庫已下閘蓄水，運(yùn)行正常，可供同類工程參考。