黃登水電站大壩碾壓混凝土施工技術(shù)研究

肖九庚，趙 毅

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

1 工程概況

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開(kāi)發(fā)，是瀾滄江上游曲孜卡至苗尾河段水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案的第六級(jí)水電站，以發(fā)電為主。上游與托巴水電站、下游與大華橋水電站相銜接，壩址位于營(yíng)盤(pán)鎮(zhèn)上游。工程樞紐主要由碾壓混凝土重力壩、壩身溢流表孔、泄洪放空底孔、左岸折線壩身進(jìn)水口及地下引水發(fā)電系統(tǒng)組成，如圖1所示。碾壓混凝土重力壩壩頂高程1 625 m，最大壩高203 m，壩頂長(zhǎng)464 m。壩體共分20個(gè)壩段，從右至左依次為1號(hào)～7號(hào)壩段為右岸非溢流壩段；8號(hào)～11號(hào)壩段為泄洪建筑物壩段，中間布置3個(gè)尺寸為15 m×21 m的溢流表孔，兩側(cè)布置2個(gè)尺寸為5 m×8 m的泄洪放空底孔；12號(hào)～15號(hào)壩段為左岸非溢流壩段，其中12號(hào)壩段布置上壩電梯、14號(hào)壩段為轉(zhuǎn)折壩段；16號(hào)～19號(hào)壩段為進(jìn)水口壩段，布置4臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口；20號(hào)壩段為左岸非溢流壩段。壩頂全長(zhǎng)464 m。壩體總工程量約為常態(tài)混凝土88.8萬(wàn)m3、碾壓混凝土261.9萬(wàn)m3。

圖1 碾壓混凝土重力壩布置示意

2 混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)

工程布置甸尾和梅沖河兩座混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)。甸尾大壩混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置于大壩下游左岸甸尾附近的進(jìn)廠公路內(nèi)側(cè)，與甸尾導(dǎo)流洞、廠房混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)相鄰，系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)模為：配置2座HL360-2S6000L型強(qiáng)制式拌和樓，2座樓的常態(tài)、碾壓混凝土銘牌產(chǎn)量分別合計(jì)為720、600 m3/h，預(yù)冷混凝土產(chǎn)量合計(jì)600 m3/h。梅沖河混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)布置于壩址上游梅沖河出口附近，拌和樓布置于原始地形1 621.50 m高程，配置兩座HL320-2S4500L型強(qiáng)制式拌和樓，常態(tài)混凝土銘牌產(chǎn)量為640 m3/h，預(yù)冷混凝土銘牌產(chǎn)量500 m3/h。

表1 大壩碾壓混凝土分區(qū)入倉(cāng)特性統(tǒng)計(jì)

3 大壩碾壓混凝土分區(qū)規(guī)劃

3.1 大壩碾壓混凝土入倉(cāng)方式

黃登水電站碾壓混凝土入倉(cāng)方式主要有：自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)澆筑、自卸汽車(chē)運(yùn)輸→滿(mǎn)管溜槽→自卸車(chē)倉(cāng)內(nèi)倒運(yùn)、供料皮帶運(yùn)輸→滿(mǎn)管溜槽→自卸汽車(chē)倉(cāng)內(nèi)倒運(yùn)、自卸汽車(chē)運(yùn)輸→滿(mǎn)管溜槽→皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)→滿(mǎn)管溜槽+自卸汽車(chē)倉(cāng)內(nèi)倒運(yùn)、自卸汽車(chē)運(yùn)輸→寬溜槽→自卸汽車(chē)倉(cāng)內(nèi)倒運(yùn)、自卸汽車(chē)運(yùn)輸→皮帶運(yùn)輸→布料機(jī)等方式。

(1)自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)澆筑(見(jiàn)圖2)。在入倉(cāng)口倉(cāng)外設(shè)洗車(chē)平臺(tái)和脫水路段，入倉(cāng)口倉(cāng)內(nèi)采用常態(tài)混凝土提前澆筑入倉(cāng)道路，自卸汽車(chē)載碾壓混凝土依次通過(guò)洗車(chē)平臺(tái)、脫水路段、入倉(cāng)路至碾壓倉(cāng)內(nèi)卸料，自卸汽車(chē)入倉(cāng)口設(shè)置在壩體下游，入倉(cāng)道路在碾壓倉(cāng)澆筑完成備倉(cāng)間歇期間填筑不斷加高至自卸汽車(chē)爬坡極限坡度。

圖2 自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)澆筑示意(單位：mm)

(2)自卸汽車(chē)運(yùn)輸→滿(mǎn)管溜槽→自卸車(chē)倉(cāng)內(nèi)倒運(yùn)。滿(mǎn)管溜槽采用矩形和圓形2種截面形式，根據(jù)壩基兩岸施工道路分別布置在左岸高程1 500.00、1 560.00、1 625.00 m平臺(tái)，右岸6壩段高程1 528.00、1 560.00 m平臺(tái)、2壩段高程1 623.00 m平臺(tái)。每個(gè)平臺(tái)布置2組以上滿(mǎn)管溜槽以滿(mǎn)足澆筑強(qiáng)度需求和交替檢修需求。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，圓形截面滿(mǎn)管溜槽較矩形截面滿(mǎn)管溜槽效率高、故障頻率小。

3.2 大壩碾壓混凝土分區(qū)施工

根據(jù)壩基兩岸施工道路和地形特點(diǎn)，碾壓混凝土按不同高程、不同入倉(cāng)方式、倉(cāng)面面積、施工季節(jié)、資源配置等特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)施工，大壩碾壓混凝土分區(qū)特性表見(jiàn)表1。

4 碾壓混凝土工藝指標(biāo)

黃登水電站大壩碾壓混凝土工藝指標(biāo)主要有：

(1)碾壓混凝土鋪筑層以固定方向逐條帶鋪筑，條帶鋪料、平倉(cāng)、碾壓作業(yè)方向與壩軸線方向平行。

(2)攤鋪厚度按33～35 cm控制，壓實(shí)厚度按30 cm控制。

(3)卸入倉(cāng)面的混凝土及時(shí)平倉(cāng)、碾壓，壓條帶作業(yè)時(shí)間不大于2 h。

(4)振動(dòng)碾行走速度控制在1.0～1.5 km/h 范圍內(nèi)，走向偏差在20 cm內(nèi)。

(5)碾壓遍數(shù)2+6+2(靜碾+振動(dòng)碾+靜碾)，碾壓條帶間的搭接寬度為10～20 cm，端頭部位的搭接寬度不小于100 cm。

(6)碾壓條帶作業(yè)結(jié)束后，每層按100～200 m2方格網(wǎng)布置一個(gè)壓實(shí)度檢測(cè)點(diǎn)，碾壓混凝土相對(duì)密實(shí)度按大于等于98%控制。

(7)混凝土拌和物從拌和到碾壓完畢的時(shí)間最多不得超過(guò)2 h，高溫季節(jié)(4月～9月)碾壓混凝土，上一層混凝土覆蓋的時(shí)間間隔不得大于4 h，低溫季節(jié)(10月～翌年3月)碾壓混凝土，上一層混凝土覆蓋時(shí)間不得超過(guò)6 h。

(8)當(dāng)倉(cāng)內(nèi)氣溫高于25 ℃時(shí)，采取噴霧機(jī)進(jìn)行倉(cāng)面噴霧降溫。

(9)變態(tài)混凝土采用插孔→注漿→振搗法施工。

(10)碾壓混凝土分區(qū)內(nèi)的結(jié)構(gòu)縫采用切縫機(jī)切割。切縫采用“先碾后切”的方式，深度為碾壓層厚度的2/3?？p內(nèi)填充4層彩條布，填充物距壓實(shí)面1～2 cm，切縫完畢后用BW202AD 型振動(dòng)碾碾壓1～2遍。

5 碾壓混凝土施工方法

5.1 施工方法及施工設(shè)備配置

碾壓混凝土平層法施工方法采用通倉(cāng)、分區(qū)、平層、逐層鋪筑施工。壩體上下游及橫縫采用翻轉(zhuǎn)模板，局部輔以定型鋼模板施工，倉(cāng)號(hào)澆筑前模板、鋼筋、埋件等全部安裝到位，冷卻水管在澆筑過(guò)程中鋪設(shè)。倉(cāng)面按鋪料→平倉(cāng)→碾壓→檢查的順序交替流水施工。每2～3個(gè)條帶為一個(gè)作業(yè)區(qū)，配置平倉(cāng)、碾壓設(shè)備1套。條帶寬度根據(jù)作業(yè)時(shí)間確定，以混凝土開(kāi)始拌和至碾壓完成控制在2 h以?xún)?nèi)為原則。作業(yè)區(qū)劃分以工程量基本相同、完成每項(xiàng)工序的時(shí)間基本相同為原則。每個(gè)作業(yè)區(qū)單獨(dú)配置澆筑資源，由澆筑倉(cāng)面總指揮統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮。碾壓混凝土采用自卸汽車(chē)?yán)\(yùn)直接入倉(cāng)、自卸汽車(chē)?yán)\(yùn)+滿(mǎn)管溜槽+自卸汽車(chē)倉(cāng)內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、自卸汽車(chē)?yán)\(yùn)+滿(mǎn)管溜槽+皮帶運(yùn)輸+自卸汽車(chē)倉(cāng)內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)等方式入倉(cāng)澆筑。切縫作業(yè)單獨(dú)安排作業(yè)班組專(zhuān)人負(fù)責(zé)。大型噴霧機(jī)架設(shè)在相鄰倉(cāng)號(hào)或模板上口，由專(zhuān)人維護(hù)、運(yùn)行。

大壩碾壓混凝土施工主要設(shè)備配置見(jiàn)表2。

表2 碾壓混凝土主要施工設(shè)備配置

5.2 典型碾壓混凝土倉(cāng)面設(shè)計(jì)

碾壓混凝土倉(cāng)面設(shè)計(jì)內(nèi)容包括施工分區(qū)、條帶劃分、澆筑資源配置、澆筑方法、應(yīng)急措施等內(nèi)容，黃登大壩碾壓混凝土施工典型倉(cāng)面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

在施工資源充分，混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度有一定富余度的情況下采用平層法施工。碾壓混凝土平層法施工澆筑倉(cāng)號(hào)歷史短，有利于整體施工進(jìn)度控制，混凝土從拌合到碾壓完成控制在2 h內(nèi)，混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑各環(huán)節(jié)運(yùn)行緊湊，對(duì)整體施工組織水平要求高，各環(huán)節(jié)必須保證高效運(yùn)行。

澆筑倉(cāng)號(hào)資源投入集中，對(duì)施工組織和專(zhuān)業(yè)化水平要求高，澆筑倉(cāng)號(hào)要做到分區(qū)、分專(zhuān)業(yè)施工，避免施工資源跨區(qū)、跨專(zhuān)業(yè)施工造成顧此失彼；澆筑倉(cāng)號(hào)施工機(jī)械密集，自卸汽車(chē)、平倉(cāng)機(jī)、振動(dòng)碾、振搗臂、切縫機(jī)等大型設(shè)備同倉(cāng)作業(yè)，倉(cāng)號(hào)協(xié)調(diào)指揮工作尤為重要，施工人員專(zhuān)業(yè)及崗位分工要具體、詳細(xì)、單一。指揮協(xié)調(diào)按照指揮長(zhǎng)→區(qū)長(zhǎng)→班長(zhǎng)→施工人員的程序下達(dá)落實(shí)指令，避免多個(gè)信息來(lái)源造成矛盾指令、施工不暢?；炷龄伭享樞蚋鶕?jù)來(lái)料點(diǎn)，采取由遠(yuǎn)而近、上游防滲區(qū)優(yōu)先的原則。平層法澆筑倉(cāng)面面積大、混凝土種類(lèi)多，不同標(biāo)號(hào)混凝土同時(shí)入倉(cāng)澆筑，若管理不善易造成混亂。為確保澆筑倉(cāng)面運(yùn)輸流暢、卸料位置準(zhǔn)確采取了以下管理措施：在倉(cāng)面與拌和樓設(shè)置專(zhuān)人要料、所有拉運(yùn)混凝土車(chē)輛均在明顯位置掛混凝土標(biāo)識(shí)牌、在入倉(cāng)口和每個(gè)作業(yè)區(qū)安排車(chē)輛指揮專(zhuān)員與倉(cāng)面要料員對(duì)接。冷卻水管鋪設(shè)比較集中且大面占據(jù)作業(yè)面積，對(duì)澆筑影響較大，需安排專(zhuān)人負(fù)責(zé)此項(xiàng)工作，提前籌劃，協(xié)調(diào)好作業(yè)區(qū)域，避免澆筑倉(cāng)面交通不暢造成無(wú)法及時(shí)覆蓋影響混凝土施工質(zhì)量。變態(tài)混凝土是施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)，工程采用插孔、注漿、振搗的施工工藝，為確保施工質(zhì)量，制作了插孔器、限位器、定量量杯等專(zhuān)用工具，有效的控制了變態(tài)混凝土的施工質(zhì)量。

圖3 12號(hào)～15號(hào)壩段 自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)+滿(mǎn)管溜槽入倉(cāng)澆筑典型碾壓倉(cāng)面設(shè)計(jì)(單位：mm)

6 混凝土溫度控制

混凝土溫度控制包括拌和樓出機(jī)口溫度、入倉(cāng)溫度、澆筑溫度、混凝土內(nèi)部最高溫度控制、表面養(yǎng)護(hù)保溫等。

6.1 混凝土出機(jī)口溫度控制措施

對(duì)成品料倉(cāng)設(shè)置涼棚，成品料倉(cāng)堆料高度不低于8 m，確保骨料溫度少受日氣變化的影響；出料皮帶及骨料罐要設(shè)涼棚防雨防曬等。對(duì)混凝土骨料采用一、二次風(fēng)冷等措施進(jìn)行預(yù)冷，并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出機(jī)口溫度。按骨料的實(shí)際含水量變化情況及時(shí)調(diào)整混凝土用水量和加冰量，確?；炷脸鰴C(jī)口溫度及坍落度(或VC值)滿(mǎn)足要求。

6.2 混凝土入倉(cāng)溫度控制

加強(qiáng)施工管理，盡量減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)這縮短運(yùn)輸時(shí)間，避免混凝土運(yùn)輸車(chē)輛在運(yùn)輸途中長(zhǎng)時(shí)間等候。禁止采用尾氣設(shè)于車(chē)廂的汽車(chē)運(yùn)輸混凝土，并要求運(yùn)輸車(chē)輛車(chē)廂沖洗時(shí)間間隔不大于2 h。混凝土運(yùn)輸車(chē)必須設(shè)置防曬、防雨設(shè)施。高溫季節(jié)(4月～9月)運(yùn)輸混凝土?xí)r，應(yīng)對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛采取保溫措施，以減少運(yùn)輸過(guò)程中溫度回升。

6.3 混凝土澆筑溫度控制措施

及時(shí)平倉(cāng)、振搗或碾壓，碾壓混凝土碾壓條帶作業(yè)時(shí)間應(yīng)不大于2 h。高溫季節(jié)(4月～9月)澆筑過(guò)程中在混凝土振搗或碾壓密實(shí)后立即覆蓋保溫材料進(jìn)行保溫，控制混凝土坯間層間隔時(shí)間：4月～9月不大于4 h；10月～翌年3月不大于6 h。當(dāng)倉(cāng)內(nèi)氣溫高于25 ℃時(shí)，采取噴霧機(jī)進(jìn)行倉(cāng)面噴霧，噴霧應(yīng)能覆蓋整個(gè)倉(cāng)面。噴霧時(shí)水分不應(yīng)過(guò)量，噴霧后澆筑倉(cāng)內(nèi)氣溫較外界氣溫應(yīng)至少降低3 ℃。

6.4 混凝土內(nèi)部溫度控制措施

大壩混凝土內(nèi)部采用預(yù)埋冷卻水管通水冷卻控制大壩混凝土內(nèi)部溫度。冷卻水管管材采用內(nèi)徑28 mm、外徑32 mm的HDPE塑料水管。冷卻水管垂直水流方向鋪設(shè)，水管間距1～1.5 m、層距1.5～3 m，澆筑過(guò)程中鋪設(shè)。冷卻水管鋪設(shè)完成后即開(kāi)始通水冷卻，大壩混凝土通水冷卻分一期通水冷卻、補(bǔ)充通水冷卻和中期通水冷卻3個(gè)階段。一期通水冷卻的主要目的是消減澆筑層初期水化熱溫升，控制混凝土最高溫度不超過(guò)容許范圍，并減少內(nèi)外溫差。補(bǔ)充通水冷卻的目的是控制一期冷卻悶溫結(jié)束后的混凝土內(nèi)部溫度回升，溫度回升值應(yīng)控制在不超過(guò)一期冷卻結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)2.0 ℃。中期通水冷卻的主要目的是削減混凝土內(nèi)外溫差，預(yù)防混凝土在冬季出現(xiàn)裂縫。每年10月初開(kāi)始對(duì)當(dāng)年4月～9月澆筑的壩體混凝土進(jìn)行中期通水冷卻，將混凝土內(nèi)部溫度降至20～22 ℃。

7 碾壓混凝土數(shù)字化應(yīng)用

數(shù)字黃登·大壩施工管理信息化系統(tǒng)是以黃登水電站工程為依托，聯(lián)合國(guó)內(nèi)高校與科研單位共同進(jìn)行，綜合運(yùn)用工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、手持式數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)傳感技術(shù)(物聯(lián)網(wǎng))、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等多方面技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一套基于windows平臺(tái)的混凝土重力壩施工質(zhì)量智能控制及管理信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大壩混凝土從原材料、生產(chǎn)、運(yùn)輸、澆筑到運(yùn)行的全面質(zhì)量監(jiān)控。

7.1 碾壓混凝土數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

黃登水電站大壩混凝土采用全過(guò)程數(shù)字化監(jiān)控，施工質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)主要由碾壓施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和熱升層時(shí)間間隔實(shí)時(shí)監(jiān)控2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

7.1.1碾壓施工實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

碾壓施工實(shí)施監(jiān)控系統(tǒng)工作原理是通過(guò)在碾壓機(jī)安裝GPS流動(dòng)站，實(shí)時(shí)接受GPS基準(zhǔn)站差分信號(hào)，并將碾壓機(jī)位置信息、振動(dòng)狀態(tài)實(shí)時(shí)發(fā)送到施工工藝監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器，通過(guò)對(duì)比預(yù)先設(shè)定的施工工藝參數(shù)建立了一套“監(jiān)測(cè)-分析-反饋-處理”的碾壓混凝土壩施工工藝監(jiān)控體系，如圖4所示。

圖4 碾壓施工監(jiān)控操作流程

施工過(guò)程中，對(duì)于超過(guò)工藝規(guī)定的施工參數(shù)進(jìn)行報(bào)警，如圖5所示。

圖5 碾壓機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控

倉(cāng)面施工完成后，可生成最終碾壓遍數(shù)、高程、厚度等圖形報(bào)告，作為單元驗(yàn)收輔助材料。

7.1.2碾壓混凝土熱升層實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

施工前根據(jù)倉(cāng)面設(shè)計(jì)樁號(hào)范圍，將施工倉(cāng)面位置信息輸入監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)將倉(cāng)面均勻劃分為2 m×2 m網(wǎng)格，實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示倉(cāng)面任意位置熱升層時(shí)間，如圖6所示。

圖6 碾壓施工熱升層實(shí)時(shí)監(jiān)控桌面及報(bào)警

7.2 碾壓混凝土智能溫控系統(tǒng)應(yīng)用

黃登水電站在傳統(tǒng)混凝土溫控施工工藝的基礎(chǔ)使用混凝土溫控智能監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)使用“混凝土溫控智能監(jiān)控系統(tǒng)”，對(duì)骨料溫度、出機(jī)口溫度、入倉(cāng)溫度、澆筑溫度、混凝土內(nèi)部溫度及進(jìn)水水溫、出水水溫、通水流量等溫控要素的全過(guò)程實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)，可以直接獲取大壩每一倉(cāng)混凝土的溫控狀況。

圖7 混凝土智能通水原理

智能通水冷卻是根據(jù)智能監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)采集的溫度信息，利用黃登大壩混凝土智能通水冷卻參數(shù)預(yù)測(cè)模型，自動(dòng)評(píng)估計(jì)算出第二天將要采用的通水冷卻指令，并自動(dòng)將此通水指令發(fā)送到每一個(gè)測(cè)控裝置。大壩冷卻水智能通水測(cè)控箱，集自動(dòng)水溫測(cè)量、換向、流量調(diào)控一體，能及時(shí)自動(dòng)調(diào)整每一根水管的通水流量，達(dá)到精確、及時(shí)、無(wú)人工干預(yù)的自動(dòng)控制大壩每一倉(cāng)混凝土的通水冷卻。

8 結(jié) 語(yǔ)

黃登水電站是目前國(guó)內(nèi)已建最高碾壓混凝土重力壩，工程施工中克服了氣候特殊、工期緊、工程量大、施工機(jī)械布置困難等難題，在3年時(shí)間完成了大壩混凝土工程施工，大壩平均年施工高度達(dá)68.3 m，為目前國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)、滿(mǎn)管溜槽、皮帶、布料機(jī)、寬溜槽以及相互組合的碾壓混凝土入倉(cāng)措施的研究、應(yīng)用和技術(shù)總結(jié)為今后碾壓混凝土筑壩施工提供可借鑒的施工經(jīng)驗(yàn)。大壩碾壓混凝土平層法施工技術(shù)、碾壓混凝土數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng)和智能溫控系統(tǒng)在大壩混凝土施工過(guò)程的全面應(yīng)用，確保了混凝土施工質(zhì)量、大幅度提高了生產(chǎn)效率，為今后碾壓混凝土筑壩施工開(kāi)創(chuàng)了嶄新的局面。