嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土筑壩技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

常昊天，姚寶永，薛建峰，田 政

（1.水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120；2.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢北京有限公司，北京 100024）

0 前 言

碾壓混凝土大壩是筑壩界公認(rèn)的環(huán)保型、節(jié)能型和安全型大壩，是最有發(fā)展前景的壩型之一。碾壓混凝土筑壩技術(shù)與傳統(tǒng)常態(tài)混凝土筑壩技術(shù)相比，在施工速度、節(jié)省投資等方面的優(yōu)勢(shì)較為明顯，得到了廣泛推廣。我國(guó)在碾壓混凝土筑壩過程中，逐步形成了不設(shè)縱縫、富漿碾壓混凝土防滲、低水泥高摻粉煤灰或礦渣類摻合料、低VC值、大面積連續(xù)澆筑、斜層鋪筑碾壓、變態(tài)混凝土代替常態(tài)混凝土等一套完整的碾壓混凝土設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)體系［1］。

龍灘、光照、黃登等200 m級(jí)的碾壓混凝土重力壩和萬家口子、三河口、象鼻嶺等100 m級(jí)碾壓混凝土拱壩的成功實(shí)踐，充分證明了我國(guó)碾壓混凝土筑壩技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，并在有些領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平［2］。新疆石門子、喀臘塑克碾壓混凝土壩的成功建設(shè)證明了我國(guó)在嚴(yán)寒地區(qū)的筑壩技術(shù)水平。豐滿重建工程碾壓混凝土重力壩是我國(guó)在嚴(yán)寒地區(qū)實(shí)施碾壓混凝土壩筑技術(shù)的又一次重要實(shí)踐。

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程是按恢復(fù)電站原有任務(wù)和功能，在原大壩下游120 m處新建一座大壩，并利用原豐滿電站三期工程。豐滿重建工程為一等大（Ⅰ）型工程，水庫(kù)正常蓄水位263.50 m，水庫(kù)總庫(kù)容103.77億m3。新建電站安裝6臺(tái)單機(jī)容量為200 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，利用原三期2臺(tái)單機(jī)容量140 MW的機(jī)組，總裝機(jī)容量1 480 MW。電站樞紐建筑物主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪系統(tǒng)、左岸泄洪兼導(dǎo)流洞、壩后式引水發(fā)電系統(tǒng)、過魚設(shè)施及利用的原三期電站組成。

碾壓混凝土重力壩壩頂高程269.50 m，最大壩高94.50 m，壩頂總長(zhǎng)1 068.00 m。大壩共分56個(gè)壩段，其中1～9號(hào)壩段為左岸擋水壩段；10～19號(hào)壩段為主河床溢流壩段；20～25號(hào)壩段為主河床偏右的廠房壩段；26～56號(hào)壩段為右岸擋水壩段。壩身泄洪系統(tǒng)采用壩頂開敞式溢流表孔，共9孔，壩后采用深挖式消力池底流消能方式。

2 壩基開挖控制爆破技術(shù)實(shí)踐

新豐滿大壩壩基開挖難度極大，在老電站樞紐運(yùn)行區(qū)內(nèi)進(jìn)行大型水電站壩基爆破開挖國(guó)內(nèi)尚屬首次，存在如下難點(diǎn)：

（1）新、老壩間僅相距120 m，壩基開挖期間，豐滿老壩仍發(fā)揮其應(yīng)有的擋水、泄洪等功能；

（2）爆破影響范圍內(nèi)的豐滿電廠一二期發(fā)電廠房、三期廠房、三期泄洪洞等電廠設(shè)施內(nèi)機(jī)電設(shè)備正在運(yùn)行且運(yùn)行多年，廠區(qū)內(nèi)還有諸多辦公樓還在使用；

（3）壩址區(qū)地處AAAA級(jí)景區(qū)，兩岸上壩公路也在爆破影響范圍內(nèi)，游客、社會(huì)車輛過往頻繁，爆破及警戒時(shí)間極為有限；

（4）壩基爆破開挖主要在寒冬進(jìn)行，氣候條件極其惡劣。

新豐滿大壩壩基開挖爆破采用精細(xì)設(shè)計(jì)、控制爆破。施工過程中對(duì)每一炮均進(jìn)行了爆破設(shè)計(jì)，從控制爆破規(guī)模、單響藥量、聯(lián)網(wǎng)方式、飛石方向、炮區(qū)覆蓋沙袋和炮被等方面對(duì)爆破振動(dòng)和飛石進(jìn)行控制，同時(shí)對(duì)每一炮均進(jìn)行了爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析不斷優(yōu)化調(diào)整爆破設(shè)計(jì)，累計(jì)監(jiān)測(cè)676次爆破，各測(cè)點(diǎn)的爆破峰值振動(dòng)均滿足各保護(hù)對(duì)象爆破振動(dòng)安全允許振速［3］。

大壩水平建基面保護(hù)層開挖采用“先鋒槽+水平預(yù)裂爆破”開挖技術(shù)，即根據(jù)水平建基面總寬度和鉆孔機(jī)具的體型，預(yù)先形成縱向先鋒槽，再進(jìn)行建基面保護(hù)層水平預(yù)裂爆破。預(yù)先形成的先鋒槽雖然增加了部分開挖量，但大大縮短了水平預(yù)裂鉆孔長(zhǎng)度，降低了開挖施工難度，保證了鉆孔精度，使得建基面平整度大幅提高；而水平預(yù)裂爆破技術(shù)則大大減弱了對(duì)建基面以下巖體的振動(dòng)和沖擊，起到了保護(hù)建基面的作用，使得壩基開挖質(zhì)量得到保證。

3 碾壓混凝土筑壩技術(shù)實(shí)踐

3.1 粉煤灰代砂技術(shù)

施工過程中，經(jīng)檢測(cè)人工砂中石粉含量略有不足，高溫季節(jié)施工時(shí)部分碾壓混凝土存在泛漿效果和可碾性略差的情況。為此新豐滿大壩進(jìn)行了不同比例粉煤灰替代同體積人工砂試驗(yàn)，補(bǔ)充人工砂中的細(xì)顆粒含量，以提高碾壓混凝土泛漿效果。通過試驗(yàn)分析，采用5%粉煤灰代替同體積人工砂效果最優(yōu)。粉煤灰代砂技術(shù)有效地解決了人工砂石粉含量不足的問題，保證了碾壓混凝土施工質(zhì)量。

3.2 墊層混凝土澆筑技術(shù)

碾壓混凝土壩基礎(chǔ)墊層通常采用常態(tài)混凝土澆筑，常態(tài)混凝土水化熱高、對(duì)溫控不利，需要進(jìn)行分塊澆筑，模板制作安裝工程量較大，基巖面覆蓋時(shí)間較長(zhǎng)，難以充分發(fā)揮碾壓混凝土快速施工優(yōu)勢(shì)。

新豐滿大壩施工提出墊層混凝土全面采用薄層變態(tài)混凝土找平的施工工藝?？紤]在凹凸不平的建基面上直接澆筑富漿碾壓混凝土可能會(huì)出現(xiàn)局部碾壓不密實(shí)的情況，新豐滿大壩墊層施工過程中，全面采用0.3～0.5 m厚C9020機(jī)拌變態(tài)混凝土找平基巖面。相對(duì)于常態(tài)混凝土墊層，更進(jìn)一步地降低了基礎(chǔ)墊層混凝土的水化熱反應(yīng)，可有效控制基礎(chǔ)溫差。同時(shí)，0.3～0.5 m的找平層厚度大大減少了模板制安工程量和墊層混凝土澆筑量，可使碾壓混凝土快速上壩施工，減小了壩體冷升層時(shí)間。

3.3 全斷面斜層碾壓筑壩技術(shù)

新豐滿大壩采用全斷面斜層碾壓的施工工藝，具有如下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）有利于控制層間間隔時(shí)間。采用斜層碾壓技術(shù)，可通過調(diào)整層面坡度靈活地控制層間間隔時(shí)間，使之滿足施工進(jìn)度和層間結(jié)合質(zhì)量的要求，特別是只要澆筑塊高度和斜層坡度選擇合適，可以在不增大混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸與澆筑能力的前提下，使層間間隔時(shí)間縮短，甚至小于混凝土的初凝時(shí)間。

（2）有利于壩體混凝土溫度控制。斜層碾壓工藝相對(duì)于平層碾壓工藝來講，倉(cāng)面面積相對(duì)較小，每層混凝土的覆蓋時(shí)間縮短，大大減少了倉(cāng)面的溫度倒灌回升。

（3）節(jié)省工程投資。采用斜層碾壓技術(shù)，可以用較小的澆筑強(qiáng)度覆蓋較大的壩體澆筑倉(cāng)面面積，從而減小澆筑能力配置，降低設(shè)備投入和臨時(shí)工程費(fèi)用。

（4）有利于雨季施工倉(cāng)面排水。碾壓混凝土平層碾壓施工工藝排水通常較為困難，而斜層碾壓施工工藝下，雨水可沿坡面快速排出。

（5）有利于減小對(duì)已完成碾壓倉(cāng)面施工質(zhì)量的影響。碾壓混凝土平層碾壓施工工藝易出現(xiàn)重載汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)已碾壓好層面造成損傷的問題，而斜層碾壓施工工藝下，重載汽車可以在下層收倉(cāng)的層面上先調(diào)頭，隨后倒車至碾壓層面，避免對(duì)已碾壓好層面的損傷。

新豐滿大壩采用了全斷面碾壓混凝土設(shè)計(jì)理念，施工過程中碾壓混凝土全部采用自卸汽車直接入倉(cāng)，采用先澆式入倉(cāng)口設(shè)計(jì)，使得碾壓混凝土快速連續(xù)上升的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，極有利于對(duì)層間結(jié)合質(zhì)量、壩體溫度、施工進(jìn)度、投資等各方面控制。針對(duì)斜層碾壓時(shí)坡角處的薄層尖角問題，采用專人清除坡腳薄層和補(bǔ)灑水泥粉煤灰凈漿的方式，完善了斜層碾壓工藝，提高了層面結(jié)合質(zhì)量［4］。

3.4 異種混凝土同步上升技術(shù)

新豐滿大壩溢流面斜直段常態(tài)混凝土澆筑采取了與碾壓混凝土同步上升的施工工藝。常態(tài)混凝土與碾壓混凝土同時(shí)澆筑且結(jié)合良好，不存在二期結(jié)合面；避免了常態(tài)混凝土大面積、大體積澆筑帶來的溫度應(yīng)力裂縫及干縮裂縫的產(chǎn)生；避免了后期混凝土澆筑時(shí)的澆筑倉(cāng)面狹小、振搗困難、倉(cāng)面清理困難、入倉(cāng)手段匱乏等不利狀況，有利于保證混凝土的澆筑質(zhì)量。

溢流面采用低坍落度常態(tài)混凝土，使用倉(cāng)面自卸車直接入倉(cāng)，避免常規(guī)的采用攪拌車運(yùn)輸、高塌落度常態(tài)混凝土帶來的混凝土成本增加及溫度裂縫所帶來的不利影響。

3.5 變態(tài)混凝土澆筑技術(shù)

變態(tài)混凝土主要分為加漿變態(tài)混凝土和機(jī)拌變態(tài)混凝土兩種。加漿變態(tài)混凝土是在碾壓混凝土拌和物鋪料后灑鋪水泥粉煤灰凈漿，以常態(tài)混凝土振搗法作業(yè)振實(shí)是較為常用的做法，但由于是現(xiàn)場(chǎng)人工加漿可能存在漿液分布不均勻及和易性存在差異的情況；機(jī)拌變態(tài)混凝土是在拌和樓按照試驗(yàn)確定的配合比和攪拌時(shí)間拌制而成，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)直接使用。

為保證變態(tài)混凝土良好的和易性、均勻性，豐滿重建工程在大壩上游防滲區(qū)、下游模板邊、廊道周邊、兩岸岸坡及其他大面積變態(tài)區(qū)域采用機(jī)拌變態(tài)混凝土施工，僅在碾壓混凝土與常態(tài)混凝土或變態(tài)混凝土搭接部位、壩體內(nèi)部碾壓混凝土與橫縫模板接觸部位等少量區(qū)域采用加漿變態(tài)混凝土。

3.6 全斷面裝配式鋼模板技術(shù)

新豐滿大壩廊道施工總長(zhǎng)為2 150 m，廊道頂部為直徑3 m的半圓，廊道墻高2 m，總高度3.5 m。廊道截面小，起重吊裝設(shè)備無法進(jìn)入，模板必須向內(nèi)拆除。傳統(tǒng)施工方法采用輕巧便利的木質(zhì)模板，便于人力方式拼裝和拆除，但也不可避免地出現(xiàn)木質(zhì)模板重復(fù)使用率低，造成了資源浪費(fèi)。

綜合考慮，本工程現(xiàn)澆廊道全面采用全斷面裝配式鋼模板［5］。鋼模板研發(fā)沿用了組合鋼模板的設(shè)計(jì)理念，單片墻體直模板和弧形頂模板力求做到小巧輕便。全斷面裝配式鋼模板技術(shù)便于人工拆除、重復(fù)利用率高，大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

3.7 上游止水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及橫縫止水間接縫灌漿技術(shù)

橫縫滲漏問題在水電站大壩中較為常見，大壩橫縫滲漏對(duì)水工建筑物的危害很大，輕則加速老化病害的發(fā)生與發(fā)展，重則造成水工建筑物破壞甚至失事。造成橫縫滲漏主要原因包括止水安裝工藝控制不嚴(yán)、止水片自身缺陷和施工中止水周邊混凝土振搗不密實(shí)等。通常的橫縫滲漏處理措施均屬于在大壩施工完畢后對(duì)滲漏問題的事后補(bǔ)救措施，不可避免地對(duì)壩體造成一定的破壞，還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)和偏差。

為規(guī)避上述風(fēng)險(xiǎn)，新豐滿大壩上游面橫縫共設(shè)2道銅片止水，第1道止水向上通至防浪墻頂，第2道止水向上通至壩頂鋪裝層，第2道止水后設(shè)直徑219 mm的圓形排水井，橫縫排水井為熱軋鋼管，鋼管對(duì)稱剖開后預(yù)留1.5 cm左右的縫隙，在縫隙部位沿高度方向不連續(xù)對(duì)焊。為防止壩體混凝土澆筑時(shí)從鋼管縫隙部位向內(nèi)進(jìn)漿，事先在鋼管外側(cè)包無紡布2層。同時(shí)，豐滿重建工程在大壩上游2道銅止水之間增設(shè)了接縫灌漿系統(tǒng)，作為橫縫防滲輔助措施，通過后期聚氨酯灌漿起到了良好的封閉效果，對(duì)重力壩止水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了非常有益的探索和實(shí)踐。此外在高壩止水設(shè)計(jì)中，除在上游2道銅止水間增加接縫灌漿系統(tǒng)外，再把止水做成“2道銅止水、1道橡膠止水、1個(gè)橫縫排水井”的型式，實(shí)現(xiàn)止水結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)，最大程度減小壩體滲漏量，有利于大壩永久運(yùn)行安全。

3.8 碾壓混凝土溫度控制技術(shù)

豐滿水電站重建工程充分利用了壩前高達(dá)百億庫(kù)容的松花湖的優(yōu)越條件，采用庫(kù)區(qū)深井取水技術(shù)取得庫(kù)區(qū)深層的較低溫水，用于混凝土拌和和壩體通水冷卻，大大降低了溫控成本，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

本工程高溫季節(jié)精細(xì)化的混凝土溫度控制與防裂綜合措施，包括優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比、分階段制定溫度控制措施、通水冷卻、養(yǎng)護(hù)和表面保護(hù)等。

對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土越冬臨時(shí)保護(hù)，本工程采用高防火等級(jí)的橡塑海綿作為主要臨時(shí)保溫材料，根據(jù)越冬面保溫參數(shù)計(jì)算分析以及保溫材料性能，制定了“塑料薄膜+N層橡塑海綿+三防布”的綜合保溫措施，在實(shí)際應(yīng)用中取得了優(yōu)良的保溫效果［6］。同時(shí)，開展了嚴(yán)寒地區(qū)人工造雪越冬保溫技術(shù)試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該技術(shù)可有效減少越冬混凝土與外界冷空氣的熱交換，能起到較好的保溫作用［7］。越冬后的快速?gòu)?fù)工是嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土筑壩過程中的關(guān)鍵工序，新豐滿大壩分三次逐步揭開臨時(shí)越冬保溫材料的方式，最大限度地避免了越冬停澆面的溫度驟降。

隨著新豐滿大壩的逐步建成，在大壩上、下游全面采用了聚氨酯永久保溫以消減表面溫度梯度，控制表面溫度應(yīng)力，防止產(chǎn)生危害性裂縫。

4 大壩上游輔助防滲技術(shù)實(shí)踐

聚脲材料以其優(yōu)異的理化性能、整體防護(hù)性及施工高效性在水利水電工程防滲以及防護(hù)項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用，目前已在混凝土壩表面防滲、泄洪建筑物抗沖磨防護(hù)等建筑物的表面防護(hù)（降糙、防滲）等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

新豐滿大壩上游面以及廠房壩段、溢流表孔門槽上游面分別采用不同類型的聚脲材料進(jìn)行輔助防滲處理。通過實(shí)踐，不同種類的聚脲應(yīng)根據(jù)使用條件的不同進(jìn)行選擇；雙組分噴涂聚脲具有施工快速、成本低以及良好的柔性，適用于迎水面大面積的輔助防滲；聚天門冬氨酸脂雙組分聚脲具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能、耐候性以及與混凝土的可靠黏結(jié)性，可應(yīng)用于水流沖刷、抗凍蝕等混凝土部位的防護(hù)。

5 大壩上游抗冰拔材料研究與實(shí)踐

嚴(yán)寒地區(qū)，冬季壩前庫(kù)區(qū)結(jié)冰，冰層隨水位變動(dòng)對(duì)壩體產(chǎn)生拉拔作用。新豐滿大壩上游采取了聚氨酯保溫，當(dāng)冰層與混凝土聚氨酯保溫層黏結(jié)在一起時(shí)，隨著庫(kù)水位變動(dòng)，厚冰層會(huì)對(duì)聚氨酯保溫層產(chǎn)生拉拔、推動(dòng)、撞擊現(xiàn)象，從而造成保溫層拉拔破壞。因此，需要找到滿足一定性能要求的抗冰拔涂層材料，其具體要具備：良好的防滲性和較低的吸水率；涂層表面光滑，具有較強(qiáng)的憎水性；涂層與聚氨酯保溫層結(jié)合良好；涂層材料具有良好的耐候性能及適應(yīng)變形能力。經(jīng)過試驗(yàn)比選，新豐滿大壩采用了“雙組分涂刷聚脲+氟改性天冬聚脲面漆”作為保溫層表面抗冰拔材料，經(jīng)過蓄水后第一個(gè)越冬年的實(shí)踐，水位變動(dòng)區(qū)聚氨酯保溫層保存較好，起到了良好的抗冰拔作用［8］。

6 大壩建設(shè)智慧管控全面應(yīng)用與實(shí)踐

隨著物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)視覺及云計(jì)算等先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的日益成熟以及在大壩建設(shè)中的廣泛應(yīng)用，我國(guó)全面實(shí)現(xiàn)大壩智能建設(shè)已成為必然趨勢(shì)［9］。為保證大壩建設(shè)質(zhì)量，新豐滿大壩建設(shè)采用了施工現(xiàn)場(chǎng)多網(wǎng)組合技術(shù)、施工過程實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)、碾壓施工智能化監(jiān)控技術(shù)、核子度密儀信息自動(dòng)采集與分析技術(shù)、智能溫控技術(shù)、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)智能化技術(shù)等智慧管控技術(shù)，這是高寒地區(qū)碾壓混凝土重力壩從數(shù)字化建設(shè)向智能建設(shè)發(fā)展的有益探索和實(shí)踐［10-13］。

7 結(jié) 語

位于嚴(yán)寒地區(qū)的豐滿水電站重建工程碾壓混凝土重力壩建設(shè)，是對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土筑壩技術(shù)、智慧建設(shè)技術(shù)的一次重要實(shí)踐。其工程實(shí)踐豐富和完善了碾壓混凝土壩建設(shè)的理論、方法與技術(shù)。諸多先進(jìn)的工程應(yīng)用和創(chuàng)新成果對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)碾壓混凝土筑壩建設(shè)具有重要的參考價(jià)值和實(shí)踐意義，對(duì)未來大型水電站重建工程的建設(shè)和管理具有重要的示范作用和借鑒意義。