碾压混凝土坝发展概况及趋势

碾压混凝土是用振动碾压实的干硬性混凝土。碾压混凝土坝是在常态混凝土坝与土石坝激烈竞争中产生的。土力学理论的发展,放宽了土石坝对建筑材料的限制,增大了利用当地材料筑坝的可能性;大型土石方施工机械的使用,加快了土石坝的施工速度,使得土石坝的造价降低,在经济上占了优势,从而使土石坝获得了蓬勃的发展。但在造价降低的同时,土石坝的安全性较混凝土坝低的特性并没有改变,主要原因是洪水漫顶和筑坝材料的内部侵蚀;土石坝的泄洪建筑物不能与坝体结合,需要在坝外另行布置专门的溢洪道;大规模开采当地材料对周围环境的破坏相当大。

注意到混凝土坝和土石坝各自具有的特点,人们开始努力寻求一种新的坝型,以便把混凝土坝的安全和土石坝的高效率施工结合起来。20世纪60年代有几个工程就是按照这一想法进行的:1961年,意大利在阿尔卑斯山区修建的172m 高的阿尔佩羡拉(Alpa Gera)混凝土重力坝,由于山高和施工时间受限制,采用两条斜轨斗车运送混凝土,然后用自卸汽车入仓;取消坝内冷却水管,用推土机平仓,铺成厚80m 的一层;坝体从河床一岸到另一岸全线同时浇筑上升,用悬挂于推土机后部的插入式振捣器进行振捣,用切缝机切割振捣后的混凝土,在坝体规定位置形成横缝;为了坝体防渗,除做好分缝止水外,还在坝体上游面铺设钢板,效果良好。1965年,加拿大魁北克曼尼科甘一号(Manicougan I)坝建造了两座18m 高的重力式翼墙,内部使用贫浆混凝土,以推土机铺筑,插入式振捣器振捣;上游面使用富浆混凝土,以垂直滑模形成;下游面使用预制混凝土块。

1970年,在美国加州召开了混凝土快速施工会议。拉费尔(J.M.Raphael)的论文《最优重力坝》建议使用水泥砂砾石材料筑坝,并用高效率的土石方运输机械和压实机械施工。由于水泥的稳固作用,增大了材料的抗剪强度并缩小坝的断面;使用类似于土石坝施工的连续浇筑方法,既可缩短施工时间,又可减少施工费用。

1972年,在美国加州又召开了混凝土坝经济施工会议。坎农(R.W.Cannon)的论文《用土料压实方法建造混凝土坝》进一步发展了拉费尔的设想。坎农介绍了用自卸汽车运输、前端装载机铺筑、振动碾压实无坍落度的贫浆混凝土的试验结果。他建议上、下游坝面用富浆混凝土,并用水平滑模形成。他还认为用自卸汽车运输混凝土不一定是最合适的方式。

1973年,在第11届国际大坝会议上莫法特(A.I.B.Moffat)的题为《适用于重力坝施工的贫浆混凝土研究》的论文,推荐将20世纪50年代英国路基上使用的贫浆混凝土用于修筑混凝土坝,用筑路机械将其压实。他预计,坝高40m 以上的坝,造价可减少15%。

对于碾压混凝土坝的发展产生过强烈影响的是巴基斯坦塔贝拉(Tarbela)坝的隧洞出口修复工程。1974年,该坝的泄洪隧洞出水口被洪水冲垮,修复工作必须在春季融雪之前完成,要求的施工速度必须极其快速。于是采用碾压混凝土进行修复,在42天时间里浇筑了35万m3 碾压混凝土,日平均浇筑强度为8400m3,最大日浇筑强度达1.8万m3,这是迄今世界上除龙滩工程外,主体工程最高的碾压混凝土浇筑强度。

碾压混凝土坝从设想到成为现实历时10年。1980年出现了世界上第一座碾压混凝土坝——日本岛地川重力坝。该坝高89m,上游面用3m 厚的常态混凝土,起防渗作用,坝体碾压混凝土的胶凝材料用量为120kg/m3,其中粉煤灰占30%。压实层厚度为50cm 和70cm,每一压实层碾压完毕后,停歇1～3天再继续浇筑上升。工程采用切缝机形成坝体横缝。

1982年,美国建成了世界上第一座全碾压混凝土重力坝——柳溪(Willow Creek)坝。该坝高52m,坝轴线长543m,不设纵横缝,内部碾压混凝土的胶凝材料用量仅为66kg/m3,压实层厚度30cm,连续浇筑上升,33.1万m3 碾压混凝土在不到5个月的时间内完成,比常态混凝土坝缩短工期1～1.5年,造价只有常态混凝土重力坝的40%左右、堆石坝的60%左右。柳溪坝充分显示了碾压混凝土坝所具有的快速和经济的巨大优势,它的建成大大推动了碾压混凝土坝在美国和世界其他各国的迅速发展。(www.xing528.com)

截至1999年底,全世界30个国家完建和在建的坝高15m 以上的碾压混凝土坝共224座,其中中国46座、日本40座、美国31座、西班牙23座。到2003年底,世界上已有15个国家完建和在建超过15m 坝高的碾压混凝土坝共280余座,其中中国56座、日本43座、美国39座、西班牙21座。

我国对碾压混凝土筑坝技术的研究开始于1978年。在进行了大量室内研究后,分别于1981年在四川省龚嘴水电站的混凝土路面工程、1983年在福建省厦门机场工地进行了大型试验块的野外碾压试验。在最后一次试验中,混凝土胶凝材料152kg/m3 中掺用了50%的粉煤灰,结果混凝土的可碾压性明显改善,密实性与均匀性大有提高,抗压强度普遍达到设计要求,有的试样抗压强度甚至超过24MPa,显示了大掺量粉煤灰碾压混凝土的优越性。1984年和1985年进一步扩大试验规模,几座水电站工程的非主体工程或非主要部位应用了碾压混凝土,它们是:铜街子水泥罐基础和牛日溪沟副坝、沙溪口纵向围堰和开关站挡墙以及葛洲坝船闸下导墙等。这些半生产性试验对大体积碾压混凝土施工进行了较全面的实际演练,锻炼了队伍,提高了施工技术和施工管理水平,为采用碾压混凝土筑坝技术打下了基础。

为了将取得的技术成果应用于混凝土坝中,选定了福建省坑口重力坝作为碾压混凝土筑坝技术工业性试验工程。根据前几年的试验研究成果并参考当时国外已建碾压混凝土坝的实践经验,确定坑口坝按照以下原则进行:高掺粉煤灰、低水泥用量、坝体不设纵横缝、低温季节施工、全断面分层碾压、连续浇筑上升和沥青砂浆防渗。经过6个多月的碾压施工,高56.8m 的我国第一座碾压混凝土坝于1986年5月建成。

在筑坝试验过程中,对碾压混凝土的稠度控制、压实规律、混凝土初凝及层面间隔时间、施工组织管理、仓面异种混凝土施工、下游面模板简化、坝体温度变化特性等问题展开了专题研究和现场观测,为提高碾压混凝土筑坝技术积累了宝贵的经验。

坑口坝试验成功为我国快速建坝开辟了新途径,碾压混凝土坝在我国获得了迅速发展,一些已经设计的甚至已经施工的工程也改用碾压混凝土,许多新工程更是积极采用碾压混凝土。至2005年,我国已建成碾压混凝土坝66座,在建的有35座,拟建的有24座。其中高度100m 以上的碾压混凝土重力坝和拱坝,建成的有岩滩(坝高110m)、水口(坝高101m)、江垭(坝高131m)、大朝山(坝高111m)、棉花滩(坝高111m)、沙牌(拱坝,坝高132m)、石门子(拱坝,坝高109m)、蔺河口(拱坝,坝高100m)、三峡三期围堰(高度115m)、百色(坝高130m)、索风营(坝高122m)和招徕河(拱坝,坝高107m),在建的有龙滩(坝高216.5m)、光照(坝高200.5m)、喀拉朔克(坝高121.5m)、洪口(坝高130m)、彭水(坝高116.5m)、景洪(坝高116m)、武都水库大坝(坝高121m)、大花水(坝高134.5m)、九甸峡(坝高180m)和金安桥(坝高160m)等。我国平均每年投产的碾压混凝土坝有3～4座,一般工期2～4年。目前平均每年新开工的碾压混凝土坝约有4～5座。

2001年,中国动工兴建的龙滩碾压混凝土重力坝,最大坝高216.5m,电站装机容量6300MW,水库库容273亿m3。坝的高度体现了一个国家的筑坝技术水平,龙滩大坝是目前世界上已建和在建的最高碾压混凝土坝,对这样重要的巨型水电工程,采用全断面碾压混凝土筑坝在世界上也无先例。大坝施工工期紧,浇筑强度高,要求在高温及多雨环境下全年连续施工,因此龙滩碾压混凝土重力坝的设计和施工技术均处于世界领先水平,为确保工程质量和施工进度,必须采用先进的施工技术。

碾压混凝土筑坝技术不断提高,日趋完善,主要表现在:采用高掺粉煤灰等外掺料,选用适宜的水泥、砂石骨料、优质复合型外加剂,针对具体工程特点确定优化配合比;不断改进碾压混凝土拌和、运输、摊铺、压实、成缝的机械设备;调整碾压混凝土VC值的控制范围;不断改进和提高混凝土布料、平仓、碾压、模板工程等施工工艺;研究变态混凝土、斜层平摊铺筑、诱导缝施工及恶劣环境条件下碾压混凝土施工新技术。