碾压混凝土坝的施工优化方案

20世纪60年代,世界各国开始碾压混凝土的试验研究,1981年,日本建成世界第一座碾压混凝土坝——岛地川(高89m)。虽然只有20多年的历史,但碾压混凝土坝的发展极其迅猛。截至1999年底,世界上30个国家完建和在建的坝高为15m 以上碾压混凝土坝已有220余座。我国从20世纪80年代初开始探索,1986年建成第一座碾压混凝土重力坝,至2002年底已建成碾压混凝土坝45座,其中拱坝7座,重力坝38座,百米以上有11座。在建碾压混凝土坝15座,其中拱坝3座,重力坝12座,我国的龙滩水电站碾压混凝土重力坝是目前世界上最高的,坝高216.5m。经过近20年的研究与实践,我国碾压混凝土筑坝技术已达到世界先进水平,在有些领域已达世界领先水平,是我国坝工发展中有前景的坝型之一,近期已建和在建设高100m 以上的碾压混凝土坝有龙滩(216m)、江垭(131m)、百色(126m)、大朝山(121m)、棉花滩(111m),其中碾压混凝土量均超过整个大坝混凝土量的60%以上。正在施工的龙滩水电站碾压混凝土量占65%左右,施工月高峰浇筑强度超过25万m3,创造了世界先进水平。

我国的碾压混凝土筑坝技术,创立了自己独特的经验,概括有:坝体体型结构简单;碾压混凝土配合比水泥用量低;尽量实现高掺粉煤灰和掺复合外加剂;坝体以碾压混凝土自身防渗为主,并采用富胶凝材料,抗渗性能高;施工上采用大仓面薄层连续浇筑工艺等。简言之,我国的碾压混凝土筑坝技术是高掺粉煤灰,低稠度、薄层、全断面、快速短间歇连续填筑。

我国已掌握在高温、高寒、潮湿多雨和干燥少雨等任何地域修建碾压混凝土坝的技术。在炎热多雨的海南岛修建了大广碾压混凝土重力坝,坝高57m,碾压混凝土48.5万m3;在严寒的辽宁省修建了白石碾压混凝土重力坝,坝高50.3m,碾压混凝土11万m3;在干燥严寒的甘肃河西走廊修建了龙首碾压混凝土薄拱坝,坝高82m,碾压混凝土19.5万m3;在干燥严寒的新疆修建了石门子碾压混凝土拱坝,坝高109m,碾压混凝土16万m3;在高温多雨的广东省修建了锦江碾压混凝土重力坝,坝高60m,碾压混凝土18.2万m3。

我国不仅能设计施工常规碾压混凝土坝,而且在碾压混凝土拱坝的设计施工方面有重大突破。1993年我国建成当时世界第一高的碾压混凝土重力拱坝——普定,坝高75m,碾压混凝土10.3万m3;1996年又建成当时世界第一座碾压混凝土薄拱坝——溪柄,坝高63.5m,碾压混凝土2.114万m3;2001年又建成世界第一高碾压混凝土薄拱坝——龙首,坝高82m,厚高比0.17,碾压混凝土19.5万m3;我国正在建设的碾压混凝土双曲薄拱坝——招徕河,坝高107m,厚高比0.173,碾压混凝土15.32万m3。

碾压混凝土材料性能和耐久性研究,揭示了碾压混凝土溶蚀机理,通过对碾压混凝土临界水力梯度及渗透溶蚀耐久性的分析论证,为直接采用碾压混凝土作为坝体防渗体、减少防渗层厚度、降低内部碾压混凝土水泥用量和大量采用粉煤灰提供了理论依据,并被应用于工程实践。研制的碾压混凝土配合比数据库和配合比计算机辅助设计方法,简化了碾压混凝土配合比设计。活性掺和料研究,解决了高掺粉煤灰的问题。一般掺量为胶凝材料的55%～65%,减少水泥用量,简化温控,在缺少粉煤灰的地区还可采用磨细后的磷矿渣和凝灰岩作掺和料。外掺石粉研究,解决了不同砂质外掺石粉用量对混凝土抗压、抗拉强度的影响。碾压混凝土外掺MgO 的膨胀性能研究已取得可喜的成果。

在碾压混凝土拱坝新结构研究方面,我国在石门子碾压混凝土拱坝设计中有重大突破,具有世界领先水平。为解决大仓面内外温差、运行期温降带来的整体拱坝温度初应力问题,在碾压混凝土拱坝上游坝肩拉力区设置人工应力释放缝、在拱冠下游拉力区设置人工径向短缝以释放水压及温度拉应力,并在缝端组合应力断裂区设置止裂结构以防裂缝延伸;在拱坝表面层前期冷却区设置膨胀混凝土塞及灌浆系统,利用膨胀混凝土塞良好的拱向传力作用,在坝体温度未完全下降前形成“铰接拱”提前蓄水,边蓄水边降温而下游面不产生较大的拉应力,待拱坝长时间降温后再进行中缝灌浆。研究表明:在水压作用下拱坝中缝上游部分断面混凝土塞和全断面混凝土在上下游坝面引起的应力接近,仅混凝土塞局部压力略加大,但亦不难控制在双轴压力场强度范围内。

变态混凝土(又称改性混凝土)是我国在碾压混凝土筑坝实践中创造的。它是在靠近坝肩、上下游模板和廊道周边等地段不用常态混凝土浇筑,而是用碾压混凝土铺摊后,再注入一定数量的水泥粉煤灰胶浆,用插入式振捣棒振实,采用这种方法可将碾压混凝土改性,形成平整光滑的外表面和良好的内部接合面,并简化施工。我国1989 年在广西岩滩碾压混凝土围堰的模板附近首先采用该法,1998年,澳大利亚的卡金果郎(Cadiangullong)坝施工中应用了这种方式。

在施工方面采用系统分析理论与算法,提出高碾压混凝土拱坝施工过程仿真程序,将数字模拟技术运用于施工规划与控制。采用深度缓冲区消隐技术,开发了碾压混凝土拱坝施工过程三维仿真模拟图形,实现坝体施工过程的三维动画。采用模糊网络计划理论,分析高碾压混凝土重力坝的发电工期和总工期的可行性、关键工序和线路,实现科学的施工组织管理。

在机具和工艺方面,研究开发了深槽高速皮带机,实现了高速、大槽角的碾压混凝土输送;改装的移动式塔式布料机,以塔式起重机为基础机,加设内、外旋转皮带机组成五连杆机构,利用塔式起重机的起重、回转、大小车移动功能完成皮带机在水平、垂直方向的布料,设备实用、造价低。改进负压溜槽下料控制装置,有利负压形成,使碾压混凝土在下滑过程中形成相对密实的料仓,实现定量给料。研究开发百米级真空溜管管带、全封闭的自动弧门及自动控制进料系统,解决了V 形河谷建高碾压混凝土坝施工难题。开发了具有中国特色的碾压混凝土筑坝工艺,该工艺具有设备投资小、施工简单、速度快等特点,施工中,在碾压混凝土坝下部采用自卸汽车直接入仓,中部采用汽车加真空溜管加汽车人仓,上部采用汽车加缆机入仓。开发了碾压混凝土斜层施工工艺。(https://www.xing528.com)

20世纪80年代末,在铜街子水电站创造了7000m2 大仓面连续碾压的纪录;2003年三峡工程三期碾压混凝土围堰,是重力式坝型,顶宽8m,最大底宽107m,最大坝高115m,碾压混凝土方量110万m3,最大通仓浇筑面积1.9万m2,施工工期5个月,创大仓面高速施工新纪录。

“九五”期间,以沙牌为依托,国家组织了“100m以上高碾压混凝土拱坝关键技术”课题的攻关研究。课题包括高碾压混凝土拱坝分缝及筑坝材料特性、碾压混凝土拌和设备的研制、高碾压混凝土拱坝的快速施工、高碾压混凝土拱坝现场快速质量检测技术以及高碾压混凝土拱坝原型观测等5项专题研究。

在高碾压混凝土拱坝分缝及筑坝材料特性研究专题中,根据沙牌的实际情况,研究了坝体的温度应力、坝体分缝方案的优化以及提高筑坝材料抗裂能力的问题。取得了100m 级高碾压混凝土拱坝配套技术,包括诱导缝设置方法、仿真计算程序、诱导缝成缝和重复灌浆技术、预埋高密度聚乙烯冷却水管、高精度绝热温升测试仪及高铁低铝的水泥成分选择等,已应用于实际工程。其中接缝重复灌浆技术对于工程早发挥效益至关重要,该技术包括灌浆管路布置、橡胶套阀出浆盒以及超细水泥灌浆材料。大比尺模型结果表明,可进行3次灌浆(含两次重复灌浆),且灌浆效果令人满意。这些高碾压混凝土拱坝配套技术具有推广应用前景。

碾压混凝土拌和设备研制专题研制出的200m3/h连续强制式混凝土搅拌机,具有搅拌时间短、结构简单、所需功率小、可靠性高、操作简单等特点,特别适合于快速连续生产混凝土的需要。该设备已经应用于沙牌和索风营工程。

高碾压混凝土拱坝的快速施工专题研究开发的施工模拟软件,能够指导沙牌的后续施工,进行进度预测;开发的100m 级负压溜管技术用于解决碾压混凝土入仓高差为100m 的技术问题,在运输过程中不致分离;研究的变态混凝土技术可以替代常态混凝土,具有施工速度快、温控措施简化、质量可靠的特点;改进的皮带输送机将推动峡谷地区碾压混凝土坝技术的应用。

高碾压混凝土拱坝现场快速质量检测技术专题研制的快速综合测试仪,可测试碾压混凝土的压实密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量和弹性波波速等多种力学参数;研制的碾压混凝土施工质量管理系统可以对施工过程中的检测数据进行存储、查询、计算、绘图和制表,并进行分析评估。本专题在国内外首创电动势法测试碾压混凝土层面初凝时间,是目前唯一能在分子层面直接测试碾压混凝土初凝时间的方法,成果不仅可用于碾压混凝土,也适用于常态混凝土。

高碾压混凝土拱坝原型观测专题进行了大坝原型观测设计研究、原型观测成果分析及反馈分析应用研究、碾压混凝土埋入式测缝计的研制以及旋流竖井原型观测设计研究。专题紧密结合沙牌实际,研究成果直接应用于依托工程,为确保沙牌的安全可靠运行及发挥综合工程效益起到了促进作用。