东北寒冷地区采用碾压混凝土筑坝的实践.pdf

2 0 1 4年第 5期 黑龙江水利科技 ( 第 4 2卷)H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v anc y N0 ． 5 ． 2 0 1 4 ( r 0 t a l N o ． 4 2 ) 文章编号 ： 1 0 0 7— 7 5 9 6 ( 2 0 1 4 ) 0 5— 0 1 6 3— 0 3 东北寒冷地区采用碾压混凝土筑坝的实践 李 宝石 ( 辽宁省白石水库管理局， 辽宁 朝阳 1 2 2 0 0 0 ) 摘要： 白石水库混凝土大坝位于东北寒冷地区， 由于气候的特殊性， 在施工过程中采用碾压 混凝土筑坝技术， 将 R C D技术和 R C C工法配比结合 ， 进一步发展 了 R C D技术 ， 增加采用碾压 混凝土筑坝的经验。该文主要阐述了在不利气候条件和施工条件下， 为确保工程质量 ， 从越冬 面 昆 凝土层间强度、 温度控制、 防裂措施、 吸取其它水库经验教训等环节对工程质量进行控制。 关键词： 筑坝特点 ； 筑坝经验； 温度控制 ； 防裂措施； 白石水库 中图分类号： T V 5 4 4 ． 9 2 1 文献标识码 ： B 0 引 言 拦河筑坝挡水 已有近 5 0 0 0年的历史。然而 ， 1 9 世纪 以前 修 建 的坝 ， 基本 属 土石 坝 范 畴 的浆砌 毛 石坝 。 1 9世纪后期 ， 逐渐开始用混凝土筑坝。当时人 们认为混凝土的强度不如砌石 ， 因而规定仅在压应 力 < 5 k g ／ c m 的部位才可使用混凝 土。1 9世纪末开 始出现块石混凝土坝 ， 然 而混凝 土仅被做为填塞料 使用 。 2 0世纪初 ， 由于混凝 土施工 工艺 和施工机 械的 迅速发展 ， 7 0年代末 ， 中国开始对碾压混凝 土技术进 行研究。8 O年代后进入现代设计与施工 的阶段 。成 为当今最具竞争力的坝型之一 。 1 R C D和 R C C的特点 碾压混凝土筑坝和常规混凝 土筑坝 ， 其设 计原 理并无差别 ， 只是其施工方法有 所改变。碾压 混凝 土筑坝技术 ， 利用 自卸汽车运输拌和 的干贫混 凝土 直接人仓 、 湿地推土机通仓薄层摊铺并预压 、 振动切 缝机切 缝 、 自行式 振 动碾 碾压 而 实现 坝 体混 凝 土 浇筑。 碾压混凝土筑坝 ： 由于工艺流程规范 、 施工设备 配套， 可以实现施工的高度机械化， 因而具有快速施 工 的特点 ； 由于采用干贫混凝土并掺和部分粉煤灰 ， 因而可以减少水泥用量 、 降低水化热温升 、 简化温度 控制措施 。 然而 ， 作 为碾 压混 凝 土 筑坝 技 术两 大 分支 的 R C D和 R C C， 又各 自具有不 同的特点 。其 中主要 的 差别在于： 1 ) R C D采用“ 金包银” 的断面型式， 即所有外部 的基础垫层 、 上游防渗层 、 下游保护层均采用常规混 凝土， 仅在 内部采用 R C D碾压混凝土 ； 而 R C C则采 用全断面碾压型式。 2 ) R C D碾压层厚7 5 c m， 分 3层摊铺 ( 每层 2 7 c m) ， 1次碾 压。碾压层 间间歇 3—5 d 。层 间处 理规定 ， 在每层终凝前要进行 刷毛 ， 然后流水养生 ， 并在下一层浇筑前铺一层 1 ． 5 c m 厚 的水泥砂浆 。而 R C C的碾压层厚3 0 c m， 一次摊铺并碾压。层间不间 歇 、 不处理 ， 连续升程。 3 ) R C D混凝土的配合 比， 采用胶凝材料 总量为 ( C+F) = ( 1 2 0 ～ 1 3 0 )k g ／ m ， 其 中粉 煤灰掺量 F ／ ( C+F)=3 0 ％。 R C C一般则采用高胶凝材料总量和高粉煤灰掺 量， 且变动幅度都比较大； 目前 F ／ ( c+F ) 平均在 6 0 ％左右。 4 ) R C D和 R C C均不在坝体内部设置纵缝。但 R C D为避免坝体产生裂缝发生渗漏， 同常规混凝土 坝一样， 每隔1 5 m 左右设置一道横缝， 并采取常规的 [ 收稿日期] 2 0 1 3 — 0 9— 1 1 [ 作者简介] 李宝石( 1 9 7 6一) ， 男， 辽宁开原人 ， 工程师 ， 研 究方向为水库工程建设、 管理等。 ． - - —— 1 63 --—— — 2 0 1 4年第5期 ( 第4 2卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g i i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No ． 5 ． 201 4 ( T o t a l N o ． 4 2 ) 止 、 排水措施 。 R C C一般则不设横缝 ； 若设 ， 间距 也很大 ， 有 的 上百米 卜 。 2 寒冷地区筑坝技术的选择 白石水库位于辽宁西部地区， 气候条件恶劣， 极 端最高气温达4 2℃ ， 最低气温至 一 3 7 。水面蒸发 量高达2 0 0 0 mm， 降水量仅为5 0 0 m E， 每年的降水多 集 中于 7 、 8两月。 风沙大， 旱情不断， 再加上冰冻期长达 5个月之 久 ， 无霜期只有 1 3 0～1 8 0 d 。这种气候条件 ， 对大体 积混凝土的施工极为不利。 寒冷地 区修建碾 压混凝 土坝 对筑坝 技术 的选 择 ， 除了要考虑稳定 、 强度 的要求外 ， 还应该考 虑防 渗 、 抗冻和耐久性 的要求 ， 尤其要对 防裂措施给予足 够 的重视 。 上述碾压混凝 土筑坝技术特点表 明， R C D采用 “ 金包银” 的断面， 外部防渗层、 保护层全部为常规混 凝土， 碾压层间处理要求严格， 层间结合良好， 完全 可以满足常规混凝土坝安全可靠 、 特别是 防渗 、 抗冻 和耐久性的要求。 但是 ， R C D筑坝技术 的施工速度 不如 R C C快 ， 同时也不具备 R C C高掺粉煤灰的优点 。 因此， 在寒冷地区修建碾压混凝土坝， 以选择 R C D筑坝技术为宜 ， 同时应适 当吸取 R C C筑坝技术 的优点。 3 已成工程的经验教训 观音阁坝是我国首次引进 日本 R C D筑 坝技术 、 在严寒地区修建的碾压混凝土重力坝。 观音阁坝于 1 9 9 0年开工 ， 1 9 9 5年建成 。该坝前 期准备工作充分 ， 设计研究 严谨 ， 建设管理严格 ， 施 工质量优 良。采用 R C D筑坝技术是成功的。 在大坝建成的当年， 经受了 1 9 9 5年浑河、 太子 河大水的考验。库水位猛涨至正常高水位 以上， 变 形观测正常， 全坝基最大渗流量仅为9 9 ． 7 L ／ ra i n 。 水库发挥了巨大的防洪作用和供水、 发电效益。 然而， 观音阁地处北方严寒地区， 其气候条件远 比 日本海洋性气候和我 国南 方暖湿气候恶劣得多。 主要是冬季停工期长达 5个月之久 ， 春季干旱 多风 ， 夏季炎热多雨 ， 秋季昼夜温差大。 因此， 在观音阁大坝建设期间， 曾产生了一些程 度不同的裂缝。这些裂缝大体可以划分为4 类： 一 】 6 4 — 1 ) 基础垫层混凝土裂缝。 2 ) 溢流坝反弧段上游侧裂缝。 3 ) 泄水底孑 L 环形缝。 4 ) 越冬面水平施工逢 的开裂。 其中尤以越冬面水平施工缝的开裂最为严重。 可以看 出， 导 致越 冬 面水 平施 工 缝 的开裂 的 原 因 ： 1 ) 混凝土上下层温差与内表温差产生 的温度应 力大大超过混凝土的抗裂强度。 2 ) 层问 、 特别是越冬 面层 间的抗拉强度 明显低 于本体抗拉强度。所产生 的温度应 力 ， 上游 面是 由 上下层温差起控制作 用 ， 下游面则系 内表温差 占主 导地位。 这说 明， 在严寒地区修建碾压混凝土重力坝 ， 仍 然是一个值得重视研究的课题。 观音 阁碾压混凝 土采 用 了 日本标 准的 R C D配 合 比( 胶凝材料总量1 3 0 k g ／ m ， 粉煤灰掺量 ( C+ F)=3 0 ％) 。 日本 R C D工法 的规定 比较严格。近 年来在配合 比方面有所进展， 但粉煤灰掺量最高仅 为4 0 ％。 在总结观音阁经验教训基础上进行 的白石坝的 设计和施 工中， 企 图吸取 R C C配合 比的优点 ， 进一 步减少水泥用量， 提高粉煤灰掺量， 以降水泥的水化 热温升。 通过室内试验 和现场碾压试验 ， 白石碾 压混凝 土采用 了 C = 7 2 k g ／ m 、 F ／ ( C+F )= 5 9 ％ 、 砂率 s ／ a ： 3 4 ％的配合 比， 并通过掺入混凝土保塑剂 ， 节 约 水泥， 提高塑化性能， 使其振动压实指标 V C值随时 间的变化来满足 R C D施工的要求。 白石碾压混凝土掺人粉煤灰的数量达到了国内 R C C平均水平 ， 有利于施工的和易性 ， 同时也有利于 温度控制 。 白石 的混凝土碾压技术将 R C D与 R C C完美结 合 ， 从而发展了 R C D筑坝技术。 4 越冬面 混凝 土层 间强度 越冬面附近的混凝 土均是在上一年 的 1 0月份 停止浇筑的， 在下一年的 4月份恢复浇筑 的层面， 此 时上下层面的温差较大。在这段时期 内浇筑 的混凝 土由于强度增长缓慢 ， 养生条件差 ， 其强度要低于正 常气温浇筑混凝土的强度 。 根据观音 阁水库对浇筑混凝土强度试验资料 的 数据分析 ， 浇筑 的混 凝 土强度 为平 均强 度 的 8 5 ％ 李宝石： 东北寒冷地区采用碾压混凝土筑坝的实践 第 5期 ～ 8 7 ％ 。 由于碾压技术使混凝土上下层面产生微小裂 隙， 导致上层混凝土 的强度要低 于下层 的混凝土强 度 。根据钻芯样本统计结果 ， 其强度 比值为 0 ． 9 2 。 这两种原 因使混凝 土强度降低 ， 尽管层 间结合 面铺设水泥砂浆 ， 但其强度仍然偏低 ， 约为本体混凝 土强度的 7 5 ％。 白石坝体不同部位混凝 土容许拉应力值 [ 盯 ] 见 表 1 。 表 1 混凝土容许拉应力 表 1表明 ： 要提高混凝 土强度 ， 停工不 能太晚 ， 开工不能太早 ， 必须做好保温工作。 5 温度控制 碾压混凝土筑坝 ， 由于采用 干贫 配合 比的混凝 土 ， 因而可 以简化温控措施 ， 从以往 的施工经验与教 训再结合 白石的具体条件 ， 确定并执行 ， 强约束 区内 } 昆 凝土允许浇筑温度1 5 q c， 其余1 8 c I二 。强约束区的 坝体高度分别为： 挡水坝段8 r n ， 溢流坝段1 2 m， 底孔 坝段2 0 m。 根据混凝土表面温度应力不大于混凝土允许拉 应力 的原则 ， 从 而确定 了坝体保温的防护标准 与保 温层 的厚度 。 为了达到混凝 土的温度控制标 准， 技术方 面采 取仓面喷雾及凉棚 、 表面流水养护生 、 夏季实行夜间 浇筑 、 注意保温 防护等措施 外 ， 还设 置 了装 机容 量 3 6 0万 k J ／ h 的制冷厂 ， 用 以风冷骨料 和冷水拌 和混 凝土。越冬保温 ， 严格按标准执行。 6 防裂措 施 在严寒地区采用 R C C、 R C D筑坝技术 ， 碾压混凝 土越冬层面的水平施工缝防裂措施是一个全新 的课 题 ， 更是一个严竣的考验 。 通过对白石坝体进行 的仿真计算表 明， 即使对 坝体进行严 格的温度控制与越冬保温措施 ， 但是水 平施工缝也是难 以避免的。 为此， 白石坝体在保证坝体稳定的前提下， 又分 别在挡水坝段越冬层面附近的上 、 下游部位 ， 预设诱 导缝 ， 以期达到应力释放和重分布 、 严格防止上游面 产生水平缝 的 目的。上游缝宽 1 m， 设 置两道止水 ， 缝端埋设 开 口圆管 ， 缝后 布设 限裂筋。下游 缝 宽 3 m， 缝端埋设 开 口圆管， 缝 面倾 向下游 ， 倾 角 3 。 同 时 ， 在溢流坝反弧段也设置了诱导缝 。 仿真计算结果表明， 挡水坝段上、 下游面最大主 拉应力均在允许范围 内， 溢流坝反弧段最大主拉应 力由原来的6 M P a 降至3 M P a 。预设诱导缝措施效果 明显 。 7 结语 由于严寒地 区冬 季气候寒冷 、 年 内气温变化 幅 度大 ； 碾压混凝土坝采取通仓浇筑、 不分纵缝 以及越 冬长间歇式的施工方法 ， 使其具有独 特的温度应力 时空分布规律 ， 更增加 了碾压混凝 土坝温控 与防裂 难度。使严寒地 区碾压混凝土重力坝温度应力与温 控防裂制成为一个新课题 。 碾压混凝土筑坝方法是一种与以往传统浇筑施 工法不同的方法， 它的特点是有效 的减少水泥量， 增 加混凝土后期硬度 ， 浇筑仓面变大 ， 简化温控措施 ， 从而加快施工进度。 R C D工法施工工艺简单， 作为新的筑坝方法具 有很多的优点和特点， 但它在碾压层面密结性表现 并不不理想 ， 存在的不足有待进一步研究、 解决。 参考文献 ： [ 1 ] 】 邹广岐， 李贵智， 王成山， 杜志达 ．观音阁水库混凝土大 坝越冬面水平施工缝的开裂原因及处理措施[ J ] ．水利 水电技术， 1 9 9 5 ( 0 8 ) ： 4 9— 5 3 ． [ 2 ] 马传龙 ．朝阳水库大坝混凝土温度控制措施[ J ] ．东北水 利水电， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 2 0—2 1 ． [ 3 ] 刘永浩 ．观音阁水库大坝碾压} 昆 凝土配合比设计[ J ] ．水 利水电技术 ， 1 9 9 5 ( 0 8 ) ： 2 9—3 3 ． [ 4 ] 杜志达， 李晓华 ． R C C与 R C D施工对比分析 [ J ] ．水利水 电技术 ， 1 9 9 8 ( 0 2 ) ： 9—1 1 ． [ 5 ] 曹刚， 高字， 诸葛妃 ． 碾压混凝土筑坝技术在东北地区的 应用与发展[ J ] ． 水利建设与管理， 2 0 0 1 ( S 1 ) ： 5 9—6 1 ． [ 6 ] 杨爱费．碾压混凝土坝综述[ J ] ．东北水利水电，1 9 8 7 ( 0 8 ) ： 1 8 ， 4 4— 4 8 ． 一 1 6 5 —