高混凝土重力坝筑坝施工关键技术研究.pdf

专家论坛 高混凝土重力坝筑坝施工关键 技术研 究 1 概述 自 2 0世纪 5 O年代 以来 ，我 国 的水 利 水 电工程 建 设 事业取得突飞猛进的发展，其建设项 目之多、规模之大、 速度之快，令世人瞩 目。其中，高混凝土重力坝枢纽工 程在已建和在建的坝高 1 0 0 m 以上的大 中型水 电站中占 5 O 以上，占据主导地位，是我 国水利水电工程建设 中 的一个最重要组成部分。 纵观我国高混凝土重力坝建设的发展历程 ，前 3 O年 在国家计划经济环境条件下，发展速度较慢 ；后 3 O年在 国家改革开放 的新 形势下 ，其施工技 术得 到 了长 足发展 ， 工程建设取得 了辉 煌的成就 。尤 其是进 入 2 1世纪 后 ，在 国民经济快速发展的推动下，更是进入了一个前所未有 的高速发展时期 ，这 1 O年来高混凝土重力坝施工领域在 新技术、新工艺、新材料、新设备等方面都取得了突破 性进展，形成了一系列能够满足特大型复杂建筑结构施 工要求的施工工艺和方法。 混凝土重力坝是一种古老坝型 ，其体形简单、便于 布置泄洪建筑物和较能适应地基条件，因而在坝工发展 史上起着重要作用 。 具有代表性 的混 凝土 重力 坝有 刘 家峡 水 电站 、长 江 三峡水利枢纽工程等。长江三峡水利枢纽工程大坝全长 2 3 0 9 5 m，最大坝高 1 8 1 m，混凝土总量 2 8 0 0万 m。 ，装 机容量 2 2 5 0万 k W ，是世 界上 最大 的水利 枢纽 工程 ，标 志着 中国大坝建设技术 的巨大进步 。 2 混凝 土重 力坝未来施工技术 突破 的方向 2 1 施工设备 根据不同工程 的施工强度特点 ，选择配套 的拌和系 统进行混凝土 生产 ，凝 土浇 筑可 采取 以塔 带机 及供 料 线 连续浇筑为主的综合施工技术。以塔带机及供料线为主， 辅以高架门机、港机、塔机和缆机的综合施工方案。从 传统常规的吊罐浇筑改变为混凝土生产、运输、浇筑一 条龙连续生产工艺。该浇筑系统 由各混凝土拌 和楼通过 席 浩 ( 中国水利水电第四工程局有限公司) 皮带机将混凝土输送至塔带机直接人仓，集水平和垂直 运输 于一体 ，减少 混凝 土从生产至 浇筑之 间的流 通环节 ， 降低混凝土的 自然温升，减少混凝土的不必要的浪费 ， 加快混凝 土施 工 。 另外 ，现有的胎带机等设备受场地限制，效率难以 全部发挥，应着力研究其他类型的设备，如大吨位缆机 ( 在现 有 3 0 t 缆机 的基 础上 研究 4 0 5 0 t 缆 机安 装运 行 ) 等设备的可行性。 2 2 全程数字化监控系统 开发研制混凝土生产、运送、浇筑计算机综合监控 系统 ，实 现混凝 土施 工全 过 程 的实时 监控 、动态 调整 和 优化调度 。针对 混凝 土浇 筑 的复 杂状 况 ，对施 工 方案 和 施工计划进行科学的选择和合理安排 ，突破传统的经验 判断模式 ，成 功地 开发 混凝 土施工计算机技术 。 2 3 混凝土原材料及配合比 混凝土原材料及配合 比优化。采用缩小水胶 比、增 加粉煤灰掺量的技术路线，从而更有效地提高混凝土的 耐久性 ；采用有 补偿 收缩 性 能的 中热 大坝 水泥 ，以减 少 混凝 土收缩变 形 ，减小 混凝 土产生裂缝的风险 。 2 3 1 水泥 水 电工程 是 百年 、千 年 大计 ，对 混凝 土 的各种 性 能 有着严 格要 求 ，要 求其 安 全性 高 、耐久 性 好 以 及经 济 、 高效 。针对 重力 坝 ，需要 用 中热 、小 比 表 面积 的水 泥 。 低热硅酸盐水泥 ( 高贝利特水泥，以下简称 HB C )是一 种绿色高性能的环保型节能水泥，国内外对 HB C有着不 同程度的研究和应用。十多年来国内外对 HB C及其混凝 土的研究充分证明，该水泥具有低热、高强、耐久性好、 干缩率低、体积稳定性好的优点，混凝土则具有 良好的 工作性能、力学性能、热学性能和耐久性。我国西南地 区水力资源极为丰富，水 电投资超过万亿元，每年对特 种水泥 的需 求量超 过 3 0 0万 t 。特种水 泥 HB C具 有 良好 的应用前景 。 水工专用水泥的应用，特别是在西南等地区，由于 运输条件限制、建筑市场不成熟等原因，使就近修建水 泥厂，生产水工专用水泥得以实现，从而减少 了运输费 _ 水 利 水 电 施 工 2 0 1 5 第1 期 总 第1 4 8 期 用。水工专用水泥针对水工建 筑物及 当地水文 地质条件 ， 生产前期水化热小 、体积 稳定 性高 的水 泥 ，可有 效减 少 二次风冷和混凝土冷却的投入 ，经济效益可观。 2 3 2 外加剂 高效减水剂 ( 又名超塑化剂)是一种重要的混凝土 外加剂，是新型建筑材料支柱产业的重要产品之一。高 效减水剂不仅能大大提高高强混凝土的力学性能，而且 能提供简便易行的施工工艺。由于萘系减水剂在近几十 年的发展中暴露出一些 自身难 以克服的问题 ，如用其配 制的混凝土坍落度损失影响十分明显，不可能有更高的 减水率 ，其生产 主 要 原 料 萘 是炼 焦 工 业 的副 产 品 ， 来源受钢铁工业的制约，为此 ，2 O世纪 8 O年代起，国外 就开始积极研发 非萘 系减水剂 ，以丰 富 的石油 化工 产 品 为原料，从而开创出聚羧酸系混凝土减水剂技术和混凝 土施 工技术的新 局面 。聚羧酸 延 时效果 好 ，具 有外 加剂 掺量低、减水率高、收缩小等特点。其高坍落度保持性 能，在 0 5 h内坍落度基本不损失，成为混凝土外加剂的 新宠 。 西南高海拔地区气候寒冷 ，对混凝土的耐久性要求 较高，而引气剂的适当加入，可满足这种特种需求，生 产出高性能混凝土 。 2 3 3 掺合料 近年来，水利、交通、工民建等建设工程规模空前， 我国部分地区优质粉煤灰供应紧缺 ，西南地区这一情况 更为突出，粉煤灰远距离运输将提高混凝土的生产成本。 寻找一种可就近取材、质优价廉的新型系列掺合料迫在 眉睫 。例如 ，石灰 石 粉 因 具有 易 于 粉 磨 、反 应 活 性 低 、 需水量比小、可就近取材 等特点 可作为粉煤灰的补充。 石灰石粉是以生产石灰石碎石和机制砂时产生的石粉和 石屑为原料，通过进一步粉磨制成的粒径不大于 l O p m的 细粉，在混凝土中具有 良好的减水和填充效应。大量研 究表明，石灰石粉不完全是一种惰性混合材料，一些研 究人员通过研究发 现石 灰石粉 掺入 混凝 土 中对 增大 混凝 土强度是有贡献的，它参与混凝土的水化反应，后期可 以生成三碳水化铝酸钙和单碳水化铝酸钙。至今 ，随着 高细粉磨技术 的进步 ，利 用石灰 石粉 作 为混凝 土矿 物掺 合料已具备实施条件。另外，火山灰替代粉煤灰也在龙 江水 电站得到成功应用 。 2 4 混凝土温控及 防裂技术 目前，我国的温控技术已达到国际先进水平，未来 需要通过各种组合来做减法，实现节能减排、提高效率 的温控理论体系 。 采用选择优质原材料 、优化混凝土配合比、控制混 凝土出机口和浇筑温度、通水冷却 、表面保温和流水养 护等一整套温控措施 。针对 已浇筑 坝段 的温度监测情 况 ， 实施个性化通水冷却措施，确保坝体温度达到设计要求。 个性化、数字化的温控理念体系，包括从骨料的温 控 、出机 口温控 、运 输温 控 、仓号 温控 、混凝 土 内部通 水冷却、外层温控等一系列的有机组合。 2 2 4 1 混凝土骨料预 冷 预热 针对 工程 的特 殊性及 混凝 土预冷 预热 工艺 的要求 ， 可采用骨料二次风冷 热 、加冰 、加 制冷水 ( 热 水 )拌 和 等措施，使混凝土出机 口温度尽量达到预冷 预热混凝土 的最低温度限值。 2 4 2 出机 口温控 高温季节采取加冰、加制冷水拌和等措施 ，使混凝 土 出机 口温度 尽量 达到 预冷混 凝土 的最 低温 度 限值 。根 据不 同季节 ，生产 7 、1 4 预冷混凝土 。 2 4 3 运输温控 ( 1 )在运输混凝土的 自卸车等容器侧壁用隔热材料进 行保温，车厢顶部加盖遮阳棚，防止太阳直射，缩短混 凝土暴晒时间，减少混凝土运输的温度回升。常态混凝 土从加水拌和到振捣完毕必须在 2 h以内完成，以减少外 界温度 的影 响。 ( 2 )塔带机及供料线运输温度控制。 2 4 4 仓面温控 尽量 避免在高 温时段 浇筑 混凝 土 ，充 分利 用低 温季 节和早晚及夜间气温低的时段浇筑。现场浇筑仓面喷雾 ， 可降低周围环境温度 3 6 C；高温时段在浇筑仓号周边 配置 一定数 量的移 动式 喷雾机 喷水 雾 ，可 以有效 降 低浇 筑部位的局部环境温度，减少热量倒灌。喷雾时水分不 应过量，要求雾滴直径达到 4 0 8 0 p m，以防止混凝土表 面泛 出水 泥浆 液。 2 4 5 混凝土 内部通水冷却 混凝土根据要求在接缝灌浆坝段相应部位埋设冷却 水管通水冷却，确保达到接缝灌浆 的温度要求；对大体 积混凝土埋设冷却水管进行中期通水，以削减内外温差； 对其他需要进行初期通水冷却的部位埋设冷却水管。 ( 1 )初期通水冷却。无论何时浇筑混凝土，采用预冷 混凝土浇筑坝体混凝土的最高温度仍可能超过设计允许 最高温度时 ，采取初 期通水 冷却 的方 式 消减混 凝土 的最 高温度。初期通水冷却实行 “ 个性化”通水，动态控制 通水时间及流量 。 ( 2 )中期通水冷却。对当年 4 9月浇筑的大体积混 凝土块体进行中期通水冷却；1 1 月初开始对当年 1 0月浇 筑的大体积混凝土块体进行中期通水冷却。中期通水时 间一般为 】 5 2 5个月，以混凝土块体温度达到 2 O 2 2 为准，水管通水流量达到 3 0 L rai n 。 ( 3 ) 后期通水冷却。需进行坝体接缝灌浆及岸坡接触 灌浆部位，灌浆前必须进行后期通水冷却。 2 4 6 外层温控 ( 1 )表面流水养护，通过在已浇筑好的混凝土表面及 侧面挂花管流水养护，可使混凝土表面温度高于气温的 差值减小，并使混凝土早期最高温度降低 1 5 C 左右。 ( 2 )保持设计要求的合理的层间间歇时间，利用较多 的散热面进行 自然散热，进一步降低混凝土水化热温， 从而有效降低坝体最高温度。 ( 3 )将浇筑块尺寸较大、温控较严的部位尽量安排在 低温季节施工 。 2 4 7 高温季节温控 高温季节综合采用低热微膨胀水泥、高掺优质粉煤 灰，混凝土骨料二次风冷、加冰、加制冷水拌和等技术 生产 7 C混凝土 ；平铺 法浇 筑混 凝土 ，及 时覆 盖保 温被 ； 仓面喷雾技术；初期、中期、后期通水冷却控制温升 曲 线 ，控制沿高程方 向 的温 度梯 度 ；上 、下 游坝 面粘 贴 苯 板等，取得了良好的效果。 2 4 8 低 温季节温控 寒冷地区低温季节采用低热微膨胀水泥、高掺优质 粉煤灰 ，加热水 、平铺法浇 筑混凝 土 ，及 时覆盖保 温被 ， 控制温升曲线，控制沿高程方 向的温度梯度 ，上、下游 坝面粘贴苯板等温控措施 ，确保混凝土施工质量。 2 4 9 钢 纤维混凝土技术 钢纤维混 凝 土具有 较 高 的抗 冲磨 、抗 空蚀 能力 ，在 水利工程中的应用 比较广泛，主要用于受高速水流作用 以及受力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孑 L 、有压疏 水道 、消力池 、闸底 板 和水 闸 、船 闸、渡槽 、大 坝防 渗 面板及护坡等。这些部位对混凝土材料 自身的抗拉强度、 抗剪强度以及抗裂性能的要求都较高。在坝体施工中， 由于固结灌浆或其他原因部分仓 面需进行长间歇停面 ， 为减小长间歇 昆 凝土仓面产生裂缝的风险，在停面顶部 浇筑 5 0 c m 钢纤维混凝土 。 2 5混凝 土浇 筑 2 5 1 分仓 ( 1 )常态混凝土施 工分 层 。通 常施 工分 层为 3 m；在 人仓设备满足最大强度要求时，可采用 4 5 m升层 ，减少 大坝施工分层 数 和备仓 次数 ，降低资 源 投入 和混 凝土 的 浪费 ，加快大坝 的施工 速度。 ( 2 )碾压混凝土施工分层 。 目前 国内常用 的碾压混凝 土施工分层为 4 5 m，在碾压混凝土生产、人仓、平仓、 碾压设备满足最大入仓强度的前提下，可采用 1 5 、2 0 m 高升层进行施工。向家坝水电站二期 标碾压混凝土施 工中采用 1 5 、2 0 m高升层施工，获得了良好的技术、质 量、经济效果。 2 5 2 入 仓 碾压混凝土施 工设 备 主要 为满 管 溜管 、塔 带 机及 供 料线、胎带机、缆机。 常态混凝土施工人仓设备包括塔带机及供料线、胎 带机 、缆机 、门机 、塔机 。 根据向家坝水电站满管溜管施工经验，单条满管最大入 仓强度可达 1 5 0 m3 h ，可在碾压混凝土施工 中大量推广 。 根据向家坝水 电站塔带机及供料线 的施工经验，常 态混凝土入 仓强 度达 2 5 0 m3 h ，碾 压 混凝 土入 仓 强度 达 3 5 0 m。 h 。 2 5 3 仓面 组织 ( 1 )仓 面情况 ，包 括仓 面所 在坝段 、坝块 、高程 、面 积、方量、混凝土级配种类要求，仓位施工特点等。 ( 2 )仓 面预计 开仓 时间 、收仓时 间、浇筑历 时、人 仓 专 家论坛 强度、供料拌和楼。 ( 3 )仓面资源配置 ，包括机具 、工具 、材料 、人员 数 量要求 。 ( 4 )仓面设计图，图上标明混凝土分区线、混凝土种 类标号、浇筑顺序等。 ( 5 )混凝土来料流程表 。 ( 6 )对仓面特殊部位，如止水、止浆片周围，钢筋密 集及过流表面等重要部位，指定专人负责混凝土浇筑质 量工作 。 2 5 4跳仓 常态混凝土重力坝分为不 同坝块，根据入仓设备的 最大人仓强度 ，合理安排不同仓号按照先后顺序进行施 工，并控制相邻坝块 的最大高差，确 保坝块 之间均衡 上 升。 2 5 5 键槽的形式 混凝土重力坝横缝为梯形键槽，纵缝为三角键槽 ， 沿高度方向水平键槽与竖向键槽在不同灌区交替布置。 2 5 6 孔 口、子 L 道 的形式 孔 口由于水 流速 度大 ，并 且 改变 水流 的方 向 ，根 据 不同功能及高程采用现浇结构及钢衬形式。通常孑 L 口均 为现浇结构 ，为增加混凝土的抗冲耐磨性能，多采用钢 纤维混凝土；现在采用钢衬形式，以后采用防冲耐磨涂 层取代钢衬技术。坝身泄流孔道是重力坝的重要组成部 分 ，未来针 对泄流孑 L 道施工工 艺的研究 ，如模板 的形式 、 钢筋的铺设、孔道抗冲磨混凝土的生产及施工等技术的 研究也是着 力要 攻关的方 向。 2 5 7 基础工作方面 基础工 作包 括工 作缝 处理 、施 工 冷缝 处理 、坝基 建 基 面处理 。 ( 1 )工作缝处理必须使用压力水、风砂枪或人工打毛 等加工成毛面，清除缝面上所有浮浆、松散物料及污染 体 ，以露出粗砂粒或小石为准，但不得损伤内部骨料。 ( 2 )为便于施工，坝基建基面的缺陷处理可随着坝体 的上升不断进行。有较大缺陷时，预约设计 、监理、业 主及有关地质人员查看现场，确定处理要求及措施。 2 5 8模板 新型建筑模板的生产和技术应用发展很快，目前已 达到很高水平。在隧道 、高层建筑施工中，可发展 自动 升降、快速拆装的工艺。水电站常态混凝土主要采用大 型多卡模板 ，碾压混凝土主要采用反转模板 。模板实行 专业化施工 ，有专业化施工队伍，使模板体系能够实现 模数化、装配化 、工具化。因此，模板不仅能够确保混 凝土工程质量 ，并具有很好的综合技术和经济效益。 2 5 9 钢 筋 采用钢筋切断机和钢筋弯曲机进行钢筋处理，钢筋 连接采用手工 电弧焊 或镦 粗直螺纹套 筒和剥 肋套筒 进行 。 现场钢筋 的连 接采 用手 工 电弧焊 焊接 和机 械连 接 ，对 于 能够采用机械连接的部位 ，优先考虑机械连接。 ( 下转第 4 7页) 3 1 1 结束语 官地水电站地下厂房混凝土结构 复杂、工程量大、 工期紧，施工中通过采用先进、合理的施工方案，科学 管理、精心组织、精心施工，取得了良好的效果 ，积累 了丰富的经验 ： ( 1 )岩壁 吊车梁混 凝土穿插在厂房开挖过程 中 ，质量 要 求较高 ，必须合 理安 排 ，采 取 必要 的 温控 措施 ，下 部 开挖时要做好对岩壁吊车梁混凝土的保护。 地 下 工 程 一 ( 2 )合理进行施工布局和总体安排，尽早完成吊车梁 的施工 ，安装临 时桥机 和永 久 桥机 ，以方便 混 凝土 浇筑 及材料 吊运 。 ( 3 ) 地 下厂房空间相对狭小 ，作业工序较多 ，混凝 土 浇筑与金属结构埋件 、机组安装相互 干扰，相互制约， 应统筹规划，合理布局 ，并根据机组的发电顺序 ，依次 安排各机组段的施工 ，组织流水作业。 ( 4 )厂房一期大体积混凝土及蜗壳保温保压混凝土有 较严格的温控要求 ，应采取预埋冷却水管通水冷却 的措 施 ，必要时 ，可考虑部分 浇筑 制冷混凝 土 。 ( 上 接 第 3页 ) 2 5 1 0 接 触灌 浆、固结灌 浆、帷幕灌 浆技 术 ( 1 )接触灌浆。大坝建基面范围，对开挖高差大于 5 m、坡度 陡于 1： 0 5( 含 1： 0 5 )的边坡须 进行陡坡接 触灌浆。岸坡接触灌浆可采用钻孔灌浆法、预埋管灌浆 法 或其 他方法 。 ( 2 )固结灌浆 。适 用于大坝基础固结灌浆 ，主要灌浆 方式包括：岩石表面无盖重混凝土 1 0 m以内低压灌浆及 1 0 m以下深孔固结灌浆、封闭齿槽低压灌浆 、有盖重混 凝土情况下固结灌浆等。 ( 3 )帷幕灌浆。帷幕灌浆技术要求：常规帷幕灌浆适 用于大坝坝基帷幕灌浆和上、下游围堰帷幕灌浆 ，必须 按分序加密原则进行施工。对于两排孔组成 的帷幕，先 灌注背水侧排，后灌注临水侧排 ；对于三排孑 L 组成的帷 幕 ，先灌后排，再灌前排，最后灌中间排帷幕孔；每排 孔的孔序均采用三序；对于单排孔帷幕，分三序进行灌 注。其中，三排帷幕上、下游排的作用是封闭地下水串 流通道 、填堵较为宽大 的裂隙及不 良地质体处理等 ，中间排 帷幕仅对细小裂隙及所属扩散区域进行加强灌浆处理。向家 坝水电站帷幕灌浆施工部位地质条件较差、涌水频繁，施工 至中间排后仍有较多孔段存在大量涌水。为确保帷幕灌浆质 量满足设计要求，针对地下水丰富的特殊情况及向家坝特殊 地质条件，为使中间排帷幕灌浆更好地起到阻水、补强作 用，使超细水泥达到较好的灌浆效果。 向家坝水电站帷幕灌浆特点：帷幕灌浆单孔人岩最 深为 1 2 3 m，单孔段数 2 7段 。为加快帷幕施工进度，减 少起下钻时间，需合理确定段长。 对坝基上游帷幕灌浆部分质量检查孔进行加深，复 查坝基 T3 2砂岩裂隙含水层下部的相对隔水层沿帷幕灌 浆线分布的确切深度，符合帷幕底部 T3 2 岩组的岩石透 水性。加深孔穿越帷幕底部加深 5 0 m，最低点廊道检查 加深孔要求钻进 T 3 2 岩组的深度不小于 1 0 m。 2 6 管理技术 2 6 1 规 范化 管理技术 施工组织 ，施工道路 ，原材料的运输，附属厂区设 置，结合西南地区实际情况，借鉴 国外现代物流概念 ， 规划最经济的布置和运行方案。 三峡主体工程混凝土总量达 2 8 0 0 万 ，其中大坝混凝 土约 2 0 0 0万 。大坝混凝土施工是三峡工程能否按照总进 度的要求达到计划 目标的关键。根据总进度安排 ，其年最高 浇筑量要达到 5 0 0万 ，月最高要达到 4 O万 m 3 ，日最高应 达到 2 万 以上。经过对施工手段的多方案 比较分析，在 充分论证的基础上，决定选用以塔式皮带机连续输送浇筑为 主，辅以大型门塔机和缆机的综合施工方案。 为保证塔带机浇筑混凝土一条龙正常运行，需建立 一 个组织严密、运行高效、信息反馈及时的仓面组织管 理系统 。 ( 1 )综合协调系统。对混凝土一条龙施工提供技术、 质量、安全、机 电设备保障，确定拌和楼、浇筑手段及 开仓时间 ，协调 浇筑过 程 中 出现 的各种 矛盾 ，组织 处理 突发情况 。 ( 2 )浇筑系统。仓面指挥由浇筑队长担任，负责浇筑 仓面的组织指挥，对仓位的要料、下料、平仓振捣、温 控、排水等负责，确保混凝土浇筑质量。 ( 3 )操作系统。由调度室负责组织 、协调，确保各操 作系统正常运行，拌制合格的混凝土 ，并使混凝土准确、 快 速人 仓 。 2 6 2 数字大坝技术 数字大坝技术将信息技术与仿真技术结合，工程施 工全过程实时监控人手解决质量控制难题 的设想，创造 性地提 出并 开发 了填筑 碾压 质量 实 时监控 技术 、坝料 上 坝运输过程实时监控技术、大坝施工信息实时采集技术、网 络环境下的数字大坝集成技术。利用 G P S 卫星、G S M网络、 G P R S 定位、计算机集成及网络系统等，替代原有的人工控 制手段，实现工程施工全过程质量的实时、在线、自动、高 精度监控。无论是不同种类坝料的运输、装卸，还是坝面碾 压机械的行进速度、激振状态、填筑施工仓面的碾压遍数、 铺填厚度，都可通过该系统实现全面、实时、自动、高精度 监控。该项创新 的一大特点就是施工质量的高标准控制 ，很 少甚至无须返工，工期大大缩短。 综上所述 ，未来混凝土重力坝施工技术的研究 ，应 针对当前重力坝容易出现的问题进行，结合现代物流理 念 ，规划施工组织设计，研究新技术、新工艺、新材料、 新设备 ，实现节能减排，提高效率。 47