寒冷地区混凝土面板堆石坝施工关键技术问题.pdf

第 4 7卷第 9期 2 0 1 1 年 9月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga n s uW a t e rCo n s e r v a n c y a ndl t yd r op o we rTe c h n o l o g y V0 1 4 7 No 9 S e p ， 2 01 1 施工技术 寒冷地区混凝土面板堆石坝施工关键技术问题 王为秋 ， 陈 娇 ， 孙 强延 ( 1 冲 国水利水电第一工程局有限公司 一分局， 吉林 长春1 3 0 0 6 2 ； 2 冲 国长江三峡集团公 司 长江三峡技术经济发展公 司， 北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要： 采用翻模 固坡工艺进行堆石坝上游面施工， 解决了堆石坝垫层料需超填， 之后修坡清除， 垫层料浪费大等问 题。根据有限元数值仿真结果对堆石坝的沉降变形进行预留， 保证 了堆石坝竣工后达到设计轮廓线。根据模型试验 结果， 确定了混凝土面板的优化配合比； 并且提出了适用的止水结构形式和与其相配套的施工技术。 关键词 ： 堆 石坝 ； 施工 ； 关键技 术 ； 配合 比 中图分类号： 5 文献标识码 ： B 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 4 9 0 3 1 工 程概述 辽宁蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省东部宽甸 满族 自治县 。 座落于鸭绿江下游右岸支流蒲石河上 ， 电站 由上水库 、 下水库 、 地下厂房和输水 系统 等组 成。 电站安装 4台单机容量 3 0 0 MW 抽水蓄能机组 ， 总装机容量 1 2 0 0 MW。 电站上水库挡水建筑物为混 凝土面板堆石坝 ， 最大坝高 7 8 5 m， 坝顶全长 7 1 4 m。 上水库总库容 1 3 5 1万 m 。 ， 死库容 2 2 7万 m 。蒲石 河流域地处半湿润季风气候 区， 冬季寒冷降水少 ， 夏 季炎热多雨 。 据多年资料统计 ( 表 1 ) ， 历年最高温度 3 5 c = ，最低气温一 3 8 5 。最大冰冻厚度 0 7 7 m。 本 地区属寒 冷地区。上水库面板堆石坝布置在东洋河 西北方 向的泉眼沟 口， 三面为分水岭 ， 无天然河道。 沟 口的挡水建筑物为 日循环水库 正常蓄水位 3 9 2 5 m， 相应库水面积 0 4 4 2 k m ， 千年一遇 日均入库流量 为 9 3 2万 m 。 ， 本工程属 I等工程 ， 规摸为大( 1 ) 型 ， 水库大坝为 1 级建筑物。设计洪水 2 o o年一遇 ， 校 核洪水千年一遇。 表 1 蒲石河流域气温特征值 项 目 1 月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 1 O月 l 1 月 1 2月 年 平均气温 一 1 2 8 8 6 0 6 7 8 1 4 6 1 9 0 2 2 3 2 2 2 1 5 9 8 7 0 8 8 6 6 最高气温 一 6 6 3 4 3 7 1 0 5 1 6 5 2 0 2 2 4 4 2 4 2 1 8 1 1 1 - 3 3 5 - 4 O 最低气温 一 l 8 7 1 4 _ 3 5 7 5 8 1 2 9 1 6 5 2 0 8 1 9 8 1 3 3 6 6 3 8 1 5 0 上游钢筋混凝土面板 5 5块 ，标准块宽 1 4 m有 4 7 块 。左右布置非标准块 8块。坝顶宽度 1 0 m。钢 筋混凝土面板堆石坝上 、 下游坡 比均为 1 ： 1 4 ， 下游 坡设一宽为 3 m的马道。坝坡外为“ 之” 字形上坝公 路 ， 路坡度为 l ： 1 7 5 ， 填筑为石渣。坝体填筑 自上游 向下游依次为垫层 区( 宽度 3 m) ， 过渡层 区( 宽度 3 m) 、 主堆石 区及次堆石 区周边缝下游设有特殊垫层 区 主堆石与基岩间铺设反滤料 ， 下游护坡坡面采用 4 0 c m的干砌块石。 坝体平面布置如图 1 所示。 本工 程采用 了翻模 固坡工艺进行垫层料的碾压 、 砂浆护 面一次成型。水泥砂浆的平均厚度 6 8 c m。钢筋混 凝土面板顶部厚度 3 0 c m、 底部最大厚度 5 6 1 4 c m， 面板底部与趾板相连 ， 趾板建基在弱风化岩石上部 ， 趾板宽度按水 头及所处地段地质设为 6 m和 5 I T I 厚度均为 0 6 m。为了提高趾板处基岩的完整性 。 沿 整个趾板全长进行浅孔 固结灌浆 坝基采用 2 3排 垂直帷幕灌浆 ， 并向两岸做适当的延伸 。 混凝 土面板堆石 坝在 寒冷地区的运行是安全 的 ， 但是在寒冷地区 ， 特别是严寒地区修建混凝土面 板堆石坝 ， 如何保证在严冬气候条件下连续 、 快速、 经济地施 工 ，是一直未能得到很好解决的问题 ， 为 此国内外进行 了一系列 的研究 。 取得 了某些研究成 果 1 - 4 1 ， 但是还有些关键技术问题没有得到解决 。本 文以蒲石河抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝为例 ， 探讨解决寒冷地区混凝土面板堆石坝施工几个关键 技术问题 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 8 1 5 作者简介： 王为秋( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 吉林吉林人， 工程师， 学士， 主要从事水利水电工程施工。 4 9 2 0 1 1 年第 9期 甘肃水利水 电技术 第 4 7卷 图 1 堆石坝平 面布 置图 2上 水 库施 工工 艺及 主 要特点 本工程属建于寒冷地 区的抽水蓄能 电站 ， 除满 足常规面板堆石坝 的技术要求外 ， 首先研究了水位 骤 降对垫层料可 能产生的反 向水压力 选定垫层料 的渗透 系数 为 i 1 0 e n d s 垫层 料最 大粒径 为 1 0 e m 小 于 5 mm颗粒 含 量 2 5 3 5 ( 谢腊 德 级 配为 3 5 5 5 ) ， 其次研究在寒冷地 区垫层冻结对面板的冻涨 力及 防止措施 。在面板和趾板的混凝土配合 比上 ， 考虑到其均属于混凝土薄板结构 ， 在气 温骤变和岩 基约束等外界条件 的作用下 ， 容易产生裂缝乃至直 接影响其止水功能。对以挡水为主要 目的的寒冷地 区面 板及趾 板 防裂 显 得尤 为重要 ， 为 此在 本 工程 中 特别研究 了解决混凝土收缩开裂 的方法 ， 即可控补 偿收缩混凝土的使用。 目前在我 国东北地 区已建成 了几座混凝土面板堆石坝 ， 如黑龙江省的莲花、 吉林 省的小山、 松山等工程 ， 从这些工程的实际情况看 面板堆石坝 的接缝止水施工工艺至关重要 。特别是 在寒冷地区防止库水结冰对表面止水的破坏是需要 解决的实际问题 ， 本工程对 此进行了综合止水模拟 实验研究。 在工程施工中已采用了相关的研究成果。 本 工程中采用了翻模 固坡碾压技术 保证 了在施工 工期紧张的前提下 。 完成了大坝的填筑 ， 坡面平整度 小于施工规范要求的+ 5 8 e m。为了掌握堆石坝竣 工期 与运行期沉降变形情况 本工程进行 了面板堆 石坝三维有 限元仿真计算( 图 2 ) ， 按照计算结果将 5 0 竣工期的沉降变形通过翻模 固坡 的方法进行预 留 以期在面板坝竣工期变形结束后达到设计轮廓线。 并结合工程实测数据对比分析 ，为整体施工的安排 提供了依据。坝基岩石与堆石体接触边界为固定约 束 ， 堆石体分 1 0个水平分层先后施工。 图 2 有 限元预测堆石坝 沉降变形图 3 各 主要 工艺 研究 成果 和技 术 要点 3 1 翻模 固坡 工 艺应 用 混凝 土 面板 堆石 坝上 游坡 面 的传 统施 工方法 是 在 垫 层料 填筑 时 。 超 出设 计 边 线 约 4 0 e m， 一 般层 厚 4 0 e m， 分层碾压 ， 填筑一定高度后 ， 进行机械或人工 削坡处理 ， 反复地斜坡碾压 使之达到设计边坡线对 坡面进行保护 ，一般在坡面检验合格后，采用涂抹 8 1 0 e m厚砂浆或喷涂乳化 沥青 的方法进行保护 。 这种传统施工方法不仅费工、 费时 ， 影响整个大坝 的 填 筑进 度和 质量 ，而且 坡 面垫 层 料 的填筑 密实 度难 第 9期 王为秋 ， 等 ： 寒 冷地 区混凝 土面板堆 石坝施工关键技术问题 第 4 7卷 以保证 斜坡碾压对施工安全十分不利 5 。 蒲石河面 板堆石坝 的施工期紧张 ， 从坝基开挖到面板浇筑完 成只有短短的 2 4 个月的时间， 其中还有 6个月的堆 石体沉降期 。全部坝体 的填筑量 1 8 0万 m 3 要在 1 5 个月完成 。 施工 中还有与趾板浇注和灌浆 的交叉作 业 。为保证施工质量和进度要求 ， 经过反复 的方案 比较 。 决定采用翻模 固坡工艺。翻模 固坡法 的主要 优点包括坡面平整度好 ； 固坡沙浆厚度小、 且均 匀 ， 适应坝体变形好 ； 不 占直线工期 ， 施工速度快 ； 工程造价低； 施工干扰小； 大坝临时具备挡水 渡讯条件 ， 其缺点是工序较多 。 蒲石河上水库大坝堆石体于 2 0 0 7年 8月 1日 正式开始填筑 。至 2 0 0 8年 1 1 月 l 0填筑 到正常高 程 ，顺利实现节点工期要求。堆石体经过 6 个月的 预 留沉降期 ， 根据大坝埋设的监测仪器 ( 土体沉 降仪 及 土体 位移 计 ) 的观测 结果看 。 与此前 三维有 限元 计 算结果相 比偏小 。 但是变化趋势两者一致 。在 2 0 0 8 年 6月 2 0日一 2 0 0 9年 5月 2 1日期间 ，坝体累计最 大 沉 降 发 生 在最 大 坝 高 剖 面处 坝轴 线 附近 。 为 1 4 5 9 3 mm； 坝体累计水平下游侧位移发生在河谷处 ( 0 + 1 9 9 9 3 ) 高程 3 3 9 6 m处下游坡面 ， 为 4 5 0 8 m m； 坝体累计水平上游侧位移发生在河谷处上游坡面 ， 为一 2 5 7 mm。三维有限元计算结果为竣工期坝体累 计最大沉降发生在坝高 1 2处坝轴线附近，为 3 4 5 m m：竣工期坝体累计最大水平位移发生在坝高 1 3 处 下游坡 面 上 ， 为 1 3 3 mm。 3 2面 板和趾 板 防裂混 凝土 配合 比研究 面板 混 凝 土裂 缝 产 生 的原 因除 一 些 特 殊 情 况 外 ， 都是 由温度变化和干缩引起的。由温度、 湿度等 环境因素变化引起混凝土收缩 ， 受到基础约束而在 混凝土内诱发拉应力 ， 是面板产生裂缝的破坏力 ， 这 是面板裂缝的外因 混凝土的 自身性能和质量决定 混凝土的抗裂能力 ， 这是 内因。因此 ， 防裂措施可归 结为提高混凝土 自身抗裂能力 ， 尽量减少环境因素 引发的破坏力 。 本工程针对面板、 趾板薄板结构的 特点 ， 易受环境和湿度变化 的影响 ， 特别是气温骤变 和混凝土干缩产生拉应力 ， 从而产生裂缝的问题 ， 进 行 了采用膨胀剂或减缩剂配制补偿受缩混凝土 的研 究 。 可控补偿混凝土根椐以下公式提出试验方案 ： D = le S 2 一 S T I lS k I ( 1 ) 式 中： D 一 可控补偿混凝土补偿收缩后的最终变形 ； 5 混凝土的极 限拉伸值 ； e 混凝土的限止膨胀率的合理范围： 5 厂混凝土的限止干缩率( ) ； S 广混凝土的泠缩率( ) 。 其中减缩率不小于 3 5 。具体试验是趾板混凝 土设计龄期 9 0 d 、面板 2 8 d 。趾板混凝 土为 C 2 5 F 2 O O Wl O二 级 配 ， 面 板 混 凝 土 C 3 0 F 3 0 0 W8 ： 对 趾 板对 比膨胀剂和减缩剂的防裂效果 ， 提 出配合 比： 对 面板采用混凝土高效减水剂、引气剂及掺粉煤灰技 术 ， 并考虑掺与不掺高强聚丙烯单丝纤维两种方案。 在面板配合 比试验中，针对混凝土早期抗裂性 能的研究 ， 通过混凝土面板干缩试验完成 ， 实验中用 电风扇吹试件表面 ，以对 比不 同混凝土掺合料产生 裂缝的情况。本次试验通过对原材料水泥、 砂 、 骨料 检验 ， 对掺合料粉煤灰 比选 ， 对外加剂高效减水剂及 引气剂的优选 ， 提出了 1 8种不 同组合后的混凝土配 合 比， 并推荐了混凝土施工配合 比( 表 2 ) 。目前从趾 板 混凝土浇筑结果来 看 ， 5 5块趾板 中发 现 2条 裂 缝 ， 其中 1 6板块较大 ， 分析可能与该部位 的断层混 凝土处理及施工时间有关。 表 2 混凝土面板优化配合 比 3 3垫 层料 排水及 及抗 冻性 能 问题 抽水蓄能电站运行特点是库水位变化频繁 ， 变 化幅度大。本工程上水库水位正常变化最大幅度为 每 日3 2 m， 水位升降速率 5 3 3 m h， 此外本工程处于 寒冷地区，水库运行过程中是否存在 由于水位骤降 垫 层 内产生对 面板 反 向水 压 力和 由于 垫层料 冻 结产 生对 面板 冻涨 破坏 是值得 充 分注 意的 问题 。对 此进 行了专题研究。其主要研究内容包括对垫层料级 配范围的确定 ， 主要研究 了垫层料最大粒径 ， 对确定 的级配曲线垫层料进行 比重、相对密度和渗透系数 等试验。对垫层料排水性能的研究，针对库水位 上升、 高水位稳定、 下降等 3种不同工况的面板和垫 层料 的渗流计算 ， 不 同细料含量下 ， 3种不 同工况渗 流模型试验。对垫层料冻胀性能研究 ，封闭和开 放条件下不同垫层料冻胀率 ，饱合垫层料开放系统 条件下冻结过程中的反向排水性能研究。给水度 试验 。 本试验采用模 型槽尺寸为 2 7 0 c mx l 7 0 c rux 6 0 c m， 这样大 的面板渗流物理摸拟试验尚属首例 。通 过试验证 明蒲石河面板堆石坝垫层料在渗透系数不 小于 1 0 。 。 c m s ， d O 0 7 5 mm细颗 粒含量 在 1 0 之 内 时无需过分考虑排水和冻胀对面板的作用 ，本工程 设计渗透系数为 1 0 - 2 c m s ， 颗粒含量控制在 8 内。 3 4止水结构及配套施工技术应用 在 目前运行 的面板堆石 坝中 ， ( 下转 第 5 7页) 51 第 9期 李 晓兵 ： 某隧洞膨胀岩 变形特性分析及处理 第 4 7卷 改 大大减少了 I型和型断面的长度 ， 并把 型断 面形式进行 优化 ， 分成 型和 型 ， 厚度分 别为 8 0 0 mm和 6 0 0 mm。优化设计后节省 了混凝土和钢 筋 的用量 。 加 快 了工 程进 度 。 5结语 通过对隧洞 3 a 来大量变形监测数据 的分析 ， 参 考其它工程经验和有关规范 ， 总结得 出符合本隧洞 变形特性的判别准则 ， 并在资料分析和信息反馈过 程 中应用 。当收敛观测 断面距 离下导 掌子面 2 0 3 0 m时 大部分观测断面部位已开始边顶拱衬砌 观测相应停止 。停测前的变形为最终变形 ， 相应的 变形速率为最终变形速率 。 通过对洞室变形的资料分析 ，及时发现产生危 害性变形的可能性 。 预报其发展趋势 。 并加强监测资 料的分析和反馈 ，提出修改支护参数建议 。评价一 次支护格栅拱架 、 锚杆及混凝土衬砌的工作情况 ， 提 出多项合理化建议 ， 包括修改大部分二次衬砌断面 、 减少混凝土衬砌的配筋率 、 调整格栅 间距 、 提 出合 理的开挖进尺速度和上下导错开的距离。 根据不同 洞段 的变形特性 ，提出开挖面到衬砌 的合适距离 。 对混凝土喷层采取早强措施等。 通过大量 的监测工 作及 资料的分析反馈 ， 对 优化设计参数 、 指导安全 施工 、节省工 程造价和加快施工 速度提供 了科学 依 据。工程建设 中吸取类似工程 的经验 ， 并根据实 际地质条件和安全监测的信息反馈 ， 采取 “ 短进尺、 强支护 、 快衬砌” 的原则 ， 对设计和施工进行动态控 制 ， 对以后类似岩性 的隧洞设计与施工具有较大 的 指导 意义 。 ( 上接第 5 1 页) 伸缩缝止水通常采用的结构形式( 图 3 ) 为在伸缩缝底部设铜止水 ， 中部设橡胶止水 ， 伸缩 缝顶部设置像胶止水棒 ， 表层嵌填柔性止水材料 、 外 覆橡胶盖板 ， 橡胶盖板用角钢或扁钢做为压板 ， 压板 用膨胀螺栓与面板固结。这种形式 中， 橡胶盖板仅起 到保护橡胶棒及柔性嵌缝材料的作用 。本身不具备 防渗与止水功能， 分析其原因主要有 ： 膨胀螺拴猫 固件是在 已浇完的混凝土面板打孔 、 锚 固， 抗拉拔力 小 ， 且容易锈蚀； 冰拔与冰推等外力因素； 橡胶 板防护盖板的抗撕裂、 抗击穿和耐老化性能差 。 图 3 止水结构 图 4结论 本工程从多个方面做了研究 工作 ， 并 以此制定 了施工工艺：材料优选，首先通过性能对比和试 验 ， 优选了嵌缝密封材料、 橡胶盖板和止水棒 ； 对 施 工工 艺进行 了研 究 ，包括 压板 的表 面处理 和锚 固 件形式的优化等 ， 拓展了像胶盖板的止水功能。 改进 了橡胶盖板的端头处理；止水结构抗冰冻能力研 究 ；变形缝混凝土的防冻措施 。蒲石河抽水蓄能 电站是我国东北地区建设的第一座抽水蓄能电站 其建设 中的经验与不足将对今后 同类 电站 的建设 特别是本地区的电站建设起到借鉴作用。 参考文献 ： 1 茹彩江严寒地区混凝土面板堆石坝施工技术的研究与 应用 J 水利水电科技进展， 2 0 0 1 ， 2 1 ( 2 ) ： 5 1 5 3 2 李生良， 王德库 寒区面板堆石坝面板混凝土外加剂优选 试验 J 水利水电技术， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 6 ) ： 6 1 6 3 3 关志诚， 杨辉 ， 王常义 寒冷地区混凝土面板堆石坝设 计E J 水利水电技术 ， 1 9 9 3 ， 2 4 ( 1 2 ) ： 1 2 1 6 4 贾金生， 郝巨涛， 吕小彬 高混凝土面板堆石坝周边缝新 型止水 J 水利学报， 2 0 0 1 。 4 5 ( 2 ) ： 3 5 3 8 5 王丽新 ， 王永明， 赵秀娟 寒区混凝土面板堆石坝施工技 术的改进 J 黑龙江水专学报， 2 0 0 7 ， 3 4 ( 3 ) ： 5 9 6 2 6 阎立义 ， 彭铭 ， 李生芳 混凝土面板堆石坝面板施工关 键技术 J 水利水电技术， 2 0 0 0 ， 3 1 ( 9 ) ： 2 1 2 4 5 7