外掺MgO混凝土快速筑拱坝技术应用综述.pdf

第 8期 2 0 1 1年 8月 广东水利水电 GUA GD( ) N( ；W ATER RES 0URCES AND HYDROPOWER O 8 Au g 2 011 外掺 M g O混凝土快速筑拱坝技术应用综述 李承木 ， 李万军 ( 1 中国水电集团成都勘测设计研 究院， 四川 成都6 1 0 0 7 2； 2 四川省水利水电勘测设计研究院， 四川 成都6 1 0 0 7 2 ) 摘 要： 全坝采用外掺 Mg O混凝土分层通仓快速浇筑拱坝3 - 程， 在我国广东和贵州等省巳成功建成了8座常态混凝土拱 坝 现将施工实况、 浇筑特点、 工程规模与质量、 应用效果、 自生体积变形、 经济效益等方面的情况进行综合介绍 实践证 明 ， 采 用外掺 Mg O混凝 土不分横 缝( 或设诱 导缝 ) 快速浇筑混凝 土拱 坝技 术是 成功的 ， 真 正实现 了快速施工 、 关键 词 ： 混凝土拱坝 ； 全坝外掺 Mg O； 通仓连续快速浇筑 中图分类号 ： T V 6 4 2 4 文献标识码 ： B 文章编号 ： l 0 0 8 0 1 1 2 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 1 7 0 4 Mg O混凝 土筑 坝技术 ，我 国组织 多学科 共 同攻 关。经过 3 0余年的基础理论和 程应用研究 ，掌握了 它的物理力学及长期膨胀变形规律 卜 在 Mg O水泥 膨胀机理 、长期变形性 能、应力应变补偿理论 、施J 控制措施 、均匀性控制与检测 、水泥安定性试验方法 、 仿真分析程序研制等方面己形成 了一套完整的筑 坝理 论体系 ；并在我同四川 、贵州 、广东等 l 0余 个省 近 5 0座大中型水利水 电 F 程不 同部位巾应用 。 ，均获 得了成功。其中全坝外掺 M g O不分横缝( 或没少量诱 导缝 )快速筑拱坝技术 ，采用 该项新技术 ，目前在我 国已成功建成 了长沙 、坝美 、j汀 、落脚河等 8座常 态混凝土拱 坝 ，均取得 著 的技术经 济 和社会 效 益。为总结并推广该项拱坝新技术 ，本 文着重介绍各 外掺 Mg O混凝土快速筑拱坝 _r 程的情 况 ，以期为类似 T程提供参考。 1 全坝外掺 M g O混凝土不分横 缝快 速筑拱坝 工程应 用情况 介绍 全坝采用外掺 Mg O混凝土不分横缝 ( 或设诱导缝 ) 快速施1 一 建成的常态混凝土拱坝 己有 8座 ， 其中广东省 3座 ， 贵州省 5座。这 二 程所用的原材料和混凝土施 工配合比见表 1 ， 所修建的拱坝 工程规模 、 建设时间 、 施 浇筑模式 、 M g O的掺 入方式及其补偿效果 等基本情 况参见表 2 。 1 1 不分横缝快速筑拱坝工程应用情况 外掺 Mg O混凝土不分横缝快速筑拱坝技术首先应 ， 辛 下广东省 阳春市长沙拱坝 程 中。大坝为四心 变 厚 变 曲 率 溥 拱 ， 坝 高 为 5 5 5 m， 混 凝 土 总 量 为 3 1 万 m 该1 二 程在拌和机 口外 掺 M g O， 根 据温控 设 计要求 ， 按上 、 中 、 下 t部 份分 别外 掺 Mg O为 4 5 、 4 2 、 3 5 ， 全坝不分横缝 ， 实行通仓厚层 连续浇筑， 大坝浇筑约每 4 f 1 上升 2 5 m， 拱坝 r 1 9 9 9年 1月 6 开浇至到 4月 5 E l 浇至坝顶 ， 施T期仅为 9 0 d 。原体观 测结果表明 ， 其 自 体积膨胀变肜 多数达到 l 6 0l 0 以上 ， 基本上满足设计要求 T 程正常运行至今已 1 2 a 有余。掺 4 5Mg O混凝土的 自生体积膨胀变形 的 均值 长期稳定在( 1 6 01 8 0 )1 0 之问。 长沙电站T程 的实践 ，是温控设计和简化温控措 施 的重大突破 ，对简化施 T_ - I 2 艺、加快施 _ r 进度 、缩 短 一 r 期 ( 减少 l 4个月 ) 、保 证工程质量 、提高经济效 益( 节约 I 程投资达 2 0 )均 分有效。 全坝全断 面采用外掺 Mg O微膨胀混凝土筑坝技术 ，不分横缝快 速 浇筑 混凝 土拱 坝 ，这 在 同 内外 尚属 首 例 。 长沙 坝 的 成功实践 ，为这项新技术在混 凝土拱 坝全面推J 应川 积累了宝贵的实践经验。采用 Mg O混凝土筑拱坝 的突 出特点是 ：不分横缝 、分层通仓浇筑 、水平整体 I 升 、 连续快速可全天浇混凝土 ( 夏季也是一个很好的施1 一 季节) ，以坯层 台阶式连续滚动推进 ，不埋 冷却水管 ， 不需封拱灌浆 ；彻底改变 了传统修建混凝土拱 坝需分 横缝 、柱状 、跳块 、薄层 、长问隙、需封拱灌浆等诸 多制约筑坝速度 的繁难施 工丁序 ，这就极大地加快 了 收稿 日期 ： 2 0 1 l 一 0 5 0 4 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 1 0 6 0 8 作者简介： 李承木( 1 9 3 9一) ， 男， 教授绒高 ， 从事水T建筑材料科学及 Mg o混凝土筑坝技术研究 l 7 2 0 1 1年 8月 第8期 李承木， 等： 外掺 M g O混凝土快速筑拱坝技术应用综述 施工速度 。大坝浇筑方案通常是垂直面采用塔 吊、水 平多用汽车运输的施工方案。其后用 同样技术施工的 坝美 电站拱坝和沙老河水库拱坝工程 的基本情况见表 2。 表 1 各类拱坝工程大坝混凝土的施工配合 比 类 编工程 建设省份 大坝浇筑 筑坝实际坝高 顶宽 底 坝顶弧 混凝土 装机 Mg 0 自生变形 分缝 别 号名称 ( 县 、 市) 起止时间 用 时 d m 宽 m 长 m 万 m Z f k W 掺量 G( t )X1 0 情况 需指出的是 ： 沙老河拱坝浇筑后不到一个月 ， 因突 受寒潮袭击而形成过大的温度梯度 ； 又因两坝肩高约束 使拉应力过大； 混凝土的坍落度又太小， 影响了施工质 量 ； 因此产生 了 5条贯穿性裂缝 ( 左坝肩 2条 ， 右坝肩 3 条， 最大缝宽 78 ram) 。经灌浆处理后 ， 大坝 巳安全正 常运行至今。 1 2 设诱导缝通仓快速筑拱坝工程应用情况 三江拱坝工程位于贵州省贵阳市北郊。大坝为单 心园薄拱坝 ， 坝高为 7 1 5 m， 混凝土总量 为 3 8万 m 。 全坝采用贵州水泥厂生产的 4 2 5号普通硅酸盐水泥， 在拌和机口外掺 Mg O混凝土施工 。根据温控设计要求 和压蒸试验结果 ， 外掺 Mg O为 4 5 ， 全坝实行通仓连 续快速浇筑 ， 每个浇筑层高 2 5 m， 采用水平整体上升 ， 1 8 并 以台阶方式连续滚动推进浇筑大坝混凝土。通过仿 真分析发现， 在浇大坝上部时气温高， 两岸坡的约束大 ( 拉应力超过 3 MP a ) ， 需要 2 0 0 X 1 0 可完全补偿温 降 收缩引起的超标拉应力 ， 仅凭 Mg 0的膨胀量不能完全 补偿温降收缩。由此提出应在三江拱坝有针对性地设 置诱导缝 ， 以达释放超标拉应力 的 目的。经计算 ， 需在 0 7 H( H为坝高) 以上设置 2条诱导缝。所 以施工时在 两坝肩各设置了 1条诱导缝。诱导缝采用混凝土预制 板成缝技术 ， 以确保混凝土的快速施工 ， 缝 内埋设重复 灌浆管 ， 以便蓄水前灌浆。大坝于 2 0 0 2年 1 2月开浇至 2 0 0 3年 6月结束 ， 历时 1 8 6 d浇完大坝混凝土。在施工 中， 冬季上游基坑 自然进水 ， 除下游堆渣对坝体下部坝 面进行保护外 ， 对 中上部坝面均未作任何保温措施。 2 0 1 1年 8月 第 8期 广 东水利水 电 N o 8 A u g 2 0 1 1 原体观测结果表明， 该拱坝 自生体积膨胀变形长期 稳定在 1 3 01 0 1 6 01 0 之 间； 2条诱 导缝被 拉 开， 最大缝宽为 45 m m， 观察 坝体其他部位均未发 现 裂缝 ； 拱座测缝计反映多数缝为受压状态 ， 少数为张开 缝 ， 其缝宽多在 0 1 mm 内， 也不再随时间变化 ； 经过灌 浆处理后 ， 大坝 已安全正常运行 至今。监测结果证 明， 除 Mg O的补偿作用外 ， 设诱 导缝来释放拉应力 的作用 十分明显 ， 达到了设计预期 目标 ， 又确保工程质量。 诱导缝 的设计主要考虑混凝 土的膨胀量 ，而混凝 土的膨胀量是温度和龄期 的函数 ，温度越 高膨胀量越 大。考虑温度对 自生体积膨胀变形 的影响 ，根据不 同 地区的气候特点 ，当其仿真膨胀 量可能无法满足设计 要求时 ，为了释放 坝体 内过大 的超标拉应力 ，有必要 在两坝肩一定部位各设置 1 2条诱导缝 。这是对外掺 M g O混凝土不分横 缝快速筑 拱坝 技术 在设计 上 的创 新 ，也是设计理念 的深化和完善。三江拱坝设诱导缝 是经过精确仿真计算后 的最成功的典 型实例 。贵州省 内的几座 Mg O混凝土拱坝诱导缝的缝距在河床部位都 较大 ，一般都在 1 0 0 m左右 ，两岸坡坝段的缝距较小 ， 一 般为 1 52 0 m。该设计方法合 理 ，符 合丁程 实际 ， 值得在全国推广应用。其后用 同样技术 ，陆续在广东 修建了长潭拱坝 ( 该坝体混凝土温度高达 5 2 C时 ，也 照常施工 ，表明夏 季施 lT是可行 的 ) ，在贵州省 内又 成功修建 了落脚河 、马槽河 、老江底等 3座混凝土拱 坝，各工程的基本情况见表 2 。 2 长期观测的拱坝混凝土的自生体积变形 贵州省内的沙老河及三江拱坝 、 广东省长沙拱坝所 埋无应力计长期观测的大坝混凝土的 自生体积膨胀变 形量列于表 3 ， 从表 3的观测数据可以看出： 外掺 Mg O混凝土的自生体积变形都是随着 Mg O 掺量的增加和观测龄期 的延长而增大的， 并随温度增高 而自生体积膨胀变形量增 大； 外掺 M g O混凝土 的 自 生体积变形主要发生在最高温升之后 ， 在混凝土有显著 地降温之前产生 ， 它具有延迟微膨胀特性 ， 所以， 大量研 究结果表明， 通常有 7 0左右的膨胀量是在 7 d龄期之 后发生的； M g O混凝 土的 自生体积膨胀变形 是长期 稳定 、 不可逆 的， 因为它是 M g O水化所 释放的化学能所 致 ， 所以是一种不可逆 的变形 ， 这种 随龄期和温度的增 加而增大的膨胀变形量是永久性 的， 而且室内外变形规 律一致 ； 根据文献 6 对膨胀增量 的研究结果 ， 沙 老河和三江坝体混凝土早龄期温度 高、 膨胀增量 大 ， 1 a 后的温度已接近稳定 温度场 ， 其膨胀发展逐年变小 ， 到 第 6 a和第 4 a 分别还有 2 7 8和5 8 w e的膨胀增量 ， 这对稳定补偿应力极为有利 。一般龄期 3 6 0 d以后的膨 胀增量可 占总膨胀量 的 1 0 左右 。另外 ， 广东地 区坝 体起始温度较高， 其膨胀变形的稳定 时间相对早些 ， 通 常在龄期 1 a之后 ， 其膨胀变形 巳基本趋于稳定状态。 文献 6 指出， 全坝外掺 Mg O为 6的马槽河拱坝 混凝 土的 自生体积膨胀变形量较 大 ， 观测龄期 为 1 8 0 d 和 3 6 0 d的膨胀量分别达 9 0 21 0 。 。 1 2 5 01 0 和 1 2 0 01 0 1 6 5 01 0， 其膨胀变形过程及规律也 较好 。因为所用怀化水泥 的质量较好且不收缩 ， 单方胶 材用量和 M g O掺量均较高 ， 这些 因素对外掺 Mg O提高 预期膨胀量是有利的。大量试验研究表明， 膨胀量大小 与水泥的质量组 成及期性质 、 Mg O的形态粒度质量及 其掺量 、 混合材种类及其掺量 、 环境温度 、 外加剂 品种 、 单位胶材用量及其级配材料组成 、 施工质量与外掺均匀 性等诸多因素密切相关。 3工 程经济 效 益分 析 由文献 4 的研究结果可看出： 坝高在 5 07 0 m 规模 的混凝土拱 坝 ， 常规的施 工期 为 23 a ， 应用新技 术的施工期仅为 4 7个月。对于坝高为 1 0 0 m级规模 的 ， 常规 的施工期为 34 a ， 应用新技术 的施工期约为 1 a ； 对于整个 _ 程而言 ， 坝 高在 5 01 0 0 m级规模 的 混凝土拱坝 ， 应用 Mg O混凝土筑坝新 技术 比用 常规混 凝土筑坝至少可提前 1 2 a工期完工 ； 应用 M g O混 凝土筑坝的工程效益十分显著。与传统筑坝相 比较 ， 对 坝高在 5 01 0 0 m 级规模 的工 程可 提前 1 a多发 挥效 益 ， 而筑拱坝的投资至少可节省 1 0 以上 。其综合经 济效益可超过建 Mg O混凝土拱坝投资的 4 5 以上。 采用 Mg O混凝土 ，辅以其他适当的措施如表 面保 温和养护等 ，可 以全部或部 分取代传统 的温控措施 ， 不仅有利于解决混凝土坝 的开裂问题 ，而且可以实现 长块 、厚层 、通仓 连续 浇筑 ，可以全天施工 ，夏季也 是一个很好 的施工季节 ，从 而大大 降低工程造价 ，简 化施工工艺 ，缩短工期 ，加快施lT速度 ，因此 ，具有 重大的技术经济优势和应用前景 。据统计 ，小型水 电 站工程提早发挥的效 益相当于坝体投资 的 3 0 以上。 如坝 美 水 电 站 提 前 1 a发 电，获 得 直 接 经 济 效 益 1 2 4 0 5 2 万元 ；落脚河水 电站 比常规混凝土筑拱坝缩 短 了 1 a工期 ，直接获得各项综 合经济效益为 1 3 6 5 0 万元 。又如东风 电站高拱坝基础 回填处理工程采用外 掺 Mg O混凝士施工 ，减少 了分缝分块 ，不仅在 1个汛 期提前完成 了混凝土浇筑任务 ，而且为工程抢 回了 1 a 的施工期 ，为国家避免了 2 0 4亿元的电能损失 ，其间 接经济效益则更为显著。 1 9 2 0 1 1年 8月第 8 期 李承木， 等： 外掺 M g O混凝土快速筑拱坝技术应用综述 N o 8 A u g 2 0 1 1 3 5 N1 N2 3 5 0 6 3 1 4 4 2 1 5 3 0 2 4 4 9 5 1 7 6 3 2 7 2 6 2 8 0 6 7 2 O 3 3 O 0 3 7 9 5 2 2 5 9 6 6 9 4 8l _ l 8 O 7 8 8 1 8 6 2 91 3 9 2 5 9 4 5 9 2 8 9 5 0 9 6 2 9 8 O N3 3 4 1 1 4 3 2 6 0 3 9 9 5 2 6 6 5 9 7 2 6 8 3 4 8 9 2 9 4 1 9 8 0 1 0 2 3 N4 3 6 8 8 O 2 O 4 3 4 1 4 2 9 5 9 8 7 0 1 8 3 6 9 2 4 1 0 2 0 l 1 O 3 1 2 2 1 N5 N6 3 9 2 1 6 6 3 0 3 4 3 2 61 6 8 3 5 9 4 6 l 1 6 0 l 3 1 7 1 4 2 5 1 5 0 3 1 5 9 5 3 8 7 1 6 9 3 5， 7 5 5 3 7 5 7 1 O 8 2 1 2 4 6 1 4 9 ， 3 1 6 8 7 1 8 3 6 1 9 2 5 1 9 9 0 4 5 N1 3 4 4 7 1 5 2 3 0 2 4 5 4 63 1 8 4 0 9 5 6 1 1 0 5 1 1 8 0 1 2 3 9 1 2 7 7 1 3 6 8 1 4 2 5 1 5 5 0 N1 4 4 6 1 1 2 7 3 0 7 4 7 0 5 9 3 8 5 4 9 6 0 1 l 3 1 1 2 5 8 l 3 3 5 1 4 2 4 1 51 0 1 6 0 0 1 6 5 0 Nl 5 4 3 3 l 4 2 1 9 5 5 6 8 75 8 l l 1 2 1 2 5 7 1 5 1 3 1 7 5 2 l 8 9 6 1 9 8 5 2 01 7 N1 6 4 2 2 1 1 2 2 9 7 4 7 4 61 3 7 8 1 8 6 4 9 7 4 l 0 9 1 1 l 9 3 1 2 6 7 1 3 6 2 2 0 ( 下转第4 5页： 广东长沙拱坝 2 0 1 1年 8月第 8期 广 东水利水 电 N o 8 A u g 2 0 1 1 表 1 北江大堤加 固达标 工程渗控措施 序号 起讫 桩号 渗 控 措 施 序号 起讫桩号 渗 控 措 施 填砂压渗， 其中 3 6+ 8 0 0 3 9+ 3 5 0段压渗 1 5+ 3 4 05+5 7 5 堤前坡脚设粘 土截水槽 1 0 3 4+4 0 0 3 9+ 3 5 0 末 端设减压井 一 ， 填砂压渗 、 减压井 ， 其 中 7+9 7 5 8+ 7 5 0段 2 7+1 O 0一】 1 +1 5 0 1 1 4 1 +1 2 5 4 2+ 3 4 5 多头小直径深层搅拌桩 防渗墙 压渗末端设排水棱体 3 1 9+0 5 01 9+ 3 0 0 堤前坡脚设粘土截水槽 l 2 4 2+9 8 0 4 3+ 4 0 0 填砂压渗 、 减压井 多头小直径深层搅拌桩防渗墙 ， 局部采用 高 4 2 1 +4 5 0 2 2+ 3 0 0 1 3 4 6+8 0 0 4 8+2 0 0 填砂压渗 、 减压井 喷墙 ( 长约 2 9 m) 5 2 2+1 5 0 2 4+ 6 5 0 填砂压渗 、 排水棱体 、 砂井 l 4 5 2+ 6 0 0 5 2+8 0 0 西南水闸段砼防渗墙 ， 抓斗法施工 6 2 4+5 0 0 2 5+ 6 5 0 多头小直径深层搅拌桩防渗墙 1 5 5 2+ 8 0 0 5 4+3 0 0 填砂压渗 、 减压井 7 2 6+0 9 0 2 6+ 4 1 0 多头小直径深层搅拌桩防渗墙 1 6 5 4+1 8 0 5 4+9 0 0 超薄砼防渗墙 、 射水法施工 8 3 0+7 5 0 3 1+ 3 0 0 填砂压渗 1 7 5 4+ 8 0 0 5 6+2 5 0 填砂压渗 、 减压井 砼防渗墙 、 射水 法施工 ， 3 3+3 9 33 3+5 4 3 9 3 l +l 8 0 3 4+l 2 0 1 8 5 8+ 5 0 0 5 9+6 4 0 多头小直径深层搅拌桩防渗墙 芦苞水闸段采用抓斗法施T 参考文献 ： 1 广东省水利 电力规划勘测设计研究 院 北江干堤透 水地基 分析处理专题报 告 R 广 州 ： 广东省 水利 电力 规划 勘测 设计研究院 2 毛昶熙 堤 防工程手册 M 北京 ： 中围水利水 电 出版 社 ， 20 0 9 3 张挺 北江大堤石角堤段防渗T程效果分析 J 岩石力 学 与工程学报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 1 1 ) ： 2 2 3 52 2 4 1 ； ； ； 蔷 葛 g 是 是毒 各 ( 上接 第 2 0页) 4结语 1 )混凝士拱坝 ， 全坝采用外掺 Mg O混凝土施工 ， 不分横缝 ( 或设少量诱导缝 ： 即两岸坡 的缝距为 1 5 2 0 m， 河床部位的缝距多为 1 0 0 m左右) 、 分层通仓 、 连续 快速并以台阶方式浇混凝土， 水平整体上升 ， 不埋冷却 水管 ， 不需封拱灌浆 ， 该施工技术 己被实践证 明是成功 的， 且能获得较好的综合经济效益 ， 值得推广应用。 2 )该新技术涉及混凝土材料试验 、 设计和施 工技 术 、 原体监测等多方面统一实施 的综合技术 ， 各方关联 密切 ， 相互依赖和影 响。尤其要重视材料试验 ， 它是为 设计 、 施工 、 仿真分析提供基本资料 的依据 ， 十分重要 ， 应提前开展工作。 参考文献 ： 1 李承木 Mg O混 凝土 自生体 积变 形 的长期研 究成 果 J 4 5 6 7 么振东 深层搅拌 与高压 摆喷结合造防渗墙技术 在北江大 堤工程中的应用 J 广东水利水电， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 7 3 7 5 陈孟 阳 超薄混凝土 防渗墙在 北江大堤加固达标 工程 中的 应用 J 广东水利水电， 2 0 0 4 ， ( 5 ) ： 4 3 4 4 邓飞 射水法建造超薄混凝土防渗墙在北江大堤的应用 J 吉林水利 ， 2 0 0 3， ( 1 2 ) ： 2 7 2 9 陈小 春 射 水 法造 超薄 混凝 土 防渗墙 在 北江 大堤 的应 用 J 广东水利水 电， 2 0 0 4 ， ( 1 ) ： 5 25 3 ( 本文责任编辑王瑞兰) 2 3 4 5 6 蔷 蔷 ； ； 乏 g 水力发 电 ， 1 9 9 8 ， ( 6 ) ： 5 3 5 7 李 承 木 外 掺 M g O混 凝 土 的 基 本力 学 与 长 期 耐 久性 能 J 水利水电科技进展 ， 2 0 0 0， ( 5 ) ： 3 03 5 陈其武， 李晓新 氧化镁混凝土筑坝技术文集 C 北京： 电力工业部水利部 ， 水利水电规划设计总院， 1 9 9 4 刘振威- 夕 掺 Mg O混凝 土不 分横 缝快速 筑拱 坝新 技术应 用研究成果总报告 R 广州 ： 广东省水利厅， 2 0 0 5 李 承木 ， 袁 明道 外掺 Mg O微膨 胀混凝 士筑坝技术 应用综 述 J 水利水电科技进展， 2 0 0 3 ， ( 6 ) ： 5 7 6 3 贵州省水 电设 计 院， 贵州 省水利厅 ， 贵州 中水建设 项 目管 理公司 ， 等 水利 部 “ 9 4 8 ” 科 研项 目： 全坝 外掺 M g O微 膨 胀混凝土快速建拱坝技术应用研究成果汇编 z 贵阳： 贵州省水电设计院， 2 0 0 8 ( 本文责任编辑王瑞兰) 4 5