北疆某碾压混凝土坝上下游面防渗体结构的比选.pdf

水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 7期 北疆某碾压混凝土坝上下游面防渗体 结构 的 比选 赵成先 ，罗文灵 ，王 哲 ( 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 0 ) 摘要：地处北疆严寒地 区的某水利枢纽主坝为全断面碾压混凝土重力坝，为保证坝体上下游面防渗 结构的安全可靠，进行 了大量的试验研究和现场的工艺试验。试验证明二级配碾压混凝土与变态混凝 土相结合的防渗结构型式具有施工方便、不干扰碾压混土坝的施工和造价低廉等优势，经综合考虑选 定二级配碾压混凝土与变态混凝土相结合的防渗结构型式作 为坝体上下游面防渗体 。蓄水实践证 明： 坝体上下游面采用这种防渗体型式是成功的。 关键词 ：碾压混凝土坝；二级配变态混凝土；物理学性能 ；防渗结构 ；北疆 中图分类号：T V 6 4 2 2 ( 2 4 5 ) 文献标识码 ：B 文章编号：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 4 5 0 4 Co m p a r a t i ve s e l e c t i o n o f i m p e r v i o us s t r uc t ur e s f o r up s t r e a m a nd do wns t r e a m f a c e s o f a r o H e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m i n N o r t h Xi n j i a n g ZHAO Ch e n g x i a n， L UO W e n l i n g， W ANG Zh e ( X i n j i a n g I r t y s h R i v e r B a s i n D e v e l o p m e n t A d m i n i s t r a t i v e B u r e a u ， I r i i m q i 8 3 0 0 0 0 ，X i n j i a n g ， C h i n a ) A b s t r a c t ： T h e ma i n d a m o f a w a t e r c o n t r o l p r o j e c t l o c a t e d i n t h e c o l d r e g i o n o f t h e N o a h Xi n j i a n g i s a f u l l s e c t i o n r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e( R C C)d a m；f o r w h i c h a l a r g e a mo u n t e x p e r i me n t a l s t u d i e s a n d i n s i t u t e s t s o n t h e c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y a r e ma d e，S O a s t o e n s u r e t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f t h e i mp e r v i o u s s t ru c t u r e s for b o t h t h e u p s t r e a m a n d d o wn s t r e a m f a c e s o f i t Th e e x p e r i me n t s s h o w t h a t t h e i mp e r v i o u s s t r u c t u r e b u i l t w i t h t h e c o mb i n a t i o n o f b o t h t h e t wo g r a d e d r o l l e r c o rn p a c t e d c o n c r e t e a n d t h e me t a mo r ph i c c o n c r e t e h a s t h e me r i t s s u c h a s c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o n，n o i n t e r f e r e n c e s o n t h e c o n s t ru c t i o n o f t h e RC C d a m ，l o we r c o n s t ruc t i o n c o s t ，e t c ，a n d t h e n i t i s s e l e c t e d t o b e t h e i mp e r v i o u s s t r u c t u r e s f o r t h e u p s t r e a m a n d d o wn s t r e a m f a c e s o f t h e d a mT h e i mp o u n d i n g p r a c t i c e d e mo n s t r a t e d t h a t t h e a d o p t i o n o f t h i s k i n d o f t h e i mp e r v i o u s s t r uc t ur e i s qu i t e s uc c e s s f ul 。 Ke y wo r d s ：r o l l e r c o mp a c t e d c o n c r e t e d a m ；t WO g r a d e d me t a mo rph i c c o n c r e t e； p h y s i c a l p r o p e r t i e s ； i mp e rvi o u s s t rue t i o n；No r t h X i n j i a n g 1 概述 北疆某碾压混凝土坝为全断面碾压混凝土重力坝， 坝顶高程为 7 4 5 5 0 0 m，坝顶宽度 1 4 I n 。坝体上游面 6 7 2 0 0 0 I T I高程 至 坝 顶 7 4 5 5 0 0 I T I高 程 为 垂 直 面， 6 7 2 0 0 0 i n高程至坝基为 1 ： 0 1 5的斜坡面。坝体下游面 高程 7 3 8 1 67 in以上为垂直面，以下接半径为 1 8 0 0 in、 圆心角为 3 7 。 的圆弧 ，下游坝坡 1 ： 0 7 5 。坝基最低高 程为 6 2 4 0 0 0 in，最大坝高 1 2 1 5 n l ，全长 l 5 7 0 In， Wa t e r Re s o u r ce s a n d Hy d r o p o we r En g in e e r i n g V o 1 4 3 No 7 坝体混凝土量达 2 7 0万 in 。全坝共 8 3个坝段 ，均采 用永久横缝 ，主河床及两岸岸坡坝段横缝间距 1 5 m， 两岸阶地坝段横缝 间距 2 0 In。工程等别为 I 等工程 ， 规模为大( 1 ) 型。 本工程坝址区位于新疆阿勒泰严寒地区，根据坝 址附近气象站统计 ，坝址多年平均气温为 2 7 ，极 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 1 3 作者简 介：赵成先 ( 1 9 7 8 一 ) ，男 ，工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵成先， 等北疆某碾压混凝土坝上下游面防渗体结构的比选 端最低温度 一4 9 8，极端最高温度 4 0 1 o C。另根 据气象特征统计 1 1月份月平均气温为 一7 o C；3月 份月平均气 温为 一6 8 。因此 ，每年 1 1月至次年 3月底 长达 5个月时 间内不能进行混凝 土施工。根 据总工期 安排 ，该工程 于 2 0 0 7年 4月下旬 开始 浇 筑坝体混凝土 ，要求 2 0 0 9年底完成主体工程施工 。 为 了保证总工期 的实现 ，除加大投入和结合工程实 际采用切实可行 的施工措施外 ，我们还对坝体防渗 结构进行 了比选 ，目的在于从结构设计上促进工程 进度 。 目前 ，碾压混凝土重力 坝设 置的防渗结构型式 主要 有 “ 金 包银 ” 和在 碾 压混 凝 土 坝 上 游 面 一定 范 围 内采用二级配高标号碾压混凝土加变态混凝 土两种 防渗型式。本文主要对本 工程就两种 防渗 型式 的抗 渗性 、抗裂性 、抗冻性 、施工及投资等方 面进行 比 较。最终根据 比较结果选 定本工程上游 面防渗体 的 结构型式 。 2 两种防渗结构设计 2 1 “ 金包银” 式防渗结构设计 初步设计阶段参照国内类似坝高的碾压混凝土坝 的经验 ，当采用“ 金包银” 防渗型式时，确定上游面常 态混凝土防渗层厚度为：自坝顶 7 4 5 5 0 0 6 7 2 0 0 0 m 高程为 3 O 0 m；6 7 2 0 0 0 m高程至坝基厚度为 4 0 m。 6 7 2 0 0 0 m高程 以上水位变化 区混凝 土强度等级 为 c 。 。 2 0，抗渗等级 WI O ，抗冻等级 F 3 0 0 ；6 7 2 0 0 0 m 高程 以下混凝土强度等级为 c 。 2 0，抗渗等级 WI O ， 抗冻等级 F 1 O 0；坝体 内部 采用 C 1 5三级 配碾压 混凝 土 ，防渗 层 横缝 间距 与 坝 体 分缝 间距 一 致 ， 为 1 5 m。在常态混凝 土下游 侧设置 排水廊 道及 排 水管 。 下游坝面 6 5 5 0 0 0 m高程以下设 置厚 2 0 m 的 常态 混凝 土 ，强度 等 级为 C 。 。 2 0 ，抗 渗等 级 WI O， 抗冻等级 F 3 0 0，并 在 内侧设 横缝排 水及 坝体 排水 管 。 2 2变态 混凝 土 防渗 结构 设计 本工程设计 中根据 碾压混凝土坝设计规范 ( s L 3 1 4 _2 0 0 4 ) 并参考国内类似工程 的经验 ，上游二级配 碾压混凝土厚度大于 1 5的坝面水头 ，并因坝前作用 水头而变化 ，沿高度呈台阶状布置。 碾压混凝土坝上游 自建基面至 6 7 2 0 0 0 m高程二 级配碾压混凝土厚度 由8 O 0 m渐变至 6 O 0 m，其中二 级配变态混凝土厚度为 1 O 0 m；6 7 2 0 0 0 7 0 6 5 0 0 m 高程二级配碾压混凝土厚度为 6 O 0 m，其中二级配变 态混 凝土厚 度为 0 8 0 m；7 0 6 5 0 07 4 1 5 0 0 m高 程二级配碾 压混凝土厚度 为 4 0 m，其 中二级配变 态混凝土厚度 为 0 6 0 m。下游水位变化 区以下建基 面至 6 5 0 0 0 0 m 高程二级配混凝土厚 3 5 0 r n ；下游 水位 变 化 区 以上 部 分 未 进 行 坝 体 防渗 设 计 ，在 6 5 0 0 0 0 7 4 1 5 0 0 m高程为三级配碾压混凝 土 ，在 7 4 1 5 0 0 7 4 5 5 0 0 m高程为常态混凝 土。二级配碾 压混凝土层面间铺设水泥粉煤灰净浆 ，缝面水泥砂浆 标号为 M2 5 ，厚度为 1 O 01 5 0 e m，加强了层面及 缝面结合的可靠性 ，从而提高了大坝混凝土的整体防 渗效果 3 两种防渗型式的物理学性能比较 就两种防渗结构物理学性能而言 ，试验室及工程 实践均能证明常态混凝土和二级配碾压混凝 土在密 度 、抗拉强度 、抗压强度 、弹模 、极限拉伸值和抗剪 断参数等方面均能很好地满足设计要求 。 3 1 抗 渗性 3 1 1 二级 配碾 压混凝 土加 变 态混凝 土 防渗 结 构 的 抗渗性 本工程上游 防渗 体采用 富胶凝 材料 ( 总 胶凝材 料用量可达 1 8 02 2 0 k g m ) 的二级配碾压混凝土 ， 其中单位水泥 用量一 般为 7 51 0 0 k g m ，粉煤 灰 掺量一般不超过总胶凝材料 的 5 5 。并在上游面辅 以变态混凝土，变态混凝 土是在 二级 配碾压混 凝土 内掺加 4 5 水泥 粉煤灰净 浆 ( 体积 比) ，使 碾 压混凝土成为坍落度为 1 2 c m的类似常态混凝土 ， 然后用插入式振捣器振捣 。加浆采用钢钎打孔加浆方 式 ，孑 L 深 2 0 e m，加浆 1 5 m i n后用振捣器振捣密实。 变态混凝土浇筑层厚与碾压层厚度均为 3 0 c n ，随碾 压混凝土铺筑层逐层浇筑 。经现场取样证明 ，二级配 碾压混凝土加变态混凝 土 防渗体 ，混凝 土 很 密 实 ， 层面结合 良好 ，其抗渗等级可 以达 到 W8W1 2( 相 当于渗 透系数 2 61 0 一 1 31 0 c m s ) 。表 1 是本工程 的现场取样试 验成果 与国内几个工程试 验 成果对照表 ，不难看 出本工程采用 二级配碾压混凝 土加变态混凝土防渗结构的各项指标均能满足设计要 求。 3 1 2 “ 金 包银” 防渗结构的抗渗性 “ 金包银” 是在坝体的上游面设 1 5 4 0 m厚 的 常态混凝土作为防渗体 ，防渗体与碾压混凝土同时施 工，这种 防渗型式类似于常态混凝土坝 ，常态混凝土 中没有薄层面，只有 升程之 间的缝面 ( 施工缝) ，而 施工缝处理方法 E t 渐成熟 ，因而防渗层混凝土的强渗 水利水电技术第4 3卷2 O l 2年第7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵成先， 等北疆某碾压混凝土坝上下游面防渗体结构的比选 表 1 本工程坝体混凝土芯样外观及物理力学性能与其他工程对照 项目 本工程 汾河二库 大朝 山 百色 沙牌 总取芯长度 m 4 1 6 1 6 0 3 5 8 8 5 3 1 9 7 芯样外观 大部分芯样 表面光滑 、致密 ，骨料分布均匀，层 间结合 良好 单根芯样 最大长度 m 1 6 5 5 7 5 8 8 4 8 9 1 3 1 5 密度 k g m 2 3 7 52 4 5 5 2 5 0 1 2 6 1 6 2 6 0 0 2 4 3 22 4 6 3 各强度等级混凝 土抗压强度合格率 l o o 1 0 o 1 o 0 1 0 0 1 0 0 极限拉伸值 1 0 O 8 2 O 8 6 O 7 8 1 3 4 芯样渗透系数 c m s 11 0一，均能满足设计抗渗等级 压水试验平 均值 L u O 5 6 O O 3 最大 0 3 8 _ 0 1 4 - - 透各向均一 。只要控制好防渗层常态混凝土的温控防 裂问题 ，其防渗效果与常态混凝土坝相似 ，防渗性能 良好 。 3 2抗 冻性 掺用引气剂是提高混凝土抗冻性的有效措施 。试 验证明 ，无论是 “ 金包银” 还是二级 配碾压混凝土加 变态混凝土两种防渗结构 ，通过掺加引气剂 ，使混凝 土的含气量达到 4 5 都能满足抗冻要求。本 工 程使用的引气剂为 P M S N E A 。 本工程常态混凝土 以 C 2 0 W1 0 F 1 0 0为例 ，混凝 土的水 胶 比为 0 4 5 ，材 料 用 量 ：水 1 1 2 k g ，水 泥 1 7 4 2 k g ，粉煤灰7 4 7 k g ，引气剂 P MS N E A 3 的掺量 为 0 4 X 1 0 ，坍落度 4 c m，含气量为 4 3 。 本工程 C 2 0 W1 0 F 1 0 0二级配碾压混凝土的的水 胶 比为0 4 7 ，材料用量 ：水 8 6 ，水泥 9 1 5 k g ，粉 煤灰 9 1 5 k g ，引气 剂 P MS N E A 的掺量 为 0 0 8 ， 值为 4 2 s ，含气量为 4 0 。 从上述数据不难看 出：只要适 当增加碾压混凝土 的引气剂的掺量 ，碾压混凝土抗冻性与常态混凝土一 样 ，是可以得到保证的。 3 3抗裂 性 二级配碾压混凝 土 中总胶 凝材 料一般 为 1 8 8 2 1 1 k g m ，水泥掺量为 8 71 2 7 k g m ，约 占 5 1 ， 用水 量约为 9 0 k g m ，水胶 比为 0 4 50 5 5 ，由于 水泥掺量较少 ，发热量相对较低 ，发热缓慢( 发生在 混凝土龄期 4 0 8 0 d ) ，混凝土绝热温升较低。基于 上述特点 ，坝 内温度分布比较均匀 ，温度梯度小 ，有 利于混凝土的温控防裂。 根据我 国北方寒冷地 区的观音 阁 、桃林 口、白 石碾压混凝土坝筑坝经验 ，“ 金包银 ” 防渗层总胶凝 材料约为 2 1 0 k g m ，其 中水 泥约 占 7 0 ，粉煤灰 约 占3 0 ，用水量约 1 0 0 k g m 以上 。由于水泥用 量多出近 2 0 ，由此造成发热量较高 ，绝热温升 比 水利水电技术第4 3卷2 0 1 2年第 7期 二级配碾压混凝 土高 2 5 。因此 “ 金包银” 防渗 结构较二级配碾压混凝 土更 易开裂 ，温控防裂要求 更高。 3 4施工 3 4 1 二级 配加 变 态混凝土 防渗 结构施 工 这种 防渗结构 的混凝 土施 工过程 中，减少 了拌 和楼变换拌制混凝土 的品种 ，经测算可提高生产效 率 3 0 。避免 了“ 金包银 ” 式防渗 结构施 工过程 中 碾压 昆凝土和常态 昆凝土两种混凝土先后施工所产 生的时间间隔 问题 ，有利 于保证 混凝土 同步上升 ， 较好地解决 了异种混凝土在结合处产生薄弱面的问 题。该种结构的浇筑简化 了施工工艺 ，减少 了施工 干扰 ，有利 于加快碾压混凝土施工进度 ，提高施 工 效率。 3 4 2“ 金 包银” 防渗方案施工 “ 金包银 ” 防渗形式推 荐的施工方案 为 ：常态混 凝土与碾压 混凝土 同步浇筑 ，先浇筑一层 厚 0 3 m 的常态 混 凝 土 ，再 浇 筑 0 3 m厚 的碾 压 混凝 土 。 其 中因常态混 凝 土水 泥用 量 大 ，水 泥水 化热 温升 高 ，特别是 防渗 结构 的常态 混凝 土 与主体 部位 碾 压混凝 土 的施 工 干扰 大 ，工 程进 度慢 ，使 碾 压混 凝 土坝的低造 价 、施 工 速度 快 的优越 性不 能得 到 充 分发挥 。 3 5投资 对两种防渗结构分别计算工程量 ，并进行投资分 析 ，“ 金包银 ” 防渗结构坝体直接费 I： L -级配碾压 混 凝土防渗结构坝体直接费多出 9 2 0万元 ，而且 “ 金包 银” 尚未计施工干扰引起的附加费用 。 4结语 北疆某碾压混凝土重力坝地处严寒地区 ，该工程 工程量巨大且工期要求又非常紧迫。为此 ，除加大设 备和人员投入外 ，还根据工程的具体情况采用了一些 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵成先， 等北疆某碾压混凝土坝上下游面防渗体结构的比选 行之有效的施工技术措施 ，如采用斜层平推法施工工 艺 ，可以做到大面积仓号连续施工的问题 ，即加快了 施工进度 ，又保证 了工程质量 。另外 ，在初步设计阶 段及施工阶段对坝体上下游面防渗体的型式进行了深 入研究 ，从大量的室内试验数据和现场取样检测成果 来分析，无论 “ 金包银 ” 防渗型式，还是二级配碾压 混凝土加变态混凝土的防渗型式 ，只要混凝土级配合 理并严格按混凝土施工工法施工 ，混凝土的抗渗性 、 抗冻性及其他物理力学指标都能满足设计要求。但 由 于“ 金包银” 施 工干扰太大 ，需要增加工序 ，施工工 艺相对复杂 ，施工工序甚至超过了常态混凝土坝。因 此 ，若采用“ 金包银” 防渗体 型式 ，很难 以充分发挥 碾压混凝土快速施工的优势。另外 ，从投资来看 ，二 级配碾压混凝 土加变态混凝 土 防渗 型式 也 比“ 金包 银” 防渗体型式节省近千万元 。 经技术经济 比较 ，北疆某碾压混凝土重力坝上下 游 防渗体选用了二级配碾压混凝土加变态混凝土防渗 型式 。 经过以上比较 ，根据本工程坝址气候条件恶劣 、 工期要求紧的特点，防渗体抗裂性和施工进度是影响 防渗结构型式选择最关键因素 ，由于二级配碾压混凝 土更有利于温控防裂 ，施工干扰少 ，投资较省 ，且抗 渗性 ，抗冻性完全可 以满足投资设计要求 ，因此本工 程选择的防渗结构为二级配碾压混凝土加变态混凝土 防渗。 该工程已于 2 0 0 8年 9月下旬下闸蓄水 ，目前坝 体 已全面浇筑到坝顶 7 4 5 5 0 0 m高程 ，坝前水深达 1 0 0余 m。从坝内灌浆廊道观测坝体渗水仅约 1 0 L s ( 含坝基渗水 ) ，说明本碾压混凝土重力坝 上下游选 用二级配碾压混凝土加变态混凝土作为防渗体是适宜 的 。 ( 责任编辑陈小敏 ) 鲁 国 封 面拉 页：甘肃大禹节水集团股份有限公 司 前插六：上海鸿得利机械制造有限公 司 封二 ：琉璃奥 图码数码科技 ( 上海) 有限公司 前插七：洛阳大华重型机械有限公 司 封三：江苏博特新材料有限公司 封底 ： 南京 南瑞 集 团公 司 前插一 ：南方泵业股份有限公 司 前插二 ：中国水电十一局郑州科研设计有限公 司 目次页：福建南方路面机械有限公 司 目次后页：山东华伟银 凯建材科技股份有限公司 后插一 ：中国水博会 前插三 ：青 岛兰海希膜工程有限公 司 后插二 ：无锡双帆钻 凿设备有限公司 前插四：福建信达机械有限公司 后插三：四川省飞翔测绘设备有限公司 前插五：煤炭科学研究总院西安研 究院 后插四：山西黄腾化工有限公 司 认真 贯 彻 执 靳 i 中 警 崴 水法 水利水电技术第 4 3卷2 0 1 2年第 7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m