严寒地区常态混凝土拱坝关键施工技术.pdf

水利水 电施工2 0 1 5 第 4期总第 1 5 1 期 续表 项 目 单位 1 月 2月 3 月 4 月 5月 6月 7 月 8月 9月 1 O 月 1 1 月 1 2月 全年 月最 大 风 向 WN W E 正 M ， N W w w WWNW w WN W WN W w w EW N N W 风速风向 最大 4 6 3 9 3 9 7 1 4 2 1 3 6 4 6 积 雪深 度 最大 8 3 1 1 O 1 2 7 1 2 6 1 1 3 8 1 9 3 9 7 1 l 2 7 冻 土深度 工程所在 地冬季 寒冷 而漫 长 ，河 面封冻 ，而且 冰盖 较厚 。冰情一般发生在 l 1 月 上句至次 年 4月 中旬。据实 测冰情资料统计 ：最早开始结冰 日期为 1 O月 1 5日，最 早开始封冻 日期为 1 1月 2 6日，最 早解 冰 日期 为 3月 2 8 日，最早全 部融 冰 日期 为 4月 1 6日，最 长 封 冻 天数 为 1 5 4 d ，最大河心冰厚为 I 7 1 m，最大岸边 冰厚为 1 4 7 m， 最 晚开 始封 冻 日期 为 2月 8 日，最 晚 解 冰 日期 为 4月 2 7日。 从多年水文气象资料可以看出：坝址区每年 l 1 月至 次年 3 月 为冰 冻期 ，本工 程所 在地 年有效 混凝 土施 工 日 数 为 1 8 4 d 。 1 2 地域条件 工程地处我国北疆戈壁荒漠，坝址区离中心城市距 离远，人烟稀少，各类机械设备、配件、劳动力缺乏， 对工程施 丁资源组织极为不利 。 1 3 地 形条 件 该水库为一典 型 的峡谷 型水库 ，坝址 区呈 不对称 V 形峡谷 ，左 岸较 陡 ，右岸 稍缓 ，河 流流 向近 南北 向 ，河 谷谷底宽 5 O l O O m，两岸基 岩裸露 ，地形坡度 5 0 。 6 O 。 ， 相对高差 3 0 0 4 0 0 m。 1 4 工期条件 本工程 原计 划 2 0 0 9年 7月 开工 ，2 0 1 3年 6月底 完 工。由于受 2 0 0 9 年冬季特大雪灾影响，2 0 1 0年冬休复工 后遭遇超标洪水，为保证工程安全，对原 已基本完工的 上下游土石 围堰进行 拆除 ，汛后 重新 进行 截流 及上 下游 围堰施工，致使整体工期延后 1 8 个月。 1 5 坝型设计布置条件 大坝 为 常 态 混 凝 土 双 曲 中 厚 拱 坝 ，坝 顶 高 程 6 4 9 O O m，基 面高 程 5 5 5 O O m，最 大 坝 高 9 4 m，坝 顶 厚 l O m，坝底厚 2 7 m，厚高 比为 0 2 8 7 。水平 拱圈线 型采用 抛物线变厚变 曲率拱 圈，顶拱 中心角 9 6 9 6 4 。 ，左 拱 中心 线 曲率半径 i 0 1 6 7 3 m，右拱 中心线 曲率半 径 1 2 9 5 6 4 m， 坝顶弧长 3 1 9 6 4 6 m，弧 高 比为 3 4 0 0 ，顶拱 到底 拱 中心 角变化范 围从 9 6 9 6 4 。 至 3 8 4 6 3 。 ，左 拱 中心线 曲率 半径 变化范 围从 i 0 1 6 7 3 m至 5 6 6 3 5 m，右拱 中心线曲率半径 变化范 围从 1 2 9 5 6 4 m至 5 3 8 7 4 m。拱冠梁上 、下游面 曲 线均由拟合三次方程曲线组成。 坝体 每 隔 1 5 m 设 置 一 道 横 缝 ，局 部 为 1 2 5 m 和 1 7 5 m，将大坝分为 2 2 个坝段 ，共设置 2 1 道横 缝 。横缝 3 2 采用径 向或近乎 径 向布置 ，缝 面内设 置球 面键槽 并埋 设 重复灌浆系统 。 拱坝泄水建筑 物为 泄水深 孔及 溢 流表孔 。泄水 深孔 底板高程 5 8 5 O O m，断面尺寸由进 口6 mx 8 m渐变至出 口6 mX 6 m，出 口采用 宽尾墩 窄缝式跌流水垫塘消能 。溢 流表孔 堰 顶 高 程 6 3 5 m，共 布 置 3孑 L ，每 孑 L 堰 宽 l O m， 1 号表孔采用跌流水垫 塘消能 ，2号 、3号表孑 L 采用 宽尾 墩窄缝式跌流水垫塘消能。 为满足检修、观测、灌浆、排水和坝内交通等要求， 坝 内分别在 5 6 0 O O m、5 9 5 O O m、6 2 0 O O m 高程设置 3 层 廊道 ，廊道断面型式均为城门洞型，基础灌浆廊道断面 尺寸均为 3 O m4 O m，中部 和顶 部廊 道断面尺寸为 2 5 mX 3 O m，两岸各 高程灌浆平 洞的断面型式 与基础灌 浆廊道断面型式相同。各高程灌浆平洞与基础灌浆廊道 相连，利用电梯井解决各层廊道的垂直交通，使坝内各 层廊道相互连通 。 从坝工设计要 求分 析 ，影 响大坝 浇筑 上升 的结 构 因 素有三层廊道、泄水深孔钢衬安装和坝基有盖重固结灌 浆等，这些工序对坝体上升制约和影响非常大。 2需解 决的重大技术 问题 2 1 高蒸发引起的混凝土表面失水影响层间结 合 质量 问题 本地区所特有的空气干燥 、多风、风大、蒸发剧烈 气候特性，对混凝土在运输、摊铺、振捣及等待下层混 凝土覆盖等工序施工过程中造成的表面失水现象极为严 重，直接影响混凝土层间结合质量。若不处理好这一问 题 ，将影响大坝 的抗 滑 稳定 、抗 渗 和抗 剪性 能等 ，直接 关 系到大坝 的安全运行 ，必须采取有效措施进行解决 。 2 2 极端施工条件下引发的混凝土保护问题 坝址区气候环境恶劣，夏季酷热，冬季严寒，极端 年温差及昼夜 温差极 大。同时工 程所 在地 寒潮 和气 温骤 降频繁，据寒潮资料记载，一次气 温骤降最大幅度为 一 3 6 I C， 年平均气温骤降 2 8次。这些极为不利的气候 因素和条件给混凝 土温 度控制 和混凝 土保 护带 来 巨大压 力和 困难 。 2 3 坝 基有 盖重 固结灌 浆对 工期 的制 约问题 根据设计要求 ，拱坝强约束区冷却水管采用镀锌钢 管，布置层距 l m，混凝土只能按 l m分层浇筑。坝基两 岸岸坡较 陡，一 个 坝段 内建 基面 高差 最大 达 到 1 7 3 6 m， 固结灌浆盖重混凝土需分 1 8 仓才能浇筑完成。另外 ，将 固结灌浆盖重调整为 6 m，一个坝段固结灌浆仍需分 3次 才能完成。盖重混凝土浇筑和固结灌浆占用大量工期， 使岸坡坝段混凝土浇筑上升速度变慢。设计要求相邻 坝段 高差不超过 1 2 m，对相邻坝段混凝土浇筑上升影响较大。 参建各方必须根据工程实际情况，共同出谋划策科学合理 解决这一问题，以减少其对工程建设直线工期的占用。 2 4 长 间歇 混凝土越冬层面可 能存在 发生水平 裂缝的问题 由于气候条件限制，严寒地区混凝土工程每年都不 可避免地要进入 越冬 期 ，开 春后 则需在 越冬 后 的混 凝土 面上新浇混凝 土。此 时新 老混凝 土 之 间无论 是温 度 ，还 是混凝土弹模上都存在较大差距 ，因此新老混凝土接合 面极易开裂。因此，如何对越冬前 的坝面和坝面越冬期 做好处理，防止越冬层面附近上、下游面水平施工缝的 开裂 ，是在严寒地 区修建混凝 土坝 面临的严 峻课题 。 3 本 工程成 功实施的关键 施工技术 3 1 混凝土表面失水和补偿 针对工程所在地 为严 寒地 区 ，空 气湿度 低 、风 速大 、 风多 、气候干燥 、蒸 发剧 烈 等不 利于混 凝 土施 工这 一特 点，为解决混凝土施工过程表面失水过快影 响混凝土层 问结合问题，结合温控措施 ，混凝土运输车加设遮阳棚， 以减少混凝土运输过程中的水分蒸发；在浇筑仓面采用 移动喷雾 ，直接 在仓 面进 行失 水补 偿 ，同时移 动喷 雾也 增加了仓面小气候的空气湿度，降低了仓面气温，有效 地解决了严寒地区混凝土施工的表面失水影 响层间结合 质量的问题 。 3 2 温控防裂措施 坝址区气候条件严酷，存在高温高、低温低 ，年温 差 、日温差大，气温骤降频繁等不利气候 因素，给混凝 土的温控防裂带 来 巨大 困难 。工程 施工 采取 了以坝 体 内 部排疏为 主 、坝 体 外部 保 温 为辅 的温 度控 制 防裂 思 路 ， 即采取各类措 施降 低水 化热 、降低 浇筑 温度 、降低 混凝 土温升，进行多期坝内通水冷却对坝体 内部的温度进行 有效控制 ，减小 坝体 内部 与表 面 的温差 。在施 工过 程 中 及时对外露坝面进行跟进保温，解决坝体表面与外界的 温差要求。目前大坝 6 0 9 0 0 m高程 以下 已完成三期通水 冷却和封拱灌浆 ，从已完成部位混凝土内部温度计统计 数据来看，各期通水后混凝土温度均满足设计要求。 3 3 调整固结灌浆盖重厚度及浇筑层厚 岸坡坝段固结灌浆盖重混凝土施工过程中，根据建基 面倾斜角度，将盖重混凝土分层厚度分别调整为 2 3 m。 为保证在固结灌浆钻孔过程中不打断冷却水管，在仓面设 计中精确定位冷却水管位置，使各层冷却水管垂直投影重 混凝土工程 合。现场冷却水管严格按仓面设计数据进行铺设，并在铺 设完成后进行测量 ，记 录实 际铺设 位置 ，在 进行 固结灌浆 布孔时，根据实测冷却水管数据对孔位进行微调，有效避 开了冷却水管。在采取此措施后，加大了固结灌浆盖重厚 度，一个坝段 固结灌浆盖重混凝土浇筑仓数减少 了 2 3 ， 固结灌浆次数也 由原来 的 2 3次减少到 1 2次 ，节约 了 大量施工时 间，也避免 了对相邻坝段上升的制约。 3 4混凝土越冬层面处理 为防止越冬层面附近上 、下 游面水平 施工缝 的开裂 ， 主要采取了三项措施 ：越冬保温、埋设水平越冬止水铜 片、越冬后首仓混凝土按强约束区要求浇筑。拱坝混凝 土浇筑进入冬休前，放慢高坝段施工速度，加快低坝段 施工速度 ，尽量缩 小相 邻坝 段 高差 ，能 浇筑 至 同一高 程 为最理想状态 。此 做法 好处 ：一是 越冬 横缝 面保 温工 程 量小 ，节约造价 ；二是 减小 横缝 两 侧混 凝 土龄 期差 。保 温方面，上、下游坝面喷 1 0 c m厚聚氨酯永久保温，横缝 面粘贴 1 0 c m厚 X P S保 温板 + 三防 帆布 ，水 平越 冬 面保 温采用一层 0 6 ram厚塑料薄膜十二层 2 c m厚聚乙烯保温 被+1 3层 2 c m厚棉被+三防帆布。在越冬期对埋设在越 冬面 的温度计进 行 了整个 冬季 的连 续测 值 ，越冬 面混 凝 土始终处于正温 状态 。为防止 在 出现水 平施 工缝 开裂 时 坝体渗水 ，在上游 面越 冬高 程埋 设水 平止 水铜 片 ，两 侧 与横缝止水连接封闭渗水通道。越冬期过后，首仓混凝 土按基础强约束区要求进行施工，分层厚度取 1 5 m，越 冬面冷却水管采用镀锌钢管。通过采取该三项措施 ，基 本杜绝了水平越冬层面施工缝开裂 。 3 5 拱坝混凝土入仓方式 本工程投 标 阶段 拱坝混 凝土人 仓方案 为 2台 2 0 T辐 射式缆机 +1台布料机+1台塔 机 。工程开 工后 ，由于技 术施工图较原招 标 图有 一定 的修 改 ，技 术人 员重新 进 行 了大量的入仓方式分析对 比工作，最终选定 2台 2 0 T辐 射式缆机 +1台塔机+皮带机 +长臂挖掘机方案 ，对 原投 标阶段的缆机、塔机布置位置进行了适当调整。 原投标 阶段大坝为 2 1个 坝段 ，缆机 覆盖 1号坝 段上 游部分 、2号2 O号全坝段 、2 1 号坝段 上游部分 。实施阶 段大坝修改为 2 2 个 坝段 ，且拱 坝体 形有较 大变 化 ，因此 缆机需 重新布置 。由于受两岸地形 限制 ，最优 布置方案只 能覆盖 3 号坝段上游部分 、4 号 1 9 号全坝段 、2 0号坝段 上游部分 ，左岸 1 号 、2 号坝段 ，右岸 2 1 号 、2 2号坝段在 缆机覆盖范围以外。由于左岸没有道路至左坝头，1 号、2 号坝段混凝土入仓方式采用缆机吊卧罐+皮带机人仓；右 岸交通较便利 ，2 1号、2 2号坝段采用长臂挖掘机入仓 。 泄水深孔、表孔、电梯井钢筋、模板等备仓工作量 较大，布置一台塔机用于上述部位的备仓工作 ，可以使 缆机腾出更多 的时 间用 于 混 凝 土 浇筑 。根据 进 度 安排 ， 泄水深孔最先施工，因此将塔机布置在泄水深孔 出口闸 墩旁，用于该部位备仓工作。泄水深孔出口闸墩 浇筑到 ( 下转第 4 1页) 3 3 浇筑面侧面、顶面覆盖保温被 ，包括所有外露表面 ，如 大坝下游 台阶、廊道 出 口、上游水 位 以上 的垂直 坝 面等 ， 起混凝 土防裂 及 防冻 的作 用 ，尤 其 是 新 浇 筑 龄 期 小 于 2 1 d的碾压 混凝土 。 因而每 仓混 凝 土收 仓后 ，应 立 即对 混凝土表面进行覆盖。保温被采用铺盖法布设 ，铺盖时 保温被搭接 1 0 c m。对于垂直面，采用在保温被上压木 条的方式进行 固定 ，保证保温被平展且紧贴混凝土面， 木条排距 1 5 2 m。所有混凝土外露立面与平面相交的 拐角处用 整块保温 被折叠包 角 ，并在 拐角 上 、下 部位 用 枋木或木条压紧，保温被接头避开拐角处。保温被铺设 平整、拉直 ，不起 鼓，一个平 面基本保证铺设 方 向一 致 。保温被遇到钢筋或其他障碍物时避免采取隔断保温 被 的方法 ，尽量采取从 保温 被 中穿 孔 的方 法 。全 面保 温 后 ，尽量做到仓内保持干爽状态。对于需要进行养护的 混凝土 ( 永久外露面养护 2 l d ；对于水平施 工缝面，养 护 到下一层 混 凝 土进 行 浇筑 为 止 ) ，主要 利 用上 、下 午 气温较高时段 ，逐步揭开水平表面的保温被 ，进行洒水 养护。养护完成后在 白班 和晚班交接班 之前覆 盖保 温 被 ，保持混凝土表面湿润，冬季不采用流水养护。对于 其他外流水影响的坝体表面，采用堵、排等措施防止坝 面积水 。 6 2 夏季高温季节温控措施 夏季最高气温 3 3 ，短时大风暴雨频降，日照时间 长、水分蒸发快。主要可采取以下温控措施： ( 1 )成品料仓堆料高度高于 6 m并采用旋转式喷头喷 淋粗骨料 。 ( 2 )利用制冷车间预冷粗骨料 ( 小石、中石和大石) ， 将混凝土 出机 口温度 控制在 2 O 。 ( 3 )运输设 施加 遮 阳棚 ，在 仓 面 配喷雾 设 施 喷雾 降 温 ，减少水分蒸发 。 ( 4 )浇筑好的表面，覆盖彩条布或者帆布，防止太阳 直接暴 晒，终凝 后立即养 护 。 ( 5 )用自动旋转喷头喷水养护 ，边角部位采用麻布覆 盖并洒水养护，养护时间持续 2 1 d 。 7 问题 及体会 ( 1 )冬季温控措施主要是覆盖保温被和用热风机吹热 风。由于冬季昼夜温差大，白天气温相对较高，浇筑过 混凝土 工程 程中覆盖保温被主要是在早晚时分。冬季晚上浇混凝土 时，若气温特别低 ，监理要求冷缝面的接缝砂浆层在晚 上 1 0 h以后就 不得 再铺 设 。原 因是 砂浆 层太 薄 ，热 量容 易散失而结冰。夏季温控措施主要是预冷骨料 、仓面喷 雾和加强养护等。由于节省 了制冰楼、冷却水厂和冷却 管，夏季温控成本低廉 ，其成功经验对于其他类似工程 具有十分有益 的借鉴作用 。 ( 2 )对于未按设计线开挖出现了突变部位的基岩，技 术规范均要求先用常态填塘混凝土浇筑后才能施工碾压 混凝土，主要担心大坝混凝土被诱导在突变部位形成裂 缝。而且大坝内局部要浇筑与碾压混凝土等级不同的常 态混凝土时 ，该 常 态混 凝土 内需 添加 无 收缩外 加剂 ，避 免标号不同因干缩产生裂缝。与下游台阶相接处的碾压 混凝土设计要求至少要有 2 m厚的贴坡厚度 ，且台阶混凝 土要 和该贴 坡混凝 土一 次成 型 。贴坡 外边 的 护坦混 凝 土 与大坝交接时，要嵌人大坝内。 ( 3 )结构缝 止 水 处 的 2 mm 厚 的 HD P E板 由于 刚度 小，容易移位 ，曾采用在止水型钢支架内焊接钢筋将其 固定 的方法 ，有 待进 一步优化 。 ( 4 )混凝土最大限度地采用了自卸汽车直接入仓，提 高 了施工效率 ，节约 了成本 。9 号路从上游左岸通 过跨河 涵管后经右岸进入仓面时，部分路段和上游围堰相冲突， 因而局部对上游围堰进行了挖除修整。从常规角度来讲， 这种方法是忌讳的，但当时已是枯水季节，且提出了加 大 围堰 以下碾 压 混凝 土 的分 层 高度( 第一 层 快 速浇 7 m 厚，高程 1 5 9 5 。 0 1 6 0 2 0 0 m)以加快施工进度的方法， 监理工程师 最终 同意 了我们的建议 。 8 结束 语 从 2 0 1 4年 2月 1 7日下闸后 至今水库最高 蓄水深 4 7 3 m ( 高程 1 6 5 2 3 0 m) ，大坝几乎无渗漏。从 2 0 1 4年 6月在大坝下游 台阶取得 的 9 8 1 m 长 、直径 1 9 7 mm 碾压 混凝土芯样及对高程 1 6 3 4 0 0 1 6 3 7 0 0 m层施工冷缝面 进行压水试验 的效果看 ，混凝土密实且层间结合 良好， 混凝土的强度都满足设计要求，混凝土裂缝很少，证明 所采取的冬夏两季的温控和防雨措施及缝面处理都是成 功 的。本工程对 碾压 混凝 土施 工技 术 的探索 ，对高 海拔 昼夜温差大地区碾压混凝土施工具有积极意义。 ( 上接 第 3 3页) 顶后，塔机移位至深孔出口闸墩上，此时坝体刚好上升 至表孑 L 部位 ，电梯井也已开始施 工 ，塔机 此时用 于表孔 、 电梯井备仓 工作 。 4 结束 语 2 0 1 1 年 9月 中旬拱 坝混凝 土开浇 ，经过 两年 多 的施 工 、探索 、总结 ，在混凝 土施 工质 量 、温 控效果 等 方面 达到了预期 目标。但在严寒地区建设混凝土坝仍存在众 多亟待研究和解决的问题，如进一步研究解决长问歇水 平越冬层面可能产生的水平危害性裂缝、严寒地区高抗 冻混凝土 含气量稳 定和保 持方式及 相应 的耐久 性保 证 等 。 41