弄另水电站大坝碾压混凝土掺合料研究及应用.pdf

科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 2期 弄 另水 电站大 坝 碾压混凝土掺合料研究及应用 徐 哲 ( 上海勘测设计 研究院 上海 2 0 0 4 3 4 ) 【 摘 要】 随着碾压混凝土筑坝技术的 日益成熟，如何在粉煤灰短缺 的地 区使用粉煤灰 以外的活性掺合 料 ，是碾压混凝土筑坝技术发展和追求的一大 目标。本文通过工程实际进行 了火山灰、磷矿渣双掺及火山 灰单掺的配合 比试验研究，最终就地取材 ，在 国内首次采用火山灰单掺筑坝技术，并取得了较好的工程效 果 和经 济 效益 。 【 关键词 】 弄另水电站 碾压混凝土 单掺火山灰应用 【 DoI 编码 】 1 o 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 3 1 2 0 0 9 【 中图分类号 】T V4 【 文献标识码 】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 3 3 0 3 1 工程概况 弄 另 水 电站 工程 位 于云 南 省 西部 的德 宏州 龙江 瑞 丽 江 中段 的梁 河 县勐 养镇 弄 另村 以东 5 k m 的干流上 ，是梯级开发规 划调整后 的第l 2 级 电站 。水库 总库容 2 3 2 亿 m ，正常 蓄水位 9 6 2 0 m，本工程为大 ( 2 )型 I I 等工程。工程主 要枢 纽建筑物 由拦河 坝 、引水系 统、发 电厂房及 开关 站等组成 。电站开发任务主要 为发 电，在地 区电力系统 中担 负调峰 、调频 、备用等任务 ，还 具有 一定 的防洪 、灌溉 等功能 。 拦 河 坝 为 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 ， 最 大 坝 高 9 0 5 m，坝 项长 2 8 0 0 m，坝顶宽 8 0 m。坝体碾压 混凝 土 2 9 8万 m 。工程 区属地震动 峰值加 速度 0 。 2 0 g区域 ，地震动反应 谱特征周期为 O 4 5 s ，相 当于地震 基本烈度为度 。本工程主要建筑物 为 2级建 筑物 ，设计烈度 与基 本烈度相 同。 引水 系统进水 口布置在 左坝头上游 1 1 0 m 左 右的河湾 处，从进水 口至发 电厂房 引水道长度 为 5 6 6 7 6 1 m。发 电厂房 为 引水式地面 厂房 。2 2 0 k V 开关站采用户 内G I S方案 。电站装机 2台， 总容 量 1 8 0 MW ， 保证 出力 3 2 MW ， 年 利用小时 4 5 5 0 h ， 年 电量 8 1 9亿 k wh 。电站首 台机 组发 电工期为 3 2个 月，工程完建工期为 4 0个 月 。 本工程所用粗 、细 骨料 的天然料场位于坝址 下游约 5 k m 的勐养 镇江心寨龙江河床上 ， 料场合 计砂砾石储量 约 1 3 6 4万 m。 。 2坝体结构 2 1 坝体材料 分区 大坝共分为 1 2个坝段 ，坝段横缝 间距 4 0 m ( 溢流坝段为 4 4 m) 。坝体混 凝土包括常态混凝 土和 碾压混凝土两大类 ，除结 构和布置上要求采 用 常态混凝土 的部位外 ，坝体 内部 9 2 3 0 0 m 高程 以下为 RC C的 C】 8 o 1 5 W4 F 5 0三 级配碾压混凝土 ， 9 2 3 0 0 m 高程 以上为 R CC的 C1 8 0 1 0 W4 F 5 0三级 配碾压混凝 土 ；上游坝面 防渗层采 用厚 5 0 c m 的 C 2 0二级配变态混凝土和 厚 2 0 m,- 4 5 m 的 R CC 的 C9 0 2 0 W8 F 1 0 0 二级配碾压混凝土 ；下游 坝面 为厚 5 0 c m 的 C 2 0三 级配变 态混凝土 。大坝 基础 找平层 ， 河床部位和基础平 台部分为 C 2 0 W8 F 1 0 0 常态混凝土 ，两岸 岸坡找平层为变态混凝土 ，厚 1 0 m；溢流坝 面板为 C 2 5 F 1 0 0常态 混凝土 ，溢流 面板与碾压混凝土接触面设 0 8 x 1 0 m ( 宽 高) 台阶；坝体灌浆廊道与检查廊道外包混凝土为 C 2 0 F1 0 0常态 混凝土 ，厚 1 0 m；中孔外包混凝土 作者 简介：徐哲 ( 1 9 6 4年一 ) ，男，教授级高级 工程师 。 3 3 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 2期 为 C 3 5 F 1 0 0常态混凝土，厚 1 O m。中孔坝段 除中 孔周边 、上游 闸门井 、下游 出 口段外均采用碾压 混凝土 。坝体 内部廊道等孔洞周边采用变态混凝 土进行施工 。 2 2 掺合料使 用背景 随着碾压混凝土筑坝技术 的发展 、成熟 ，如 何扩大碾压混凝土活性掺合料 的使用范 围，不仅 使用粉煤灰 ，还要在粉煤灰短缺或供应不足 的情 况下找到替代 品，是碾压混凝土筑坝技术发展和 追 求 的一大 目标 。 ( 1 )气候特 性条件 本流域地处低纬度高原 ，太 阳辐射量大 ，热 量 丰富 ，气候温和 ，属北热带和南亚热带季风气 候 。 主要 特点是 ： 四季不 明显， 春温 高， 夏季长 ， 秋多雨 ，冬季短 ，雨热 同期 ，干 冷同季 ，年温差 小， 日温差大 。流域 内的年平均气温 由南 向北递 减 ，南部 的瑞丽市可 达 2 O ，北部 的腾 冲市为 1 4 7 。中东部 的潞西站 多年平均气温 1 9 5 ， 极 端最高气温 3 6 2 ，极端最低气温 0 6 。 ( 2 )工程位置 条件 弄另 水 电站 位于 该流 域 的 中偏 下游 的德宏 州梁 河县勐养镇 ，距省会 昆明 7 8 5 k m。当地粉煤 灰 资源极为短缺，尽管 昆明等地区有一定量 的粉 煤灰 资源 ，但 由于云南水 电建设处于高潮期 ，各 大水 电站 建设工地需求量均较大 ，供应 得不到很 好 的保证 。 弄另水 电站又距离产灰地约 6 0 0 k m，路途遥 远 且多数属 于 山道 ，运输 难度较大 ，成本较 高。 同时鉴于大朝 山、漫湾 等水 电站在 筑坝时混凝土 掺合料很好地利 用 了当地的火 山灰 、 磷 矿渣等材 料 ，并且取得 了很好 的工程 效果和经济 效益 ，因 此 ，本工程拟对此进 行研 究并应用 。 本 工程 附近 约 6 0 k m 的云南腾冲市有充足的 火山灰矿藏，经过现场调查，矿山四处也分布着 许 多大小不一 的开采 工厂和 企业，有 的 已经形成 了规模化生产供应链条 ，其质量和数量 均可满 足 本工程 的要求 ，而且运输火 山灰 的道路等 交通条 件良好，因此本着因地制宜，就地取材，节约成 本 的宗 旨，进行 了双掺火 山灰 、磷矿渣及单掺火 山灰 的配合 比试验研 究，并最终采用单 掺火 山灰 的试验成果应用于工程实 际。 3 碾压混凝土双 、 单掺料配合比试验情况 3 1 掺合料 品质检验 掺合料有磷矿渣及凝灰岩两种 。磷矿渣 由施 工现场提供 ，为颗粒状 ，经试验室球磨机粉磨后 使用 。凝灰岩属于天然火 山灰质材料 ，天然 的或 人 工 的 以氧 化硅和 氧化 铝为 主要 成分 的矿物 质 材料 ，磨成细粉与石灰混合后再加水拌制成胶泥 状态 ， 具有水硬 性能者 ， 称 为火山灰质 混合材料 。 本 次配 合 比所 用凝 灰岩 为 云南省腾 冲 市 附近 开 采 的凝灰岩， 施工现场提供的凝灰岩为褐色块石 ， 经破碎机破碎后 ，由球磨机磨至所 需粒径 ，以上 两种掺和料 品质检验成果 见表 1 。 检验结 果表 明，火 山灰与磷矿渣 的需水量 比 相 当，2 8 d抗压强度 比6 2 ，火 山灰满足活性 混合材 的品质指标要求 。 3 2 双掺 及单掺 料具体参数及性 能试验 碾压混凝土双掺料 ( 火 山灰、磷矿渣 )及单 掺 ( 火 山灰 ) 具体参 数及强度 性能多组进行试验 ， 结果取其平均值对 比见表 2 。 从表 2结果对 比分析得 出：碾压混凝土双掺 料配合 比、单掺料配合 比在用水量上没有 多大差 异 ，用水量相 同的情况 下，VC值相差 1 2 S ；从 抗压 强度检测 结果来看 ，双 掺料 ( 火 山灰 、磷矿 渣 )碾压 混凝 土抗压 强度 比单掺料 ( 火 山灰 )碾 压混凝土抗压强度略高一些 ，尤其是混凝土强度 等级越高 ，龄期越长这种关系越 明显 。 3 _ 3 极 限拉伸试验 单掺 及双 掺 时碾 压混 凝土 极 限拉伸 均 采用 1 O O mm l O O mmx 5 1 5 mm 试件 多组进行试验 ，变 形用 电测干分表测得 。试验结果取其平均值对 比 见表 3 。 由表 3的试验结果可见 ，从 C 9 0 1 O W4 F 5 0碾 压混凝土极 限拉伸试验结果来看 ，碾压混凝土双 掺料 配合 比极 限拉 伸值 比单掺 料配 合 比极 限拉 伸值略高 。 3 4 干缩试验 单 掺 及 双 掺 时 碾 压 混 凝 土 干 缩 均 采 用 1 0 0 1 0 0 5 1 5 mm 棱柱体试件多组进行试验 ，试 验 结果取其平均值对 比见表 4 。 由表 4的试验 结果可见 ，混凝 土 7 d的干缩 率在 1 4 0 5 4 1 4 6 2 4 x 1 0 曲之 间，2 8 d的干缩率在 3 1 1 8 3 3 2 0 4 3 x 1 0 。之 间 ， 9 0 d 的 干 缩 率 在 3 6 9 1 9 3 7 7 6 5 x 1 0 曲之 间，双掺磷矿渣 、火 山灰 的碾压 混凝 土干 缩 与单掺 火 山灰 的碾压 混凝 土 干缩 率未见明显差别。可见，单掺该火 山灰并未 显著增加 碾压混凝 土的干缩性 。 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 l 2期 表 1 大坝碾压混凝土掺合料品质检验结果 细度 需水量比 抗压强度 比 ( ) 掺合料品种 烧失量 ( ) S O3( ) 4 5 r n筛筛余 ( ) 8 0 1 a n筛筛余 ( ) ( ) 1 4 d 2 8 d 6 0 d 火山灰 6 - 3 5 4 9 6 4 2 0 o 0 O 3 8 7 2 7 5 5 9 0 9 磷矿渣 7 7 3 8 9 6 8 2 0 7 0 3 3 | 1 o 4 O 1 4 2 4 D T51 4 4 2 0 01 5 7 6 2 对火山灰的品质要求 D T5 0 5 5 1 9 9 6 Sl 2 三 9 5 5 3 对 I 级粉煤灰的要求 表 2 碾压混凝土双掺料与单掺强度对比表 减水剂 引气剂 掺合料掺 抗压强度 ( MP a ： 劈拉强度 ( MP a ) 编号 水胶 比 砂率 ( H C 3 ( ) H C 9( 量 ( ) 7 d 2 8 d 6 0 d 9 0 d 7 d 2 8 d 6 0 d 9 0 d C9 0 1 5 W4 F 5 0 一 双掺 0 4 9 0 7 O O 2 5 8 3 0 l 1 6 1 7 1 2 2 5 2 6 7 0 7 2 1 1 8 l - 2 9 1 8 0 C9 0 1 5 W4 F 5 0 单掺 0 4 9 0 7 O O 2 5 8 3 l l 0 7 1 4 9 1 8 7 2 2 2 0 6 6 O 8 5 1 1 2 1 4 0 表 3 双 、单掺的碾压混凝土极 限拉伸与轴拉强度结果对比表 极限拉伸 ( 1 0 ) 轴拉强度 编号 配合比情况 2 8 d 9 0 d 2 8 d C 9 0 1 0 W4 F 5 0 双掺 R c c l 0 P 3 0 + T 3 O 0 7 5 O 9 2 l -3 l C 9 0 1 0 W4 F 5 0 单掺 Rc c l 5 T 6 O 0 6 5 O 8 3 l -2 7 表 4 双掺、单掺的碾压混凝土干缩试验结果对比表 表 5 碾压混凝土绝热温升检测结果对比表 干缩率 ( 1 0 ) 编号 配合比情况 7 d 2 8 d 9 0 d C9 01 5 W 4 F 5 0 - Rc c 1 5 1 4 0 5 4 3l 1 8 3 3 6 9 1 9 双掺 ( T 2 8 3 + J 8 3 ) C9 01 5 W 4 F5 0 - Rc c 1 5 1 4 6 - 2 4 3 2 0 4 3 3 7 7 6 5 单掺 ( T 5 6 6 ) 注：混凝土干缩龄期以试件成型后两天为基准。 温升值 ( ) 龄期 ( d ) C 9 0 1 5 、 4 F 5 0 C 9 0 1 5 W4 F 5 0 ( R e e l 5 P 2 8 3 + T 2 8 3 双掺 ) ( R e e l 5 T 5 6 6 单掺) 7 1 1 8 11 9 2 0 l 5 5 1 1 8 5 2 28 1 6 1 l l 9 5 7 9 0 l 7 8 9 1 9 9 3 表 6 大坝 C1 5碾压混凝土芯样检测各项指标与设计值对照表 极限拉伸 序号 抗渗等级 抗压强度 ( MP a ) 表观密度 k g m 相对压实度 弹性模量 ( MP a ) ( 1 0 4) 芯样检测值 ( 1 8 0 d) W8 08 4 2 1 7 2 41 l 9 8 2 25 9 x 1 0 4 设计值 ( 1 8 0 d ) W4 _-2 0 8 0 1 5 2 4 0 0 9 8 2 2 x l 0 4 注：1 8 0 d 强度保证率 8 0 。 3 5 绝热 温升 碾 压混凝土绝 热温升试验结 果见表 5 。从表 5可 看 出，绝热温 升 2 0 d龄期后基本趋 于平缓 ， 其 2 8 d 、9 0 d绝热温升值均在 2 O 以内，差别 已 很小 。 4单掺火山灰现场试验 根据原材 料特点及施工 现场 情况 ，利用大坝 下游 消力池 的二道 坝作为试验对 象 ，对试验室提 供 的碾 压 混凝 土 配合 比进 行 了现 场碾 压 复核 试 验 ，并在 此基础上对配合 比中的掺合料 掺量和砂 率做 了相 应 的调整 。从试验结果看 ，C 9 o l 5 W4 F 5 0 碾压 混凝 土配合 比 9 0天强度 1 7 6 MP a ，能够满 足碾 压混凝土坝设计 1 5 MP a的强度 要求 。 5应用成果及结论 弄 另 电站大坝碾压混凝土 总量 2 9 8万 m ， 经计算 ，使用 火山灰总量 3 6万 t 。工程于 2 0 0 8 年 8月竣工后 ，混凝土质 量评定合格率 1 0 0 ， 优 良率 8 7 。其 中，对 大坝选取 了 4个 孔 8组 的 C】 8 0 1 5 W4 F 5 0 混凝土 芯样 检测结果与设计值对 照 见表 6 ，表中芯样试验各项控制指标均满足设计 要求 ，而且大坝外观上 尚未 出现任 何干缩裂纹等 不 良现 象。 ( 下转第 4 0页) 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 2 期 妲 辑 i 、 l 十 e 4 L 慨 、 ， 一 叁 一 I 砷 。 瓠 妇 & 一一 2 *、 “ 、 f 寸 一 臻 酬 嬲 静 妇 0 一 一 一 观 测 日期 ( 年一 月一 日 ) 图 1 l 桩土荷载b 匕 测值过程线比较 图 l 2 c 3土压力位置处 ，监测数据桩土荷载比分布图 图 1 3 C 4土压力位置处。静载试验与监测数据桩土荷 载比分布图 图 1 4 C 5土压力位置处 。监测数据桩土荷载比分布图 图 1 5 桩土荷载比回归分析 并结合试验及理论分析 ，进 一步分析桩土荷载分 配 比的变 化状态 ，为相似 工程提供指 导性意见 。 4 参考文献 5 1 I s e n h o we r ， W M， A r r e l l a g a ， J A，Wa n g ，S T ，J o h n s o n ， J 0 Ex pe r i e n c e s wi t h Ge o J e t p i l e s i n s a nd y c l a ys S o i l 6 I mpr o ve me n t f o r Bi g Di gs Ge o t e c h ni c a l S pe c i a l Pu bl i c a t i o n ASCE，1 9 98 7 2 阎明礼，张东刚编著 C F G 桩复合地基技术及工程实践， ( 上接第 3 5页 ) 弄另电站大坝碾压混凝土单掺火山灰为国 内首次在工程实 际中的开展应用 ，无可借鉴 的工 程案 例和 技术资料 ，设计在初期室 内试验成果 的 基础上经调整配合 比并做 了充分的现场碾压试 验研 究，实践证明 ，碾压混凝土筑坝单掺火 山灰 中国水利水 电出版社 2 0 0 1 龚 晓 南，复合 地基 ，浙江 大 学 出版 社 ， 1 9 9 2 水泥粉煤灰碎石桩 ( C F G 桩 )复合地基的设计建筑技 术 ， V o 1 2 1 马骥 ，张东 刚等 CF G 桩 复合 地 基设 计有 关 问题 非探 讨 工 程勘 察， 2 0 0 1 阎明礼 ，吴春 林，杨 军 水 泥粉 煤灰 碎石 桩 复合 地基 试验 研 究 岩 土工 程学 报1 9 9 6 张晶，李斌， C F G桩复合地基承载力的试验研究 合肥工 业大学出版社 ( 自然科学版)， 1 9 9 9 在技术 上是可 行的。 截 止 目前，工 程竣 工 已近 5年 ，大坝表面 尚 未 出现裂 纹等 异常情 况，本 工程中各项主要技术 指标均满足设计和规 范要求 。同时 ，本 工程 单掺 火 山灰后仅掺合料一 项，使建 设单位 也取得 了可 观 的经济 效益 。