淺析碾壓混凝土壩-以龍灘水電站為例

1、淺析碾壓混凝土壩以龍灘水電站為例姓名：學(xué)號：摘要：隨著碾壓混凝土筑壩技術(shù)的應(yīng)用和普及，碾壓混凝土大壩建造 施工技術(shù)己成為水利工程大壩首選壩型技術(shù)之一，它具有施工速度快和工程造價低的特點(diǎn), 受到業(yè)主和設(shè)計單位的青睞。本文介紹了碾壓混凝土壩施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，指出了當(dāng)前碾壓 混凝土壩工程建造施工中存在的問題，重點(diǎn)對碾壓混凝土壩施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。并 以龍灘水電站為例具體說明了碾壓混凝土的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：碾壓混凝土壩；施工技術(shù)； 技術(shù)要點(diǎn)；龍灘水電站碾壓混凝土施工技術(shù)是干硬性混凝土建造水利大壩的重要施工工藝之一，振動碾壓施 工方法是一種非常好的混凝土施工技術(shù)。它的機(jī)械化程度比較高，大大的縮短了水利大壩

2、 的建設(shè)工期，科學(xué)合理的簡化了施工的工序，可以有效的降低混凝土大壩的投入資金，這 種技術(shù)打破了原來傳統(tǒng)的混凝土水利大壩的澆筑方式，已經(jīng)成為了現(xiàn)代水利工程大壩普遍 采用的壩型之一。一、碾壓混凝土壩施工技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)碾壓混凝土 (RCC)作為一種干硬性混合料，無塌落度，施工方法接近于土石壩的填筑 方法，采用通倉薄層鋪料，振動碾壓壓實。與常規(guī)混凝土相比，無論在材料消耗、施工效 率，還是其本身性能等方面都有明顯的優(yōu)越性。1 .施工速度快，建設(shè)周期短。RCC可全斷面上升，其上升速度可達(dá)到1525m/月。 因此，比常態(tài)混凝土壩的工期可縮短1/31/2。2 .壩體結(jié)構(gòu)簡單而經(jīng)濟(jì)。由于RCC取消了縱縫和灌漿系統(tǒng)，

3、不需要一期冷卻和二期冷 卻，同時，橫縫可達(dá)到3080m一條。這種橫縫不需要立摸，只需在RCC每層碾壓完畢后 用截縫機(jī)在現(xiàn)場截縫即可。所以能夠節(jié)約大筆材料費(fèi)和人工費(fèi)。3 .可用當(dāng)?shù)毓橇希话悴灰厥馓幚?。常態(tài)混凝土能用的砂礫料或人工碎石料，RCC 都能用。特別是人工碎石的石粉，常態(tài)混凝土不能用，而RCC可以用。一般砂中可達(dá)8% 17%。如用石灰?guī)r石粉還可節(jié)約水泥，同時可改善RCC的可壓性能，如普定RCC,摻17%的 灰?guī)r粉后，RCC的水泥用量可降到50kg/m 3。如果施工過程中，倉面萬一泌水，可減少 粉煤灰摻量，加大石粉摻量來改善RCC的性能。4 .施工期可以壩頂泄流。RCC在施工過程中，如遇

4、洪水(超過設(shè)計施工洪水頻率)時， RCC可以允許過水，而且不需要采取常態(tài)混凝土重力壩的縱縫通水平壓措施，同時還不致 r因水流過壩造成冷擊應(yīng)力裂縫。二、碾壓混凝土壩施工技術(shù)要點(diǎn)分析1.混凝土配合比設(shè)計目前，各國在進(jìn)行碾壓混 凝土配合比選擇時，采用的配合比參數(shù)和計算方法不盡相同，但不論采取何種方法，只要 選擇適當(dāng)，均能配制出優(yōu)質(zhì)的碾壓混凝土。比較好的方法是：以少量的試驗工作能方便 可靠地獲得所需配合參數(shù)；當(dāng)混凝土原材料，混凝土生產(chǎn)及施工條件發(fā)生變化時，能迅 速得到新條件下的參數(shù)調(diào)整值：盡量接近常規(guī)方法，簡化調(diào)整時的工作，以利于推廣應(yīng) 用。在進(jìn)行碾壓混凝土配合比參數(shù)選擇時，必須根據(jù)實際工程和施工條件

5、，以及設(shè)計要求 的技術(shù)指標(biāo)，選定混凝土拌和物稠度（即VC值）控制范圍：骨料最大粒徑及級配：混凝上-1 -的保證強(qiáng)度等基本配合條件。2 .層面處理層面處理是影響碾壓混凝土壩安全穩(wěn)定的一個重要問題，尤其是高壩尤為重要。解決 此問題除了處理好骨料離析問題和改善層面條件以外（如保持層面濕潤、清除層面上浮漿 皮、松散物和過量集水及污物），要求著重控制好碾壓混凝土的初凝時間。坑口碾壓混凝 土重力壩對層面處理的要點(diǎn)是：當(dāng)氣溫在13以下、層面間隔時間在16 h以內(nèi)時，不做 任何處理直接在碾壓混凝土層面上鋪筑上層混凝土；當(dāng)層面間隔時間超過16 h,且在24 h以內(nèi)時，在層面鋪筑1. 5cm厚的水泥砂漿再鋪筑上層

6、碾壓混凝土；當(dāng)層面間隔時間超過 24 h,則用低壓水沖洗混凝土層面，并鋪筑1.5cm厚的水泥砂漿后再鋪筑上層碾壓混凝土。3 .防滲1）斜層鋪筑技術(shù)碾壓混凝土斜層鋪筑法是相對傳統(tǒng)的鋪筑方法而言的，即將傳統(tǒng)的水平攤鋪碾壓層改 為1： 101： 20的斜層。采用斜層坡度合理、平推方向合適的斜層平推鋪筑法施工的碾 壓混凝土，其層面抗?jié)B能力可以達(dá)到或接近碾壓混凝土本體的抗?jié)B性能，使碾壓混凝土本 身即可承擔(dān)起壩體防滲的任務(wù)，不再需要其他的輔助防滲措施。2）白防滲技術(shù)碾壓混凝土的防滲形式主要有以下3種類型：“金包銀”模式、碾壓混凝土自防滲、 在壩的上游面另做防滲層等。自普定拱壩成功采用二級配碾壓混凝土自防滲

7、技術(shù)以來，當(dāng) 前在我國已普遍采用第二種模式，即采用三級配碾壓混凝土做大壩主體，其上游采用二級 配碾壓混凝土作防滲結(jié)構(gòu)，在壩體上游面采用二級配富膠凝材料碾壓混凝土自身防滲。4 .完善和拓展變態(tài)混凝土壩體結(jié)構(gòu)物周邊及壩基（肩）部位受鋼筋、模板拉筋或基巖的限制，實施碾壓混凝土非 常困難，一般需配備小型碾壓設(shè)備處理，這就大大降低了碾壓混凝土整體施匚效率。將一 定濃度的水泥漿灑入靠近模板的碾壓混凝土中，用插入式振搗器振搗，這便是變態(tài)混凝土 的初級階段。由于變態(tài)混凝土的“變”是在倉面最終完成，拌和樓不必頻繁變換混凝土類 型，做到了與碾壓混凝土同步上升，使得碾壓混凝土施工更加簡潔流暢。5 .溫度控制雖然碾壓

8、混凝土膠凝材料用量少，并用粉煤灰代替部分水泥，水化熱較常規(guī)混凝土少, 但是，一般情況下，碾壓混凝土壩體不設(shè)置冷卻水管，所以碾壓混躡上施工的溫控要求更 為嚴(yán)格。由于碾壓混凝土特有的性念，比澆常規(guī)混凝土其溫度提升更快，因為松散狀態(tài)的 碾壓混凝土顆粒間充滿了流動的空氣，加快了碾壓混凝土與外界的熱交換。因此運(yùn)輸路程 應(yīng)盡量短，碾壓應(yīng)及時。另外，盡量減少碾壓混凝土層面在空氣中的暴露時間，加快鋪筑 速度。三、龍灘水電站1.電站簡介龍灘水電工程位于紅水河上游的廣西天峨縣境內(nèi)，距天峨縣城15公里。壩址以上流 域面積98, 500平方公里，占紅水河流域面積的71垢 其裝機(jī)容量占紅水河可開發(fā)容量的 35-40%,

9、是國內(nèi)在建的僅次于長江三峽的特大型水電工程。龍灘水電站是南盤江紅水河水 電基地10級開發(fā)方案的第四級，是紅水河開發(fā)的控制性水庫。上游為平班水電站，下游 為巖灘水電站。電站具有較好的調(diào)節(jié)性能，-2 -發(fā)電、防洪、航運(yùn)等綜合利用效益顯著，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越。2 .電站樞紐龍灘水電站計劃分兩期開發(fā)，主體工程之一的攔河重力壩也將分兩期施工：初期建設(shè) 時，正常蓄水位375米，壩頂高程382米，最大壩高192米，壩頂長735. 5米，后期正常 蓄水位400米，壩頂高程406. 5米，最大壩高216. 5米，壩頂長830. 5米。壩址河谷寬高 比約3. 5,是較寬闊的V型河谷。枯水期河水面寬約100米，水深1

10、319. 5米。壩基巖 石為三疊系砂巖夾泥板巖，以砂巖為主。經(jīng)大量勘探，壩基下未發(fā)現(xiàn)緩傾角斷層，緩傾角 節(jié)理相對不發(fā)育，無深層滑動的可能。3 .樞紐布置碾壓混凝土重力壩方案的研究始于1990年2月。起初，著重研究的是大壩采用碾壓 混凝土的技術(shù)可能性和經(jīng)濟(jì)合理性。在原常態(tài)混凝土壩的壩體布置和壩體斷面不變的情況 下，用碾壓混凝土代替內(nèi)部常態(tài)混凝土，上下游均用常態(tài)混凝土包裹，碾壓混凝土的高度 控制在120米、150米或160米等范圍內(nèi)，建基面上是很厚的常態(tài)混凝土墊層。分析結(jié)果 認(rèn)為，龍灘重力壩采用碾壓混凝土是完全可行的和經(jīng)濟(jì)的，壩體碾壓混凝土量越多，施工 速度越快，經(jīng)濟(jì)效益越顯著，但按上述指導(dǎo)思想設(shè)

11、計的碾壓混凝土壩在膠凝材料用量、總 投資和工期上，與常態(tài)混凝土重力壩差別不大，因此，建議調(diào)整樞紐布置，改進(jìn)壩體斷面 和壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其適應(yīng)于碾壓混凝土大倉面快速施工的要求。要調(diào)整樞紐布置，其原則是簡化壩體結(jié)構(gòu)，使廠房引水系統(tǒng)與泄水建筑物分離，使大 壩采用碾壓混凝土的部位相對集中。在設(shè)計院對樞紐布置方案進(jìn)行大量比較研究的基礎(chǔ)上, 1992年12月，原能源部委托水利水電規(guī)劃設(shè)計總院在北京主持專題會議，最終審定龍灘 水電站廠房布置采用全地下廠房方案。該方案無壩后廠房，壩體結(jié)構(gòu)簡單，施工干擾小， 最符合大壩采用碾壓混凝土的壩體布置要求，從而為大規(guī)模采用碾壓混凝土創(chuàng)造了條件。4 .大壩的斷面設(shè)計樞紐布

12、置尤其是壩體布置確定之后，擴(kuò)大壩體碾壓混凝土范圍的唯一途徑是盡量提高 碾壓混凝土壩的高度。然而世界范圍內(nèi)正在建設(shè)中的碾壓混凝土壩的最大高度僅150米， 為了更多、更高、更快地應(yīng)用碾壓混凝土筑壩技術(shù)，'龍灘碾壓混凝土重力壩結(jié)構(gòu)設(shè)計及 施工方法研究'被列為國家'八五'攻關(guān)的專題，經(jīng)開展科研攻關(guān)和設(shè)計研究，取得了重大 突破。由r分期建設(shè)，大壩的斷面分為初期斷面和最終斷面，初期斷面設(shè)計既要盡量減少初 期建設(shè)時的壩體混凝土工程量，乂要為后期加高創(chuàng)造必要的和有利的條件。經(jīng)多方案對比 和初設(shè)審查會議確定：大壩加高方式為平行后幫式（貼坡式）。大壩碾壓混凝土高度越高, 設(shè)計要求的

13、層面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)也越高。而選擇層面抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)的設(shè)計值是一個十分 復(fù)雜的問題，關(guān)鍵是膠凝材料含量、層間間歇時間和氣溫條件。根據(jù)已經(jīng)完成的現(xiàn)場碾壓 和原位抗剪斷試驗成果并考慮大壩實際施工時使用合理的碾壓混凝土配合比，采用先進(jìn)的 設(shè)備和工藝，精心施工和嚴(yán)格控制質(zhì)量，龍灘大壩在給定的設(shè)計體形下完全可以實現(xiàn)從底 到頂?shù)娜叨饶雺骸? .壩體應(yīng)力及穩(wěn)定復(fù)核壩體應(yīng)力及穩(wěn)定分析，結(jié)合八五攻關(guān)，采用多種計算方法進(jìn)行計算，并對基本參數(shù) 進(jìn)行了敏感性分析。對壩體應(yīng)力而言，無論是高壩應(yīng)力條件還是由于分期建設(shè)帶來的不利影響，-3 -均屬局部強(qiáng)度要求問題，對大壩體形參數(shù)的選擇不起控制作用。如大壩加高時，后幫 混凝土

14、的溫降對壩踵應(yīng)力的不利作用，可以通過提高該區(qū)域混凝土的抗拉強(qiáng)度和減少后幫 混凝土溫升等措施來解決。對壩體穩(wěn)定而言，沿壩體內(nèi)碾壓混凝土層面的抗滑穩(wěn)定問題顯得尤為突出。由于已往 的設(shè)計經(jīng)驗不多，對荷我計算、選擇層面抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)、計算公式以及安全系數(shù) （或者安全度）等問題做過較多的探索。綜合分析的結(jié)論是，龍灘大壩采用全高度碾壓，膠凝材料用量200千克/立方米左右，結(jié)合現(xiàn)場試驗成果分析，沿層面抗滑穩(wěn)定安全性是 有保證的。即使由于施工不慎，c'值降低較多，大壩的整體穩(wěn)定仍有相當(dāng)高的安全度。6 .壩體的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了壩體體形之外，對維持大壩穩(wěn)定起重要作用的還有壩體結(jié)構(gòu), 如碾壓混凝土層面結(jié)構(gòu)和

15、強(qiáng)度、材料分區(qū)、防滲排水結(jié)構(gòu)、分縫與止水結(jié)構(gòu)。合理的壩體 結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅應(yīng)保證大壩安全，而且應(yīng)方便施工。碾壓混凝土層面結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，應(yīng)結(jié)合混凝土配合比設(shè)計、施工方法和施工工藝的研究, 確保沿層面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足設(shè)計要求。對于壩體底部層面建議向上游傾斜2。左右, 以利于提高大壩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。壩體碾壓混凝土的分區(qū)從底到頂分成三個區(qū)域，每 個區(qū)域根據(jù)施工條件、壩體應(yīng)力和穩(wěn)定條件提出主要性能指標(biāo)要求。防滲排水結(jié)構(gòu)除要求 壩體本身有較高的防滲性能外，上游面還應(yīng)設(shè)置單獨(dú)的防滲面層，緊接壩體防滲體后設(shè)置 排水廊道和排水孔，并考慮河床壩段底部一些碾壓混凝土層面上設(shè)排水孔與基礎(chǔ)排水廊道 相貫通，以確保壩

16、體內(nèi)部碾壓混凝土層面上的揚(yáng)壓力低于設(shè)計值。壩體碾壓混凝土橫健根 據(jù)壩體結(jié)構(gòu)和溫控要求確定，壩體的防裂措施和溫控標(biāo)準(zhǔn)尚在研究之中。壩體止水設(shè)計，吸取常規(guī)混凝土重力壩橫縫止水設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)，對止水結(jié)構(gòu)布置及 其與上游防滲結(jié)構(gòu)和壩基巖體中的防滲帷幕的連接給F了足夠的重視，從而可以保證整個 上游面的不透水性能。四、龍灘水電站將科技攻關(guān)與設(shè)計優(yōu)化相結(jié)合，已取得的關(guān)鍵科技成果有以下幾方面:L樞紐布置優(yōu)化紅水河龍灘水電站，初期蓄水位375米，裝機(jī)420萬千瓦，最大壩高192米，壩體混 凝土 532. 2萬立方米：后期正常蓄水位400米，裝機(jī)540萬千瓦，最大壩高216. 5米，壩 體混凝土澆筑量約680萬立

17、方米。初步設(shè)計審定的樞紐布置方案為：常態(tài)混凝土重力壩、 河床壩段布置泄水建筑物；發(fā)電廠房為河床壩后廠房（裝機(jī)5臺）、左岸地下廠房（裝機(jī) 4臺）：通航建筑物布置于右岸。該方案簡稱為“5+4”方案。在初步設(shè)計審定方案的基礎(chǔ) 上，比較了 “5+4”方案，并重點(diǎn)補(bǔ)充研究了 “04”方案（全地下廠房方案），為碾壓混 凝土壩快速施工創(chuàng)造了更為有利的條件。最后設(shè)計推薦“0丁9”方案，該方案的優(yōu)點(diǎn)為： （1）“0+9”方案因壩后無廠房，壩上無進(jìn)水口，壩內(nèi)無鋼管，簡化了壩體結(jié)構(gòu)，減少了 廠壩施工的干擾，增大了壩體碾壓混凝土的應(yīng)用范圍，有利于碾壓混凝土的快速施工，使 整個土建工程可提前一年發(fā)電。（2）紅水河汛期長

18、，流量大，施工期渡汛和泄洪消能問 題存在一定難度。取消壩后廠房，不僅可以簡化導(dǎo)流措施，而且可以使永久泄水建筑物的 布置更靈活。（3） “0+9”方案因壩后無廠房，壩內(nèi)無鋼管，增強(qiáng)了上部壩體的剛度，有 助于改善壩體應(yīng)力，尤其是地震作用下的壩體應(yīng)力。（4）該方案只有一個廠房，便了運(yùn) 行管理和維修，便于壩體二期加高和提高正常蓄水位?！?+9”方案于1992年12月召開的龍灘水電站廠房布置方案審查會上審查通過。7 .材料特性的試驗研究為了了解碾壓混凝土特性，特別是層面抗剪斷參數(shù)能否滿足建造200米級高碾壓混凝 土重力壩的要求，進(jìn)行了混凝土配合比優(yōu)選，緩凝減水劑的研制及大規(guī)模的現(xiàn)場碾壓試驗。 從1990

19、年10月至1992年12月，在氣候條件相近、原材料基本一致的巖灘土地，模擬了 常溫條件與高氣溫條件的施工情況，先后進(jìn)行了 3次共10種工況的大規(guī)模現(xiàn)場碾壓試驗 與現(xiàn)場原位抗剪斷特性等試驗，碾壓混凝土總量達(dá)819米，原位抗剪斷試塊284塊。通過 大量的試驗資料分析研究，基本搞清了影響碾壓混凝土材料特性，特別是層面抗剪斷強(qiáng)度 的主要影響因素如環(huán)境條件，尤其是氣溫與蒸發(fā)量、膠凝材料用量、層間澆筑間歇時間及 處理措施等。只要這些主要因素控制得當(dāng)，就可以滿足龍灘200米級高碾壓混凝上重力壩 的建設(shè)要求。8 .大壩體型與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究根據(jù)現(xiàn)場試驗的碾壓混凝土材料特性，對大壩體型與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)研窕采用

20、了 以下幾項主要措施：（1）大壩采用富膠凝RCC材料，在6米厚墊層之上，全高度采用RCC 進(jìn)行澆筑；（2）壩上游面設(shè)置專門的鋼筋混凝土防滲面板（1米厚）：（3）在確保大壩 安全的條件下，體型設(shè)計追求最小混凝土工程量，斷面尺寸與常態(tài)混凝土壩比較無需特殊 擴(kuò)大；（4）在計算壩基面揚(yáng)壓時，計入抽排減壓效果，縱橫向排水廊道設(shè)置在壩基常態(tài) 混凝土墊層內(nèi)；（5）盡量簡化壩體結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大壩體采用碾壓混凝土的范圍。優(yōu)化后的龍灘碾壓混凝上重力壩斷面，底寬168. 5米，最大壩高216. 5米，寬高比 0. 78。優(yōu)化設(shè)計最后采用的體型與結(jié)構(gòu)能滿足壩基面和壩內(nèi)任一計算截面穩(wěn)定和應(yīng)力的設(shè) 計要求，已突破了 “八五”攻關(guān)原定的碾壓混凝土 150米級高度，使碾壓混凝土高度達(dá)到 200米，為目前世界之最。大壩采