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(hào)：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(jià)低的特點(diǎn), 受到業(yè)主和設(shè)計(jì)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(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)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(shuō)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(dòng)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(jiǎn)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(lái)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(wú)塌落度，施工方法接近于土石壩的填筑 方法，采用通倉(cāng)薄層鋪料，振動(dòng)碾壓壓實(shí)。與常規(guī)混凝土相比，無(wú)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(jiǎn)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(shí)，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(chǎng)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(shí)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(guò)程中，倉(cāng)面萬(wàn)一泌水，可減少 粉煤灰摻量，加大石粉摻量來(lái)改善RCC的性能。4 .施工期可以壩頂泄流。RCC在施工過(guò)程中，如遇

4、洪水(超過(guò)設(shè)計(jì)施工洪水頻率)時(shí)， RCC可以允許過(guò)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(shí)還不致 r因水流過(guò)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(jì)目前，各國(guó)在進(jìn)行碾壓混 凝土配合比選擇時(shí)，采用的配合比參數(shù)和計(jì)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(yàn)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(shí)，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(jiǎn)化調(diào)整時(shí)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(shí)，必須根據(jù)實(shí)際工程和施工條件

5、，以及設(shè)計(jì)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(jí)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(gè)重要問(wèn)題，尤其是高壩尤為重要。解決 此問(wèn)題除了處理好骨料離析問(wèn)題和改善層面條件以外（如保持層面濕潤(rùn)、清除層面上浮漿 皮、松散物和過(guò)量集水及污物），要求著重控制好碾壓混凝土的初凝時(shí)間?？涌谀雺夯炷?土重力壩對(duì)層面處理的要點(diǎn)是：當(dāng)氣溫在13以下、層面間隔時(shí)間在16 h以內(nèi)時(shí)，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(shí)間超過(guò)16 h,且在24 h以內(nèi)時(shí)，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(shí)間超過(guò) 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(duì)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(jí)配碾壓混凝土自防滲

7、技術(shù)以來(lái)，當(dāng) 前在我國(guó)已普遍采用第二種模式，即采用三級(jí)配碾壓混凝土做大壩主體，其上游采用二級(jí) 配碾壓混凝土作防滲結(jié)構(gòu)，在壩體上游面采用二級(jí)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(shí)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(jí)階段。由于變態(tài)混凝土的“變”是在倉(cāng)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(jiǎn)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?yàn)樗缮顟B(tài)的 碾壓混凝土顆粒間充滿了流動(dòng)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(shí)。另外，盡量減少碾壓混凝土層面在空氣中的暴露時(shí)間，加快鋪筑 速度。三、龍灘水電站1.電站簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)在建的僅次于長(zhǎng)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(jí)開發(fā)方案的第四級(jí)，是紅水河開發(fā)的控制性水庫(kù)。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(jì)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(shí)，正常蓄水位375米，壩頂高程382米，最大壩高192米，壩頂長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)不發(fā)育，無(wú)深層滑動(dòng)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(jì)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(jì)，使其適應(yīng)于碾壓混凝土大倉(cāng)面快速施工的要求。要調(diào)整樞紐布置，其原則是簡(jiǎn)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(duì)集中。在設(shè)計(jì)院對(duì)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(jì)總院在北京主持專題會(huì)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(wú)壩后廠房，壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)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(jì)及 施工方法研究'被列為國(guó)家'八五'攻關(guān)的專題，經(jīng)開展科研攻關(guān)和設(shè)計(jì)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(jì)既要盡量減少初 期建設(shè)時(shí)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(duì)比 和初設(shè)審查會(huì)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(jì)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(jì)值是一個(gè)十分 復(fù)雜的問(wèn)題，關(guān)鍵是膠凝材料含量、層間間歇時(shí)間和氣溫條件。根據(jù)已經(jīng)完成的現(xiàn)場(chǎng)碾壓 和原位抗剪斷試驗(yàn)成果并考慮大壩實(shí)際施工時(shí)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(jì)體形下完全可以實(shí)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(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)基本參數(shù) 進(jìn)行了敏感性分析。對(duì)壩體應(yīng)力而言，無(wú)論是高壩應(yīng)力條件還是由于分期建設(shè)帶來(lái)的不利影響，-3 -均屬局部強(qiáng)度要求問(wèn)題，對(duì)大壩體形參數(shù)的選擇不起控制作用。如大壩加高時(shí)，后幫 混凝土

14、的溫降對(duì)壩踵應(yīng)力的不利作用，可以通過(guò)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(lái)解決。對(duì)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(wèn)題顯得尤為突出。由于已往 的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不多，對(duì)荷我計(jì)算、選擇層面抗剪（斷）強(qiáng)度參數(shù)、計(jì)算公式以及安全系數(shù) （或者安全度）等問(wèn)題做過(guò)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(chǎng)試驗(yàn)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(jì)除了壩體體形之外，對(duì)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(jì)，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(jì)、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(jì)要求。對(duì)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(gè)區(qū)域，每 個(gè)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(jì)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(jì)，吸取常規(guī)混凝土重力壩橫縫止水設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)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(gè) 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(jì)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(wàn)千瓦，最大壩高192米，壩體混 凝土 532. 2萬(wàn)立方米：后期正常蓄水位400米，裝機(jī)540萬(wàn)千瓦，最大壩高216. 5米，壩 體混凝土澆筑量約680萬(wàn)立

17、方米。初步設(shè)計(jì)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(tái)）、左岸地下廠房（裝機(jī) 4臺(tái)）：通航建筑物布置于右岸。該方案簡(jiǎn)稱為“5+4”方案。在初步設(shè)計(jì)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(jì)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(wú)廠房，壩上無(wú)進(jìn)水口，壩內(nèi)無(wú)鋼管，簡(jiǎn)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(gè)土建工程可提前一年發(fā)電。（2）紅水河汛期長(zhǎng)

18、，流量大，施工期渡汛和泄洪消能問(wèn) 題存在一定難度。取消壩后廠房，不僅可以簡(jiǎn)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(wú)廠房，壩內(nèi)無(wú)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(gè)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(huì)上審查通過(guò)。7 .材料特性的試驗(yàn)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(jí)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(chǎng)碾壓試驗(yàn)。 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)?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn) 與現(xiàn)場(chǎng)原位抗剪斷特性等試驗(yàn)，碾壓混凝土總量達(dá)819米，原位抗剪斷試塊284塊。通過(guò) 大量的試驗(yàn)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(shí)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(jí)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(chǎng)試驗(yàn)的碾壓混凝土材料特性，對(duì)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(xiàng)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(jì)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(wú)需特殊 擴(kuò)大；（4）在計(jì)算壩基面揚(yáng)壓時(shí)，計(jì)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(jiǎn)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(jì)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(jì)算截面穩(wěn)定和應(yīng)力的設(shè) 計(jì)要求，已突破了 “八五”攻關(guān)原定的碾壓混凝土 150米級(jí)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