混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設計

1、混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設計摘要：重力壩除要求材料有足夠的強度外，還應根據(jù)大壩工作條件、地區(qū)氣候等具體情況， 分別滿足耐久性（包括抗?jié)B、抗凍、抗沖耐磨和抗侵蝕）和低熱性等。根據(jù)混凝土重力壩 不同部位的工作條件及受力條件，將壩體分區(qū)，選用不同強度等級和性能的混凝土，以節(jié) 約和合理使用水泥。關鍵詞：混凝土重力壩；碾壓混凝土重力壩；壩體分區(qū)；分區(qū)設計前言混凝土重力壩是指用混凝土澆筑的，主要依靠壩體自重來抵抗上游水壓力及其它外荷 載并保持穩(wěn)定的壩。由于混凝土所使用的膠凝材料主要為水泥，在我國水泥的生產(chǎn)走的是 一條高能耗、高資源消耗、高污染的道路，是環(huán)境污染嚴重、生態(tài)破壞較大的行業(yè)之一； 水泥的大量使

2、用也會造成工程的成本增加；在大壩的某些部位，混凝土的材料強度也未能 得到充分的使用；而水泥本身所具有的水化發(fā)熱性質(zhì)，也是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要 原因。面對這些問題，混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設計也就應運而生。分區(qū)設計的主要 目的是在保證大壩各項性能達到設計要求的情況下，減少水泥用量、降低工程投資、減少 因水泥缺點產(chǎn)生的工程問題，達到既經(jīng)濟又環(huán)保的目的。正文重力壩除要求材料有足夠的強度外，還應根據(jù)大壩工作條件、地區(qū)氣候等具體情況， 分別滿足耐久性（包括抗?jié)B、抗凍、抗沖耐磨和抗侵蝕）和低熱性等。根據(jù)混凝土重力壩 不同部位的工作條件及受力條件，將壩體分區(qū)，選用不同強度等級和性能的混凝土，以節(jié) 約

3、和合理使用水泥。一般可分為5個區(qū)，見圖-1：I區(qū)：上游庫水位及下游庫水位以上壩體表層混凝土，主要受大氣的影響，要求該層 要有較高的抗凍性，耐久性。該區(qū)在大壩運行過程中常年處于干燥狀態(tài)中，但因常與大氣 接觸，要求該層要有較高的抗凍性、耐久性。該區(qū)混凝土的抗凍等級因大壩受陽光照射時 間的的長短有陰面和陽面之分而不同，根據(jù)現(xiàn)行DL-T 5057-1999水工混凝土結構設計 規(guī)范（4.4.6）要求：混凝土的陽面部位，嚴寒地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等 級不低于F200，年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級不低于F150；寒冷地區(qū)抗凍等級 不低于F200；溫和地區(qū)抗凍等級不低于F50?；炷恋年?/p>

4、面部位，嚴寒地區(qū)抗凍等級不低 于F200；寒冷地區(qū)抗凍等級不低于150；溫和地區(qū)抗凍等級不低于F50。耐久性方面，根 據(jù)現(xiàn)行SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范（8.5.6）要求：嚴寒和寒冷地區(qū)混凝土最 大水灰比不得大于0.55，溫和地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.60。II區(qū)：上、下游水位變化區(qū)的壩體表層混凝土，既受水的作用也受大氣的影響，要求 該層有較高的抗凍和抗裂性。該區(qū)上、下游水位變化區(qū)的壩體表層混凝土，受水位變化的 影響較多，在寒冷地區(qū)的冬季，冰凍對混凝土造成的破壞非常嚴重，所以對該區(qū)混凝土的 抗凍性有嚴格的要求。根據(jù)現(xiàn)行DL-T 5057-1999水工混凝土結構設計規(guī)范（4.4

5、.6） 要求，嚴寒地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級不低于F300，年凍融循環(huán)次數(shù)大于 100次的抗凍等級不低于F200；寒冷地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級不低于 F200，低于100次的不低于F150；溫和地區(qū)抗凍等級不低于F50。根據(jù)現(xiàn)行SL319-2005 混凝土重力壩設計規(guī)范（8.5.6）要求：嚴寒和寒冷地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.45, 溫和地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.50，在環(huán)境水有侵蝕性情況下，應選擇抗侵蝕性能 較好的水泥，水下混凝土的水灰比可減少0.05。III區(qū)：上、下游最低水為以下壩體表層混凝土，受水的作用，要求該層有較高的強度 和抗凍、抗裂性。該區(qū)

6、混凝土因長年浸泡在水下，受水壓力的作用，會產(chǎn)生大量的滲流， 對壩體的安全穩(wěn)定運行造成不利的影響。根據(jù)現(xiàn)行DL-T 5057-1999水工混凝土結構設 計規(guī)范（4.4.5）要求，大壩混凝土擋水面的抗?jié)B等級應符合下列要求：H150，混凝土抗?jié)B等級不得低于W10；當結構表層設有專門可靠的防滲 層時混凝土抗?jié)B等級可適當降低，當處于嚴寒寒冷地區(qū)且水力梯度較大時其抗?jié)B等級應 按規(guī)定提高一個等級。根據(jù)現(xiàn)行DL-T 5057-1999水工混凝土結構設計規(guī)范（4.4.6） 要求，大壩混凝土擋水面的抗凍等級：在寒冷地區(qū)，混凝土抗凍等級也不得低于F50；在 無抗凍要求的地區(qū)，混凝土抗凍等級也不宜低于F50。根據(jù)現(xiàn)行

7、SL319-2005混凝土重力 壩設計規(guī)范（8.5.6）要求：嚴寒和寒冷地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.50，溫和地區(qū) 混凝土最大水灰比不得大于0.55,在環(huán)境水有侵蝕性情況下，應選擇抗侵蝕性能較好的水 泥，水下混凝土的水灰比可減少0.05。對于碾壓混凝土重力壩會綜合考慮II區(qū)、III區(qū)的材料分區(qū)要求，上游壩面的分區(qū)應與 防滲層結構相結合考慮。當上游防滲層采用常態(tài)混凝土防滲層、富膠凝材料碾壓混凝土防 滲層、加膨脹劑的補償收縮混凝土防滲層時，其厚度和抗?jié)B等級應滿足壩體防滲要求（防 滲層宜優(yōu)先采用二級配碾壓混凝土，其抗?jié)B等級的最小允許值為：HV30m時，W4； H=30m 70m時，W6； H=7

8、0m150m時，W8； H150m時，應進行專門試驗論證；二級配碾壓混凝土 防滲層的有效厚度，宜為壩面水頭的1/301/15，但最小厚度應滿足施工要求。二級 配碾壓混凝土防滲層上游表面采用變態(tài)混凝土時，變態(tài)混凝土的厚度宜為30cm50cm，最 大厚度不宜大于100cm） 2。當采用瀝青材料、合成橡膠、聚氯乙烯防滲層時，其厚度應 根據(jù)抗?jié)B性、耐久性、變形特性及與混凝土面的結合情況，由試驗及已有經(jīng)驗確定眼下 游壩面應根據(jù)溢流與水位變幅情況，按防滲、防沖、防蝕、防凍等要求設置保護層。有抗 侵蝕性要求時，水泥中CA含量宜低于5%，水膠比宜小于0.45，并應進行試驗論證。3w區(qū)：與地基接觸的底層混凝土，

9、受上部壩體自重和滲透揚壓力作用，要求該部位有 較高的強度和抗裂性。該區(qū)作為壩體的基礎混凝土，向壩基傳遞壩體所承受所外荷載和自 重，也受到壩基滲透水流產(chǎn)生的揚壓力作用和水中化學物質(zhì)的侵蝕，這就要求基礎混凝土 有很好的強度和抗侵蝕能力，作為大體積混凝土的一部分亦不可忽略混凝土的低熱性。根 據(jù)現(xiàn)行SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范（8.5.3），選擇混凝土標號時，應考慮由于 溫度、滲透壓力及局部應力集中所產(chǎn)生的拉應力、剪應力或主應力，壩體內(nèi)部混凝土的標 號不應低于R 100；混凝土抗?jié)B等級不得低于W2,承受腐蝕水作用時其抗?jié)B等級應進行專 門的試驗研究；0但不得低于W4；根據(jù)大壩混凝土耐久性要求

10、（8.5.6），嚴寒和寒冷地區(qū)混 凝土最大水灰比不得大于0.50，溫和地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.55。在碾壓混凝土重力壩中，壩體基礎混凝土，應采用常態(tài)混凝土，其厚度可根據(jù)基礎開 挖起伏差、溫度控制及基礎灌漿要求確定。近年來建造的碾壓混凝土壩，其基礎墊層在 河床部位采用常態(tài)混凝土，在岸坡部位則常采用變態(tài)混凝土，如江埡、棉花灘、大朝山等 工程。由于在岸坡部位采用變態(tài)混凝土基礎墊層，施工較方便，其初凝時間易與壩體碾壓 混凝土協(xié)調(diào)，且易使變態(tài)混凝土區(qū)域與碾壓混凝土區(qū)域能良好過渡結合丘。碾壓混凝土壩 基礎墊層在達到找平目的以滿足碾壓作業(yè)的前提下不宜太厚，這對大壩溫度控制及盡快轉 入碾壓混凝土施工、

11、加快施工進度是比較有利的。因此，規(guī)定碾壓混凝土墊層厚度不宜大 于1m。V區(qū)：壩體內(nèi)部混凝土； V區(qū)混凝土體積龐大，雖然各種性能都不作過高要求，但該 區(qū)混凝土設計的好壞幾乎能決定大壩的整體性和壽命，原因就在于水泥水化發(fā)熱。在早期 人們并沒有認識到這一點，也沒有采用專門的措施，結果在壩體中出現(xiàn)了嚴重的裂縫，破 壞了結構的整體性，影響了其壽命、安全和正常使用。經(jīng)研究證實，由于水泥在凝固過程 中產(chǎn)生大量的熱量，使混凝土溫度急劇上升，再逐漸冷卻收縮，相應地產(chǎn)生了體積變化及 溫度應力，在條件不利時便會導致開裂。為了解決這一難題，人們在實踐中逐漸總結了一 些措施：如柱狀快澆筑，通倉澆筑等方法。從筑壩材料來講

12、，改善原材料的性質(zhì)是重要的解決方法，采用低水化熱的大壩專用水 泥，采用合適的外加劑（如減水劑）和摻合料，盡量減少單位水泥用量，目前許多常態(tài)混 凝土的平均單位水泥用量已降至150kg左右，最低的達100kg左右。在碾壓混凝土壩設 計規(guī)范（SL314-2004） （7.0.1）中，碾壓混凝土的總膠凝材料用量不宜低于130kg/ms； 要求膠凝材料中摻合料所占的重量比，在內(nèi)部碾壓混凝土中不宜超過總膠凝材料的65%； 在60、70年代由于生產(chǎn)力落后，在以人力為主施工的工程中，曾采用埋設塊石，減少混 凝土用量，由于埋石對石料的要求較高，在實際施工過程中耗時耗力且不易達到設計要求， 該項措施逐漸被三、四級

13、配混凝土替代。還有的部門在研究采用低熱微膨脹水泥澆筑大壩， 利用水泥的輕微膨脹性來消除溫度拉應力3。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范，在抗?jié)B方面，壩體內(nèi)部抗?jié)B等 級不得低于W4；在強度方面，壩體內(nèi)部混凝土的標號不應低于R90100；根據(jù)混凝土耐久 性要求，嚴寒和寒冷地區(qū)混凝土的水灰比不宜大于0.65，溫和地區(qū)不宜大于0.65。丑區(qū)：抗沖部位（如溢流面、泄水孔、閘墩、導墻等處）的混凝土，受高速水的作用， 要求該部位要有高強度，抗凍、抗沖刷、抗侵蝕性；丑區(qū)泄水建筑物的高速水流區(qū)，應注 意下列部位或區(qū)域發(fā)生空蝕破壞的可能性：1.進出口、閘門槽、彎曲段、水流邊界突變處； 2.反弧段

14、及其附近；3.異形鼻坎、分流墩；4.溢流壩面和泄水孔壁流速大于20m/s的區(qū)域。 在大量的工程實踐中工程人員通過改善建筑物的體型、控制表面的平整度、摻氣減蝕等措 施起到了一定作用，在建造時采用合適的材料，提高材料的抗蝕性能，效果也是相當明顯 的，試驗表明，提高混凝土的標號和容重，不摻用混合料，可以提高抗磨能力，同時也提 高抗空蝕能力。因此在承受高速水流有可能產(chǎn)生空蝕的部位的表層混凝土，采用高標號的 抗磨抗蝕混凝土，混凝土力求密實，骨料不宜太大，表面確保平整，但所需水泥標號較高， 用量較大，要注意表面開裂3。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范（8.5.8） 要求，高速水流區(qū)的混

15、凝土應采用具有抗沖耐磨性的低流態(tài)高強度混凝土或高強硅粉混凝 土，過流表面的混凝土標號不應低于R 250。；當采用耐磨材料（如高分子材料、鑄石或 鋼材等）襯護時，應與混凝土可靠結合。在嚴寒和寒冷地區(qū)混凝土的水灰比不宜大于0.45, 溫和地區(qū)水灰比也不宜大于0.45。丑區(qū)混凝土在抗凍方面也要有相應的要求，根據(jù)DL-T 5057-1999水工混凝土結構設計規(guī)范（4.4.6）要求，嚴寒地區(qū)抗凍等級不低于F300；寒 冷地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級不低于F300，低于100次的不低于F200；溫和地區(qū)抗凍等級不低于F100。選定各區(qū)混凝土等級時，等級的類別應盡量少，以便于施工。同一澆筑快中混

16、凝土強 度等級不宜超過兩種，以免由于性能差別太大而引起應力集中或產(chǎn)生裂縫。為了方便施工, 分區(qū)厚度一般不小于23m；對碾壓混凝土而言壩體碾壓混凝土的分區(qū)寬度，應根據(jù)壩體 受力狀態(tài)、構造要求和施工條件確定?？偨Y隨著對混凝土重力壩的認識的不斷加深，“更好更快更省”的筑壩要求成為工程界的 發(fā)展方向。通過對大壩的分區(qū)設計，可以達到降低大壩的工程投資，充分使用混凝土的材 料性能等目的，但是我們也應看到對筑壩材料的分區(qū)，會影響到施工機械的配套，施工進 度的安排，壩體溫度控制等，所以做好混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設計具有很重要的意 義。做好大壩的分區(qū)設計，在分區(qū)設計中不斷創(chuàng)新，采用新思路、新技術，是大壩設計的深 化方向，也是混凝土重力壩從新?lián)Q發(fā)生機，不斷發(fā)展的重要動力。參考文獻：1 SL 319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范S.SL 314-2004碾壓混凝土壩設計規(guī)范S.潘家錚.重力壩設計M.北京：水利電力出版社，1987.張嚴明，王圣培，潘羅生.中國碾壓混凝土壩20年一從坑口到龍?zhí)秹蔚目缭剑ňC述設 計施工科 研運行）M.北京：中國水利水電出版社，2006.孫恭堯，王三一，馮樹榮.高碾壓混凝土重力壩M.北京：中國電力出版社，2003.陳德亮.水工