先进快速的RCC筑坝技术浅析

2010-04-17田育功

中国水能及电气化 2010年6期

田育功

(汉能集团金安桥水电站有限公司，云南丽江 674100)

一、前言

自1986年中国建成第一座RCC重力坝（坑口）以来，中国的RCC筑坝技术发展迅速，特别是近十年来，RCC筑坝技术在中国越来越成熟。截止2010年，中国在建、已建的RCC坝已达150多座，其中包括已建成的龙滩（高216.5m，如图1）、光照（高200.5m，如图2）和正在建设中的金安桥、官地、龙开口、观音岩、阿海、鲁地拉等大型水电工程。这些工程坝高库大，主坝均采用RCC全断面筑坝技术。这充分展示了中国RCC筑坝技术的发展水平。

图1 龙滩RCC大坝

图2 光照RCC大坝

20多年来，中国的RCC筑坝技术先后经历了早期的探索期、二十世纪九十年代的过渡期和近年来的成熟期，期间RCC技术不断发展，筑坝材料也从干硬性混凝土过渡到无坍落度的半塑性混凝土。现在，修建RCC坝已经不受气候条件和地质条件的限制，RCC筑坝技术可适用于任何坝型，其快速筑坝技术优势是其它筑坝技术无法比拟的。

笔者多年从事RCC筑坝技术的研究及实践，深深感到在新条件下RCC筑坝技术还有许多亟待解决的课题，需要不断的进行技术创新和研究探讨。本文从RCC坝的枢纽布置、RCC性能特点、配合比设计、VC值动态控制、垫层RCC、满管溜槽输送、碾压层厚度、层间结合、温控防裂等关键技术进行浅析探讨，希望对RCC向更高水平发展有所帮助。

二、枢纽布置对RCC快速施工的影响

采用RCC快速筑坝技术，枢纽布置显得尤为重要。大坝是枢纽建筑物中的最重要组成部分，在布置RCC坝时，要充分考虑RCC通仓薄层快速施工的技术特点，合理安排枢纽其它各类建筑物的布置。

RCC坝最理想的枢纽布置是借鉴土石坝枢纽布置设计原则，尽量把其它各类建筑物布置在大坝以外。RCC坝与发电建筑物和泄水建筑物尽可能分开布置，坝体RCC部位应相对集中，减少坝内孔洞，简化坝体结构，尽量扩大坝体采用RCC的范围，最大限度的减少对RCC快速施工的干扰。

中国部分RCC坝的枢纽布置工程实例见表1，表1表明，中国的RCC坝不论是在狭谷河段还是宽阔河段，发电建筑物基本上以引水式或地下厂房为主，这样减少了对RCC施工干扰，十分有利RCC大型机械化快速施工，并且可以均衡枢纽各建筑物的工程量，同时利用RCC坝体自身泄流的特点，导流标准和防洪渡汛标准可以大大降低。也有个别RCC坝枢纽布置不尽合理，发电厂房布置为坝后式，在坝体中布置了引水钢管、进水口以及底孔、中孔等泄水建筑物，给RCC快速施工带来了较大的困难和障碍。

三、RCC性能特点分析

1.RCC定义与超长芯样

RCC是指将无坍落度的半塑性混凝土拌和物分薄层摊铺并经振动碾碾压密实且层面全面泛浆的混凝土。九十年代后期中国开始采用全断面RCC筑坝技术，改变了传统的“金包银”结构，防渗完全靠坝体自身，这样要求RCC要有足够长的初凝时间，经振动碾碾压密实后必须是表面全面泛浆，有弹性，保证上层RCC骨料嵌入已经碾压完成的下层RCC中，彻底改变RCC易形成“千层饼”渗水通道的情况。所以，RCC的定义也从干硬性混凝土逐渐过渡到半塑性混凝土。实践证明，采用无坍落度的半塑性RCC施工，RCC层间结合质量良好。2007年之后，中国已经分别从龙滩、光照、戈兰滩、景洪、金安桥等RCC大坝中取出了15m以上的超长芯样。

表1 中国部分RCC坝枢纽布置工程实例

例如，2008年12月及2009年5月对金安桥大坝的RCC进行钻孔取芯，分别取出了长达15.73m和16.49m的RCC超长芯样，如图3、图4。芯样质量评定显示：芯样外观光滑、致密、骨料分布均匀；不论是连续摊铺热层缝（面）或施工冷层缝（面），层间结合良好、层缝面无法辨认；芯样密度与现场检测的密实度结果吻合，密实性好；而且芯样的强度、抗剪、极限拉伸值、抗渗及抗冻等性能均均满足设计要求。充分说明采用无坍落度的半塑性RCC对提高RCC坝的防渗等整体性能作用显著。

2.RCC性能特点分析

RCC性能与常态混凝土性能基本相同，但也存在一定的差异。RCC水泥用量少、高掺合料和高石粉含量，其早期强度比常态混凝土低，但后期（长龄期）强度增长显著；早期变形性能和耐久性也比常态混凝土逊色，主要表现在RCC的极限拉伸值和抗冻性能试验结果不如常态混凝土；RCC绝热温升明显低于常态混凝土，大坝内部RCC绝热温升一般为15℃ ～ 18℃，对大坝的温控防裂十分有利。

目前，随着RCC定义的改变，极限拉伸值、抗冻等级等性能已经大幅度提高，与常态混凝土差别明显缩小，其自身的强度、耐久性等性能已经不亚于常态混凝土。所以，设计并未因是RCC而降低大坝混凝土设计指标。近年来，RCC坝已经成为主流坝型，高度已达200m级，与RCC性能的提高有着密切关系。

四、RCC配合比设计关键技术

1.RCC拌和物性能试验是配合比设计的重点

RCC与常态混凝土在配合比设计中既有共性又有一定区别。试验表明，RCC本体的强度、防渗、抗冻、抗剪等物理力学性能并不逊色于常态混凝土。但是RCC坝存在施工层面，其配合比设计不仅要满足本体强度、抗渗等性能的要求，还应满足大坝层间结合的特性要求，所以RCC配合比设计应以拌和物性能试验为重点，要改变以往常态混凝土配合比设计重视硬化混凝土性能、轻视拌和物性能的设计理念。这是RCC与常态混凝土配合比设计的最大区别。

图3 金安桥11#坝段15.73mRCC芯样

“层间结合、温控防裂”是RCC快速筑坝的核心技术，如何满足RCC筑坝的核心技术是RCC配合比设计关键。配合比试验必须紧紧围绕层间结合质量，以拌和物性能试验为重点，使新拌RCC拌和物的工作性能满足现场RCC抗骨料分离、可碾性、液化泛浆、层间结合等施工质量要求，同时要求硬化RCC具有较高的极限拉伸值、较低的弹性模量并具有良好的抗渗性能和抗冻性能。

2.浆砂比Pv值是配合比设计的关键参数

经过20多年的大量试验研究和筑坝实践，中国的RCC配合比设计已经趋于成熟，形成一套比较完整的理论体系。浆砂比Pv值已成为RCC配合比设计的关键参数之一，具有与水胶比、砂率、单位用水量等参数同等重要的作用。

浆砂比Pv值是灰浆体积(水+胶凝材料+0.08mm微石粉)与砂浆体积的比值，一般不宜低于0.42，是评价碾压混凝土拌和物的可碾性、液化泛浆、层间结合、抗骨料分离等施工性能的重要指标。根据近年来全断面RCC筑坝实践经验，当人工砂石粉含量控制在18%左右时，一般浆砂比值不低于0.42。由此可见，浆砂比Pv从直观上体现了RCC材料之间的一种比例关系。

近年来大坝RCC配合比统计数据显示，如果不考虑石粉含量，RCC的浆砂比Pv仅有0.33 ～0.37，将无法保证RCC层面泛浆和大坝防渗性能。由于大坝温控防裂要求，在不可能提高胶凝材料用量的前提下，人工砂中的石粉（≤0.16mm）在RCC中的作用就显得十分重要，特别是颗粒不大于0.08mm的石粉，可以充当胶凝材料的一部分。石粉最大的贡献就是提高了Pv值，保证了全断面RCC层间结合质量。当砂中石粉含量较低时，Pv值往往≤0.42，一般采用外掺石粉或掺合料代替等量砂的方案，提高砂中石粉含量达到18%左右，可以明显改善RCC的施工质量以及大坝防渗等整体性能。

五、汽车＋满管溜槽是最快捷的运输方案

RCC入仓运输历来是制约快速施工的关键因素之一。大量的工程实践证明，汽车直接入仓是快速施工最有效的方式，可以极大的减少中间环节，减少混凝土温度回升。然而目前RCC坝的高度越来越高，狭窄河谷的坝体，上坝道路高差很大，汽车将无法直接入仓，RCC中间环节垂直运输可以采用满管溜槽输送，即仓外汽车＋满管溜槽＋仓面汽车联合运输。仓外汽车通过满管溜槽直接把混凝土卸入仓面汽车中。值得一提的是，目前的RCC均为高石粉含量、低VC值的半塑性混凝土，溜槽运输中令人担忧的骨料分离问题也迎刃而解。

例如，高达160m的金安桥大坝，在左岸、右岸EL1422.5m高程，各布置1套满管溜槽。满管溜槽下倾角41° ～ 45°，最大高差60m，自卸汽车载重9m3RCC通过满管溜槽卸料到仓面汽车，一般用时仅20s ～ 30s，极大的加快了RCC运输入仓速度。

六、大坝基础垫层RCC快速施工技术创新

RCC坝的基础在凹凸不平的基岩面上，RCC铺筑前均设计一定厚度的基础垫层混凝土，达到找平的目的并满足固结灌浆的要求，然后开始固灌，之后才是RCC施工。传统的基础垫层采用常态混凝土浇筑，一是垫层混凝土强度高（一般≥C25），水泥用量大，对温控不利；二是施工强度低，往往成为制约RCC坝快速施工的关键因素之一。

近年来的施工实践表明，RCC完全可以达到与常态混凝土相同的质量和性能，因此采用30cm ～ 50cm低坍落度常态混凝土找平基岩面后，立即采用RCC同步浇筑，可以明显加快基础垫层混凝土施工。一般基础垫层混凝土大都选择在枯水期的冬季或低温时期浇筑，取消基础垫层常态混凝土，利用低温有利时期采用RCC快速浇筑大坝基础垫层混凝土，可以有效控制基础温差，加快固结灌浆进度，防止坝基混凝土发生深层裂缝，对控制基础温差和加快施工进度十分有利。

例如，2002年12月28日，百色RCC重力坝基础垫层采用常态混凝土找平后，RCC立即同步跟进浇筑，由于RCC高强度快速施工，利用了最佳的低温季节很快完成基础约束区垫层混凝土浇筑，温控措施大为简化。而基础固结灌浆安排在2003年不浇筑RCC的高温期进行固灌。2003年9月对大坝RCC钻孔取芯至基岩，芯样中基岩、常态混凝土、RCC层间结合紧密，强度满足设计要求。目前3根11m以上的长芯样仍然完整无缺。

七、RCC层间结合质量关键技术

1.VC值动态控制是保证可碾性的关键

VC值的大小对RCC的性能有着显著的影响，近年来大量工程实践证明，RCC现场控制的重点是拌和物VC值和凝结时间，VC值动态控制是保证RCC可碾性和层间结合的关键。VC值动态控制是根据气温变化随时调整出机口VC值，出机口VC值一般控制在1s ～ 5s，现场VC值一般控制在3s ～ 6s比较适宜，在满足现场正常碾压的条件下，以不陷碾为原则，现场VC值可采用低值。

为了进一步说明VC值的重要性，有必要提一下液化泛浆的概念，RCC液化泛浆是在振动碾碾压作用下从混凝土液化中提出的浆体，这层薄薄的表面浆体是保证层间结合质量的关键所在，液化泛浆已作为评价RCC可碾性的重要标准。RCC配合比在满足可碾性前提下，影响液化泛浆主要因素是入仓后是否及时碾压以及气温导致的VC值经时损失。

提高液化泛浆最有效的技术措施是保持配合比参数不变，根据不同时段温度采用不同的外加剂掺量，在外加剂减水和缓凝的双层叠加作用下，降低VC值，延缓了凝结时间，可以有效提高RCC可碾性、液化泛浆和层间结合质量。

2.及时碾压是保证层间结合质量的关键

RCC坝层间的抗拉、抗剪强度在设计中起主导作用，尤其是在地震高发区域。其层间结合质量优劣与配合比设计关系密切，精心设计的配合比对层间结合起着举足轻重作用，优良的施工配合比经振动碾碾压2 ～ 5遍，层面就可以全面泛浆。

另外，当RCC配合比符合要求后，RCC经拌和、运输、入仓后，必须要做到及时摊铺、碾压、喷雾保湿及覆盖，即人们常说的RCC施工越快越好。因为RCC摊铺后及时碾压也是保证层间结合质量的关键。及时碾压和喷雾保湿改变了小气候，保证了RCC可碾性、液化泛浆和层间结合质量，所以加快RCC浇筑速度和及时碾压，是保证层间结合质量的关键技术。

八、提高碾压层厚减少缝面的技术创新

目前RCC筑坝采用30cm碾压层厚，致使RCC坝层缝面多、碾压费时费工，严重制约RCC快速施工。所以有必要对碾压层厚和碾压遍数进行技术创新，研究提高碾压层厚度、减少碾压层面、提高RCC施工升层高度的可行性。由于RCC本体防渗性能并不逊色于常态混凝土，碾压层厚的提高可以明显加快RCC筑坝速度，有效减少RCC坝层缝。

为此，贵州黄花寨RCC双曲拱坝已于2006年10月进行了现场50cm、75cm、100cm不同层厚现场对比试验，探讨突破现行规范30cm碾压层厚的限制。2008年11月下旬，云南红河马堵山RCC坝又进行了不同层厚现场碾压试验。

这两次试验表明：

1. RCC摊铺层厚完全可以突破规范30cm规定；

2. 碾压层厚可以提高至40cm、50cm、60 cm的厚度；

3. 碾压层厚可以按照大坝的下部、中部、上部实行不同的碾压厚度。

随着RCC层厚度的增加，变态混凝土插孔、加浆、振捣将成为施工难点。笔者根据百色、光照、金安桥等RCC坝的实践经验，采用机拌变态混凝土就可以解决层厚的施工难题。机拌变态混凝土是在拌和楼拌制RCC时，按照变态混凝土规定的灰浆加浆量，一般在RCC中加入约50L/m3灰浆拌制成的一种低坍落度混凝土。机拌变态混凝土入仓与RCC入仓方式相同，入仓后混凝土采用振捣器进行振捣，不仅简化了变态混凝土的操作程序，而且对大体积变态混凝土的质量更有保证。

九、简化温控措施技术路线浅析

1.RCC简化温控措施

RCC的优势之一就是简化温控或取消温控，早期RCC坝高度较低，充分利用低温季节和低温时段施工，大都不采取温控措施。但是近年来，由于RCC坝高度和体积的增加，为了赶工或缩短工期，高温季节和高温时段连续浇筑RCC已成惯例，这样温控措施越来越严，有的RCC坝温控措施已经和常态混凝土坝没有什么区别，RCC坝温控措施呈日趋复杂的趋势，对RCC简单快速施工带来一定负面影响。

仓面埋设冷却水管对RCC快速施工干扰大，取消坝体冷却水管将是对目前RCC温控的挑战。取消冷却水管并非对RCC不进行温控，而是把温控措施主要放在RCC入仓前、碾压过程的温控中，严格控制浇筑温度不超标准。取消冷却水管的主要技术路线：

一是高温季节和高温时段不浇RCC。尽量利用低温季节或低温时段浇筑RCC，可以有效降低坝体混凝土的最高温升。

二是严格控制RCC出机口温度。出机口温度控制采用常规温控方法，即控制水泥、粉煤灰入罐温度，预冷骨料，冷水或加冰拌和。

三是要严格控制RCC浇筑温度回升。防止RCC浇筑温度回升的关键是及时碾压，仓面喷雾保湿改变小气候，碾压后的混凝土及时覆盖保温材料。

据笔者多年的经验，碾压前对RCC进行温控是十分重要的，可以极大简化冷却水管带来的施工干扰。大量工程实践证明，仓面喷雾保湿改变小气候效果明显，可以显著降低温度4℃ ～ 6℃。金安桥观测资料表明：如果仓面喷雾保湿覆盖不及时或不进行，在高温时段或经太阳暴晒的RCC蓄热量很大，导致浇筑温度上升很快，严重超标。观测数据显示，超过浇筑温度的RCC坝内温度比低温时期或喷雾保湿后的RCC温度约高出3℃ ～ 5℃。

温控已经成为制约RCC快速施工的关键因素之一，如何使温控标准和快速施工有一个最佳结合点，是需要解决的一个新课题。

2.“大坝穿衣服”表面防裂技术创新

RCC坝虽然水化热低，早期坝面裂缝较少，但RCC坝内高温持续时间长，大坝表面由于受到低温、寒潮、曝晒、干湿等风化作用，使坝体内外温差大，极易出现表面裂缝，RCC坝表面裂缝出现较多的时期往往在大坝建成以后。RCC坝为层缝结构，层面多，层间抗拉强度较低，RCC坝下闸蓄水或水温较低时，遇水冷击或温度骤降时，坝体内外温差大，容易引起层面或水平裂缝，甚至劈头裂缝。

针对RCC坝内高温持续时间长、层缝多的特点，为了防止坝体内外温差大、易造成表面裂缝的不利，根据近年来中国RCC坝的上游面涂防渗材料以及朱伯芳院士全面保温防裂的启迪，笔者认为，需要对大坝表面保护进行技术创新，即给“大坝穿衣服”，采用聚合物水泥柔性防水涂料对大坝表面全方位进行保护，可以起到事半功倍的作用。聚合物水泥防水涂料是一种新型防水材料，它是用有机聚合物乳液对特种水泥改性并辅以多种助剂，采用特殊工艺制备而成。由于其优异的耐水性、耐久性、抗风化性能，得到广泛的应用。

对RCC坝表面防裂应重在预防，因为RCC坝大多数是表面裂缝，在一定的条件下表面裂缝可发展为深层裂缝，往往很难处理。因此，加强混凝土坝表面保护至关重要。对大坝表面涂3mm ～5mm厚度的聚合物水泥柔性防水材料，可以起到很好的表面保护作用，即可以防渗、保湿、防裂、保温，又可以增强混凝土耐久性，而且施工简单快速，造价低廉。与常规的XPS保温板进行混凝土表面保护相比，聚合物水泥柔性防水材料有着极大的优越性。