天花板水电站拱坝混凝土配合比设计及应用

王毅鸣，苏 岩，徐天尧

（1.中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024；2.云南滇能 （集团）控股公司昭通工程建设指挥部，云南 昭通 657000）

天花板水电站大坝为抛物线型双曲拱坝，坝高107 m，采用全断面碾压混凝土筑坝技术。大坝混凝土的设计十分重要，关系到大坝强度和运行安全，关系到大坝的施工期温度控制、工期和工程造价，是拱坝设计的主要关键技术问题之一。混凝土配合比的设计主要是在满足混凝土设计指标及施工要求的前提下，尽可能简化温控措施，提高混凝土的抗裂性能、层间结合质量和可碾性。大坝及下游消能系统混凝土总量30.8万m3，其中碾压混凝土量约为20.8万m3，常态混凝土量约为10万m3。

1 大坝混凝土配合比设计

1.1 大坝混凝土分区

天花板水电站拱坝上游面采用二级配富胶凝材料碾压混凝土作为主要防渗措施，其他坝体部位采用三级配碾压混凝土。坝身布置的表孔、中孔及排沙孔等泄洪设施，这些部位采用常态混凝土。不同部位混凝土对强度的要求不相同，同时还必须满足抗渗、抗冲耐磨等的要求。结合不同部位、不同结构的各自要求，坝体混凝土分区如下：Ⅰ区，大坝基础垫层、坝顶为常态混凝土；Ⅱ区，坝体非过流面、护坦底板为常态混凝土；Ⅲ区，坝体下游面为碾压混凝土；Ⅳ区，回填常态混凝土；Ⅴ区，过流面为常态混凝土；Ⅵ区，坝体上游面为碾压混凝土；Ⅶ区，两坝肩与基岩接触面部位为变态混凝土；Ⅷ区，门槽二期为常态混凝土；Ⅸ区，弧门支铰锚块为常态混凝土；Ⅹ区，预制廊道、平台板、楼梯、防浪墙等为常态混凝土。

1.2 大坝混凝土设计指标

（1）设计龄期。坝体碾压混凝土不设纵缝，浇筑仓面较大，坝体上升速度快，水泥水化热不易散发。为防止混凝土早期由于抗裂能力较低而产生裂缝，要求坝体混凝土具备一定的早期抗裂性能，同时，又要充分利用碾压混凝土的后期强度。因此，碾压混凝土的强度设计龄期为90 d。坝体非过流面、引水系统及厂房构件常态混凝土的强度设计龄期按 DL/T 5097—1996《水工混凝土结构设计规范》，采用28 d设计龄期。其余混凝土按DL/T 5108—1999《混凝土重力坝设计规范》，设计龄期采用90 d。

（2）抗渗强度等级。各区混凝土均有抗渗要求，特别是对大坝Ⅰ区、Ⅵ区、Ⅶ区混凝土防渗层。按DL/T 5057—1996《水工混凝土结构设计规范》，碾压混凝土、Ⅰ区常态混凝土按90 d龄期的标准试件测定，其余结构混凝土按28 d龄期的标准试件测定。当坝体作用水头为70～150 m时，抗渗等级为W8。大坝上游坝面的最大水头为112.81 m，防渗层厚度为2～6.5 m。对于大坝内部混凝土 （即Ⅲ区）的抗渗等级为W6，回填混凝土Ⅳ区的抗渗等级为W6。

（3）抗冻强度等级。天花板水电站坝址处最冷月份的多年平均气温为7.8℃，属于气候温和地区。因此，大坝各区抗冻强度等级均采用F100。

（4）抗冲刷要求。采用高强度等级的HF抗冲耐磨混凝土或高强常态混凝土。

（5）抗侵蚀性。根据地表水的水质分析成果，天花板水电站坝区河水水质对各种水泥拌和成的混凝土，均无侵蚀性。

可研设计阶段天花板水电站各部位的混凝土指标要求见表1。并按表1进行了混凝土配合比试验。

1.3 可研阶段大坝混凝土配合比设计

1.3.1 原材料

（1）水泥。对选用的 “华新堡垒”P.MH42.5水泥的胶砂抗压强度、抗折强度、凝结时间、安定性、比表面积、密度等有关指标进行了检验，对水泥进行了化学分析、水泥水化热分析 （直接法）试验，各项指标均能满足GB200—2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》有关中热硅酸盐水泥的规定。特别是该水泥MgO含量较高，达到4.27%，使水泥具有膨胀性，对提高混凝土的抗裂性较为有利。28 d胶砂抗压强度为46.5 MPa。

（2）粉煤灰。对云南宣威发电厂的Ⅱ级粉煤灰，根据GB1596—2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的定级标准进行检验，为合格的Ⅱ级粉煤灰。

（3）粗细骨料。采用清水河人工料场的白云岩。细骨料由清水河料场的块石加工成人工砂，颗粒级配基本落在II区 （中砂）范围内，细度模数为2.76，石粉含量为 16.5%； 粗骨料分 5～20、 20～40、 40～80 mm三种粒级，有关指标的检验结果符合DL/T5144—2001《水工混凝土施工规范》的要求。

（4）外加剂。减水剂采用云南绿色高新材料股份有限公司的FDN-MTG缓凝高效减水剂和四川成都合力FDN-04缓凝高效减水剂；引气剂为四川成都合力的松香热聚物引气剂。依据GB 8076—1997《混凝土外加剂》进行检测，结果表明所用的减水剂和引气剂均合格。

1.3.2 混凝土配合比

科研单位根据混凝土的各项性能试验结果，提出的大坝碾压混凝土和大坝常态混凝土要求的参考配合比见表2。

现有的诸多矫正正义理论仅侧重于揭示侵权责任质的规定性，但未能对侵权责任的量变现象给出合理解释；相反，各种功能主义理论可以解释侵权法自近代以来的量变方向，但疏忽了侵权责任质的规定性要求。“矫正正义框架内的动态平衡论”兼顾了侵权责任“质”与“量”两方面的规定性，不仅可以为侵权法内在的各种制度提供统一基础，也划清了侵权责任其他责任形态的外在边界。动态平衡论不但可以解释侵权法的演进历史及现实状态，也为侵权法的未来发展预留了解释空间。

（1）设计龄期的抗压强度，二级配、三级配碾压混凝土分别为30.1、32.9 MPa，大坝三级配常态混凝土为27.0 MPa。

（2）极限拉伸值，二级配、三级配碾压混凝土分别为 78×10-6、 76×10-6， 大坝三级配常态混凝土80×10-6。

（3）设计龄期的抗压弹性模量，二级配、三级配碾压混凝土分别为39.8、41.5 GPa，大坝三级配常态混凝土42.7 GPa，高于设计要求，这是由白云岩骨料强度高的骨料特性决定的。

表1 混凝土强度设计指标要求

表2 大坝混凝土参考配合比

（4）混凝土的180 d干缩率，二级配、三级配碾压混凝土分别为 1.85×10-4、 2.80×10-4， 属正常偏小值；自生体积变形较稳定，变形值在 （-3～+3）×10-6，呈略收缩型。

（5）由于混凝土采用白云岩骨料，导温系数、导热系数略大，二级配、三级配碾压混凝土、三级配大坝常态混凝土的导温系数分别为0.003 958、0.004 054、0.004 021 m2/h，导热系数分别为11.7、12.2、 12.0 kJ/(m·h·℃)。

（6）二级配、三级配碾压混凝土的线膨胀系数分别为 9.3×10-6/℃、 9.2×10-6/℃； 二级配、 三级配碾压混凝土、三级配大坝常态混凝土的28 d绝热温升值分别为22.5、20.2、31.6℃。

（7）混凝土的抗渗性能均达到设计要求 （二级配、三级配碾压混凝土分别为W8、W6），抗冻性能也达到设计要求的F100。

设计和科研单位对碾压混凝土、大坝常态混凝土性能试验的主要结论是：混凝土的性能基本达到了设计要求。

2 混凝土配合比设计优化

2.1 混凝土设计指标优化

在施工图设计阶段，考虑到我国碾压混凝土材料发展、拱坝设计技术的提高和施工技术的进步，在原大坝混凝土设计指标的基础上，对大坝混凝土设计标准进行了优化，主要是将大坝混凝土龄期由90 d调整为180 d（设计龄期的强度保证率仍为80%），下游表面混凝土抗冻等级由F100调整为F50，以此为基础进行施工配合比的试验研究工作。调整后的坝体混凝土指标要求见表3。

2.2 施工配合比优化

为有利于天花板水电站大坝施工，减少拱坝温控压力，在深入研究可研阶段混凝土配合比的试验指标后，认为该混凝土配合比反映出的混凝土抗压强度、抗压静弹模较高，而极限拉伸值较低、抗裂性能稍差，混凝土耐久性稍差，水泥等胶凝材料用量偏高而导致绝热温升偏大等等。因此，设计和施工单位在原大坝混凝土配合比的基础上，根据优化后的设计指标和实际采用的混凝土胶凝材料对大坝混凝土设计标准和混凝土配合比进行研究和优化。中国水电工程建设十四局云南博泰工程质量检测有限公司试验室开展了 “天花板水电站施工配合比试验研究”。实际施工中，水泥由 “华新堡垒”中热水泥改为普硅水泥，粉煤灰仍采用云南宣威发电厂的Ⅱ级粉煤灰。三级配碾压混凝土施工配合比中水泥、水的用量分别为56、75 kg/m3，现场人工砂石粉含量为15%左右。与目前普遍采用的C20碾压混凝土配合比相比较胶凝材料较少，是较为先进的配合比。

现场混凝土采用连续式单轴拌和机拌制。在进行碾压混凝土试验时，第一个升层的仓面混凝土不易泛浆、碾压效果不理想。现场对施工配合比进行了调整，胶凝材料略增加2 kg左右，用水量和小石的含量略有增加，砂率根据现场情况进行动态调整。第二个升层974.6～978.7 m高程的碾压混凝土施工，增加了一台振动碾，使混凝土入仓后能得以迅速平仓、碾压，效果较为理想。具体调整后的施工配合比见表4。

表3 施工图阶段坝体各区混凝土设计指标

表4 调整后的碾压混凝土施工配合比

经过调整的施工配合比与可研阶段的设计配合比相比较，C20（二）碾压混凝土节省胶凝材料8 kg，C20（三）碾压混凝土节省胶凝材料20 kg，经济效益明显，同时进一步降低了坝体施工过程中混凝土的温升。

3 结语

天花板水电站碾压混凝土拱坝混凝土配合比是工程的关键技术问题，关系到大坝安全运行、施工期温度控制、工期和工程造价等许多方面。天花板水电站工程的混凝土由于采用强度高的白云岩作为混凝土粗、细骨料，使得混凝土具有抗压强度、抗压静弹性模量较高；极限拉伸值较低、抗裂性能稍差；混凝土耐久性稍差；水泥等胶凝材料用量偏高而导致绝热温升偏大等特性。根据对天花板水电站混凝土特性的认识和大坝设计、材料设计等多方面技术发展的应用，设计、科研和施工单位对大坝混凝土设计标准和混凝土配合比进行了优化。主要包括：大坝混凝土龄期采用180 d；降低混凝土极限拉伸值的要求；下游表面混凝土抗冻强度等级为F50等，这些混凝土指标的优化使得大坝混凝土的设计达到了更为先进的水平。以此为基础进行的混凝土配合比C20（二）碾压混凝土节省胶凝材料8 kg；C20（三）碾压混凝土节省胶凝材料20 kg，进一步降低了坝体施工过程中混凝土的温升，保证了工程顺利施工，综合经济效益十分显著。