RCC在围堰中的应用

［美国］K.D.汉森 等

承包商通常根据设计工程师及业主的要求负责围堰设计。但就全球水电工程的主坝而言，其围堰设计都由设计工程师承担较大的责任。这是因为延误工程进度会减少电站收入。围堰溃决对项目成本及工程进度的不利影响明显要比漫顶大得多。历史上，大多数围堰属于土石结构。

很明显，围堰在不溃坝的前提下应当设计成过水围堰。RCC 开始受到设计人员的青睐缘于其抗侵蚀能力强。修建围堰最好选择在枯水期尽快完成，且应满足防渗要求。围堰设计还应当设法权衡成本与风险。无论是采取部分断面还是全断面RCC 围堰，设计团队都应努力降低风险或成本，或二者均兼顾。

1 RCC 在土石围堰中的早期应用

自从大坝工程师在土石围堰中采用RCC 以来，围堰漫顶与溃决的后果得以减轻。但50 多年前RCC 就在围堰中得到首次运用却是鲜为人知。RCC在围堰中的某些早期应用比20 世纪80 年代初期开始发展的RCC 重力坝还要早。

1.1 土石围堰RCC 心墙

1960 年台湾在石门湖水利枢纽工程围堰中首先应用后来被称作RCC 的材料。该水利枢纽土坝施工围堰高64 m，原设计要求围堰施工采用风化砂岩作为心墙防渗体，以便为主土坝的施工创造条件。结果因原定心墙材料太湿不适合铺筑，决定改为浇筑总量为38 000 m3的RCC(见图1)。粒径为0.36 mm的材料在最佳含水量条件下碾压而成的试件28 d 的抗压强度为13.8 MPa。

图1 台湾石门围堰截面

石门围堰采用RCC 作为防渗墙材料取得了积极成果。在此鼓励下，法国一家顾问公司在两座混凝土坝施工中也采用了这种材料作围堰的心墙，第1 座是1970 年为伊朗卡鲁恩(Karun)混凝土拱坝的施工作准备的堆石围堰(高50 m)。由于施工现场及附近缺少黏土，故用RCC 取代黏土作为防渗心墙材料。第2 座为1975 年摩洛哥阿尔马希拉(Al Massira)混凝土支墩坝下游堆石围堰，最大高度20 m，由于没有足够的空间可以建造黏土心墙堆石围堰，因而该顾问公司对围堰防渗心墙采用了具有堆石堰肩的RCC。

1.2 堆石围堰RCC 堰顶

1979 年，位于加拿大不列颠哥伦比亚(BC)省哥伦比亚河上的雷维尔斯托克(Revelstoke)大坝，采用堆石围堰进行施工，围堰最大高度46 m，为尽量减少因可能的围堰漫顶造成的损失，BC 水电公司围堰设计有两大特点:①围堰采用RCC 堰顶;②在围堰下游坝坡布置钢丝网，垂直高差每隔1.2 m用锚筋锚固到堆石体中。抗冲堰顶RCC 浇筑厚度为2.1～3.1 m。图2 为围堰一段截面。

图2 加拿大BC 省雷维尔斯托克大坝围堰截面

1.3 土石/RCC 混合围堰

RCC 围堰经广泛应用，逐步发展为土石/RCC混合结构。该种围堰主断面为土石结构，下游面为RCC 结构。这种混合围堰理念是由TAMB 公司在巴基斯坦的塔贝拉(Tarbela)坝和Coyne et Bellier 公司在土耳其西尔(Sir)坝建立的。

1974～1984 年间，塔贝拉坝在8 个单独修复项目中共浇筑RCC 达270 万m3。其中一个项目是1980 年为修复辅助溢洪道而修建的下游围堰，以便排干修复区。该围堰为浇筑溢洪道下游及消力池两边的大体积RCC 丁坝创造了条件。

围堰的RCC 部分在迎水面方向，受波浪作用及5 号泄洪洞高速回流影响。围堰另一半朝向溢洪道，堰体为高9 m 的土堤。这部分土堤为围堰的RCC 部分形成一个垂直面提供了一种造价低廉的方法，围堰的RCC 部分方量约为3.8万m3。辅助溢洪道消力池采用RCC 衬砌后，将围堰左边拆除，溢洪道恢复运行。围堰余下的RCC 部分完整保留下来，并经受了溢洪道泄流量高达11 320 m3/s 考验。

1987 年，为土耳其西尔混凝土拱坝的施工建造了更高的堆石/RCC 混合围堰，围堰最大高度45 m。承包方提出一项替代方案，在不增加成本的情况下，将围堰的混凝土拱形结构改为混合型直线结构。项目业主及设计工程师单位同意了这一方案。

RCC 围堰包含两部分，一部分为4 m 宽的富浆RCC 防渗心墙，另一部分为RCC 心墙的下游部分，其下游坝面坡比为1∶1，采用抗侵蚀力强且胶结材料含量较低的RCC 混合料。下游断面底层5 m 也采用富浆RCC。堰肩的上游部分采用堆石体，下游部分为RCC(见图3)。

图3 土耳其西尔坝围堰截面

RCC 为围堰防渗及汛期堰顶安全过水提供了保证，据报道，RCC 围堰使西尔坝工期缩短了3～4 个月，帮助承包商弥补了因岩石开挖难而延误的工期。

1.4 施工期堆石坝保护

在雷维尔斯托克大坝堆石围堰中，BC 水电公司采用钢筋网格，以保护该围堰免受洪水漫顶的破坏。然而，1992 年，在巴西146 m 高的辛戈(Xingo)堆石坝施工中，一工程顾问认为采用钢筋网这种方法保护施工中的坝体免遭漫顶破坏的造价昂贵且工程进度缓慢。因此，堆石坝下游面底部50 m 采用RCC 作为漫顶保护。经计算表明，若没有RCC 保护，即使配4 个直径为16 m 的导流洞，堆石坝修建到50 m 高仅能抵挡30 a 一遇的洪水。采用RCC 保护后，设计人员确信50 m 高的坝体在第1 个汛期可以抵挡200 a 一遇的洪水。该保护方案虽未得到检验，但已经很接近了。有次洪水来袭时，仅在上游面铺设砂袋即防止了尚处于施工期的坝体免遭洪水漫顶。

尽管辛戈坝的RCC 应用并非针对围堰，但它为保护施工期堆石坝免受洪水漫顶破坏提供了解决方案。土石围堰下游面采用RCC 覆盖可以很容易地防止洪水漫顶引起的溃堰事故。

2 土石坝全RCC 围堰

尽管1976 年日本在大川(Ohkawa)坝围堰施工期间对他们所称的RCD 作了全比尺试验，但RCC早期应用于整个围堰有最多文献记载的实例是1989 年巴西的塞拉梅萨(Serra de Mesa)土坝。该坝上游围堰高22 m，RCC 浇筑量达17 300 m3，下游围堰高13 m，浇筑量为11 300 m3。两围堰施工共耗时72 d。这项RCC 工程是由巴西一家国有电力公司完成的。

RCC 含磨细的高炉矿渣水泥。RCC 围堰建成450 d 芯样显示其抗压强度为22.6 MPa，6 a 后另一组芯样平均抗压强度约为25.5 MPa。

上游围堰投入使用5 a 中每年都安全过水。RCC围堰最大过堰流量达6 671 m3/s，最大过堰水流高度为12 m。未见其受损报道。假定水流通过施工现场时有保护措施，则不会对土坝施工产生危害。

3 RCC 在常态混凝土坝导流工程中的应用

本节描述的RCC 应用包括:委内瑞拉某工程下游尾水渠围堰，中国及莱索托混凝土拱坝施工围堰，中国两个大型水利枢纽施工横、纵向大体积RCC 围堰。

3.1 下游尾水渠RCC 围堰

哈扎工程公司需要修建一座防水围堰将1 号尾水渠与2 号尾水渠分隔，以便能完成委内瑞拉古里(Guri)水利枢纽2 号尾水渠的关键开挖工作，RCC因其施工速度快，节省材料、模板和劳力而成为首选。

围堰高7 m，堰顶宽5 m，浇筑RCC 达15 600 m3。两侧边坡比均为1∶1。工程在短短2 个月内顺利完工(1980～1981 年枯水期)。

3.2 用作混凝土高拱坝施工的RCC 围堰

对1988 年中国修建的隔河岩坝(最大坝高155 m)及1995 年莱索托修建的卡齐(Katse，最大坝高185 m)坝而言，在其上游设置RCC 围堰有利于这两座高拱坝施工顺利进行。混凝土高拱坝常建于狭窄河谷，施工现场缺少土，尤其是黏土，而这些材料正是土坝或土围堰所需求的。RCC 料可采用与主坝类似的骨料。

隔河岩RCC 围堰高40 m，呈曲线型式布置，卡齐坝围堰高35 m，为直线重力结构。隔河岩围堰RCC浇筑量达13.6万m3，卡齐围堰浇筑量为9 万m3。

隔河岩围堰18 次安全过水，未发生严重破坏事件。最大过堰流量10 600 m3/s，计算得出的过堰水流最大高度约为5.8 m。

3.3 混凝土重力坝RCC 围堰

对于大江大河，中国采用RCC 围堰作为三期导流方案的一部分，其应用相当成熟。这些早期的RCC 围堰与修建常规混凝土重力坝结合使用。

3.3.1 水口坝

该例讨论福建省闽江水口大坝施工纵向围堰(顺河道水流方向)。该围堰主要用于将大坝及发电厂房施工区与开挖的导流明渠分隔开来。该导流明渠渠道底宽75 m，设计过流能力为闽江的全部洪水流量。施工围堰为RCC 围堰，总长度647 m，RCC 浇筑量为29.8万m3。

RCC 围堰为重力式坝型，两侧挡水用厚50 cm的常规混凝土护面。采用RCC 围堰是因为堰墙施工空间有限，而且河水流速过快(达15 m/s)。由于最大堰高要求的相应底部宽度不适合于可用的空间，故排除土石围堰方案。同样，由于地基条件不允许，也未采用格形空腹钢板桩围堰。水口电站围堰RCC 浇筑速度很快，月浇筑量达37 500 m3，日浇筑量为2 423 m3。

3.3.2 三峡大坝

虽然水口电站纵向围堰本身就是一座相当大的坝，其浇筑速度也相当高，但与长江三峡工程相比，其规模和浇筑速率还是略逊一筹。

三峡工程修建了两座RCC 围堰。一期纵向围堰长1 163 m，浇筑RCC 达131 万m3。基本导流方案与水口电站相似。三峡工程拦河主坝为混凝土重力坝，在河水能够经主坝中的导流底孔下泄以后，采用横向围堰完成明渠截流，以便能对大坝右岸余下工程进行施工。

该横向RCC 围堰最大高度107 m，浇筑RCC 达110 万m3，两围堰均采用常规混凝土护面。横向围堰RCC 浇筑速度创下新的世界纪录。2006 年三峡工程RCC 最大月、日、小时浇筑量分别达476 000 m3、21 060 m3及1 365 m3。

3.4 RCC 重力坝RCC 围堰

一直以来，中国流行的导流方案不仅仅是在下游采用RCC 围堰，上游围堰也同样如此。上游围堰通常为典型拱形重力结构，此种结构能经受洪水漫顶而不溃堰。1988 年岩滩坝与1996 年江垭坝的RCC 施工围堰最具代表性。2003 年伊朗在建造贾赫金(Jahgin)坝以前也修建了一座RCC 围堰作为全比尺试验段。

3.4.1 岩滩坝

岩滩RCC 大坝高110 m，施工要求在上、下游均布置围堰。上游RCC 拱围堰高52.2 m，RCC 浇筑量为16.5 万m3。下游围堰规模略小，最大高度39.2 m，RCC 浇筑量为11 万m3。

1990 年8 月29 日，一场特大洪水袭击上游围堰，洪水流量达1.9万m3/s，过堰水流高度超过3 m。这次洪水漫顶虽然超出设计标准，但围堰安然无恙。尽管如此，由于漫顶及随后气候转冷造成围堰表面温度骤降，堰体还是出现一些裂缝。

3.4.2 江垭水坝

江垭RCC 坝，最大坝高131 m，施工围堰最大高度36 m，设计洪水小于1 a 一遇洪水。这是因为围堰被设计成在夏季3～4 个月汛期可以让洪水漫顶，如同整个大坝部分完工。在这段时间内，停止大坝施工。江垭拱围堰显得颇为独特，因为它只有底层20 m 为RCC 填筑。由于堰顶宽度较窄，不适合RCC 机械施工，因此堰体顶层16 m 采用省料的常规混凝土建造，从而使堰体底部宽度变得狭窄。在1 a 一次洪水漫顶中，堰体和大坝均未遭受损坏，最大过水流量达4 000 m3。

3.4.3 贾赫金(Jahgin)坝

贾赫金坝位于伊朗东南部，其施工围堰最大高度为30 m，与江垭水电站的围堰类似，采用常规混凝土与RCC 混合结构。但其施工顺序与江垭围堰相反，底层11 m 采用常规混凝土填筑，而顶层19 m采用RCC 结构。此外，围堰不仅利于拦河筑坝，而且为RCC 主坝(高78 m)施工提供了一个全比尺的RCC 浇筑试验段。围堰混凝土总浇筑量为3.2 万m3，其中RCC 浇筑量达2.1万m3。

导流系统还包括一条直径6 m 的混凝土衬砌导流隧洞及最大高度为5 m 的下游围堰。整个导流方案设计洪水标准为3 a 一遇。

4 整合的RCC 围堰

RCC 坝施工导流最新解决方案之一是使围堰成为最终重力坝的一部分。尽管整合围堰概念一直用于土石坝，但对混凝土坝来说这是一次新的应用。该理念是在坝踵处将大坝的一部分截面快速修建到所需要的高度，这一部分截面实际上是更高的最终主坝中的一座小RCC 重力坝。因此施工质量须与主坝一致。

1999 年阿尔及利亚贝尼哈龙(Beni Haroun)坝率先采用该设计理念，其次是2006 年缅甸的耶瓦(Yeywa)坝。

4.1 贝尼哈龙坝

如图4 所示，贝尼哈龙整合围堰(高35 m)的上下游坝坡度与RCC 主坝(高118 m)的上下游坝面坡度相同。

图4 阿尔及利亚贝尼哈龙坝围堰坝截面

整合围堰不仅节省了与修建一座上游围堰有关的工程开挖、基础准备及基坑排水费用，还减少了RCC 方量。若设置上游围堰，最终还需要被拆除。

4.2 耶瓦坝

耶瓦碾压混凝大坝高134 m，其施工导流方案大致分为左右两部分，左岸为厂房，溢流坝及挡水坝段在右岸。计划在丰水期修建河道左岸厂房，枯水期进行河道坝段及右岸施工。左右两部分均采用RCC 整合围堰方案，其中右侧整合围堰高度超过72 m(可能最大洪水PMF)。

5 RCC 修复溃堰

采用RCC 修复围堰唯一已知案例是智利南部的拉尔科(Ralco)RCC 坝施工围堰。该围堰高50 m，由于地处南半球，5～10 月为冬季，围堰的设计表明它可能会被冬季1 a 一遇洪水漫顶，而在5 月前的枯水期该围堰能挡15 a 一遇洪水。

在围堰施工比计划迟后一个月的情况下，2001年5 月26 日和27 日，接近完工的围堰遭到一场20 a 一遇的洪水袭击。当时，大部分堰顶施工已修建到堰顶高程，仅留下紧邻左坝肩一小段尚未完工。另外，堰顶下方6～8 m 水平带区的堆石体钢丝网加固工作尚未完成。

紧邻左坝肩1/3 的围堰最顶层35 m 被洪水冲走。尽管事故发生后加快了施工进度，但该围堰的一部分溃决仍使主坝施工延误了4 个月。

围堰水毁区修复方案采取先浇筑细石混凝土找平，后浇筑RCC，RCC 浇筑量达5 万m3。这次修复工程特意将RCC 部位的堰顶高程降低了15 m 以便让以后的洪水通过。围堰修复工程还包括两道高5 m 的混凝土导墙，以保护围堰其余填筑体免遭该围堰上的RCC 溢流通道过流冲刷。围堰RCC 修复区随后3 次过水均完好无损。

6 结 语

本文回顾了RCC 在围堰工程中的各种应用情况。RCC 最早用于围堰可以追溯到半个世纪前，比开始修建RCC 重力坝还要早20 多年。

RCC 材料早期主要用于土石围堰的防渗心墙。随后用于土石围堰堰顶及下游斜坡部分的堰体断面，以防止围堰因溢流而溃决。RCC 在围堰工程中的这些早期应用得益于一批岩土工程师的技术创新，正是他们，才使得RCC 成为解决大坝工程问题的有用工具。

到了20 世纪80 和90 年代，随着RCC 技术逐渐开始盛行，工程师们发现围堰是测试(全比尺现场试验)这种新的施工方法的绝佳场所。用这种材料和方法建成的建筑物具有抗侵蚀性强、防渗效果好、施工速度快的优点。由于围堰是临时建筑物，与重力坝相比，其设计要求相对宽松，允许混凝土有较低的水泥含量，可采用天然级配骨料。

很快，所有坝型的导流工程均广泛采用RCC 围堰(跨河直线堰及拱围堰)。其中许多围堰被有意地让洪水漫过或被不常见的洪水漫过。记录在案的漫顶水流深度达12 m，RCC 无实质性损毁。

导流工程最新进展是采用RCC 整合围堰。该理念是乘枯水期时在主坝上游快速修建一小断面堰堤，围堰与主坝的上、下游坝面坡度相同。这种施工方法对于新修的大型RCC 坝来说似乎可以大幅降低成本及风险。

考虑到土石围堰漫顶甚至溃堰会给建设成本及施工进度造成严重后果，因而RCC 在围堰工程中的应用为设计工程师及承包商提供了一种具有吸引力的替代办法。工程师、业主及承包商应根据每个工程不同情况对施工导流进行专门的评估。