东北寒冷地区采用碾压混凝土筑坝的实践

2014-04-03李宝石

黑龙江水利科技 2014年5期

关键词：观音阁白石层间

李宝石

(辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳122000)

东北寒冷地区采用碾压混凝土筑坝的实践

李宝石

(辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳122000)

白石水库混凝土大坝位于东北寒冷地区，由于气候的特殊性，在施工过程中采用碾压混凝土筑坝技术，将RCD技术和RCC工法配比结合，进一步发展了RCD技术，增加采用碾压混凝土筑坝的经验。该文主要阐述了在不利气候条件和施工条件下，为确保工程质量，从越冬面混凝土层间强度、温度控制、防裂措施、吸取其它水库经验教训等环节对工程质量进行控制。

筑坝特点;筑坝经验;温度控制;防裂措施;白石水库

0 引言

拦河筑坝挡水已有近5000年的历史。然而，19世纪以前修建的坝，基本属土石坝范畴的浆砌毛石坝。

19世纪后期，逐渐开始用混凝土筑坝。当时人们认为混凝土的强度不如砌石，因而规定仅在压应力＜5 kg/cm2的部位才可使用混凝土。19世纪末开始出现块石混凝土坝，然而混凝土仅被做为填塞料使用。

20世纪初，由于混凝土施工工艺和施工机械的迅速发展，70年代末，中国开始对碾压混凝土技术进行研究。80年代后进入现代设计与施工的阶段。成为当今最具竟争力的坝型之一。

1 RCD和RCC的特点

碾压混凝土筑坝和常规混凝土筑坝，其设计原理并无差别，只是其施工方法有所改变。碾压混凝土筑坝技术，利用自卸汽车运输拌和的干贫混凝土直接入仓、湿地推土机通仓薄层摊铺并预压、振动切缝机切缝、自行式振动碾碾压而实现坝体混凝土浇筑。

碾压混凝土筑坝:由于工艺流程规范、施工设备配套，可以实现施工的高度机械化，因而具有快速施工的特点;由于采用干贫混凝土并掺和部分粉煤灰，因而可以减少水泥用量、降低水化热温升、简化温度控制措施。

然而，作为碾压混凝土筑坝技术两大分支的RCD和RCC，又各自具有不同的特点。其中主要的差别在于:

1)RCD采用“金包银”的断面型式，即所有外部的基础垫层、上游防渗层、下游保护层均采用常规混凝土，仅在内部采用RCD碾压混凝土;而RCC则采用全断面碾压型式。

2)RCD碾压层厚75 cm，分 3层摊铺(每层27 cm)，1次碾压。碾压层间间歇3～5 d。层间处理规定，在每层终凝前要进行刷毛，然后流水养生，并在下一层浇筑前铺一层1.5 cm厚的水泥砂浆。而RCC的碾压层厚30 cm，一次摊铺并碾压。层间不间歇、不处理，连续升程。

3)RCD混凝土的配合比，采用胶凝材料总量为(C+F)=(120～130)kg/m3，其中粉煤灰掺量F/(C+F)=30%。

RCC一般则采用高胶凝材料总量和高粉煤灰掺量，且变动幅度都比较大;目前F/(C+F)平均在60%左右。

4)RCD和RCC均不在坝体内部设置纵缝。但RCD为避免坝体产生裂缝发生渗漏，同常规混凝土坝一样，每隔15 m左右设置一道横缝，并采取常规的止、排水措施。

RCC一般则不设横缝;若设，间距也很大，有的上百米［1-2］。

2 寒冷地区筑坝技术的选择

白石水库位于辽宁西部地区，气候条件恶劣，极端最高气温达42℃，最低气温至-37℃。水面蒸发量高达2 000 mm，降水量仅为500 mm，每年的降水多集中于7、8两月。

风沙大，旱情不断，再加上冰冻期长达5个月之久，无霜期只有130～180 d。这种气候条件，对大体积混凝土的施工极为不利。

寒冷地区修建碾压混凝土坝对筑坝技术的选择，除了要考虑稳定、强度的要求外，还应该考虑防渗、抗冻和耐久性的要求，尤其要对防裂措施给予足够的重视［3］。

上述碾压混凝土筑坝技术特点表明，RCD采用“金包银”的断面，外部防渗层、保护层全部为常规混凝土，碾压层间处理要求严格，层间结合良好，完全可以满足常规混凝土坝安全可靠、特别是防渗、抗冻和耐久性的要求。

但是，RCD筑坝技术的施工速度不如RCC快，同时也不具备RCC高掺粉煤灰的优点［4］。

因此，在寒冷地区修建碾压混凝土坝，以选择RCD筑坝技术为宜，同时应适当吸取RCC筑坝技术的优点。

3 已成工程的经验教训

观音阁坝是我国首次引进日本RCD筑坝技术、在严寒地区修建的碾压混凝土重力坝。

观音阁坝于1990年开工，1995年建成。该坝前期准备工作充分，设计研究严谨，建设管理严格，施工质量优良。采用RCD筑坝技术是成功的。

在大坝建成的当年，经受了1995年浑河、太子河大水的考验。库水位猛涨至正常高水位以上，变形观测正常，全坝基最大渗流量仅为99.7 L/min。水库发挥了巨大的防洪作用和供水、发电效益。

然而，观音阁地处北方严寒地区，其气候条件远比日本海洋性气候和我国南方暖湿气候恶劣得多。主要是冬季停工期长达5个月之久，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季昼夜温差大。

因此，在观音阁大坝建设期间，曾产生了一些程度不同的裂缝。这些裂缝大体可以划分为4类:

1)基础垫层混凝土裂缝。

2)溢流坝反弧段上游侧裂缝。

3)泄水底孔环形缝。

4)越冬面水平施工逢的开裂。

其中尤以越冬面水平施工缝的开裂最为严重。

可以看出，导致越冬面水平施工缝的开裂的原因:

1)混凝土上下层温差与内表温差产生的温度应力大大超过混凝土的抗裂强度。

2)层间、特别是越冬面层间的抗拉强度明显低于本体抗拉强度。所产生的温度应力，上游面是由上下层温差起控制作用，下游面则系内表温差占主导地位。

这说明，在严寒地区修建碾压混凝土重力坝，仍然是一个值得重视研究的课题。

观音阁碾压混凝土采用了日本标准的RCD配合比(胶凝材料总量130 kg/m3，粉煤灰掺量F/(C+F)=30%)。日本RCD工法的规定比较严格。近年来在配合比方面有所进展，但粉煤灰掺量最高仅为40%。

在总结观音阁经验教训基础上进行的白石坝的设计和施工中，企图吸取RCC配合比的优点，进一步减少水泥用量，提高粉煤灰掺量，以降水泥的水化热温升。

通过室内试验和现场碾压试验，白石碾压混凝土采用了C=72 kg/m3、F/(C+F)=59%、砂率s/a=34%的配合比，并通过掺入混凝土保塑剂，节约水泥，提高塑化性能，使其振动压实指标VC值随时间的变化来满足RCD施工的要求。

白石碾压混凝土掺入粉煤灰的数量达到了国内RCC平均水平，有利于施工的和易性，同时也有利于温度控制。

白石的混凝土碾压技术将RCD与RCC完美结合，从而发展了RCD筑坝技术。

4 越冬面混凝土层间强度

越冬面附近的混凝土均是在上一年的10月份停止浇筑的，在下一年的4月份恢复浇筑的层面，此时上下层面的温差较大。在这段时期内浇筑的混凝土由于强度增长缓慢，养生条件差，其强度要低于正常气温浇筑混凝土的强度［5］。

根据观音阁水库对浇筑混凝土强度试验资料的数据分析，浇筑的混凝土强度为平均强度的85%～87%。

由于碾压技术使混凝土上下层面产生微小裂隙，导致上层混凝土的强度要低于下层的混凝土强度。根据钻芯样本统计结果，其强度比值为0.92。

这两种原因使混凝土强度降低，尽管层间结合面铺设水泥砂浆，但其强度仍然偏低，约为本体混凝土强度的75%。

白石坝体不同部位混凝土容许拉应力值［σ］见表1。

表1表明:要提高混凝土强度，停工不能太晚，开工不能太早，必须做好保温工作。

5 温度控制

碾压混凝土筑坝，由于采用干贫配合比的混凝土，因而可以简化温控措施，从以往的施工经验与教训再结合白石的具体条件，确定并执行，强约束区内混凝土允许浇筑温度15℃，其余18℃。强约束区的坝体高度分别为:挡水坝段8 m，溢流坝段12 m，底孔坝段20 m。

根据混凝土表面温度应力不大于混凝土允许拉应力的原则，从而确定了坝体保温的防护标准与保温层的厚度［6］。

为了达到混凝土的温度控制标准，技术方面采取仓面喷雾及凉棚、表面流水养护生、夏季实行夜间浇筑、注意保温防护等措施外，还设置了装机容量360万kJ/h的制冷厂，用以风冷骨料和冷水拌和混凝土。越冬保温，严格按标准执行。

6 防裂措施

在严寒地区采用RCC、RCD筑坝技术，碾压混凝土越冬层面的水平施工缝防裂措施是一个全新的课题，更是一个严竣的考验。

通过对白石坝体进行的仿真计算表明，即使对坝体进行严格的温度控制与越冬保温措施，但是水平施工缝也是难以避免的。

为此，白石坝体在保证坝体稳定的前提下，又分别在挡水坝段越冬层面附近的上、下游部位，预设诱导缝，以期达到应力释放和重分布、严格防止上游面产生水平缝的目的。上游缝宽1 m，设置两道止水，缝端埋设开口圆管，缝后布设限裂筋。下游缝宽3m，缝端埋设开口圆管，缝面倾向下游，倾角3°同时，在溢流坝反弧段也设置了诱导缝。

仿真计算结果表明，挡水坝段上、下游面最大主拉应力均在允许范围内，溢流坝反弧段最大主拉应力由原来的6 MPa降至3 MPa。预设诱导缝措施效果明显。