严寒地区碾压混凝土筑坝技术创新与实践

常昊天，姚宝永，薛建峰，田 政

（1.水电水利规划设计总院，北京 100120；2.中国水利水电建设工程咨询北京有限公司，北京 100024）

0 前 言

碾压混凝土大坝是筑坝界公认的环保型、节能型和安全型大坝，是最有发展前景的坝型之一。碾压混凝土筑坝技术与传统常态混凝土筑坝技术相比，在施工速度、节省投资等方面的优势较为明显，得到了广泛推广。我国在碾压混凝土筑坝过程中，逐步形成了不设纵缝、富浆碾压混凝土防渗、低水泥高掺粉煤灰或矿渣类掺合料、低VC值、大面积连续浇筑、斜层铺筑碾压、变态混凝土代替常态混凝土等一套完整的碾压混凝土设计理论和施工技术体系［1］。

龙滩、光照、黄登等200 m级的碾压混凝土重力坝和万家口子、三河口、象鼻岭等100 m级碾压混凝土拱坝的成功实践，充分证明了我国碾压混凝土筑坝技术已达到世界领先水平，并在有些领域达到世界领先水平［2］。新疆石门子、喀腊塑克碾压混凝土坝的成功建设证明了我国在严寒地区的筑坝技术水平。丰满重建工程碾压混凝土重力坝是我国在严寒地区实施碾压混凝土坝筑技术的又一次重要实践。

1 工程概况

丰满水电站全面治理（重建）工程是按恢复电站原有任务和功能，在原大坝下游120 m处新建一座大坝，并利用原丰满电站三期工程。丰满重建工程为一等大（Ⅰ）型工程，水库正常蓄水位263.50 m，水库总库容103.77亿m3。新建电站安装6台单机容量为200 MW的水轮发电机组，利用原三期2台单机容量140 MW的机组，总装机容量1 480 MW。电站枢纽建筑物主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪系统、左岸泄洪兼导流洞、坝后式引水发电系统、过鱼设施及利用的原三期电站组成。

碾压混凝土重力坝坝顶高程269.50 m，最大坝高94.50 m，坝顶总长1 068.00 m。大坝共分56个坝段，其中1～9号坝段为左岸挡水坝段；10～19号坝段为主河床溢流坝段；20～25号坝段为主河床偏右的厂房坝段；26～56号坝段为右岸挡水坝段。坝身泄洪系统采用坝顶开敞式溢流表孔，共9孔，坝后采用深挖式消力池底流消能方式。

2 坝基开挖控制爆破技术实践

新丰满大坝坝基开挖难度极大，在老电站枢纽运行区内进行大型水电站坝基爆破开挖国内尚属首次，存在如下难点：

（1）新、老坝间仅相距120 m，坝基开挖期间，丰满老坝仍发挥其应有的挡水、泄洪等功能；

（2）爆破影响范围内的丰满电厂一二期发电厂房、三期厂房、三期泄洪洞等电厂设施内机电设备正在运行且运行多年，厂区内还有诸多办公楼还在使用；

（3）坝址区地处AAAA级景区，两岸上坝公路也在爆破影响范围内，游客、社会车辆过往频繁，爆破及警戒时间极为有限；

（4）坝基爆破开挖主要在寒冬进行，气候条件极其恶劣。

新丰满大坝坝基开挖爆破采用精细设计、控制爆破。施工过程中对每一炮均进行了爆破设计，从控制爆破规模、单响药量、联网方式、飞石方向、炮区覆盖沙袋和炮被等方面对爆破振动和飞石进行控制，同时对每一炮均进行了爆破振动监测，通过监测数据分析不断优化调整爆破设计，累计监测676次爆破，各测点的爆破峰值振动均满足各保护对象爆破振动安全允许振速［3］。

大坝水平建基面保护层开挖采用“先锋槽+水平预裂爆破”开挖技术，即根据水平建基面总宽度和钻孔机具的体型，预先形成纵向先锋槽，再进行建基面保护层水平预裂爆破。预先形成的先锋槽虽然增加了部分开挖量，但大大缩短了水平预裂钻孔长度，降低了开挖施工难度，保证了钻孔精度，使得建基面平整度大幅提高；而水平预裂爆破技术则大大减弱了对建基面以下岩体的振动和冲击，起到了保护建基面的作用，使得坝基开挖质量得到保证。

3 碾压混凝土筑坝技术实践

3.1 粉煤灰代砂技术

施工过程中，经检测人工砂中石粉含量略有不足，高温季节施工时部分碾压混凝土存在泛浆效果和可碾性略差的情况。为此新丰满大坝进行了不同比例粉煤灰替代同体积人工砂试验，补充人工砂中的细颗粒含量，以提高碾压混凝土泛浆效果。通过试验分析，采用5%粉煤灰代替同体积人工砂效果最优。粉煤灰代砂技术有效地解决了人工砂石粉含量不足的问题，保证了碾压混凝土施工质量。

3.2 垫层混凝土浇筑技术

碾压混凝土坝基础垫层通常采用常态混凝土浇筑，常态混凝土水化热高、对温控不利，需要进行分块浇筑，模板制作安装工程量较大，基岩面覆盖时间较长，难以充分发挥碾压混凝土快速施工优势。

新丰满大坝施工提出垫层混凝土全面采用薄层变态混凝土找平的施工工艺。考虑在凹凸不平的建基面上直接浇筑富浆碾压混凝土可能会出现局部碾压不密实的情况，新丰满大坝垫层施工过程中，全面采用0.3～0.5 m厚C9020机拌变态混凝土找平基岩面。相对于常态混凝土垫层，更进一步地降低了基础垫层混凝土的水化热反应，可有效控制基础温差。同时，0.3～0.5 m的找平层厚度大大减少了模板制安工程量和垫层混凝土浇筑量，可使碾压混凝土快速上坝施工，减小了坝体冷升层时间。

3.3 全断面斜层碾压筑坝技术

新丰满大坝采用全断面斜层碾压的施工工艺，具有如下几个方面的优点：

（1）有利于控制层间间隔时间。采用斜层碾压技术，可通过调整层面坡度灵活地控制层间间隔时间，使之满足施工进度和层间结合质量的要求，特别是只要浇筑块高度和斜层坡度选择合适，可以在不增大混凝土生产、运输与浇筑能力的前提下，使层间间隔时间缩短，甚至小于混凝土的初凝时间。

（2）有利于坝体混凝土温度控制。斜层碾压工艺相对于平层碾压工艺来讲，仓面面积相对较小，每层混凝土的覆盖时间缩短，大大减少了仓面的温度倒灌回升。

（3）节省工程投资。采用斜层碾压技术，可以用较小的浇筑强度覆盖较大的坝体浇筑仓面面积，从而减小浇筑能力配置，降低设备投入和临时工程费用。

（4）有利于雨季施工仓面排水。碾压混凝土平层碾压施工工艺排水通常较为困难，而斜层碾压施工工艺下，雨水可沿坡面快速排出。

（5）有利于减小对已完成碾压仓面施工质量的影响。碾压混凝土平层碾压施工工艺易出现重载汽车转弯时对已碾压好层面造成损伤的问题，而斜层碾压施工工艺下，重载汽车可以在下层收仓的层面上先调头，随后倒车至碾压层面，避免对已碾压好层面的损伤。

新丰满大坝采用了全断面碾压混凝土设计理念，施工过程中碾压混凝土全部采用自卸汽车直接入仓，采用先浇式入仓口设计，使得碾压混凝土快速连续上升的优势得以充分发挥，极有利于对层间结合质量、坝体温度、施工进度、投资等各方面控制。针对斜层碾压时坡角处的薄层尖角问题，采用专人清除坡脚薄层和补洒水泥粉煤灰净浆的方式，完善了斜层碾压工艺，提高了层面结合质量［4］。

3.4 异种混凝土同步上升技术

新丰满大坝溢流面斜直段常态混凝土浇筑采取了与碾压混凝土同步上升的施工工艺。常态混凝土与碾压混凝土同时浇筑且结合良好，不存在二期结合面；避免了常态混凝土大面积、大体积浇筑带来的温度应力裂缝及干缩裂缝的产生；避免了后期混凝土浇筑时的浇筑仓面狭小、振捣困难、仓面清理困难、入仓手段匮乏等不利状况，有利于保证混凝土的浇筑质量。

溢流面采用低坍落度常态混凝土，使用仓面自卸车直接入仓，避免常规的采用搅拌车运输、高塌落度常态混凝土带来的混凝土成本增加及温度裂缝所带来的不利影响。

3.5 变态混凝土浇筑技术

变态混凝土主要分为加浆变态混凝土和机拌变态混凝土两种。加浆变态混凝土是在碾压混凝土拌和物铺料后洒铺水泥粉煤灰净浆，以常态混凝土振捣法作业振实是较为常用的做法，但由于是现场人工加浆可能存在浆液分布不均匀及和易性存在差异的情况；机拌变态混凝土是在拌和楼按照试验确定的配合比和搅拌时间拌制而成，运输至现场直接使用。

为保证变态混凝土良好的和易性、均匀性，丰满重建工程在大坝上游防渗区、下游模板边、廊道周边、两岸岸坡及其他大面积变态区域采用机拌变态混凝土施工，仅在碾压混凝土与常态混凝土或变态混凝土搭接部位、坝体内部碾压混凝土与横缝模板接触部位等少量区域采用加浆变态混凝土。

3.6 全断面装配式钢模板技术

新丰满大坝廊道施工总长为2 150 m，廊道顶部为直径3 m的半圆，廊道墙高2 m，总高度3.5 m。廊道截面小，起重吊装设备无法进入，模板必须向内拆除。传统施工方法采用轻巧便利的木质模板，便于人力方式拼装和拆除，但也不可避免地出现木质模板重复使用率低，造成了资源浪费。

综合考虑，本工程现浇廊道全面采用全断面装配式钢模板［5］。钢模板研发沿用了组合钢模板的设计理念，单片墙体直模板和弧形顶模板力求做到小巧轻便。全断面装配式钢模板技术便于人工拆除、重复利用率高，大大节约了生产成本。

3.7 上游止水系统设计及横缝止水间接缝灌浆技术

横缝渗漏问题在水电站大坝中较为常见，大坝横缝渗漏对水工建筑物的危害很大，轻则加速老化病害的发生与发展，重则造成水工建筑物破坏甚至失事。造成横缝渗漏主要原因包括止水安装工艺控制不严、止水片自身缺陷和施工中止水周边混凝土振捣不密实等。通常的横缝渗漏处理措施均属于在大坝施工完毕后对渗漏问题的事后补救措施，不可避免地对坝体造成一定的破坏，还存在一定的风险和偏差。

为规避上述风险，新丰满大坝上游面横缝共设2道铜片止水，第1道止水向上通至防浪墙顶，第2道止水向上通至坝顶铺装层，第2道止水后设直径219 mm的圆形排水井，横缝排水井为热轧钢管，钢管对称剖开后预留1.5 cm左右的缝隙，在缝隙部位沿高度方向不连续对焊。为防止坝体混凝土浇筑时从钢管缝隙部位向内进浆，事先在钢管外侧包无纺布2层。同时，丰满重建工程在大坝上游2道铜止水之间增设了接缝灌浆系统，作为横缝防渗辅助措施，通过后期聚氨酯灌浆起到了良好的封闭效果，对重力坝止水系统的结构设计起到了非常有益的探索和实践。此外在高坝止水设计中，除在上游2道铜止水间增加接缝灌浆系统外，再把止水做成“2道铜止水、1道橡胶止水、1个横缝排水井”的型式，实现止水结构精细化设计，最大程度减小坝体渗漏量，有利于大坝永久运行安全。

3.8 碾压混凝土温度控制技术

丰满水电站重建工程充分利用了坝前高达百亿库容的松花湖的优越条件，采用库区深井取水技术取得库区深层的较低温水，用于混凝土拌和和坝体通水冷却，大大降低了温控成本，取得了很好的经济效益。

本工程高温季节精细化的混凝土温度控制与防裂综合措施，包括优选原材料、优化配合比、分阶段制定温度控制措施、通水冷却、养护和表面保护等。

对于严寒地区碾压混凝土越冬临时保护，本工程采用高防火等级的橡塑海绵作为主要临时保温材料，根据越冬面保温参数计算分析以及保温材料性能，制定了“塑料薄膜+N层橡塑海绵+三防布”的综合保温措施，在实际应用中取得了优良的保温效果［6］。同时，开展了严寒地区人工造雪越冬保温技术试验研究，结果表明，该技术可有效减少越冬混凝土与外界冷空气的热交换，能起到较好的保温作用［7］。越冬后的快速复工是严寒地区碾压混凝土筑坝过程中的关键工序，新丰满大坝分三次逐步揭开临时越冬保温材料的方式，最大限度地避免了越冬停浇面的温度骤降。

随着新丰满大坝的逐步建成，在大坝上、下游全面采用了聚氨酯永久保温以消减表面温度梯度，控制表面温度应力，防止产生危害性裂缝。

4 大坝上游辅助防渗技术实践

聚脲材料以其优异的理化性能、整体防护性及施工高效性在水利水电工程防渗以及防护项目中得到推广应用，目前已在混凝土坝表面防渗、泄洪建筑物抗冲磨防护等建筑物的表面防护（降糙、防渗）等领域得到广泛应用。

新丰满大坝上游面以及厂房坝段、溢流表孔门槽上游面分别采用不同类型的聚脲材料进行辅助防渗处理。通过实践，不同种类的聚脲应根据使用条件的不同进行选择；双组分喷涂聚脲具有施工快速、成本低以及良好的柔性，适用于迎水面大面积的辅助防渗；聚天门冬氨酸脂双组分聚脲具有优异的物理力学性能、耐候性以及与混凝土的可靠黏结性，可应用于水流冲刷、抗冻蚀等混凝土部位的防护。

5 大坝上游抗冰拔材料研究与实践

严寒地区，冬季坝前库区结冰，冰层随水位变动对坝体产生拉拔作用。新丰满大坝上游采取了聚氨酯保温，当冰层与混凝土聚氨酯保温层黏结在一起时，随着库水位变动，厚冰层会对聚氨酯保温层产生拉拔、推动、撞击现象，从而造成保温层拉拔破坏。因此，需要找到满足一定性能要求的抗冰拔涂层材料，其具体要具备：良好的防渗性和较低的吸水率；涂层表面光滑，具有较强的憎水性；涂层与聚氨酯保温层结合良好；涂层材料具有良好的耐候性能及适应变形能力。经过试验比选，新丰满大坝采用了“双组分涂刷聚脲+氟改性天冬聚脲面漆”作为保温层表面抗冰拔材料，经过蓄水后第一个越冬年的实践，水位变动区聚氨酯保温层保存较好，起到了良好的抗冰拔作用［8］。

6 大坝建设智慧管控全面应用与实践

随着物联网、数据挖掘、人工智能、大数据、计算机视觉及云计算等先进科学技术的日益成熟以及在大坝建设中的广泛应用，我国全面实现大坝智能建设已成为必然趋势［9］。为保证大坝建设质量，新丰满大坝建设采用了施工现场多网组合技术、施工过程实时监控技术、碾压施工智能化监控技术、核子度密仪信息自动采集与分析技术、智能温控技术、质量验评智能化技术等智慧管控技术，这是高寒地区碾压混凝土重力坝从数字化建设向智能建设发展的有益探索和实践［10-13］。

7 结 语

位于严寒地区的丰满水电站重建工程碾压混凝土重力坝建设，是对严寒地区碾压混凝土筑坝技术、智慧建设技术的一次重要实践。其工程实践丰富和完善了碾压混凝土坝建设的理论、方法与技术。诸多先进的工程应用和创新成果对严寒地区碾压混凝土筑坝建设具有重要的参考价值和实践意义，对未来大型水电站重建工程的建设和管理具有重要的示范作用和借鉴意义。