川江水库碾压混凝土重力坝施工设计

梁俊群，凤 鑫，韦洪枫

(广西桂林市水利电力勘测设计研究院，广西 桂林 541199)

1 工程概况

川江水库位于漓江上游支流川江上，作为广西桂林市防洪及漓江补水枢纽工程的一部分，是一座以城市防洪和漓江生态补水为主，兼顾灌溉、发电等效益的综合利用水利枢纽。

川江水库正常蓄水位为274.00 m，总库容为9 787万 m3，为Ⅲ等工程，永久性主要水工建筑物级别为3级，永久性次要水工建筑物级别为4级。永久性主要水工建筑物有拦河大坝、补水发电隧洞的控制闸闸室及闸前段水工建筑物等，按3级水工建筑物设计。永久性次要水工建筑物有补水发电隧洞控制闸后段水工建筑物，按4级水工建筑物设计。附属电站规模很小，装机容量7.2 MW，为引水式河岸厂房，相对独立于枢纽建筑之外。附属电站按5级水工建筑物设计。

川江水利枢纽由拦河大坝、引水系统、电站厂房和升压站等建筑物组成。

2 碾压混凝土重力坝布置

拦河坝位于司门村滑石堰上游约500 m处，正常蓄水位为274.00 m，设计洪水位为275.00 m，校核洪水位为275.17 m，死水位为230.00 m，总库容为9 787万m3。

拦河坝为碾压混凝土重力坝，由左右岸非溢流坝段和溢流坝段组成。坝顶高程278.00 m，坝顶宽8.0 m，坝顶总长259.0 m，最大坝高83.00 m。

左岸非溢流坝段长104.0 m，横缝间距25 m，分4个坝块，左侧端部坝块长29.0 m，其余各坝块长均为25 m。右岸非溢流坝段长125.0 m，横缝间距25 m，分5个坝块，各坝块长均为25 m。左、右岸非溢流坝段坝体上游面220.00 m高程以上为铅直面，220.00 m高程以下坝坡为1∶0.2；坝体下游坝坡坡比为1∶0.80，起坡点高程271.00 m。右岸非溢流坝段0+171 m桩号设置施工断流期临时放水管(放空管)，管径1.60 m，进口中心高程210.80 m。在廊道下游侧设蝶阀室，安装2台1600D941X—10C型电(手)动蝶阀，上游侧蝶阀平常为全开状态，为检修备用蝶阀；下游侧蝶阀为工作蝶阀。

溢流坝布置在大坝中部靠左岸，溢流坝段长30.00 m，不设横缝，仅在上游面设永久短缝。溢流坝段共布置2 个表孔，在校核洪水时的最大下泄流量为1 970 m3/s。表孔采用开敞式WES型实用堰，堰面曲线定型设计水头为12.0 m，堰顶下游堰面曲线为y=0.077 628x1.776；堰顶上游堰头曲线采用圆弧曲线接坡度1∶1直线。堰顶高程261.00 m，其上设2孔10.0 m净宽弧形工作闸门，采用液压启闭机启闭。溢流坝边墩厚度为3.0 m，中墩厚4.0 m。上游坝坡220.00 m高程以上为铅直面，220.0 m高程以下坡度为1∶0.2。下游坝面溢流堰曲线以下坡比为1∶0.85。溢流坝泄洪采用挑流消能。考虑闸门安装、检修及交通要求，溢流堰顶设交通桥，交通桥面宽7.0 m。

坝体内设2 层廊道，底层为基础灌浆排水廊道，240.00 m 高程设1层检查排水廊道。基础灌浆排水廊道底部最低高程为213.00 m，采用城门洞型，断面尺寸为3 m×3.5 m(宽×高)，廊道上游边壁距坝轴线4.5 m。检查排水廊道为城门洞型，断面尺寸2.5 m×3 m(宽×高)，两端与基础灌浆排水廊道相通。在灌浆排水廊道两端高程213.00、240.00 m和266.00 m高程处均设有横向交通廊道通向下游，廊道尺寸为2.5 m×3 m(宽×高)，城门洞型。在距上游坝面4.5 m处设坝体排水塑料盲管网，管径150 mm，竖向间距3.0 m，水平间距6.0 m。

为减少管理人员体力劳动强度，方便工程运行管理，适应工程应急管理和现代化管理需要，应业主要求，在川江大坝坝体内设置1部运行管理电梯。电梯井设在左岸4号坝段，电梯井中心桩号为0+091.10 m、坝下0+010.75 m。电梯井顶部高程278.00 m(平坝顶)，底部高程223.50 m，在高程240.00、225.0 m分别设置交通廊道与检查廊道、灌浆廊道连接。在高程268.50、259.00、249.50、232.875 m分别设置安全门与人行楼梯间相通。电梯井尺寸为2.5 m×2.5 m，井内设置1部载重量为1 000 kg的运行管理电梯。电梯井右侧设置人行楼梯间，人行楼梯间净宽2.4 m，人行楼梯间底部高程为232.875 m。

大坝横缝设两道1.4 mm厚铜止水，每一侧埋入混凝土内的长度为20 cm。铜止水必须与坝基妥善连接，止水片埋入基岩内的深度为50 cm。

由于坝趾下游河道不顺直，溢流坝段需靠左岸布置，为使泄洪水流顺直地排向下游河道，需要对左岸下游岸坡进行开挖整治；下游岸坡开挖高度约55 m，边坡底部采用厚0.5 m的C30钢筋混凝土护砌。边坡上部拟采用锚喷支护，喷C20混凝土，厚100 mm，挂φ6钢筋网，网格间距200 mm×200 mm，φ25系统砂浆锚杆，长5.00 m，间距为2.00 m×2.00 m。

3 基础开挖及处理

河床段及坝高在50 m以上的两岸坝段坝基置于弱风化中部基岩上，坝高小于50 m的两岸坝段坝基置于弱风化中上部基岩上。两岸岸坡坝段建基面在坝轴线方向开挖成10 m宽度的台阶状，确保坝体侧向稳定。大坝建基面岩石控制纵波波速河床段为Vp≥3 500 m/s，岸坡段为Vp≥3 000 m/s。

岩层为互层状结构，坝基岩石总体上较完整，但局部地段可能存在节理较发育部位，对坝体抗滑稳定不利，须进行相应的技术处理，以增强坝基岩体完整性，改善坝基岩体的物理力学性能。本次设计对重力坝坝基范围进行固结灌浆，以增强岩石的整体性。固结灌浆孔的孔排距均为3 m，固结灌浆深度为8 m。河床段(0+122 m～0+194 m)固结灌浆在高程203 m平台进行，岸坡坝段固结灌浆随坝体升高分段完成，在混凝土盖重大于3 m情况下施灌。

坝基础采取帷幕灌浆防渗，防渗帷幕灌浆孔设1排，伸入相对不透水层(岩石透水率q≤3 Lu)以下5.0 m，孔距为2.0 m。两岸坝头在灌浆平洞内进行帷幕灌浆，帷幕灌浆延伸至水库正常蓄水位与5 Lu线相交，形成封闭的防渗体系。根据地质勘探成果，左坝肩防渗帷幕需向山体内延伸20 m，右坝肩防渗帷幕需向山体内延伸36 m。坝基排水孔布置在基础灌浆廊道内防渗帷幕的下游，排水孔设1排，孔距为2 m；孔深为帷幕深的0.5倍，且不小于10 m。

4 坝体材料及分区

4.1 坝体混凝土分区

根据规范及本工程实际情况，大坝坝体混凝土分为以下各区：

Ⅰ区：上游坝体外部表面碾压混凝土。

Ⅱ区：下游坝体外部表面碾压混凝土。

Ⅲ区：基础垫层混凝土，厚1.0 m。

Ⅳ区：坝体内部碾压混凝土。

Ⅴ区：抗冲刷部位的常态混凝土(溢流堰面、边墙、闸墩等)。

另外，大坝上下游面、止水埋设处、廊道周边和其他孔口周边以及震动碾碾压不到的地方为变态混凝土。

4.2 坝体材料

(1)Ⅰ区：上游面防渗层

坝体上游面防渗层采用二级配+变态混凝土防渗结构形式。防渗结构总厚3.0 m，其中迎水面变态混凝土厚1.0 m。二级配碾压混凝土强度标号为R90200，抗渗等级W8，抗冻等级F50。防渗层横缝间距为25 m，缝内设置PVC排水管。变态混凝土与二级配防渗碾压混凝土同步浇筑。二级配碾压混凝土碾压层面铺水泥粉煤灰净浆，冷缝经凿毛冲洗后铺标号为M25、厚度为1～1.5 cm的水泥砂浆，加强碾压层面及冷缝结合的可靠性。

(2)Ⅱ区：下游坝体外部表面碾压混凝土

下游坝体外部表面混凝土由于震动碾碾压不到等原因采用1.0 m厚变态混凝土，三级配碾压混凝土强度标号为R180150，抗冻等级F50。

(3)Ⅲ区：基础垫层混凝土

碾压混凝土坝基础垫层在河床部位采用常态混凝土，在岸坡部分采用变态混凝土，厚度均为1.0 m，混凝土强度标号均为R90200，抗渗等级W8，抗冻等级F50。常态混凝土采用预留后浇带的施工工艺防止开裂。

(4)Ⅳ区：坝体内部碾压混凝土

坝体内部大体积部位采用三级配碾压混凝土，三级配碾压混凝土强度标号为R180150，抗渗等级W4。施工缝及冷缝的层面铺1.5～2.0 cm的水泥砂浆，强度标号为M20。

(5)Ⅴ区：抗冲刷部位的常态混凝土

考虑抗冲耐磨的需要，溢流堰及中孔迎水面表层均设1层1.5 m厚R90400常态混凝土防冲耐磨层，抗渗等级W8，抗冻等级F50。Ⅴ区二级配抗冲磨混凝土须添加聚丙烯纤维。聚丙烯纤维添加量为0.9 kg/m3，其性能为纤度6D、抗拉强度≥450 MPa、弹性模量≥3 500 MPa、断裂伸长率≥15%；添聚丙烯加纤维后的拌和时间不得少于90 s。

5 混凝土施工工艺

5.1 混凝土后浇带技术

碾压混凝土重力坝在浇筑河床段基础垫层混凝土时，由于垫层混凝土分块较大，在坝纵0+030.0 m处设计了1条混凝土后浇带；后浇带宽1.2 m，采用微膨胀混凝土，强度标号为R90250。混凝土后浇带的设置，有效控制了混凝土的内部温度应力，防止裂缝的生成，使大体积混凝土可以分块施工，加快了施工进度，缩短了施工工期，提高了基础垫层混凝土整体性，大大增加了垫层混凝土的抗渗性能。

5.2 外掺氧化镁(MgO)技术

碾压混凝土重力坝在高程220 m以下的基础强约束区碾压混凝土采用外掺氧化镁(MgO)技术，补偿混凝土温降收缩，来实现混凝土微膨胀和防止开裂的目的。

5.3 层间缝面处理

(1)在基础垫层常态混凝土上施工碾压混凝土时，常态混凝土面需凿毛且有5～7 d龄期间隔时间；碾压前应在已浇混凝土面上，先铺1层2.0 cm厚的强度比碾压混凝土等级高一级的水泥砂浆。

(2)施工缝及冷缝的层面应采用人工凿毛或高压水枪冲毛等方法清除混凝土表面的浮浆、乳皮及松动骨料，处理合格后，均匀铺1层2.0 cm厚的强度比碾压混凝土等级高一级的水泥砂浆。

6 温控措施

碾压混凝土重力坝施工控制关键部分在于混凝土浇筑的温度控制和避免混凝土开裂。本工程温控关键技术采用冷却水管、现场喷雾等措施，保证了工程质量和工程进度。

根据混凝土特性及本地区水文气象特征，参考有关规范及资料，确定川江水库大坝基础允许温差及坝体设计允许最高温度。

合理安排混凝土施工进度和施工程序是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主要措施之一。基础约束区混凝土短间歇连续均匀上升不得出现薄层长间歇；其余部位基本作短间歇均匀上升；基础约束区混凝土应安排9月—次年3月气温较低季节浇筑。5月—8月高温季节(洪水期)不安排大坝混凝土工程施工。

6.1 温控方案

夏季施工时，在基础强约束区和该区新老混凝土的结合部位，将混凝土的浇筑温度控制在22 ℃以下；在坝体的其他部位，将混凝土的浇筑温度控制在28 ℃以下；其他时间混凝土的浇筑温度不超过当月平均温度。因此，采取切实可行的方案，分别从降低混凝土出机口温度和减少运输途中温度回升两方面着手，尽可能控制混凝土的浇筑温度。

(1)降低混凝土的出机口温度从3个方面控制

一是在骨料场料堆顶上搭设凉棚，挡住直射阳光，增加堆料高度，尽量缩短骨料进仓间隔时间等工程措施降低骨料温度。二是水泥、粉煤灰储罐降温。三是拌和用水的降温。

(2)混凝土运输过程中的温控措施从2个方面控制

一是自卸汽车混凝土运输过程中加盖保温被并减少运转次数。二是运输车辆防晒、仓面连续喷雾、及时覆盖、迅速碾压等综合措施，防止热量倒灌。

(3)混凝土仓内温度控制措施从3个方面控制

一是在混凝土浇筑仓内上下游侧模板顶上架设喷雾管，用水和高压风形成低温雾气，改变仓内小环境。二是加快混凝土的入仓覆盖速度，缩短混凝土暴露时间。三是外界温度达到25 ℃以上时，每5～8 min喷雾1次，能够保持仓面湿润，将仓面温度保持在19～23 ℃左右，使仓面湿度达到80%以上。

6.2 坝体通水冷却措施

为了降低混凝土的内部最高温度，并满足施工进度的要求，在浇筑块内埋设冷却水管，进行通水冷却，以满足混凝土内部的最高温度控制要求。坝体冷却水采用河水，冷却水管由下游面引入，在坝体沿坝轴线方向蛇形布置；为1.0 m(水管层距)×1.0 m(水管间距)，单根长度不大于250 m。通水水温为河水温度，通水历时15～20 d。冷却水管布置应均匀一致，要求水管距上下游坝面、分缝面、坝内孔洞周边距离1.0～1.5 m，特殊部位可根据实际情况适当调整。冷却水管按间距1.0 m铺设，最后几排可根据实际情况等间距布置，但不宜间距过大，以不大于1 m为宜。

冷却水管采用HDPE高密聚乙烯塑料冷却管，管外径φ32，导热系数K≥0.45 W/(m·℃)。坝体冷却水采用河水，坝体一期采用河水初期通水冷却时间不少于20 d；水管在坝体混凝土内的转弯半径为0.5 m，单根长度不大于250 m，冷却水管离混凝土边缘距离1.0～1.5 m，统一从大坝下游面或廊道引出；严禁从坝体迎水面引出，不得跨缝布置。为保证在混凝土浇筑时冷却水管不移动，使用带有铁钉的塑料卡扣将冷却水管固定在混凝土层面上；水管在坝体混凝土内不允许有接头，应有专人维护。冷却水管在铺设完毕和覆盖碾压混凝土后应分别进行通水试验，检验其是否通畅，是否存在漏水现象；各层冷却水管应严格定位，避免固结灌浆钻孔将冷却水管破坏。冷却水管使用完后，后期应进行灌浆回填，露出混凝土表面的水管接头应割去。用于管路回填灌浆的水泥强度等级不应低于P.O42.5，采用0.5∶1的纯水泥浆液灌注，灌浆压力0.3 MPa。

7 结 语

川江水利枢纽碾压混凝土重力坝施工设计有多个特点：一是提出了大坝建基面岩石控制纵波波速，为坝基质量检测提供了标准。二是根据大坝的工作条件、地区气候等具体情况进行了大坝混凝土材料及分区设计，分别满足抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗腐蚀等耐久性要求。三是河床段基础垫层混凝土采用后浇带技术，有效控制混凝土的内部温度应力，防止裂缝的生成，加快了施工进度，缩短了施工工期，提高了基础垫层混凝土整体性，大大增加了垫层混凝土的抗渗性能。四是基础强约束区碾压混凝土采用外掺氧化镁(MgO)技术，补偿混凝土温降收缩，来实现混凝土微膨胀和防止开裂的目的。五是温控技术采用冷却水管、现场喷雾等措施，保证了工程质量和工程进度。