摘要 经过20 多年的发展,我国碾压混凝土筑坝技术已处于世界先进水平。结合我国水利工程建设现状和相关研究成果,总结了北方碾压混凝土坝设计、施工的关键问题,综述了该领域的研究进展及今后研究的主要内容。
关键词 碾压混凝土;北方碾压混凝土坝;设计;施工
中图分类号 TV33 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611(2007) 12 - 03758 - 02
目前我国已建成的各类高坝建筑标志着我国在复杂地质条件的高拱坝、高混凝土面板堆石坝、高碾压混凝土筑坝技术、设计和科研诸方面达到了世界领先水平[1] 。
1 碾压混凝土坝发展史
碾压混凝土作为一种干硬性混合材料,无塌落度,有别于常态混凝土;施工方法按近于土石坝的填筑方法,采用通仓薄层铺料,振动碾压压实;与常规混凝土相比,无论在材料消耗、施工效率,还是在其本身性能等方面都有明显的优越性。1960～1961 年,我国台湾修筑石门坝心墙首次使用了碾压混凝土材料。20 世纪70 年代初期,意大利阿尔卑·惹拉坝采用低流态混凝土和汽车入仓、全断面浇筑、机械切缝等施工工艺,虽仍采用振捣器振捣,并未用振动碾碾压,但在混凝土筑坝技术上已前进了一步。1973 年,第11 次国际大坝会议提出了开展“混凝土坝缩短工期、提高经济效益”的研究。
以后,美国、日本等都有组织地开展了该方面的试验研究工作,终于在1980 年之后,建成了日本的岛地川碾压混凝土坝和美国的柳溪碾压混凝土坝[2 - 4] 。此后,碾压混凝土筑坝技术在世界上有了长足的发展。我国的碾压混凝土筑坝技术从1980 年开始起步,近20 多年来,经过广大科研工作者和从事设计、施工的专业人员的不懈努力,碾压混凝土筑坝技术已非常成熟。截至2004 年,已建成的碾压混凝土坝64 座,还有不少的碾压混凝土围堰工程[5 - 7] 。综合我国碾压混凝土筑坝技术,碾压混凝土在配合比设计上已经形成少水泥用量、高粉煤灰掺量的特点[8] ,达到世界领先水平。
2 北方碾压混凝土坝建设现状
广义的北方指黄河以北的10 个省,按中国大坝委员会2003 年底的统计,我国已建、在建坝高大于30 m 的大坝数量中,北方10 省的总数仅为全国总数的15. 98 %,按照水资源分布的不平衡性进一步划分, 西北占12. 41 %, 东北占1. 45 %,可见我国北方水利事业的发展不如南方迅速,相对成果不如南方各省多。伴随着我国水利工程建设的迅速发展,各种材料、形式的大坝在北方各地区均有应用,其中碾压混凝土坝是近年来主要采用的形式。据不完全统计,我国截至2004 年,已建和在建的30 m 以上的碾压混凝土坝大约72座,建在北方各省的碾压混凝土坝共15 座。
相继竣工的碾压混凝土坝在设计理论、施工方法、运行管理等方面填补了碾压混凝土筑坝技术在北方筑坝史上的空白,推动了我国乃至世界筑坝技术的发展,使该技术成为未来最具潜力和竞争力的工艺[9 - 10] 。同时,国内外各大研究机构、高等院校的科研工作者也在研究该技术领域中的复杂问题,针对北方的独特气候和地质问题提出相应的解决方案,不断地完善和发展此项技术。
3 影响北方碾压混凝土坝的主要因素
3. 1 碾压混凝土坝设计
3. 1. 1 筑坝原材料的选择。考虑北方地区干燥、多风、日较差大、蒸发量大的气候特点,筑坝材料的砂、石、粉煤灰等应选用优质材料[11] ,确定配合比时应采用高掺粉煤灰以降低水化热,可采用双掺外加剂提高混凝土抗冻、抗渗性,采用大沙率及较小大石比例以提高混凝土抗分离性、可碾性及层间结合性[12 - 13] 。
3. 1. 2 上游面防渗结构的设计。早期的碾压混凝土坝防渗结构有以下几种:采用2～4 m 厚的常态混凝土作为防渗体(俗称“金包银”) ;采用0. 6 m厚的沥青砂浆防渗层;采用0. 25～0. 6 m厚的补偿收缩混凝土薄面板,采用预制混凝土块深勾缝等。试验证明,碾压混凝土坝防渗性能较好[14 - 15] ,渗透系数为10 - 6～10 - 10m/ s。为充分利用这一特点和简化碾压混凝土坝的施工程序,近10 年来建设的碾压混凝土坝,多采用三级级配碾压混凝土坝体,上游加二级级配富胶凝材料碾压混凝土作为防渗体,简化了防渗结构和施工干扰。
3. 1. 3 坝体的分块和防裂。碾压混凝土坝一般不设纵缝。横缝的设置及分法与工程地区及施工条件有关,横缝间距一般为20～40 m,横缝的结构有正规的切缝和诱导缝。切缝一般是每层碾压完成后由切缝机切割形成;诱导缝则通过打邮票孔或者分缝处放置规则的铁板、木板或塑料布,均应设置止水措施,随着坝内应力的变化导致混凝土伸缩变形而形成[16] 。
3. 1. 4 层面结合。为防止碾压混凝土浇筑层面有冷缝发生,要求每层铺筑必须在混凝土初凝前完成。如出现冷缝现象,需在层面上铺一层1～3 cm厚水泥砂浆,以增强层面之间的胶结强度。
3. 1. 5 温度控制。在高温地区或高温季节施工碾压混凝土,在满足混凝土强度及其他性能的前提下,尽可能减少水泥用量,高掺粉煤灰,以降低混凝土水化热及绝热升温。同时,采用冷却水或加冰拌合、预冷骨料,以及在坝面喷雾形成小环境达到降低混凝土入仓温度的目的。碾压完成后,加强混凝土的表面养护,防止外温倒灌。另外,也可在坝内埋设冷却水管来降低坝内温度。在寒冷地区或寒冷季节施工碾压混凝土,除在混凝土中掺入一定量的抗冻剂外,可在坝面搭帐篷形成小环境,防止混凝土表面温度骤降,并在已铺筑完成的混凝土面上盖保温物品[17] 。
3. 1. 6 下游坡处理与溢流坝面。我国的碾压混凝土重力坝下游坡大多数是用混凝土预制块形成阶梯状,而碾压混凝土拱坝多是单一坡度的光滑坡面;溢流坝采用阶梯消能是国外常用的方式,消能效果较好。
3. 2 碾压混凝土坝施工 我国碾压混凝土坝的施工工艺参照美国和日本等的有关经验,形成了有自己特色的碾压混凝土筑坝新工艺[17] 。
3. 2. 1 夏季高温施工。北方地区夏季温度高达33～35 ℃,在高温季节施工,碾压混凝土温度控制受混凝土出机口温度、预冷混凝土生产强度、层间间歇时间、混凝土浇筑温度和通水冷却等综合措施的制约,各个环节分别控制,才能保证坝体内部温度受控,进而保证碾压密实度和良好的层间结合性。试验和实践表明,掺用高效缓凝剂能有效地增大混凝土拌合物的流动性,减少水分散失,是一种高温季节施工的有效措施[18 - 19] 。
3. 2. 2 冬季低温施工。在北方低温或严寒季节施工,浇筑的碾压混凝土强度增长缓慢,层间强度低于其他部位的强度,这是越冬面水平施工风开裂的原因之一。因此在严寒地区修建碾压混凝土坝,开盘不宜太早,入冬前收工不宜超过10 月底,越冬保温极为重要。同时,应建立小环境,加强保温措施;当气温低于- 10 ℃时,应停止施工。
3. 2. 3 筑层面施工。为提高碾压混凝土层面胶结强度,有的工程采用了斜层铺筑新工艺,取得了较好的效果。大量研究和实践结果进一步加深了对混凝土中掺用石粉的认识,优质的石粉可大大改善混凝土的稠度和可碾性,增强混凝土层面的胶结性能,提高混凝土的密实性和抗渗性[17 ,20 - 21] 。
3. 2. 4 局部施工。常规混凝土与碾压混凝土的结合处,一般先振捣常规混凝土,再碾压碾压混凝土;在迎水面二级配和三级配碾压混凝土施工时,一般先碾压三级配,再碾压二级配。在坝肩、廊道、模板等结合部位的施工工艺是用小型振动碾碾压,近10 年来则采用加水泥浆进行振捣形成“变态混凝土”,不但可提高混凝土的密实度,胶结好、表面光滑,而且提高了施工速度。
4 北方碾压混凝土筑坝技术研究
4. 1 冻融循环破坏 水结冰后体积增加9 %,在混凝土内部孔隙中形成水压力。当其超过混凝土的抗拉强度时,混凝土发生破坏;混凝土中孔隙水中的物质如石灰、盐等对水的冰点有影响,由于这些物质不会进入冰中,结冰处附近的物质浓度随着冰的形成逐渐升高,在渗透作用下,其他孔隙的水会往结冰处流动,从而降低物质浓度,使得结冰持续进行。
尚未结冰的孔隙水受到挤压,形成了水压力,即渗透作用。混凝土的冰冻作用取决于多种因素,包括:混凝土的饱和度、孔隙结构、孔隙水的化学成分、负温作用(冰冻速率、冰冻周期长度) 等。混凝土的反复冰冻作用是一种渐进破坏过程,即冻融破坏。宋玉普等对普通混凝土进行了多次冻融循环后的物理参数的试验研究,发现双轴压荷载作用下的强度和弹性模量随着冻融循环次数的增加而降低,应变随着冻融循环次数的增加而增大;强度、应变和弹性模量随着主应力比的不同而变化,其破坏形态均与常态混凝土基本相同[22] ;刘数华等的研究表明,坝体碾压混凝土的实际弹性模量低于常态混凝土的弹性模量,这一结果对防止碾压混凝土坝的裂缝是有利的。
从结构变形的角度看,混凝土结构在冰冻作用下,冰冻范围自外往里逐渐扩展过程中除温降作用下的收缩外还会产生一定的膨胀,冰冻范围自外往里逐渐消退过程中除温升作用下的膨胀外还会产生一定的收缩。此外,在反复冰冻作用下,混凝土结构还会产生残余的膨胀变形[23] 。上述研究取得了阶段性的成果,但相关的力学计算及工程设计方法还未完善,有待于进一步研究和实践。
4. 2 低温引起的应力特征 目前研究表明,碾压混凝土坝温度应力是导致坝体裂缝的主要原因,其他荷载作用所引起的引力与温度应力相比较小,温度应力起控制作用[24] 。由于严寒地区年平均气温较低,大坝稳定温度也相对较低,较大的基础温差易引起基础贯穿性裂缝。较大的气温年变幅及昼夜温差和频繁的寒潮作用,极易引起混凝土表面裂缝。
4. 3 碾压混凝土坝裂缝研究 据统计,水工碾压混凝土建筑物裂缝按其发展的变化趋势一般分为3 类:一是稳定性裂缝,特点是宽度、长度、深度一次成型,不再发展;二是伸缩性裂缝,特点是随着气温的变化和外力作用等因素的改变会有一定规律的变化;三是发育性裂缝,其特点是随着时间的推移,会持续不断地向纵深一直发展,危害性较大,诱发这种裂缝的原因很多,研究也应有针对性。吕琦等研究了寒潮对碾压混凝土坝的影响,阐述了寒潮对引起和加深坝面裂缝的机理及计算方法[25] 。相关研究表明,碾压混凝土的抗压强度随着水灰比和粉煤灰掺量的增加而减小,低温与低水位是影响建筑物裂缝的主要原因。
5 展望
随着我国各项科研工作的深入、设计理论的完善、施工方法的改进,碾压混凝土筑坝技术取得了飞快的发展。就当前国内已建和在建工程而言,结合我国北方气候特征及当前研究成果,仍有一些问题需要深入研究探索,部分工程技术问题需要解决。①碾压混凝土裂缝是一个普遍性问题。在北方确定气温、大气相对湿度、风速及太阳辐射等条件下,研究裂缝开展机理、发展规律及相应的解决方法将是未来的研究内容;此外由于碾压混凝土坝的独特施工方法,层间接触面是坝体的薄弱环节,层间裂缝及渗水是关键问题,应从材料研究入手,解决新型材料、新老材料层面的粘结性、防渗性问题。②针对严寒干旱地区的气候条件及寒冷干旱地区碾压混凝土坝特殊的施工方法,研究其温度场及温度应力的时空分布变化规律,就干旱条件下水分散失理论进行深入研究,以确定现场碾压混凝土的各项指标(VC 值、水胶比及单位用浆量等) 满足实验室的设计要求。③目前对碾压混凝土坝施工期及运行期的温度、徐变应力仿真计算研究的框架己基本建立,但仿真计算参数的选取存在不稳定性,尚待深入研究。解决上述问题能为我国已建、在建碾压混凝土工程提供可靠的理论支持和技术保障,是推动碾压混凝土筑坝技术发展的重要内容。
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