外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術及其應用

李承木,李萬軍

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院科研所,四川 成都 610072;2.四川省水利水電勘測設計研究院,四川 成都 610072)

經過30多年的基礎理論研究和工程應用,我國壩工界已總結出一套較為完整的外摻MgO混凝土筑拱壩技術體系,并全面掌握了MgO混凝土的物理力學性能及長期膨脹變形規律[1-2]。在膨脹機理、變形性能、應力應變補償理論、施工措施、均勻性控制與檢測、安定性試驗方法、仿真分析程序研制等方面已形成了一套完整的筑壩理論體系[3-4],并在我國四川、貴州、廣東等10多個省近50座大中型水利水電工程不同部位應用[5],獲得了成功。其中,長沙拱壩、三江拱壩、落腳河拱壩等13個拱壩工程采用了全壩外摻MgO混凝土不分橫縫或設少量誘導縫快速筑拱壩新技術,目前均已成功建成[6],均取得顯著的技術經濟效益和社會效益。在國家“十五”計劃期間,為了將MgO技術用于高拱壩,國家電力公司主持對“高拱壩MgO混凝土筑壩的關鍵技術研究及推廣應用”課題的研究,該課題依托小灣高拱壩(壩高292m)和龍灘碾壓混凝土重力壩(壩高216.5m),在高壩設計計算方法,應力應變補償,仿真程序研制,施工組織設計,溫度對全級配混凝土性能的影響,外摻粉煤灰混凝土自生體積變形的提高,MgO材料的膨脹性能及外摻工藝自動化等方面進行系統研究。該科研成果為推動這項筑壩新技術的發展及將其推廣應用于100m級以上高壩創造了條件。長期理論研究[3-4,6]和工程應用實踐表明,MgO筑壩新技術安全可靠,目前已積累了大量的經驗。為了進一步推廣MgO筑壩新技術,制定了2個部頒標準[7-8]和2個地方標準[9-10],這4個行業標準作為技術保障,為全面推廣應用該項新技術創造了條件。筆者歸納總結了采用全壩外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術建成的混凝土拱壩工程,介紹了各拱壩的工程特征、施工情況、MgO摻量、長期觀測的混凝土自生體積變形、應用新技術后的經濟效益等基本情況,以期為類似工程提供參考。

1 外摻MgO混凝土快速筑拱壩工程

1.1 外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩工程

外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術首先應用于廣東省陽春市長沙拱壩工程中。大壩為雙曲薄拱壩,壩高55.5m,混凝土總量為3.1萬m3。該工程在拌和機口外摻MgO,根據溫控設計和仿真計算要求,按上、中、下3部分外摻MgO,MgO摻量分別為4.5%,4.2%,3.5%。全壩不分橫縫,實行通倉連續快速澆筑,大壩澆筑約每4d上升2.5m。長沙拱壩于1999年1月6日開始澆筑,4月5日澆至壩頂,施工期僅為 90 d。原體觀測結果表明,大壩自生體積膨脹變形多數超過160×10-6,基本滿足設計要求。工程正常運行至今已超過12a,摻4.5%MgO混凝土的自生體積膨脹變形的平均值長期穩定在160×10-6～180×10-6之間。

長沙拱壩采用外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術,是溫控設計和簡化溫控措施的重大突破。利用混凝土自身膨脹變形補償混凝土溫降收縮,對簡化溫控措施、加快施工進度、保證工程質量、提高經濟效益均十分有效。該技術的突出特點是:不分橫縫,分層通倉澆筑,水平整體上升,以坯層臺階式連續滾動推進,連續快速全天候澆混凝土(夏季也是一個很好的施工季節),不埋冷卻水管,不需封拱灌漿。該技術徹底摒棄了傳統修建混凝土拱壩需分橫縫,柱狀、跳塊、薄層澆筑,需封拱灌漿等諸多制約筑壩速度的施工工序,極大地加快了施工速度。大壩澆筑多采用垂直與水平運輸兩者合二為一的施工方案。其后采用同樣技術施工的壩美拱壩和沙老河拱壩的基本情況見表1和表2。

需要指出的是:沙老河拱壩澆筑后不到1個月,因突受寒潮襲擊而形成過大的溫度梯度,混凝土的坍落度又太小,影響了施工質量,使壩體產生了5條貫穿性裂縫(左壩肩2條,右壩肩3條,最大縫寬7～8mm)。灌漿處理后,大壩已安全正常運行至今。

1.2 外摻MgO混凝土設誘導縫通倉快速筑拱壩工程

三江拱壩工程位于貴州省貴陽市北郊,大壩為單心圓薄拱壩,壩高 71.5 m,混凝土總量為3.8萬m3。全壩采用在拌和機口外摻MgO混凝土施工,根據溫控設計要求和壓蒸試驗結果,MgO摻量為4.5%,全壩實行通倉連續快速澆筑,每個澆筑層高2.5m,采用水平整體上升,并以臺階方式連續滾動推進澆筑大壩混凝土。通過仿真分析發現,在澆筑大壩上部時氣溫高,溫降收縮大,導致兩岸坡的約束大(拉應力超過3MPa),需要應變量達200×10-6方可完全補償混凝土溫降收縮,而僅憑MgO混凝土的自生體積膨脹不能完全補償溫降收縮。由此提出有針對性地設置誘導縫,以達到釋放超標拉應力的目的。經計算,需在0.7H(H為壩高)以上位置設置2條誘導縫。施工時在兩壩肩各設置了1條誘導縫。誘導縫采用混凝土預制板成縫技術,確保混凝土的快速施工,縫內埋設重復灌漿管以便蓄水前灌漿。大壩于2002年12月13日開始澆筑至2003年6月17日結束,歷時186d。施工中,冬季上游基坑自然進水,除下游堆渣對壩體下部壩面進行保護外,中上部壩面未采取任何保溫措施。

表1 各類拱壩工程混凝土的原材料及施工配合比

表2 全壩外摻MgO混凝土通倉連續澆筑拱壩工程基本情況

原體觀測結果表明,大壩自生體積膨脹變形量長期穩定在130×10-6～160×10-6之間;2條誘導縫被拉開,最大縫寬4～5mm,壩體其他部位均未發現裂縫;拱座測縫計反映混凝土與巖石之間的裂縫多數為受壓縫,少數為張開縫,其縫寬多在 0.1mm內,不再隨時間變化。灌漿處理后大壩已安全正常運行至今。實踐證明,除MgO的補償作用外,設置誘導縫釋放拉應力的作用十分明顯,達到了設計預期目標,保證了工程質量。

誘導縫的設計主要考慮混凝土的膨脹量,而混凝土的膨脹量是溫度和齡期的函數,溫度越高,膨脹量越大。考慮溫度對自生體積膨脹變形的影響,當仿真計算膨脹量可能無法滿足設計要求時,為了釋放壩體內過大的超標拉應力,有必要在兩壩肩各設置1～2條誘導縫。這是對外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術的創新,也是設計理念的深化和完善。三江拱壩設誘導縫是經過精準仿真計算后的成功典型實例,其設計方法合理,符合工程實際,值得推廣應用。貴州省內的幾座外摻MgO混凝土拱壩誘導縫的縫距在河床部位較大,一般都在100m左右;而兩岸坡壩段的縫距較小,一般為15～20m。其后采用同樣技術在廣東省修建了長潭拱壩(該壩體混凝土在溫度高達 52.7℃時照常施工),在貴州省又成功修建了落腳河、馬槽河、老江底等3座混凝土拱壩,各工程的基本情況見表1、表2。

1.3 外摻MgO碾壓混凝土拱壩工程

貴州省息烽縣境內的魚簡河水利樞紐工程,其大壩為碾壓混凝土雙曲薄拱壩,壩高81m。根據溫控設計要求,除采用內含高鎂膨脹水泥外,在大壩拱端還分了2條橫縫、2條誘導縫。實踐證明,合理分縫顯著減小了超標拉應力。該大壩澆筑層高2m,每層間隔時間為5～6d,連續水平整體上升,碾壓混凝土的Vc值控制在4～8s,用機械平倉鋪料,按碾壓程序進行碾壓,其防滲體為2級配變態混凝土,該大壩實際筑壩時間約為1a,共澆碾壓混凝土11萬m3。監測結果表明:相對密度的平均值達 98.7%～99.7%,抗壓強度平均值超標達31%～45%,碾壓混凝土的自生體積膨脹變形量達 40×10-6以上。工程完工后,除 1條誘導縫有微小的張開度外,其余3條均呈閉合狀態,因此尚未進行灌漿處理,大壩蓄水已安全正常運行至今。其后采用同樣的外摻MgO技術在貴州省又修建了黃花寨碾壓混凝土拱壩,在甘肅省和新疆維吾爾自治區成功建成了龍首[11]和石門子[12]2座碾壓混凝土拱壩。此外,為了解決夏季施工問題,在廣西壯族自治區那坡縣成功修建了那恩碾壓混凝土拱壩(壩高26m以上外摻MgO),各工程的基本情況見表1、表2。

朱伯芳[13]指出:為了避免目前碾壓混凝土施工在夏季多停工的現象,最好的辦法就是壩體采用外摻MgO混凝土施工,并建議設法提高MgO摻量。潘家錚曾指出:現在夏季變成很好的澆筑季節,溫度應力可以補償,MgO混凝土筑壩是革命性的措施,將MgO混凝土和碾壓混凝土二者結合起來,則“革命”較徹底。普定碾壓混凝土重力拱壩最好采用MgO微膨脹混凝土施工。實踐證明這些技術觀點都是正確的。在碾壓混凝土中外摻MgO能實現夏季繼續施工的目的,可加快施工速度,放寬澆筑溫度;以誘導縫替代橫縫,可改善混凝土質量,提高壩體抗滲能力,增強壩體耐久性能。因此可以認為外摻MgO混凝土筑拱壩技術是有效的施工技術措施,所起的綜合效應對工程有利,值得推廣應用。

2 長期觀測的拱壩混凝土自生體積變形

貴州省內的沙老河拱壩、三江拱壩及廣東省的長沙拱壩長期觀測的大壩混凝土自生體積膨脹變形量列于表3中。從表3可以看出:①外摻MgO混凝土自生體積變形均隨MgO摻量的增加和觀測齡期的延長而增大,并隨著溫度的增高而增大。②外摻MgO混凝土自生體積變形主要發生在最高溫升之后、有顯著的降溫之前,具有延遲微膨脹特性。大量研究結果表明,約70%的膨脹量是在7d齡期之后發生。③MgO混凝土自生體積膨脹變形是長期穩定不可逆的,其膨脹變形量是永久性的,且室內外變形規律一致[1]。

由文獻[6]可知,沙老河和三江拱壩壩體混凝土早期溫度高,膨脹增量大,1a后的溫度已接近穩定溫度場,其膨脹發展逐年變小,到第6年和第4年分別還有2×10-6～7×10-6和5×10-6～8×10-6的膨脹增量,這對穩定補償應力極為有利。一般齡期1a以后的膨脹增量可占總膨脹量的10%左右。另外,廣東地區壩體起始溫度較高,其膨脹變形的穩定時間相對較早,通常在齡期1a后基本趨于穩定。據文獻[13]計算,只要常態混凝土有100×10-6的自生體積膨脹變形,在華南地區可省去預冷骨料和冷卻水管工序而進行通倉澆筑;在其他地區,只有當混凝土自生體積膨脹變形量達150×10-6～200×10-6時方可省去預冷骨料和冷卻水管工序執行通倉澆筑,這是推廣的基本條件。

文獻[6]指出,全壩外摻6%的MgO的馬槽河拱壩混凝土自生體積膨脹變形量較大,1a齡期的膨脹量達120×10-6～165×10-6,其膨脹變形過程和規律也較好。因為工程所用水泥的質量較好且不收縮,單方膠材用量和MgO摻量都較高,這些因素有利于提高預期膨脹量。大量試驗研究表明,膨脹量大小與水泥的質量組成及性質、MgO質量及摻量、混合材料種類及摻量、環境溫度、外加劑品種、單位膠材用量、級配材料組成、施工質量、外摻均勻性等諸多因素密切相關。

3 工程經濟效益分析

壩高50～70m的混凝土拱壩常規施工期為2～3a,應用新技術后的施工期僅為4～7個月;壩高100m級的混凝土拱壩常規施工期為3～4a,應用新技術后的施工期約為1a[4]。與傳統筑壩技術相比,應用新技術后壩高50～100m級的水電工程可提前1a多發揮效益。新技術的綜合經濟效益相當于建壩投資的45%以上(視工程規模和裝機容量大小而定)。經濟效益主要體現在省去溫控措施(據統計,溫控費用占工程投資的4%～6%)、縮短工期、節省工程投資和提前發電等方面。長沙拱壩、壩美拱壩、長潭拱壩采用新技術后分別提前投產14個月、12個月、14個月,所取得的經濟效益見表4。

采用MgO混凝土并適當進行表面保溫和養護,有利于解決混凝土壩的開裂問題,可全部或部分取代傳統的溫控措施,實現長塊、厚層、通倉連續澆筑,可以全天候施工,夏季也是一個很好的施工季節,從而大幅度降低工程造價,簡化施工工藝,縮短工期,具有良好的技術經濟優勢和應用前景。據統計,小型水電站工程提早發揮的效益相當于壩體投資的30%以上。發電站裝機容量越大,其經濟效益越顯著。貴州落腳河水電站由于澆筑拱壩時采用了新技術,縮短了1a工期,獲得提前發電等各項直接經濟效益達1365萬元。貴州東風電站高拱壩基礎回填處理工程采用外摻MgO混凝土施工,減少了分縫分塊,不僅在一個汛期提前完成了混凝土澆筑任務,而且為工程節約了1a施工期,為國家避免了2.04億元的電能損失,其間接經濟效益則更為顯著。某高拱壩壩高 292 m,底寬 73m,電站裝機容量為420萬kW,年發電量為 188.9億kW·h。若在壩基36m強約束區采用MgO混凝土快速施工,至少可提前1a發電,可產生 66億元的電價收益,簡化(或取消)溫控措施可節約工程費約20億元,再加上縮短施工工期所節省的開支、減少的貸款利息等,預計可獲得經濟效益近100億元。

表3 大壩混凝土的自生體積膨脹變形量

表4 外摻MgO混凝土工程效益

4 結 論

a.采用外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術施工,具有不分橫縫或設少量誘導縫,分層通倉澆筑,水平整體上升,連續快速全天候澆混凝土,不埋冷卻水管,不需封拱灌漿等優點。該施工技術已被實踐證明是成功的,并能獲得較好的綜合經濟效益,值得推廣應用。

b.該項新技術涉及混凝土材料試驗、設計、施工、原體監測等多方面,尤其要重視材料試驗,它為設計、施工、仿真分析提供基本資料,因此十分重要,應提前開展材料試驗工作。

c.將該項新技術用于高壩理論上是成熟的,關鍵是要把好施工技術關,精心施工,并提高MgO材料的質量及膨脹性能,使混凝土自生體積膨脹量達到150×10-6～200×10-6,便可在各類混凝土壩中全面推廣應用。

:

[1]李承木.MgO混凝土自生體積變形的長期研究成果[J].水力發電,1998(6):53-57.

[2]李承木.外摻MgO混凝土的基本力學與長期耐久性能[J].水利水電科技進展,2000,20(5):30-35.

[3]陳其武,李曉新.氧化鎂混凝土筑壩技術文集[C].北京:電力工業部,水利部,水利水電規劃設計總院,1994.

[4]劉振威.外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩新技術應用研究成果總報告[R].廣州:廣東省水利廳,2005.

[5]李承木,袁明道.外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術應用綜述[J].水利水電科技進展,2003,23(6):57-63.

[6]貴州省水電設計院,貴州省水利廳,貴州中水建設項目管理公司,等.全壩外摻MgO微膨脹混凝土快速建拱壩技術應用研究成果匯編[R].貴陽:貴州省水電設計院,2008.

[7]WJM0035—1994 水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質技術要求[S].

[8]WJM 0023—1995 氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術暫行規定[S].

[9]DB44/T 703—2010 外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術導則[S].

[10]DB52/T 720—2010 全壩外摻MgO混凝土拱壩技術規范[S].

[11]楊家修,崔進,張世杰.龍首水電站碾壓混凝土拱壩結構設計[J].水力發電,2001(10):15-17,41.

[12]劉光廷,李鵬輝,胡昱,等.塔西河碾壓混凝土拱壩結構及施工期蓄水措施[C]//碾壓混凝土筑壩技術國際會議論文集.成都:中國水力發電工程學會,1999.

[13]朱伯芳.論微膨脹混凝土筑壩技術[J].水力發電學報,2000(3):1-13.