RCC在圍堰中的應用

［美國］K.D.漢森 等

承包商通常根據(jù)設計工程師及業(yè)主的要求負責圍堰設計。但就全球水電工程的主壩而言，其圍堰設計都由設計工程師承擔較大的責任。這是因為延誤工程進度會減少電站收入。圍堰潰決對項目成本及工程進度的不利影響明顯要比漫頂大得多。歷史上，大多數(shù)圍堰屬于土石結(jié)構(gòu)。

很明顯，圍堰在不潰壩的前提下應當設計成過水圍堰。RCC 開始受到設計人員的青睞緣于其抗侵蝕能力強。修建圍堰最好選擇在枯水期盡快完成，且應滿足防滲要求。圍堰設計還應當設法權(quán)衡成本與風險。無論是采取部分斷面還是全斷面RCC 圍堰，設計團隊都應努力降低風險或成本，或二者均兼顧。

1 RCC 在土石圍堰中的早期應用

自從大壩工程師在土石圍堰中采用RCC 以來，圍堰漫頂與潰決的后果得以減輕。但50 多年前RCC 就在圍堰中得到首次運用卻是鮮為人知。RCC在圍堰中的某些早期應用比20 世紀80 年代初期開始發(fā)展的RCC 重力壩還要早。

1.1 土石圍堰RCC 心墻

1960 年臺灣在石門湖水利樞紐工程圍堰中首先應用后來被稱作RCC 的材料。該水利樞紐土壩施工圍堰高64 m，原設計要求圍堰施工采用風化砂巖作為心墻防滲體，以便為主土壩的施工創(chuàng)造條件。結(jié)果因原定心墻材料太濕不適合鋪筑，決定改為澆筑總量為38 000 m3的RCC(見圖1)。粒徑為0.36 mm的材料在最佳含水量條件下碾壓而成的試件28 d 的抗壓強度為13.8 MPa。

圖1 臺灣石門圍堰截面

石門圍堰采用RCC 作為防滲墻材料取得了積極成果。在此鼓勵下，法國一家顧問公司在兩座混凝土壩施工中也采用了這種材料作圍堰的心墻，第1 座是1970 年為伊朗卡魯恩(Karun)混凝土拱壩的施工作準備的堆石圍堰(高50 m)。由于施工現(xiàn)場及附近缺少黏土，故用RCC 取代黏土作為防滲心墻材料。第2 座為1975 年摩洛哥阿爾馬希拉(Al Massira)混凝土支墩壩下游堆石圍堰，最大高度20 m，由于沒有足夠的空間可以建造黏土心墻堆石圍堰，因而該顧問公司對圍堰防滲心墻采用了具有堆石堰肩的RCC。

1.2 堆石圍堰RCC 堰頂

1979 年，位于加拿大不列顛哥倫比亞(BC)省哥倫比亞河上的雷維爾斯托克(Revelstoke)大壩，采用堆石圍堰進行施工，圍堰最大高度46 m，為盡量減少因可能的圍堰漫頂造成的損失，BC 水電公司圍堰設計有兩大特點:①圍堰采用RCC 堰頂;②在圍堰下游壩坡布置鋼絲網(wǎng)，垂直高差每隔1.2 m用錨筋錨固到堆石體中。抗沖堰頂RCC 澆筑厚度為2.1～3.1 m。圖2 為圍堰一段截面。

圖2 加拿大BC 省雷維爾斯托克大壩圍堰截面

1.3 土石/RCC 混合圍堰

RCC 圍堰經(jīng)廣泛應用，逐步發(fā)展為土石/RCC混合結(jié)構(gòu)。該種圍堰主斷面為土石結(jié)構(gòu)，下游面為RCC 結(jié)構(gòu)。這種混合圍堰理念是由TAMB 公司在巴基斯坦的塔貝拉(Tarbela)壩和Coyne et Bellier 公司在土耳其西爾(Sir)壩建立的。

1974～1984 年間，塔貝拉壩在8 個單獨修復項目中共澆筑RCC 達270 萬m3。其中一個項目是1980 年為修復輔助溢洪道而修建的下游圍堰，以便排干修復區(qū)。該圍堰為澆筑溢洪道下游及消力池兩邊的大體積RCC 丁壩創(chuàng)造了條件。

圍堰的RCC 部分在迎水面方向，受波浪作用及5 號泄洪洞高速回流影響。圍堰另一半朝向溢洪道，堰體為高9 m 的土堤。這部分土堤為圍堰的RCC 部分形成一個垂直面提供了一種造價低廉的方法，圍堰的RCC 部分方量約為3.8萬m3。輔助溢洪道消力池采用RCC 襯砌后，將圍堰左邊拆除，溢洪道恢復運行。圍堰余下的RCC 部分完整保留下來，并經(jīng)受了溢洪道泄流量高達11 320 m3/s 考驗。

1987 年，為土耳其西爾混凝土拱壩的施工建造了更高的堆石/RCC 混合圍堰，圍堰最大高度45 m。承包方提出一項替代方案，在不增加成本的情況下，將圍堰的混凝土拱形結(jié)構(gòu)改為混合型直線結(jié)構(gòu)。項目業(yè)主及設計工程師單位同意了這一方案。

RCC 圍堰包含兩部分，一部分為4 m 寬的富漿RCC 防滲心墻，另一部分為RCC 心墻的下游部分，其下游壩面坡比為1∶1，采用抗侵蝕力強且膠結(jié)材料含量較低的RCC 混合料。下游斷面底層5 m 也采用富漿RCC。堰肩的上游部分采用堆石體，下游部分為RCC(見圖3)。

圖3 土耳其西爾壩圍堰截面

RCC 為圍堰防滲及汛期堰頂安全過水提供了保證，據(jù)報道，RCC 圍堰使西爾壩工期縮短了3～4 個月，幫助承包商彌補了因巖石開挖難而延誤的工期。

1.4 施工期堆石壩保護

在雷維爾斯托克大壩堆石圍堰中，BC 水電公司采用鋼筋網(wǎng)格，以保護該圍堰免受洪水漫頂?shù)钠茐摹Ｈ欢?992 年，在巴西146 m 高的辛戈(Xingo)堆石壩施工中，一工程顧問認為采用鋼筋網(wǎng)這種方法保護施工中的壩體免遭漫頂破壞的造價昂貴且工程進度緩慢。因此，堆石壩下游面底部50 m 采用RCC 作為漫頂保護。經(jīng)計算表明，若沒有RCC 保護，即使配4 個直徑為16 m 的導流洞，堆石壩修建到50 m 高僅能抵擋30 a 一遇的洪水。采用RCC 保護后，設計人員確信50 m 高的壩體在第1 個汛期可以抵擋200 a 一遇的洪水。該保護方案雖未得到檢驗，但已經(jīng)很接近了。有次洪水來襲時，僅在上游面鋪設砂袋即防止了尚處于施工期的壩體免遭洪水漫頂。

盡管辛戈壩的RCC 應用并非針對圍堰，但它為保護施工期堆石壩免受洪水漫頂破壞提供了解決方案。土石圍堰下游面采用RCC 覆蓋可以很容易地防止洪水漫頂引起的潰堰事故。

2 土石壩全RCC 圍堰

盡管1976 年日本在大川(Ohkawa)壩圍堰施工期間對他們所稱的RCD 作了全比尺試驗，但RCC早期應用于整個圍堰有最多文獻記載的實例是1989 年巴西的塞拉梅薩(Serra de Mesa)土壩。該壩上游圍堰高22 m，RCC 澆筑量達17 300 m3，下游圍堰高13 m，澆筑量為11 300 m3。兩圍堰施工共耗時72 d。這項RCC 工程是由巴西一家國有電力公司完成的。

RCC 含磨細的高爐礦渣水泥。RCC 圍堰建成450 d 芯樣顯示其抗壓強度為22.6 MPa，6 a 后另一組芯樣平均抗壓強度約為25.5 MPa。

上游圍堰投入使用5 a 中每年都安全過水。RCC圍堰最大過堰流量達6 671 m3/s，最大過堰水流高度為12 m。未見其受損報道。假定水流通過施工現(xiàn)場時有保護措施，則不會對土壩施工產(chǎn)生危害。

3 RCC 在常態(tài)混凝土壩導流工程中的應用

本節(jié)描述的RCC 應用包括:委內(nèi)瑞拉某工程下游尾水渠圍堰，中國及萊索托混凝土拱壩施工圍堰，中國兩個大型水利樞紐施工橫、縱向大體積RCC 圍堰。

3.1 下游尾水渠RCC 圍堰

哈扎工程公司需要修建一座防水圍堰將1 號尾水渠與2 號尾水渠分隔，以便能完成委內(nèi)瑞拉古里(Guri)水利樞紐2 號尾水渠的關(guān)鍵開挖工作，RCC因其施工速度快，節(jié)省材料、模板和勞力而成為首選。

圍堰高7 m，堰頂寬5 m，澆筑RCC 達15 600 m3。兩側(cè)邊坡比均為1∶1。工程在短短2 個月內(nèi)順利完工(1980～1981 年枯水期)。

3.2 用作混凝土高拱壩施工的RCC 圍堰

對1988 年中國修建的隔河巖壩(最大壩高155 m)及1995 年萊索托修建的卡齊(Katse，最大壩高185 m)壩而言，在其上游設置RCC 圍堰有利于這兩座高拱壩施工順利進行。混凝土高拱壩常建于狹窄河谷，施工現(xiàn)場缺少土，尤其是黏土，而這些材料正是土壩或土圍堰所需求的。RCC 料可采用與主壩類似的骨料。

隔河巖RCC 圍堰高40 m，呈曲線型式布置，卡齊壩圍堰高35 m，為直線重力結(jié)構(gòu)。隔河巖圍堰RCC澆筑量達13.6萬m3，卡齊圍堰澆筑量為9 萬m3。

隔河巖圍堰18 次安全過水，未發(fā)生嚴重破壞事件。最大過堰流量10 600 m3/s，計算得出的過堰水流最大高度約為5.8 m。

3.3 混凝土重力壩RCC 圍堰

對于大江大河，中國采用RCC 圍堰作為三期導流方案的一部分，其應用相當成熟。這些早期的RCC 圍堰與修建常規(guī)混凝土重力壩結(jié)合使用。

3.3.1 水口壩

該例討論福建省閩江水口大壩施工縱向圍堰(順河道水流方向)。該圍堰主要用于將大壩及發(fā)電廠房施工區(qū)與開挖的導流明渠分隔開來。該導流明渠渠道底寬75 m，設計過流能力為閩江的全部洪水流量。施工圍堰為RCC 圍堰，總長度647 m，RCC 澆筑量為29.8萬m3。

RCC 圍堰為重力式壩型，兩側(cè)擋水用厚50 cm的常規(guī)混凝土護面。采用RCC 圍堰是因為堰墻施工空間有限，而且河水流速過快(達15 m/s)。由于最大堰高要求的相應底部寬度不適合于可用的空間，故排除土石圍堰方案。同樣，由于地基條件不允許，也未采用格形空腹鋼板樁圍堰。水口電站圍堰RCC 澆筑速度很快，月澆筑量達37 500 m3，日澆筑量為2 423 m3。

3.3.2 三峽大壩

雖然水口電站縱向圍堰本身就是一座相當大的壩，其澆筑速度也相當高，但與長江三峽工程相比，其規(guī)模和澆筑速率還是略遜一籌。

三峽工程修建了兩座RCC 圍堰。一期縱向圍堰長1 163 m，澆筑RCC 達131 萬m3。基本導流方案與水口電站相似。三峽工程攔河主壩為混凝土重力壩，在河水能夠經(jīng)主壩中的導流底孔下泄以后，采用橫向圍堰完成明渠截流，以便能對大壩右岸余下工程進行施工。

該橫向RCC 圍堰最大高度107 m，澆筑RCC 達110 萬m3，兩圍堰均采用常規(guī)混凝土護面。橫向圍堰RCC 澆筑速度創(chuàng)下新的世界紀錄。2006 年三峽工程RCC 最大月、日、小時澆筑量分別達476 000 m3、21 060 m3及1 365 m3。

3.4 RCC 重力壩RCC 圍堰

一直以來，中國流行的導流方案不僅僅是在下游采用RCC 圍堰，上游圍堰也同樣如此。上游圍堰通常為典型拱形重力結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)能經(jīng)受洪水漫頂而不潰堰。1988 年巖灘壩與1996 年江埡壩的RCC 施工圍堰最具代表性。2003 年伊朗在建造賈赫金(Jahgin)壩以前也修建了一座RCC 圍堰作為全比尺試驗段。

3.4.1 巖灘壩

巖灘RCC 大壩高110 m，施工要求在上、下游均布置圍堰。上游RCC 拱圍堰高52.2 m，RCC 澆筑量為16.5 萬m3。下游圍堰規(guī)模略小，最大高度39.2 m，RCC 澆筑量為11 萬m3。

1990 年8 月29 日，一場特大洪水襲擊上游圍堰，洪水流量達1.9萬m3/s，過堰水流高度超過3 m。這次洪水漫頂雖然超出設計標準，但圍堰安然無恙。盡管如此，由于漫頂及隨后氣候轉(zhuǎn)冷造成圍堰表面溫度驟降，堰體還是出現(xiàn)一些裂縫。

3.4.2 江埡水壩

江埡RCC 壩，最大壩高131 m，施工圍堰最大高度36 m，設計洪水小于1 a 一遇洪水。這是因為圍堰被設計成在夏季3～4 個月汛期可以讓洪水漫頂，如同整個大壩部分完工。在這段時間內(nèi)，停止大壩施工。江埡拱圍堰顯得頗為獨特，因為它只有底層20 m 為RCC 填筑。由于堰頂寬度較窄，不適合RCC 機械施工，因此堰體頂層16 m 采用省料的常規(guī)混凝土建造，從而使堰體底部寬度變得狹窄。在1 a 一次洪水漫頂中，堰體和大壩均未遭受損壞，最大過水流量達4 000 m3。

3.4.3 賈赫金(Jahgin)壩

賈赫金壩位于伊朗東南部，其施工圍堰最大高度為30 m，與江埡水電站的圍堰類似，采用常規(guī)混凝土與RCC 混合結(jié)構(gòu)。但其施工順序與江埡圍堰相反，底層11 m 采用常規(guī)混凝土填筑，而頂層19 m采用RCC 結(jié)構(gòu)。此外，圍堰不僅利于攔河筑壩，而且為RCC 主壩(高78 m)施工提供了一個全比尺的RCC 澆筑試驗段。圍堰混凝土總澆筑量為3.2 萬m3，其中RCC 澆筑量達2.1萬m3。

導流系統(tǒng)還包括一條直徑6 m 的混凝土襯砌導流隧洞及最大高度為5 m 的下游圍堰。整個導流方案設計洪水標準為3 a 一遇。

4 整合的RCC 圍堰

RCC 壩施工導流最新解決方案之一是使圍堰成為最終重力壩的一部分。盡管整合圍堰概念一直用于土石壩，但對混凝土壩來說這是一次新的應用。該理念是在壩踵處將大壩的一部分截面快速修建到所需要的高度，這一部分截面實際上是更高的最終主壩中的一座小RCC 重力壩。因此施工質(zhì)量須與主壩一致。

1999 年阿爾及利亞貝尼哈龍(Beni Haroun)壩率先采用該設計理念，其次是2006 年緬甸的耶瓦(Yeywa)壩。

4.1 貝尼哈龍壩

如圖4 所示，貝尼哈龍整合圍堰(高35 m)的上下游壩坡度與RCC 主壩(高118 m)的上下游壩面坡度相同。

圖4 阿爾及利亞貝尼哈龍壩圍堰壩截面

整合圍堰不僅節(jié)省了與修建一座上游圍堰有關(guān)的工程開挖、基礎準備及基坑排水費用，還減少了RCC 方量。若設置上游圍堰，最終還需要被拆除。

4.2 耶瓦壩

耶瓦碾壓混凝大壩高134 m，其施工導流方案大致分為左右兩部分，左岸為廠房，溢流壩及擋水壩段在右岸。計劃在豐水期修建河道左岸廠房，枯水期進行河道壩段及右岸施工。左右兩部分均采用RCC 整合圍堰方案，其中右側(cè)整合圍堰高度超過72 m(可能最大洪水PMF)。

5 RCC 修復潰堰

采用RCC 修復圍堰唯一已知案例是智利南部的拉爾科(Ralco)RCC 壩施工圍堰。該圍堰高50 m，由于地處南半球，5～10 月為冬季，圍堰的設計表明它可能會被冬季1 a 一遇洪水漫頂，而在5 月前的枯水期該圍堰能擋15 a 一遇洪水。

在圍堰施工比計劃遲后一個月的情況下，2001年5 月26 日和27 日，接近完工的圍堰遭到一場20 a 一遇的洪水襲擊。當時，大部分堰頂施工已修建到堰頂高程，僅留下緊鄰左壩肩一小段尚未完工。另外，堰頂下方6～8 m 水平帶區(qū)的堆石體鋼絲網(wǎng)加固工作尚未完成。

緊鄰左壩肩1/3 的圍堰最頂層35 m 被洪水沖走。盡管事故發(fā)生后加快了施工進度，但該圍堰的一部分潰決仍使主壩施工延誤了4 個月。

圍堰水毀區(qū)修復方案采取先澆筑細石混凝土找平，后澆筑RCC，RCC 澆筑量達5 萬m3。這次修復工程特意將RCC 部位的堰頂高程降低了15 m 以便讓以后的洪水通過。圍堰修復工程還包括兩道高5 m 的混凝土導墻，以保護圍堰其余填筑體免遭該圍堰上的RCC 溢流通道過流沖刷。圍堰RCC 修復區(qū)隨后3 次過水均完好無損。

6 結(jié) 語

本文回顧了RCC 在圍堰工程中的各種應用情況。RCC 最早用于圍堰可以追溯到半個世紀前，比開始修建RCC 重力壩還要早20 多年。

RCC 材料早期主要用于土石圍堰的防滲心墻。隨后用于土石圍堰堰頂及下游斜坡部分的堰體斷面，以防止圍堰因溢流而潰決。RCC 在圍堰工程中的這些早期應用得益于一批巖土工程師的技術(shù)創(chuàng)新，正是他們，才使得RCC 成為解決大壩工程問題的有用工具。

到了20 世紀80 和90 年代，隨著RCC 技術(shù)逐漸開始盛行，工程師們發(fā)現(xiàn)圍堰是測試(全比尺現(xiàn)場試驗)這種新的施工方法的絕佳場所。用這種材料和方法建成的建筑物具有抗侵蝕性強、防滲效果好、施工速度快的優(yōu)點。由于圍堰是臨時建筑物，與重力壩相比，其設計要求相對寬松，允許混凝土有較低的水泥含量，可采用天然級配骨料。

很快，所有壩型的導流工程均廣泛采用RCC 圍堰(跨河直線堰及拱圍堰)。其中許多圍堰被有意地讓洪水漫過或被不常見的洪水漫過。記錄在案的漫頂水流深度達12 m，RCC 無實質(zhì)性損毀。

導流工程最新進展是采用RCC 整合圍堰。該理念是乘枯水期時在主壩上游快速修建一小斷面堰堤，圍堰與主壩的上、下游壩面坡度相同。這種施工方法對于新修的大型RCC 壩來說似乎可以大幅降低成本及風險。

考慮到土石圍堰漫頂甚至潰堰會給建設成本及施工進度造成嚴重后果，因而RCC 在圍堰工程中的應用為設計工程師及承包商提供了一種具有吸引力的替代辦法。工程師、業(yè)主及承包商應根據(jù)每個工程不同情況對施工導流進行專門的評估。