東北寒冷地區采用碾壓混凝土筑壩的實踐

李寶石

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000)

東北寒冷地區采用碾壓混凝土筑壩的實踐

李寶石

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000)

白石水庫混凝土大壩位于東北寒冷地區，由于氣候的特殊性，在施工過程中采用碾壓混凝土筑壩技術，將RCD技術和RCC工法配比結合，進一步發展了RCD技術，增加采用碾壓混凝土筑壩的經驗。該文主要闡述了在不利氣候條件和施工條件下，為確保工程質量，從越冬面混凝土層間強度、溫度控制、防裂措施、吸取其它水庫經驗教訓等環節對工程質量進行控制。

筑壩特點;筑壩經驗;溫度控制;防裂措施;白石水庫

0 引言

攔河筑壩擋水已有近5000年的歷史。然而，19世紀以前修建的壩，基本屬土石壩范疇的漿砌毛石壩。

19世紀后期，逐漸開始用混凝土筑壩。當時人們認為混凝土的強度不如砌石，因而規定僅在壓應力＜5 kg/cm2的部位才可使用混凝土。19世紀末開始出現塊石混凝土壩，然而混凝土僅被做為填塞料使用。

20世紀初，由于混凝土施工工藝和施工機械的迅速發展，70年代末，中國開始對碾壓混凝土技術進行研究。80年代后進入現代設計與施工的階段。成為當今最具竟爭力的壩型之一。

1 RCD和RCC的特點

碾壓混凝土筑壩和常規混凝土筑壩，其設計原理并無差別，只是其施工方法有所改變。碾壓混凝土筑壩技術，利用自卸汽車運輸拌和的干貧混凝土直接入倉、濕地推土機通倉薄層攤鋪并預壓、振動切縫機切縫、自行式振動碾碾壓而實現壩體混凝土澆筑。

碾壓混凝土筑壩:由于工藝流程規范、施工設備配套，可以實現施工的高度機械化，因而具有快速施工的特點;由于采用干貧混凝土并摻和部分粉煤灰，因而可以減少水泥用量、降低水化熱溫升、簡化溫度控制措施。

然而，作為碾壓混凝土筑壩技術兩大分支的RCD和RCC，又各自具有不同的特點。其中主要的差別在于:

1)RCD采用“金包銀”的斷面型式，即所有外部的基礎墊層、上游防滲層、下游保護層均采用常規混凝土，僅在內部采用RCD碾壓混凝土;而RCC則采用全斷面碾壓型式。

2)RCD碾壓層厚75 cm，分 3層攤鋪(每層27 cm)，1次碾壓。碾壓層間間歇3～5 d。層間處理規定，在每層終凝前要進行刷毛，然后流水養生，并在下一層澆筑前鋪一層1.5 cm厚的水泥砂漿。而RCC的碾壓層厚30 cm，一次攤鋪并碾壓。層間不間歇、不處理，連續升程。

3)RCD混凝土的配合比，采用膠凝材料總量為(C+F)=(120～130)kg/m3，其中粉煤灰摻量F/(C+F)=30%。

RCC一般則采用高膠凝材料總量和高粉煤灰摻量，且變動幅度都比較大;目前F/(C+F)平均在60%左右。

4)RCD和RCC均不在壩體內部設置縱縫。但RCD為避免壩體產生裂縫發生滲漏，同常規混凝土壩一樣，每隔15 m左右設置一道橫縫，并采取常規的止、排水措施。

RCC一般則不設橫縫;若設，間距也很大，有的上百米［1-2］。

2 寒冷地區筑壩技術的選擇

白石水庫位于遼寧西部地區，氣候條件惡劣，極端最高氣溫達42℃，最低氣溫至-37℃。水面蒸發量高達2 000 mm，降水量僅為500 mm，每年的降水多集中于7、8兩月。

風沙大，旱情不斷，再加上冰凍期長達5個月之久，無霜期只有130～180 d。這種氣候條件，對大體積混凝土的施工極為不利。

寒冷地區修建碾壓混凝土壩對筑壩技術的選擇，除了要考慮穩定、強度的要求外，還應該考慮防滲、抗凍和耐久性的要求，尤其要對防裂措施給予足夠的重視［3］。

上述碾壓混凝土筑壩技術特點表明，RCD采用“金包銀”的斷面，外部防滲層、保護層全部為常規混凝土，碾壓層間處理要求嚴格，層間結合良好，完全可以滿足常規混凝土壩安全可靠、特別是防滲、抗凍和耐久性的要求。

但是，RCD筑壩技術的施工速度不如RCC快，同時也不具備RCC高摻粉煤灰的優點［4］。

因此，在寒冷地區修建碾壓混凝土壩，以選擇RCD筑壩技術為宜，同時應適當吸取RCC筑壩技術的優點。

3 已成工程的經驗教訓

觀音閣壩是我國首次引進日本RCD筑壩技術、在嚴寒地區修建的碾壓混凝土重力壩。

觀音閣壩于1990年開工，1995年建成。該壩前期準備工作充分，設計研究嚴謹，建設管理嚴格，施工質量優良。采用RCD筑壩技術是成功的。

在大壩建成的當年，經受了1995年渾河、太子河大水的考驗。庫水位猛漲至正常高水位以上，變形觀測正常，全壩基最大滲流量僅為99.7 L/min。水庫發揮了巨大的防洪作用和供水、發電效益。

然而，觀音閣地處北方嚴寒地區，其氣候條件遠比日本海洋性氣候和我國南方暖濕氣候惡劣得多。主要是冬季停工期長達5個月之久，春季干旱多風，夏季炎熱多雨，秋季晝夜溫差大。

因此，在觀音閣大壩建設期間，曾產生了一些程度不同的裂縫。這些裂縫大體可以劃分為4類:

1)基礎墊層混凝土裂縫。

2)溢流壩反弧段上游側裂縫。

3)泄水底孔環形縫。

4)越冬面水平施工逢的開裂。

其中尤以越冬面水平施工縫的開裂最為嚴重。

可以看出，導致越冬面水平施工縫的開裂的原因:

1)混凝土上下層溫差與內表溫差產生的溫度應力大大超過混凝土的抗裂強度。

2)層間、特別是越冬面層間的抗拉強度明顯低于本體抗拉強度。所產生的溫度應力，上游面是由上下層溫差起控制作用，下游面則系內表溫差占主導地位。

這說明，在嚴寒地區修建碾壓混凝土重力壩，仍然是一個值得重視研究的課題。

觀音閣碾壓混凝土采用了日本標準的RCD配合比(膠凝材料總量130 kg/m3，粉煤灰摻量F/(C+F)=30%)。日本RCD工法的規定比較嚴格。近年來在配合比方面有所進展，但粉煤灰摻量最高僅為40%。

在總結觀音閣經驗教訓基礎上進行的白石壩的設計和施工中，企圖吸取RCC配合比的優點，進一步減少水泥用量，提高粉煤灰摻量，以降水泥的水化熱溫升。

通過室內試驗和現場碾壓試驗，白石碾壓混凝土采用了C=72 kg/m3、F/(C+F)=59%、砂率s/a=34%的配合比，并通過摻入混凝土保塑劑，節約水泥，提高塑化性能，使其振動壓實指標VC值隨時間的變化來滿足RCD施工的要求。

白石碾壓混凝土摻入粉煤灰的數量達到了國內RCC平均水平，有利于施工的和易性，同時也有利于溫度控制。

白石的混凝土碾壓技術將RCD與RCC完美結合，從而發展了RCD筑壩技術。

4 越冬面混凝土層間強度

越冬面附近的混凝土均是在上一年的10月份停止澆筑的，在下一年的4月份恢復澆筑的層面，此時上下層面的溫差較大。在這段時期內澆筑的混凝土由于強度增長緩慢，養生條件差，其強度要低于正常氣溫澆筑混凝土的強度［5］。

根據觀音閣水庫對澆筑混凝土強度試驗資料的數據分析，澆筑的混凝土強度為平均強度的85%～87%。

由于碾壓技術使混凝土上下層面產生微小裂隙，導致上層混凝土的強度要低于下層的混凝土強度。根據鉆芯樣本統計結果，其強度比值為0.92。

這兩種原因使混凝土強度降低，盡管層間結合面鋪設水泥砂漿，但其強度仍然偏低，約為本體混凝土強度的75%。

白石壩體不同部位混凝土容許拉應力值［σ］見表1。

表1表明:要提高混凝土強度，停工不能太晚，開工不能太早，必須做好保溫工作。

5 溫度控制

碾壓混凝土筑壩，由于采用干貧配合比的混凝土，因而可以簡化溫控措施，從以往的施工經驗與教訓再結合白石的具體條件，確定并執行，強約束區內混凝土允許澆筑溫度15℃，其余18℃。強約束區的壩體高度分別為:擋水壩段8 m，溢流壩段12 m，底孔壩段20 m。

根據混凝土表面溫度應力不大于混凝土允許拉應力的原則，從而確定了壩體保溫的防護標準與保溫層的厚度［6］。

為了達到混凝土的溫度控制標準，技術方面采取倉面噴霧及涼棚、表面流水養護生、夏季實行夜間澆筑、注意保溫防護等措施外，還設置了裝機容量360萬kJ/h的制冷廠，用以風冷骨料和冷水拌和混凝土。越冬保溫，嚴格按標準執行。

6 防裂措施

在嚴寒地區采用RCC、RCD筑壩技術，碾壓混凝土越冬層面的水平施工縫防裂措施是一個全新的課題，更是一個嚴竣的考驗。

通過對白石壩體進行的仿真計算表明，即使對壩體進行嚴格的溫度控制與越冬保溫措施，但是水平施工縫也是難以避免的。

為此，白石壩體在保證壩體穩定的前提下，又分別在擋水壩段越冬層面附近的上、下游部位，預設誘導縫，以期達到應力釋放和重分布、嚴格防止上游面產生水平縫的目的。上游縫寬1 m，設置兩道止水，縫端埋設開口圓管，縫后布設限裂筋。下游縫寬3m，縫端埋設開口圓管，縫面傾向下游，傾角3°同時，在溢流壩反弧段也設置了誘導縫。

仿真計算結果表明，擋水壩段上、下游面最大主拉應力均在允許范圍內，溢流壩反弧段最大主拉應力由原來的6 MPa降至3 MPa。預設誘導縫措施效果明顯。

7 結語

由于嚴寒地區冬季氣候寒冷、年內氣溫變化幅度大;碾壓混凝土壩采取通倉澆筑、不分縱縫以及越冬長間歇式的施工方法，使其具有獨特的溫度應力時空分布規律，更增加了碾壓混凝土壩溫控與防裂難度。使嚴寒地區碾壓混凝土重力壩溫度應力與溫控防裂制成為一個新課題。

碾壓混凝土筑壩方法是一種與以往傳統澆筑施工法不同的方法，它的特點是有效的減少水泥量，增加混凝土后期硬度，澆筑倉面變大，簡化溫控措施，從而加快施工進度。

RCD工法施工工藝簡單，作為新的筑壩方法具有很多的優點和特點，但它在碾壓層面密結性表現并不不理想，存在的不足有待進一步研究、解決。

［1］?鄒廣岐，李貴智，王成山，杜志達.觀音閣水庫混凝土大壩越冬面水平施工縫的開裂原因及處理措施［J］.水利水電技術，1995(08):49-53.

［2］馬傳龍.朝陽水庫大壩混凝土溫度控制措施［J］.東北水利水電，2006(12):20-21.

［3］劉永浩.觀音閣水庫大壩碾壓混凝土配合比設計［J］.水利水電技術，1995(08):29-33.

［4］杜志達，李曉華.RCC與RCD施工對比分析［J］.水利水電技術，1998(02):9-11.

［5］曹剛，高宇，諸葛妃.碾壓混凝土筑壩技術在東北地區的應用與發展［J］.水利建設與管理，2001(S1):59-61.

［6］楊愛費.碾壓混凝土壩綜述［J］.東北水利水電，1987(08):18，44-48.

TV544.921

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1007-7596(2014)05-0163-03

2013-09-11

李寶石(1976-)，男，遼寧開原人，工程師，研究方向為水庫工程建設、管理等。