貴陽院碾壓混凝土拱壩筑壩技術研究與實踐綜述

崔 進，羅洪波，陳毅峰，居 浩

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 況

我國碾壓混凝土筑壩技術從技術引進、消化開始，堅持不斷創新，至今我國已建成碾壓混凝土壩幾百座。中國電建集團貴陽勘測設計研究院(以下簡稱“貴陽院”)承擔設計的普定水電站工程擋水建筑物首次采用碾壓混凝土拱壩，并開展了“八五”國家重點科技攻關項目《碾壓混凝土拱壩筑壩技術研究》課題，于1994年建成了當時世界上最高的碾壓混凝土拱壩(壩高75 m)，開創了我國碾壓混凝土拱壩筑壩技術的先河。“普定碾壓混凝土拱壩設計”于1996年獲“全國第七屆優秀工程設計金獎，“普定碾壓混凝土拱壩筑壩新技術研究”獲得1998年國家科學技術進步一等獎。

通過總結普定碾壓混凝土拱壩的研究和實踐經驗，以及國內各研究單位在國家“九五”期間取得的一系列科研成果，碾壓混凝土拱壩筑壩技術向100 m級、150 m級推進。2001年貴陽院設計建成了壩高80 m的甘肅龍首雙曲薄拱壩，完成了以新疆石門子和甘肅龍首為依托的《高寒地區碾壓混凝土拱壩筑壩技術研究》，填補了我國在高寒、高震地區碾壓混凝土拱壩設計抗凍、抗裂、抗震等關鍵技術空白，解決了冬季低溫施工等施工技術難題。2004年至今設計建成了大花水(壩高134.5 m)、善泥坡(壩高110 m)、立洲(壩高132 m)、象鼻嶺(壩高141.5 m)等碾壓混凝土拱壩，在防滲結構設計、溫度控制技術、層間結合保障技術、峽谷地區高碾壓混凝土拱壩快速施工技術等方面均取得重大突破，工程均運行良好，成為目前世界上100 m、150 m級碾壓混凝土拱壩筑壩技術的標志性工程。貴陽院目前還承擔了正在實施的剛果民主共和國布桑加(壩高141.5 m)和我國的馬嶺(壩高90 m)、河灣(壩高85 m)等碾壓混凝土拱壩的設計工作；先后參與了福建溪柄(壩高63 m)、新疆石門子(壩高109 m)和湖北招徠河(壩高107 m)碾壓混凝土拱壩的監理工作。

表1 貴陽院設計碾壓混凝土拱壩

貴陽院經過20余年10余個工程科技攻關研究與工程實踐，已經形成了一套完整的碾壓混凝土筑壩技術。貴陽院承擔設計的已建、在建碾壓混凝土拱壩見表1。

2 貴陽院碾壓混凝土拱壩筑壩技術研究與實踐

2.1 碾壓混凝土拱壩布置

碾壓混凝土拱壩樞紐工程與常態混凝土拱壩一樣，最理想的壩址地形條件是河谷狹窄、巖石較為完整，地形地質條件基本對稱，且巖層產狀有利于壩肩穩定的河谷。但工程場址往往存在各種各樣缺陷，需要采取合理工程措施滿足安全及功能要求，如拱壩壩址兩岸或一岸的上部由于地形開闊或基巖較差，不宜作為拱壩基礎時，可設置重力墩、推力墩，這在多個工程碾壓混凝土拱壩得到應用，如甘肅龍首、貴州普定及大花水等；局部地質條件較差時可采取墊座擴大基礎等措施，如象鼻嶺拱壩。

碾壓混凝土拱壩樞紐布置還應滿足工程開發任務(如泄洪、發電、排沙等)要求，其中考慮節省工程投資，往往將泄洪建筑物布置于壩身。而在碾壓混凝土拱壩建設早期普遍認為壩身布置會影響碾壓混凝土快速施工和質量控制，經過多個工程精心布置研究與實踐，將壩身泄洪建筑物、壩內廊道等建筑物綜合協調考慮，大大減少對碾壓混凝土拱壩施工的干擾，仍能充分發揮碾壓混凝土上升速度快的特點。壩身泄洪建筑物布置工程實例見表2。

表2 碾壓混凝土拱壩壩身泄洪建筑物布置工程實例

2.2 碾壓混凝土拱壩體形特點

碾壓混凝土拱壩體形設計與常態混凝土拱壩的要求基本相同，但在設計過程中，應考慮碾壓混凝土施工特性的不同，所以在壩體結構尺寸選擇、上下游倒懸度控制等有一定差異。①結構尺寸。碾壓混凝土壩體厚度需滿足碾壓施工要求，上部一般要求厚度在5 m以上。②倒懸度。碾壓混凝土拱壩需考慮施工期自重情況下壩體結構安全和混凝土澆筑過程中人員、設備安全，但考慮碾壓設備自重及振動力影響，碾壓混凝土拱壩需更為嚴格地控制向上游、下游傾斜的倒懸，最大倒懸度一般控制不超過0.25。壩體體形、結構尺寸及倒懸度工程實例見表3。

表3 碾壓混凝土拱壩壩體體形、結構尺寸及倒懸度實例

表4 碾壓混凝土拱壩砂石料及摻合料應用和施工配合比實例

2.3 拱壩碾壓混凝土材料

2.3.1 原材料

碾壓混凝土原材料重點要關注骨料與摻合料。貴陽院設計建成的碾壓混凝土拱壩骨料有爆破開采加工或天然砂卵礫石料，爆破開采母巖主要為灰巖、玄武巖。摻合料全部為粉煤灰。

2.3.2 碾壓混凝土水膠比

(1)水膠比。根據統計表明，國內碾壓混凝土拱壩壩體內部三級配碾壓混凝土水膠比一般在0.47～0.55，二級配防滲區碾壓混凝土一般在0.42～0.50。水膠比與混凝土設計參數(抗壓、抗拉、抗凍、抗滲等)、極限拉伸值和原材料的品質有關，由于拱壩碾壓混凝土有劈拉參數要求，所以水膠比一般比同等級重力壩碾壓混凝土略小。

(2)砂率。砂率大小直接影響碾壓混凝土的施工性能、強度及耐久性，人工骨料三級配碾壓混凝土砂率一般在32%～34%，二級配碾壓混凝土砂率在36%～38%。影響砂率主要因素包括骨料種類與品質，顆粒級配、粒型、石粉含量等。

(3)摻合料。三級配碾壓混凝土摻合料摻量一般在50%～60%，二級配碾壓混凝土一般在50%～55%，粉煤灰摻量主要與粉煤灰品質、碾壓混凝土設計指標有關。

(4)外加劑。外加劑是改善混凝土各項性能最重要的措施之一，一般以萘系高效緩凝減水劑和引氣劑為主。

(5)石粉含量。碾壓混凝土存在一定比例的石粉可明顯改善可碾性和層間結合，能發揮微集料作用充填骨料，通過大量工程試驗表明，石粉含量占砂的17%～22%為最優，特別是0.08 mm以下的微顆粒能夠有效增加活性膠凝材料在混凝土骨料表面的分布，充分發揮活性膠凝材料的膠結作用，使碾壓混凝土碾壓密實泛漿良好，改善混凝土的微觀結構。 砂石料及摻合料應用和施工配合比工程實例見表4。

2.3.3 VC值

VC值的大小對碾壓混凝土可碾性、層間結合性能有顯著的影響，根據工程實踐證明，出機口VC值一般控制在1～5 s，倉面VC值一般控制在3～8 s。

2.4 碾壓混凝土拱壩分縫與溫控防裂

2.4.1 壩體分縫

碾壓混凝土壩一般不設縱縫，視地形地質條件、壩體結構、溫度應力、施工條件等因素設置橫縫或誘導縫。橫縫縫面成型方法一般有：分區澆筑、預埋分縫器，采用哪種方式根據施工布置、澆筑能力等綜合因素確定；誘導縫成型采用預埋分縫器。碾壓混凝土橫縫、誘導縫拱壩分縫間距宜為30～60 m，間距選擇應充分考慮拱壩基礎巖石條件、不均一性、壩基平順性、岸坡陡緩等基礎情況。各碾壓混凝土拱壩分縫特性實例見表5。

表5 碾壓混凝土拱壩分縫特性工程實例

2.4.2 溫度控制

碾壓混凝土拱壩溫度控制應結合材料特性、結構特性、施工特性及氣候特性等綜合分析確定。

(1)材料特性。①碾壓混凝土水泥用量少、粉煤灰摻量高，其絕熱溫升值比常規混凝土小；早期水化熱相對較低，水化熱溫升持續時間長。②碾壓混凝土極限拉伸值90 d齡期一般在(0.65～0.80)×10-4，比常態混凝土略低，混凝土抗拉能力相對偏低。

(2)結構特性。碾壓混凝土拱壩在溫控防裂方面除常規拱壩結構特性外，還有誘導縫屬于“半連續”結構(削弱面積大約占1/3)，需要在溫度應力超過其縫面整體抗裂能力后，誘導逐步開裂。

(3)施工特性。碾壓混凝土拱壩采用全斷面、薄層、連續上升，澆筑過程中散熱條件差。另外，由于采用全斷面整體上升，澆筑溫度往往難以區分基礎約束的強、弱或非約束區，因此需采取與之相適應的溫控標準。

從碾壓混凝土拱壩溫控防裂的材料特性、結構特性與施工特性來看，有一定有利條件，但也有較多不利因素，在確定允許內外溫差、基礎溫差等時一般需要嚴于常態混凝土拱壩。大壩碾壓混凝土施工采取的溫控措施主要有：原材料及配合比優選、降低混凝土出機口溫度、控制混凝土運輸及澆筑過程中的溫度回升、表面養護與保護、通水冷卻等措施。

2.5 碾壓混凝土拱壩壩體材料分區

碾壓混凝土拱壩應根據不同部位及其工作環境分區，一般分為：壩體河床基礎混凝土；上游水位最低水位以下抗滲混凝土，厚度一般為承受水頭的1/15～1/20；上、下游水位變幅區抗凍混凝土；壩體內部混凝土；常態混凝土。碾壓混凝土拱壩上下游面、兩拱端應設置0.5～1.0 m厚變態混凝土。

3 碾壓混凝土筑壩關鍵技術發展展望

碾壓混凝土拱壩筑壩技術發展取得了豐碩的成果，日趨成熟，但隨著應用地域上擴大、壩高增加，仍有較多技術問題需要進一步深入研究、發展與探索。

3.1 碾壓混凝土防滲與層間結合問題

高碾壓混凝土拱壩防滲與層間結合問題，通過國內大量工程試驗、實踐證明，目前建成的200 m級龍灘、光照碾壓混凝土重力壩運行良好，據室內試驗表明碾壓混凝土防滲能力能達到W9～W12。而150 m級以上碾壓混凝土拱壩，以及極高寒極高溫不利于施工質量的地區建設，其防滲能力、層間結合能力是否能滿足要求，還需要廣大工程技術人員進一步試驗、論證、實踐。

3.2 摻合料選擇

目前國內大部分碾壓混凝土拱壩工程摻合料采用粉煤灰，少數重力壩工程采用了磷礦渣、錳鐵礦渣、凝灰巖等摻合料，運行良好。所以對于部分工程與生產粉煤灰廠家距離遠、價格高情況，選擇這些摻合料也是一種較為經濟合理的方法，但需要長期多個工程的試驗論證與研究。

3.3 壩體防滲體系

目前已建成的碾壓混凝土拱壩大量采用二級配作為防滲體，但仍有不足之處，如二級配富膠凝材料碾壓混凝土與下游大體積三級配碾壓混凝土，仍有拌和樓轉換頻繁、施工車輛必須嚴格區分運料、倉面分區控制困難等問題，在洗馬河賽珠水電站(高68 m)首次采用了壩體全斷面采用2.5級配碾壓混凝土防滲取得了良好效果；同時，在索風營、光照、枕頭壩一級、馬馬崖一級等重力壩部分或全部采用了三級配防滲，效果良好，取得了一定試驗數據及經驗。所以在碾壓混凝土拱壩壩采用更高級配的防滲是下一步的研究方向。

3.4 碾壓混凝土快速施工

碾壓混凝土一個重要的優點就是全斷面整體、快速上升，壩體混凝土動輒幾十萬、幾百萬方，工期緊，為了達到碾壓混凝土連續、高強度、快速施工的目的和滿足質量要求，必須從原材料供應、碾壓混凝土生產、運輸、入倉及碾壓工藝等環節作科學統籌安排，針對工程特點采取合理的施工技術。

3.5 碾壓混凝土施工質量控制

大壩碾壓混凝土質量控制主要包括原材料控制、施工過程控制、質量檢查3個方面。碾壓混凝土施工全過程動態質量控制系統是建設發展的必然，對混凝土從原材料、配合比確定、拌和系統、運輸及入倉、碾壓施工、質量檢測等進行全程控制，提供各方面的數據和信息，確保各個環節工序不出現問題，一旦有偏差在下一環節或工序中必須調整糾偏，為達到較為理想的碾壓混凝土施工質量控制提供了科學的決策依據。

4 結 語

(1)碾壓混凝土拱壩經過了30多年的發展，實現了從重力拱壩至薄拱壩，從中壩至高壩，從謹慎布置小流量壩身泄洪建筑物至大泄量布置泄洪建筑物，防滲體系從“金包銀”至二級配防滲體系。碾壓混凝土拱壩筑壩技術已較為成熟，在結構布置、體形設計、材料選擇與特性研究、溫控防裂、快速施工、質量控制等方面均積累了豐富的經驗。

(2)碾壓混凝土拱壩建設在地域方面擴大與更大壩高方面的發展，還需要在碾壓混凝土材料防滲能力、層間結合、摻合料選擇、快速施工、動態質量控制等方面進一步試驗、研究、實踐。

我國碾壓混凝土拱壩筑壩技術的發展方興未艾，正從節省工程投資、加快工程建設、節能環保等方面發揮其卓越作用，廣大工程建設者有必要從理論研究、工程實踐中總結創新，繼續將其發揚光大，為我國水電水利建設乃至國民經濟建設作出更大的貢獻。