堆石混凝土重力壩分縫設計的思考與實踐

何濤洪，張全意，張文勝，曾 旭

(遵義水利水電勘測設計研究院，貴州 遵義 563000)

1 概述

堆石混凝土技術是由清華大學水利水電工程系發明并獲得國家發明專利授權的新型大體積混凝土施工技術。其施工工藝是將粒徑大于300mm的塊石或卵石直接入倉，形成有自然空隙的堆石體，利用無需振搗的高自密實性能混凝土(High Self-Compacting Concrete，簡稱HSCC)，依靠其自重充填堆石體空隙，形成完整、密實的混凝土。具有低碳環保、水化熱低、密實度高、穩定性好、層間抗剪能力強、施工速度快等特點。自2003年發明至今，國內已建成堆石混凝土壩60余座，在建堆石混凝土壩30余座，其中已建的陜西省佰佳水電站堆石混凝土拱壩壩高69m，在建的云南省松林水庫堆石混凝土重力壩壩高達90m。該技術在行業內得到廣泛的關注和認可，正在從國內走向世界，老撾、肯尼亞、埃及、越南等國正在籌備建設堆石混凝土大壩。

目前尚未正式發布堆石混凝土相關的規程規范，其大壩結構分縫設計理念分歧較大。在SL678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》第5.4.2條中闡述“堆石混凝土壩不宜設置縱縫，可根據工程的具體條件和需要設置橫縫，間距宜為20～30m”。受該條款約束，我國已建和在建堆石混凝土重力壩設計中，壩體結構設計分縫未充分考慮堆石混凝土水化熱低的特點，主要參照混凝土壩分縫設計要求，設置較多橫縫，使大壩施工倉面較小，增加堆石入倉難度，施工干擾大，并降低壩體堆石率，影響施工進度和質量，未能充分凸顯堆石混凝土的優勢。

2 堆石混凝土重力壩分縫設計的思考

在遵義市境內建成并蓄水運行正常，且未出現裂縫、滲水等不良現象的不分縱、橫縫全斷面整體上升結構型式的混凝土砌石重力壩見表1。

表1中混凝土砌石重力壩在施工過程中壩體挖坑檢測試驗成果資料表明：每方砌體中混凝土用量55%～60%，其C15混凝土配合比：每方混凝土水泥用量220～260kg(摻有適量粉煤灰)，換算每方砌體中水泥用量121～156kg。根據SL678—2014中每方堆石混凝土堆石率和水泥用量闡述，換算每方C9015堆石混凝土中水泥用量小于80kg。為此，思考堆石混凝土重力壩結構分縫設計借鑒上述工程不分縱、橫縫全斷面整體上升結構型式。

3 堆石混凝土重力壩分縫設計的實踐

貴州省余慶縣打鼓臺水庫工程大壩為C9015堆石混凝土重力壩，壩頂高程799.00m，最大壩高41.0m，壩頂寬度6.0m，壩底最大寬度33.94m，壩頂長198.0m。大壩基礎河床至左岸774.00m、右岸777.00m段為三迭系下統夜郎組玉龍山段中厚層灰巖，岸坡左岸774.00m、右岸777.00m以上段則為薄層泥灰巖與泥頁巖互層、泥頁巖等。工程所在地多年平均氣溫14.9℃，鑒于其氣候條件和大壩體型與上述混凝土砌石重力壩接近，加之其配合比為每方自密實混凝土水泥用量167kg，粉煤灰用量322kg，按每方堆石混凝土中自密實混凝土用量45%，換算每方堆石混凝土中水泥用量75kg，其用量遠低于上述混凝土砌石重力壩。在大壩結構設計時，為減少倉面堆石和澆筑帶來的施工干擾，加快施工進度，采用不分縱、橫縫全斷面整體上升結構型式。由于其大壩基礎巖性不均勻，考慮在大壩基礎巖性變化處(樁號壩0+030.54、壩0+164.54)設置了2條橫縫，最大縫距134.0m。大壩防滲面板分別于樁號壩0+030.54、壩0+058.54、壩0+086.54、壩0+112.54、壩0+138.54、壩0+164.54處設置6條橫縫，最大縫距28.0m。縫內距上游壩面0.2m處設置一道銅片止水，并采用聚乙烯閉孔泡沫板材填縫，如圖1—2所示。

表1 混凝土砌石重力壩統計表

圖1 面板橫縫大樣圖

圖2 壩體橫縫大樣圖

4 壩體堆石混凝土溫升監測

為了解壩體堆石混凝土施工期和運行期的變化情況，在打鼓臺水庫工程大壩最長壩段(長度134.0m)中間剖面(樁號壩0+097.54)769.00m高程布置了溫度計3支(T1、T2、T3)，于2016年10月10日埋設完成，埋設時氣溫23℃；779.00m高程布置溫度計2支(T4、T5)，于2016年11月24日埋設完成，埋設時氣溫12℃；789.00m高程布置溫度計1支(T6)，于2017年3月8日埋設完成，埋設時氣溫11℃。實測壩體堆石混凝土溫度變化過程如圖3—8所示。

圖3 769.00m高程T1溫度變化過程線圖

圖4 769.00m高程T2溫度變化過程線圖

圖5 769.00m高程T3溫度變化過程線圖

圖6 779.00m高程T4溫度變化過程線圖

圖7 779.00m高程T5溫度變化過程線圖

圖8 789.00m高程T6溫度變化過程線圖

壩體堆石混凝土溫度監測監測成果見表2。數據表明：壩體堆石混凝土澆筑兩周之內，因受水化溫升影響，其溫度達到最高，然后開始緩慢下降。769.00m高程溫度計T2實測溫度最高為32.3℃，溫升值7.3℃；779.00m高程溫度計T5實測溫度最高為20.7℃，溫升值9.2℃；789.00m高程溫度計T6實測最高溫度為19.8℃，溫升值8.3℃。

表2 壩體堆石混凝土溫度監測成果表

5 堆石混凝土絕熱溫升計算

根據參考文獻[3]擬合的自密實混凝土絕熱溫升計算公式：

T=34.31×(1-e-0.0339τ)

(1)

式中，T—溫度值，℃；τ—齡期，h。

堆石混凝土絕熱溫升計算公式：

(2)

式中，V—材料的體積百分比；ρ—材料的密度；c—材料的比熱，SCC和rock—自密實混凝土和堆石；θSCC—自密實混凝土的絕熱溫升。

打鼓臺水庫工程自密實混凝土和堆石相關參數詳見表3。

表3 自密實混凝土和堆石參數表

綜上所述，打鼓臺水庫堆石混凝土絕熱溫升計算公式如下：

(3)

根據參考文獻[3]擬合公式計算的打鼓臺水庫堆石混凝土絕熱溫升變化規律與儀器實測情況基本吻合，如圖9所示。但是，理論計算最大溫升值16.35℃和儀器實測最大溫升值9.2℃尚存在一定差異，導致差異的因素可能有：①工程所在地氣溫相對較低，為堆石混凝土澆筑過程中向外界散熱提供了有利條件；②堆石和自密實混凝土之間存在溫差，堆石吸熱；③儀器監測點堆石和自密實混凝土體積比與整個壩體的堆石和自密實混凝土體積比存在差異；④材料比熱采用室內試驗值，施工現場材料情況可能和室內試驗值存在差異。

圖9 堆石混凝土絕熱溫升曲線圖

6 結論

通過介紹打鼓臺水庫堆石混凝土重力壩分縫設計，借鑒已成混凝土砌石重力壩不分縱、橫縫全斷面整體上升結構型式成功經驗，突破現行設計導則對堆石混凝土重力壩分縫要求，通過埋設儀器監測壩體堆石混凝土溫升情況，成果表明，壩體堆石混凝土澆筑兩周之內，因受水化溫升影響，其溫度達到最高，然后開始緩慢下降，最大溫升值9.2℃，工程建成后全面檢查未發現裂縫等異常情況，結構安全，水庫已下閘蓄水，運行正常，可供同類工程參考。