高緯度寒冷地區混凝土重力壩施工技術探討

尹 高 云

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 工程概述

1.1 工程簡介

內蒙古DTZ水庫壩型為瀝青混凝土心墻堆石壩與混凝土重力壩混合壩型，大壩總長1 505.6 m，其中瀝青混凝土心墻堆石壩壩長1 415 m，布置于左岸及河床段；混凝土壩段總長90.6 m，布置在河床右岸及岸坡巖體內。

混凝土壩壩頂高程為678.53 m。擋水壩段壩頂寬為9.5 m，最大壩高37.53 m，上游面直立，下游面坡度為1∶0.75，折坡點高程為671.44 m，壩頂上、下游各設一1.0 m寬懸臂；底孔及溢流表孔壩段最大壩高為45.03 m，在每個壩段底部布置一個泄洪排沙底孔，底孔底高程為637.0 m，孔口尺寸為4.0 m×6.0 m(寬×高)，孔口前端設置一道檢修平板閘門，后端設置一道弧形工作閘門，底孔出口接457.2 m長泄槽，泄槽中部設轉流導向沖擊墩和挑流鼻坎消能；底孔及溢流表孔壩段中溢流表孔堰頂高程為665.4 m，采用WES實用堰，溢流凈寬為9.0 m，采用弧門擋水，擋水高度為8.35 m，溢流堰兩側閘墩厚度為3.0 m，溢流堰下游與底孔共用一個泄槽；引水壩段最大壩高為45.03 m，在高程643.70 m和652.50 m分別布置兩層進水口。

1.2 主要工程量

本工程混凝土工程總量約為13.25萬m3，其中擋水壩段混凝土約12 825 m3；底孔及溢流表孔壩段混凝土32 834 m3；引水壩段混凝土19 007 m3；混凝土連接段21 979 m3；泄水工程混凝土10 599 m3；電站工程混凝土6 933 m3；魚道工程混凝土7 542 m3；碼頭工程混凝土3 713 m3；清水混凝土防浪墻4 303 m3；供水管線混凝土3 600 m3；堆石壩混凝土9 191 m3。

2 總體施工方案

2.1 入倉方案

根據總進度計劃和施工強度，本工程混凝土主要采用自卸汽車、混凝土罐車水平運輸，塔機垂直入倉方式，在底孔及溢流表孔壩段下游右側EL643.0平臺布置1臺固定式塔機(K80)入倉兼顧材料垂直運輸；在電站廠房安裝場下游EL636平臺布置1臺固定式TC6024塔機；K80塔機覆蓋范圍外的連接壩段采用QUY100液壓履帶吊入倉。為滿足施工，回填混凝土和溢流表孔、壓力鋼管以下可采用BLJ600-40型履帶式布料機。

2.2 能力分析

2.2.1 最大倉面分析

1)大壩大體積混凝土。大壩回填混凝土中，最大倉號為引水壩段基礎混凝土，即高程EL641 m～EL643 m澆筑倉號。該倉號層厚2.0 m，最大面積747.0 m2，混凝土允許澆筑間歇時間按4 h考慮，澆筑坯層厚度50 cm時，采用平鋪法澆筑時，要求入倉強度為93.4 m3/h；采用臺階法澆筑時，澆筑坯層厚度50 cm，臺階寬度2 m，混凝土澆筑沿上下游方向推進，分3個臺階，由此要求的混凝土入倉強度為13.5 m3/h；最大倉面宜采用臺階法澆筑，其余倉面根據倉面大小和入倉能力分別采用臺階法和平鋪法澆筑。

每臺BLJ600-40型布料機的最大入倉強度120 m3/h，因此1臺BLJ600-40型布料機滿足施工要求。

2)電站廠房回填混凝土。回填混凝土最大倉面面積369 m2，混凝土允許澆筑間歇時間按4 h考慮，澆筑坯層厚度50 cm，采用平鋪法澆筑，層澆筑量184.5 m3，根據以上參數可以計算出混凝土的入倉強度為46.1 m3/h，每臺BLJ600-40型布料機的最大入倉強度120 m3/h，因此1臺BLJ600-40型布料機滿足施工要求。

2.2.2 整體強度分析

本工程混凝土總量約為13.25萬m3，根據施工階段計劃和施工順序的安排，整體混凝土入倉設備采用1臺K80塔機、1臺TC6024塔機、1臺BLJ600-40布料機、1臺QUY100液壓履帶吊和1臺HBT60混凝土輸送泵。1臺K80塔機和1臺TC6024塔機月入倉能力可達到1.8萬m3/月，1臺BLJ600-40布料機月入倉能力可達到4.0萬m3/月，QUY100液壓履帶吊月入倉能力可達0.9萬m3/月。基礎回填總入倉能力在4.0萬m3/月以上，結構混凝土總入倉能力在2.7萬m3/月以上；設備完全可以滿足高峰期混凝土入倉強度的要求。

2.3 運輸方式

大壩混凝土、電站廠房基礎回填和溢流面、壓力管道以下采用1臺BLJ600-40型布料機入倉設備；大壩、電站廠房底板以上結構采用1臺K80塔機和1臺TC6024塔機作為垂直運輸設備；連接壩段塔機覆蓋范圍外采用QUY100液壓履帶吊入倉。

廠房主機間二期混凝土澆筑，主要采用HBT60型混凝土輸送泵泵送混凝土澆筑；蝸殼二期回填采用泵送自密實混凝土；進水、尾水門槽二期混凝土采用溜槽或掛溜筒入倉。

塔機覆蓋范圍以外的魚道采用混凝土輸送泵泵送入倉。

進水渠、泄槽、碼頭混凝土等部位采用自卸汽車、混凝土罐車直接入倉或CAT320長臂挖掘機輔助入倉。

3 混凝土施工方法

3.1 擋水壩段施工

3個壩段均按3 m一層進行施工，魚道穿過部位，根據施工圖紙和實際情況進行分層澆筑。

模板采用多卡模板和翻升模板，使用K80塔機+3 m3吊罐入倉進行混凝土澆筑。

3.2 底孔及溢流表孔壩段施工

大壩大體積外表面采用多卡模板，下游斜坡面采用翻升模板；底孔進口圓弧段采用定型排架+異型模板，底孔進口直線段采用滿堂腳手架+組合鋼模。

表孔溢流面模板根據澆筑層高和溢流面的設計曲線在斜段采用定制弧度翻升鋼模板，內撐外拉法加固；溢流面堰頂采用焊接龍骨，竹膠板和人工收面結合。

尾墩墻采用定型鋼模板+竹膠板。

牛腿部位采用預埋型鋼柱或鋼筋三角柱斜拉定型排架+組合鋼模板。

所使用的模板支立采用8 t平板車運輸到現場，K80塔機和倉面12 t汽車吊安裝；自卸汽車直接運輸混凝土到澆筑地點，利用在下游的K80塔機+3 m3～4.5 m3吊罐入倉為主；混凝土人工振搗。

3.3 引水壩段施工

引水壩段大體積外表面采用多卡模板，下游斜坡面采用翻升模板。

底孔進口圓弧段采用定型排架+異型模板，壓力鋼管預留鋼襯部位，待管道安裝完成后再進行澆筑。K80塔機和倉面12 t汽車吊安裝模板，K80塔機+3 m3～4.5 m3吊罐入倉為主；混凝土人工振搗。

3.4 連接壩段施工

連接壩段主要采用翻升模板，K80塔機覆蓋范圍外采用QUY100液壓履帶吊+3 m3～4.5 m3吊罐入倉，混凝土人工振搗。

3.5 電站廠房施工

1)回填混凝土。回填混凝土采用普通組合鋼模板,混凝土采用10 t自卸汽車運輸，布料機輔助入倉。

2)電站廠房基礎施工。混凝土每3 m分層分倉澆筑。排架、梁、柱混凝土采用翻升鋼模板，滿堂腳手架支撐，混凝土采用10 t自卸汽車或混凝土罐車運輸, 塔機吊1 m3罐入倉。

3)框架施工。本工程框架結構混凝土施工主要包括啟閉機房、主副廠房安裝高程以上、升壓站等建筑工程梁板柱混凝土施工。

鋼筋主要在加工廠進行加工，模板采用定制鋼模板，腳手架作支撐。由8 t平板車運至現場進行綁扎施工。框架施工采用人工或塔吊來實現材料的運輸。

混凝土由拌和站集中拌合，水平運輸采用6 m3～8 m3混凝土攪拌車。采用布置的塔機配1 m3吊罐來完成。

3.6 泄水工程施工

進水渠底板混凝土和泄槽的尾墩墻、導流墩墻、襯砌等混凝土主要采用組合鋼模板，混凝土采用10 t自卸汽車運輸直接入倉，局部輔以混凝土泵送入倉。

3.7 魚道工程施工

魚道進口設在電站尾水渠右下側，魚道出口設在進水渠右岸開挖邊坡馬道上游位置；

魚道主要包括進口、休息池、池室、隔板、支撐桿、出口等，按每隔15 m～20 m分段澆筑。

混凝土采用普通組合鋼模板或木模板，混凝土采用10 t自卸汽車和攪拌車運輸入倉。泄槽左側魚道混凝土主要采用12 t汽車吊入倉和自卸汽車+溜槽輔助入倉，右側岸坡馬道上的魚道混凝土主要采用HBT60混凝土輸送泵泵送入倉。

4 混凝土控制措施

4.1 混凝土施工工藝措施

1)內拉螺桿固定模板時，內拉螺桿縱橫方向間距、孔眼大小按規劃要求一致，拉桿孔眼采用統一梯形橡膠扣環套在拉桿上，扣在模板內面封堵拉桿眼或采用可拆卸螺錐。拆模后采用的環氧砂漿和普通預縮砂漿進行填塞。

2)閘墩、胸墻、導墻等結構的平面，采用面板厚度不小于5 mm的翻升鋼模板，模板內面涂刷模板漆。

3)板、梁、柱及牛腿部位異型結構的施工時，采用統一的定型鋼模板，按圖拼裝板，板內面涂刷模板漆。

4)混凝土運輸主要以自卸汽車運輸為主，運輸設備采用保溫材料覆蓋，確保混凝土的入倉溫度控制在設計允許范圍以內。

5)嚴格實施混凝土檢驗制度，對每車混凝土進行坍落度取樣檢測，如遇坍落度超出允許范圍，禁止使用。

6)提前計劃，并制定合理的澆筑方案，確保混凝土供應連續、均勻、充足。嚴禁出現混凝土供應不均勻或突然中斷。

7)混凝土振搗均勻，嚴禁漏振、過振和欠振。采用二次振搗法，減少表面氣泡，即第一次在混凝土澆筑時振搗，第二次待混凝土靜置20 min～30 min時再振搗。

8)在雨天澆筑混凝土時，須采取必要的防雨措施，防止混凝土泌水或有色差。

4.2 混凝土溫度控制措施

4.2.1 優化配合比

1)選擇堿含量較低的水泥、粉煤灰和外加劑，減少混凝土中總堿含量，抑制骨料堿活性反應。

2)優化混凝土配合比，選用水化熱較低、質量穩定的水泥，在確保混凝土性能條件下，盡量減少水泥用量，以降低混凝土水化熱溫升。

4.2.2 出機口溫度控制

1)骨料溫度控制。成品砂石骨料堆高不小于6 m，料堆搭設防曬棚，對大、中石骨料采取噴淋降溫措施。骨料須從地弄或設置有遮陽棚的皮帶上拌和站。

2)膠凝材料溫度控制。盡量減少水泥用量，多摻粉煤灰，以減少混凝土水化熱溫升。在每個水泥和粉煤灰儲罐外表面搭設了遮陽棚，防止陽光直射罐體，以達到降溫的目的。

3)高溫時段，根據需要可以在拌和站骨料倉上采用附壁式冷風機對骨料進行5 ℃冷風連續冷卻，使骨料冷卻到15 ℃左右。

4.3 施工過程溫度控制

4.3.1 降低混凝土澆筑溫度

1)壩體混凝土澆筑溫度。采取骨料堆高6 m以上、地壟取料、料堆搭遮陽篷、風冷粗骨料等措施降低混凝土澆筑溫度。

2)上下層溫差。a.高溫季節對自卸汽車和混凝土攪拌車等采取有效的隔熱保溫措施。b.快速入倉、平倉和振搗，減少混凝土澆筑過程中的溫度回升，減少上坯層混凝土的覆蓋時間。c.根據相關規范，結合本工程的實際情況，確定上下層溫差不得大于17 ℃。

3)澆筑層厚及層間間歇。根據相關規范，施工過程中各壩塊應盡量均勻上升，相鄰壩塊的高差不宜超過10 m，相鄰壩塊澆筑時間的間隔宜小于30 d。

4)具體的溫度控制及防裂措施。為防止混凝土產生裂縫，必須從原材料選擇、施工過程、保溫降溫及結構型式等方面采取綜合的混凝土溫度控制措施。a.對大體積混凝土選用水化熱較低的水泥，同時，適當比例外摻粉煤灰，盡量降低混凝土的水化熱溫升。b.為降低水化熱溫升，采用壩內埋設塑料冷卻水管通水降溫措施，冷卻水管的布置為1.5 m×1.5 m，冷卻水管材質為φ32 mm HDPE管。c.在混凝土配合比設計中，按壩體分區要求，對大體積混凝土采用三、四級配，最大骨料粒徑為120 mm。d.盡量采用薄層、短間歇的澆筑方法。e.根據實際條件控制澆筑層厚。對于大壩溢流面以下、廠房蝸殼層及其下部大體積混凝土，基礎強約束區澆筑層厚不大于1.0 m，層間間歇控制在7 d以上；基礎弱約束區及上部混凝土澆筑層厚可采用1.5 m～3.0 m。f.盡量避開高溫時段澆筑混凝土，充分利用低溫季節和早晚及夜間氣溫低的時段澆筑混凝土。

4.3.2 降低混凝土水化熱溫升

盡量優化混凝土配合比，采取綜合措施，減少混凝土單位水泥用量。

4.3.3 降低壩體內外溫差

在低溫季節前，采取通水冷卻、表面保溫等措施將壩體溫度降至設計要求的溫度，以降低壩體內外溫差，防止或減少表面裂縫。

4.4 大體積混凝土溫度控制

當澆筑大倉面混凝土時，在澆筑前適當布置冷卻水管，層面暴露時間長時，為減少層面的熱量倒灌，在平倉、振搗后，立即蓋上保溫被，等覆蓋新的混凝土之前才揭去。

4.5 混凝土通水冷卻

1)HDPE塑料管。規格為：內徑28 mm，壁厚2.0 mm，外徑32.0 mm。HDPE塑料冷卻水管為專用管材，除滿足給水用高密度聚乙烯管材相關國家標準要求外，還要具有較高的導熱性能，其導熱系數不小于1.66 kJ/(m·h·℃)。

2)水管布置。a.結合本工程實際，5月份～9月份澆筑的混凝土需布置冷卻水管，其他時段不布置冷卻水管，廠房不布置冷卻水管。b.大壩混凝土分層厚度不大于2 m時，水管水平間距按1.5 m，布置一層；當2 m<層厚≤3 m時，水管水平間距按1.5 m，布置2層。c.大壩基礎約束區水管布置為1.5 m×1.5 m(水平間距×垂直間距)方式，自由區水管布置為1.5 m×3.0 m(水平間距×垂直間距)方式。d.冷卻水管距上下游面的距離要求為0.8 m～1.5 m，局部不小于0.5 m～1.0 m；冷卻水管距橫縫面的距離要求為0.8 m～1.0 m，距孔口、預留槽等內壁面的距離不小于0.5 m。e.單根管的長度不大于250 m，若同一倉面需要布置蛇形支管時，各蛇形支管長度要基本相當。

3)通水冷卻。本工程6月份～8月份澆筑的混凝土通6 ℃～10 ℃制冷水，其他時段均通河水，根據混凝土進度安排，冷卻通制冷水時段月最大強度約1.6萬m3。根據冷卻水管埋設情況及通水要求，冷卻最大制冷水流量約26 m3/h，擬配備1臺BZ-140A(50 HP)循環水制冷機，名義工況下制冷容量為12萬kcal，相應制冷水能力為30 m3/h，滿足本工程混凝土冷卻制冷水需求。a.混凝土下料澆筑即開始通水冷卻。混凝土齡期前10 d參考通水流量1.2 m3/h～1.8 m3/h，10 d后參考通水流量0.6 m3/h～1.2 m3/h，每24 h改變一次通水方向。b.動態控制通水冷卻。當混凝土內部溫度在上升階段時，采取降低通水水溫或加大通水流量，以加快削峰力度。當降溫速率過大時，采取減小通水流量或提高通水水溫，確保混凝土內部溫度控制在設計容許范圍內。c.峰值溫度過后最大日降溫速率不大于0.5 ℃/d，通水溫度與混凝土溫度相差不大于20 ℃。d.冷卻水管封堵回填。冷卻水管封堵采用與周邊混凝土強度等級相同的水泥漿進行封堵，再切除外露部分。

4.6 越冬面混凝土保溫措施

為確保大壩的越冬安全，按照招標文件及設計要求，結合工程實際情況，特采取以下保溫措施：

1)大壩壩體上游面均采用100 mm厚的GRC復合擠塑板保溫，置于模板內側，與混凝土同時施工，擠塑板表面噴涂5 mm厚的水泥砂漿保護，擠塑板燃燒性能應達到B2級。2)大壩下游裸露壩面，采用100 mm厚擠塑板保溫，至竣工后拆除。3)溢流堰面、閘墩部位采用100 mm厚防水巖棉被保溫，保溫材料至竣工后拆除。

5 結語

本工程混凝土重力壩施工技術，分別采取了優化混凝土配合比、料堆設置遮陽棚、風冷粗骨料、鋪設冷卻水管等一系列溫控措施，有效解決了混凝土溫度裂縫問題，達到了混凝土重力壩快速施工的目的，可為高緯度寒冷地區大壩混凝土施工提供借鑒經驗。