北方碾壓混凝土壩研究與發(fā)展

摘要　經(jīng)過20 多年的發(fā)展,我國碾壓混凝土筑壩技術(shù)已處于世界先進水平。結(jié)合我國水利工程建設(shè)現(xiàn)狀和相關(guān)研究成果,總結(jié)了北方碾壓混凝土壩設(shè)計、施工的關(guān)鍵問題,綜述了該領(lǐng)域的研究進展及今后研究的主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞　碾壓混凝土;北方碾壓混凝土壩;設(shè)計;施工

中圖分類號　TV33 　　文獻標(biāo)識碼　A 　　文章編號　0517 - 6611(2007) 12 - 03758 - 02

　　目前我國已建成的各類高壩建筑標(biāo)志著我國在復(fù)雜地質(zhì)條件的高拱壩、高混凝土面板堆石壩、高碾壓混凝土筑壩技術(shù)、設(shè)計和科研諸方面達到了世界領(lǐng)先水平[1] 。

1 　碾壓混凝土壩發(fā)展史

　　碾壓混凝土作為一種干硬性混合材料,無塌落度,有別于常態(tài)混凝土;施工方法按近于土石壩的填筑方法,采用通倉薄層鋪料,振動碾壓壓實;與常規(guī)混凝土相比,無論在材料消耗、施工效率,還是在其本身性能等方面都有明顯的優(yōu)越性。1960～1961 年,我國臺灣修筑石門壩心墻首次使用了碾壓混凝土材料。20 世紀(jì)70 年代初期,意大利阿爾卑·惹拉壩采用低流態(tài)混凝土和汽車入倉、全斷面澆筑、機械切縫等施工工藝,雖仍采用振搗器振搗,并未用振動碾碾壓,但在混凝土筑壩技術(shù)上已前進了一步。1973 年,第11 次國際大壩會議提出了開展“混凝土壩縮短工期、提高經(jīng)濟效益”的研究。

　　以后,美國、日本等都有組織地開展了該方面的試驗研究工作,終于在1980 年之后,建成了日本的島地川碾壓混凝土壩和美國的柳溪碾壓混凝土壩[2 - 4] 。此后,碾壓混凝土筑壩技術(shù)在世界上有了長足的發(fā)展。我國的碾壓混凝土筑壩技術(shù)從1980 年開始起步,近20 多年來,經(jīng)過廣大科研工作者和從事設(shè)計、施工的專業(yè)人員的不懈努力,碾壓混凝土筑壩技術(shù)已非常成熟。截至2004 年,已建成的碾壓混凝土壩64 座,還有不少的碾壓混凝土圍堰工程[5 - 7] 。綜合我國碾壓混凝土筑壩技術(shù),碾壓混凝土在配合比設(shè)計上已經(jīng)形成少水泥用量、高粉煤灰摻量的特點[8] ,達到世界領(lǐng)先水平。

2 　北方碾壓混凝土壩建設(shè)現(xiàn)狀

　　廣義的北方指黃河以北的10 個省,按中國大壩委員會2003 年底的統(tǒng)計,我國已建、在建壩高大于30 m 的大壩數(shù)量中,北方10 省的總數(shù)僅為全國總數(shù)的15. 98 %,按照水資源分布的不平衡性進一步劃分, 西北占12. 41 %, 東北占1. 45 %,可見我國北方水利事業(yè)的發(fā)展不如南方迅速,相對成果不如南方各省多。伴隨著我國水利工程建設(shè)的迅速發(fā)展,各種材料、形式的大壩在北方各地區(qū)均有應(yīng)用,其中碾壓混凝土壩是近年來主要采用的形式。據(jù)不完全統(tǒng)計,我國截至2004 年,已建和在建的30 m 以上的碾壓混凝土壩大約72座,建在北方各省的碾壓混凝土壩共15 座。

　　相繼竣工的碾壓混凝土壩在設(shè)計理論、施工方法、運行管理等方面填補了碾壓混凝土筑壩技術(shù)在北方筑壩史上的空白,推動了我國乃至世界筑壩技術(shù)的發(fā)展,使該技術(shù)成為未來最具潛力和競爭力的工藝[9 - 10] 。同時,國內(nèi)外各大研究機構(gòu)、高等院校的科研工作者也在研究該技術(shù)領(lǐng)域中的復(fù)雜問題,針對北方的獨特氣候和地質(zhì)問題提出相應(yīng)的解決方案,不斷地完善和發(fā)展此項技術(shù)。

3 　影響北方碾壓混凝土壩的主要因素

3. 1 　碾壓混凝土壩設(shè)計

3. 1. 1 　筑壩原材料的選擇?？紤]北方地區(qū)干燥、多風(fēng)、日較差大、蒸發(fā)量大的氣候特點,筑壩材料的砂、石、粉煤灰等應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)材料[11] ,確定配合比時應(yīng)采用高摻粉煤灰以降低水化熱,可采用雙摻外加劑提高混凝土抗凍、抗?jié)B性,采用大沙率及較小大石比例以提高混凝土抗分離性、可碾性及層間結(jié)合性[12 - 13] 。

3. 1. 2 　上游面防滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計。早期的碾壓混凝土壩防滲結(jié)構(gòu)有以下幾種:采用2～4 m 厚的常態(tài)混凝土作為防滲體(俗稱“金包銀”) ;采用0. 6 m厚的瀝青砂漿防滲層;采用0. 25～0. 6 m厚的補償收縮混凝土薄面板,采用預(yù)制混凝土塊深勾縫等。試驗證明,碾壓混凝土壩防滲性能較好[14 - 15] ,滲透系數(shù)為10 - 6～10 - 10m/ s。為充分利用這一特點和簡化碾壓混凝土壩的施工程序,近10 年來建設(shè)的碾壓混凝土壩,多采用三級級配碾壓混凝土壩體,上游加二級級配富膠凝材料碾壓混凝土作為防滲體,簡化了防滲結(jié)構(gòu)和施工干擾。

3. 1. 3 　壩體的分塊和防裂。碾壓混凝土壩一般不設(shè)縱縫。橫縫的設(shè)置及分法與工程地區(qū)及施工條件有關(guān),橫縫間距一般為20～40 m,橫縫的結(jié)構(gòu)有正規(guī)的切縫和誘導(dǎo)縫。切縫一般是每層碾壓完成后由切縫機切割形成;誘導(dǎo)縫則通過打郵票孔或者分縫處放置規(guī)則的鐵板、木板或塑料布,均應(yīng)設(shè)置止水措施,隨著壩內(nèi)應(yīng)力的變化導(dǎo)致混凝土伸縮變形而形成[16] 。

3. 1. 4 　層面結(jié)合。為防止碾壓混凝土澆筑層面有冷縫發(fā)生,要求每層鋪筑必須在混凝土初凝前完成。如出現(xiàn)冷縫現(xiàn)象,需在層面上鋪一層1～3 cm厚水泥砂漿,以增強層面之間的膠結(jié)強度。

3. 1. 5 　溫度控制。在高溫地區(qū)或高溫季節(jié)施工碾壓混凝土,在滿足混凝土強度及其他性能的前提下,盡可能減少水泥用量,高摻粉煤灰,以降低混凝土水化熱及絕熱升溫。同時,采用冷卻水或加冰拌合、預(yù)冷骨料,以及在壩面噴霧形成小環(huán)境達到降低混凝土入倉溫度的目的。碾壓完成后,加強混凝土的表面養(yǎng)護,防止外溫倒灌。另外,也可在壩內(nèi)埋設(shè)冷卻水管來降低壩內(nèi)溫度。在寒冷地區(qū)或寒冷季節(jié)施工碾壓混凝土,除在混凝土中摻入一定量的抗凍劑外,可在壩面搭帳篷形成小環(huán)境,防止混凝土表面溫度驟降,并在已鋪筑完成的混凝土面上蓋保溫物品[17] 。

3. 1. 6 　下游坡處理與溢流壩面。我國的碾壓混凝土重力壩下游坡大多數(shù)是用混凝土預(yù)制塊形成階梯狀,而碾壓混凝土拱壩多是單一坡度的光滑坡面;溢流壩采用階梯消能是國外常用的方式,消能效果較好。

3. 2 　碾壓混凝土壩施工　我國碾壓混凝土壩的施工工藝參照美國和日本等的有關(guān)經(jīng)驗,形成了有自己特色的碾壓混凝土筑壩新工藝[17] 。

3. 2. 1 　夏季高溫施工。北方地區(qū)夏季溫度高達33～35 ℃,在高溫季節(jié)施工,碾壓混凝土溫度控制受混凝土出機口溫度、預(yù)冷混凝土生產(chǎn)強度、層間間歇時間、混凝土澆筑溫度和通水冷卻等綜合措施的制約,各個環(huán)節(jié)分別控制,才能保證壩體內(nèi)部溫度受控,進而保證碾壓密實度和良好的層間結(jié)合性。試驗和實踐表明,摻用高效緩凝劑能有效地增大混凝土拌合物的流動性,減少水分散失,是一種高溫季節(jié)施工的有效措施[18 - 19] 。

3. 2. 2 　冬季低溫施工。在北方低溫或嚴(yán)寒季節(jié)施工,澆筑的碾壓混凝土強度增長緩慢,層間強度低于其他部位的強度,這是越冬面水平施工風(fēng)開裂的原因之一。因此在嚴(yán)寒地區(qū)修建碾壓混凝土壩,開盤不宜太早,入冬前收工不宜超過10 月底,越冬保溫極為重要。同時,應(yīng)建立小環(huán)境,加強保溫措施;當(dāng)氣溫低于- 10 ℃時,應(yīng)停止施工。

3. 2. 3 　筑層面施工。為提高碾壓混凝土層面膠結(jié)強度,有的工程采用了斜層鋪筑新工藝,取得了較好的效果。大量研究和實踐結(jié)果進一步加深了對混凝土中摻用石粉的認(rèn)識,優(yōu)質(zhì)的石粉可大大改善混凝土的稠度和可碾性,增強混凝土層面的膠結(jié)性能,提高混凝土的密實性和抗?jié)B性[17 ,20 - 21] 。

3. 2. 4 　局部施工。常規(guī)混凝土與碾壓混凝土的結(jié)合處,一般先振搗常規(guī)混凝土,再碾壓碾壓混凝土;在迎水面二級配和三級配碾壓混凝土施工時,一般先碾壓三級配,再碾壓二級配。在壩肩、廊道、模板等結(jié)合部位的施工工藝是用小型振動碾碾壓,近10 年來則采用加水泥漿進行振搗形成“變態(tài)混凝土”,不但可提高混凝土的密實度,膠結(jié)好、表面光滑,而且提高了施工速度。

4 　北方碾壓混凝土筑壩技術(shù)研究

4. 1 　凍融循環(huán)破壞　水結(jié)冰后體積增加9 %,在混凝土內(nèi)部孔隙中形成水壓力。當(dāng)其超過混凝土的抗拉強度時,混凝土發(fā)生破壞;混凝土中孔隙水中的物質(zhì)如石灰、鹽等對水的冰點有影響,由于這些物質(zhì)不會進入冰中,結(jié)冰處附近的物質(zhì)濃度隨著冰的形成逐漸升高,在滲透作用下,其他孔隙的水會往結(jié)冰處流動,從而降低物質(zhì)濃度,使得結(jié)冰持續(xù)進行。

　　尚未結(jié)冰的孔隙水受到擠壓,形成了水壓力,即滲透作用?；炷恋谋鶅鲎饔萌Q于多種因素,包括:混凝土的飽和度、孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙水的化學(xué)成分、負(fù)溫作用(冰凍速率、冰凍周期長度) 等?；炷恋姆磸?fù)冰凍作用是一種漸進破壞過程,即凍融破壞。宋玉普等對普通混凝土進行了多次凍融循環(huán)后的物理參數(shù)的試驗研究,發(fā)現(xiàn)雙軸壓荷載作用下的強度和彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低,應(yīng)變隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大;強度、應(yīng)變和彈性模量隨著主應(yīng)力比的不同而變化,其破壞形態(tài)均與常態(tài)混凝土基本相同[22] ;劉數(shù)華等的研究表明,壩體碾壓混凝土的實際彈性模量低于常態(tài)混凝土的彈性模量,這一結(jié)果對防止碾壓混凝土壩的裂縫是有利的。

　　從結(jié)構(gòu)變形的角度看,混凝土結(jié)構(gòu)在冰凍作用下,冰凍范圍自外往里逐漸擴展過程中除溫降作用下的收縮外還會產(chǎn)生一定的膨脹,冰凍范圍自外往里逐漸消退過程中除溫升作用下的膨脹外還會產(chǎn)生一定的收縮。此外,在反復(fù)冰凍作用下,混凝土結(jié)構(gòu)還會產(chǎn)生殘余的膨脹變形[23] 。上述研究取得了階段性的成果,但相關(guān)的力學(xué)計算及工程設(shè)計方法還未完善,有待于進一步研究和實踐。

4. 2 　低溫引起的應(yīng)力特征　目前研究表明,碾壓混凝土壩溫度應(yīng)力是導(dǎo)致壩體裂縫的主要原因,其他荷載作用所引起的引力與溫度應(yīng)力相比較小,溫度應(yīng)力起控制作用[24] 。由于嚴(yán)寒地區(qū)年平均氣溫較低,大壩穩(wěn)定溫度也相對較低,較大的基礎(chǔ)溫差易引起基礎(chǔ)貫穿性裂縫。較大的氣溫年變幅及晝夜溫差和頻繁的寒潮作用,極易引起混凝土表面裂縫。

4. 3 　碾壓混凝土壩裂縫研究　據(jù)統(tǒng)計,水工碾壓混凝土建筑物裂縫按其發(fā)展的變化趨勢一般分為3 類:一是穩(wěn)定性裂縫,特點是寬度、長度、深度一次成型,不再發(fā)展;二是伸縮性裂縫,特點是隨著氣溫的變化和外力作用等因素的改變會有一定規(guī)律的變化;三是發(fā)育性裂縫,其特點是隨著時間的推移,會持續(xù)不斷地向縱深一直發(fā)展,危害性較大,誘發(fā)這種裂縫的原因很多,研究也應(yīng)有針對性。呂琦等研究了寒潮對碾壓混凝土壩的影響,闡述了寒潮對引起和加深壩面裂縫的機理及計算方法[25] 。相關(guān)研究表明,碾壓混凝土的抗壓強度隨著水灰比和粉煤灰摻量的增加而減小,低溫與低水位是影響建筑物裂縫的主要原因。

5 　展望

　　隨著我國各項科研工作的深入、設(shè)計理論的完善、施工方法的改進,碾壓混凝土筑壩技術(shù)取得了飛快的發(fā)展。就當(dāng)前國內(nèi)已建和在建工程而言,結(jié)合我國北方氣候特征及當(dāng)前研究成果,仍有一些問題需要深入研究探索,部分工程技術(shù)問題需要解決。①碾壓混凝土裂縫是一個普遍性問題。在北方確定氣溫、大氣相對濕度、風(fēng)速及太陽輻射等條件下,研究裂縫開展機理、發(fā)展規(guī)律及相應(yīng)的解決方法將是未來的研究內(nèi)容;此外由于碾壓混凝土壩的獨特施工方法,層間接觸面是壩體的薄弱環(huán)節(jié),層間裂縫及滲水是關(guān)鍵問題,應(yīng)從材料研究入手,解決新型材料、新老材料層面的粘結(jié)性、防滲性問題。②針對嚴(yán)寒干旱地區(qū)的氣候條件及寒冷干旱地區(qū)碾壓混凝土壩特殊的施工方法,研究其溫度場及溫度應(yīng)力的時空分布變化規(guī)律,就干旱條件下水分散失理論進行深入研究,以確定現(xiàn)場碾壓混凝土的各項指標(biāo)(VC 值、水膠比及單位用漿量等) 滿足實驗室的設(shè)計要求。③目前對碾壓混凝土壩施工期及運行期的溫度、徐變應(yīng)力仿真計算研究的框架己基本建立,但仿真計算參數(shù)的選取存在不穩(wěn)定性,尚待深入研究。解決上述問題能為我國已建、在建碾壓混凝土工程提供可靠的理論支持和技術(shù)保障,是推動碾壓混凝土筑壩技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容。

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