三峡水利枢纽是目前世界上规模最大的混凝土建筑物

1三峡水利枢纽是目前世界上规模最大的混凝土建筑物,混凝土总量近2800万m3,除满足稳定性要求外，还需要满足泄洪、发电、航运等方面的特殊要求,具有结构复杂、施工强度高、技术标准高等特点。为保证混凝土质量,采取了若干新技术、新工艺。本文全面论述了三峡工程混凝土工程所采取的设计、施工及管理措施。关键词三峡工程混凝土新技术1.三峡工程概述长江三峡水利枢纽是开发和治理长江的关键性骨干项目,具有防洪、发电、航运等巨大的综合效益。三峡大坝坝址位于湖北省宜昌市境内。大坝控制流域面积100万km2，总库容393亿m3。枢纽主要由拦河大坝、水电站、通航建筑物等三大部分组成。大坝为混凝土重力坝，最大坝高181m。水电站为坝后式，安装有26台700MW的水轮发电机组，总装机容量18,200MW，年平均发电量84.7TW·h。通航建筑物包括永久船闸和垂直升船机，永久船闸为双线五级连续梯级船闸，可通过万吨级船队；升船机为单线一级垂直提升式，一次可通过一艘3,000吨级的客货轮。三峡工程采用分期导流方式，分三期进行施工，总工期需17年。第一期工程5年（1993～1997），以实现大江截流为标志；第二期工程6年（1998～2003），以实现首批机组投入运行和永久船闸开始通航为标志；第三期工程6年（2003～2009），以全部土建工程完工和全部机组投入运行为标志。工程自1993年开始施工准备，工程完全按照预定计划顺利实施，目前已进入二期工程收尾阶段。主要工程量如下：土石方开挖10,283万m3；土石方填筑3,198万m3；混凝土2,794万m3；钢筋46.30万t；金属结构25.65万t。2.三峡大坝混凝土的特点2.1混凝土量巨大，施工强度极高。三峡工程混凝土总量近2800万m3，二期工程施工强度更为突出，1999、2000和2001年三年分别浇筑混凝土458万m3,548万m3和402万m3,连续三年远远超过原苏联古比雪夫电站创造的364万m3的世界纪录。2.2结构复杂。三峡大坝不是普通实体挡水大坝,由于长江洪峰量大,加上分期导流要求,泄洪坝段共设三层泄洪孔口,使得坝体结构异常复杂,而且导流底孔和为深孔的高速水流流速均达30m/s以上,体形要求和表面平整度要求极高，给施工以及质量控制带来极大难度。2.3混凝土温控难度大。大坝混凝土属大体积混凝土,必须采取严格的温控措施,保证大坝不出现危害性裂缝。要严格控制混凝土内部最高温升、上下层温差、基础温差、混凝土内外温差。而且三峡地区夏季炎热,温控难度尤其大。2.4耐久性要求特别高。这是由于三峡大坝的特殊重要性，大坝混凝土的抗冻性要求：内部混凝土D100、外部达到D250，抗渗要求内部要达到S8，外部要达到S10（10-9cm/s）。2.5有些特殊部位要求采用有特殊要求的混凝土。如蜗壳周围、钢管底部等不易浇筑的部位要采用高流态、自密实混凝土,围堰防渗墙采用能适应较大变形、弹模低的柔性混凝土。23.混凝土配合比设计三峡大坝混凝土是用大坝基坑和船闸开挖出来的新鲜岩石作骨料，岩性为闪云斜长花岗岩，这种岩石具有较高的抗压强度（100MPa以上），但是其拉压比小，骨料中含有较多的云母，破碎过程中容易产生隐性节理，而且易产生泌水。因此，给最大限度的减少水泥用量，优化配合比，尽可能减少水化热带来了极大的困难。另外，由于对混凝土质量要求中，又特别突出了耐久性问题，因此，在混凝土配合比设计中，各种技术指标相互制约，必须与温度控制要求矛盾进行全面平衡和优化，这是一个十分复杂的技术难题。为此做了大量的试验研究工作，所采取的主要措施有：3.1优选混凝土原材料，高掺优质粉煤灰①主要选用525#中热水泥,并尽可能多掺粉煤灰。如坝内混凝土最大可掺量可达40%~45%，结构混凝土可掺20%。水泥熟料中的MgO含量控制在3.5~5%，使混凝土具有微膨胀性,补偿混凝土降温阶段体积收缩,减少混凝土裂缝。②采用I级粉煤灰，并坚持将Ⅰ级粉煤灰作为功能材料掺用。掺用Ⅰ级粉煤灰可取代部分水泥，而且由于Ⅰ级粉煤灰具有减水效果，可降低混凝土用水量，利用Ⅰ级粉煤灰的微珠效应，还可大大改善混凝土的和易性。Ⅰ级粉煤灰具体参数如下：细度(0.045mm方孔筛余量)≤12%,需水量比≤95%,烧失量≤5%,含水量≤1%.三氧化硫含量≤3%。3.2采用高效减水剂为有效解决花岗岩人工骨料混凝土用水量高的难题，选用了与其他原材料有良好适应性，且减水率在18%以上、其他指标满足国标一等品的高效减水剂，这是降低混凝土用水量的一个非常重要的措施，为配制高性能大坝混凝土创造了条件。3.3坚持在混凝土中全部掺引气剂。这是提高混凝土工作性、保证三峡大坝混凝土耐久性和使用寿命的重要措施。另外为了防止发生碱骨料反应，严格限制原材料的碱含量和混凝土总碱量。限制中热水泥的碱含量小于0.6%；粉煤灰碱含量小于1.5%；混凝土总碱量小于2.5kg/m3。在混凝土配合比的设计中，坚持采用缩小水胶比、并增加粉煤灰掺量的技术路线。水胶比是影响混凝土强度和耐久性的重要因素，水胶比越小，混凝土孔隙率越小，强度越高，耐久性越好。优化后的三峡坝体外部混凝土水胶比小于0.5，水位变化区＜0.45，内部混凝土不大于0.55，高速水流区小于0.35。由于采用了多项技术措施，优选出的混凝土配合比使混凝土具有优越的性能。例如混凝土内部抗冻性可达D250以上、水变区可达D300以上。四级配混凝土用水量由原来的110kg/m3降至85kg/m3，同时降低了大体积混凝土的绝热温升和干缩，提高了抗裂性、体积稳定性和耐久性等，并使混凝土具有良好的施工和易性和经济性。在查知骨料种类的配合比中，以花岗岩作骨料的大坝混凝土最低用水量为100kg/m3。三峡大坝混凝土采用90天龄期强度设计，其主要指标如表1。表1三峡工程大混凝土设计主要指标表3使用部位设计标号水灰(胶)比最大骨料（mm）抗冻性抗渗性极限拉伸值（10-4）粉煤灰最大掺量（%）总碱含量控制（kg/m3）大坝内部R90150#0.55150D100S80.70～0.7540-452.5大坝基础R90200#0.50150D150S100.80～0.85352.5大坝外部R90200#0.50150D250S100.80～0.85302.54.混凝土施工方案合理的施工方案是施工进度和混凝土施工质量的根本保证。根据三峡二期厂坝工程的施工特点，经过综合比较后，最后选择了以塔带机为主、摆塔式缆机和高架门机（塔机）为辅的施工方案。该方案的优点是，可以将混凝土垂直运输和水平运输结合起来，实现从拌和楼至浇筑仓面混凝土的连续供应，达到快速、连续、高强度施工的目的。实践证明，正是由于这一方案的正确选择，才保证了连续三年的高强度施工。5混凝土温度控制温度控制是大坝混凝土质量控制的重点和难点。由于三峡气候条件非常特殊，每年的3~11月（基础约束区），长达9个月的时间里，都要进行温度控制。设计要求混凝土出机口温度必须达到7°C，浇筑温度不超过12°C，并且要通过通水冷却等措施，削减最高温度。温度控制实际上是一个系统工程，从混凝土的制备，到浇筑过程，以及后期的冷却，每一个环节都必须进行全面的、有效的控制。温度控制方面，主要要求和措施如下。5.1预冷混凝土技术和工艺为了保证混凝土内部温度，主体建筑物基础约束区或重要结构部位除冬季12～2月采用自然温度入仓外，其它季节出机口温度不超过7℃。为了达到这一要求，在混凝土生产过程中，采用了二次风冷骨料、加冰和冷水拌和等技术和工艺措施。如此大规模地生产7℃，以及采用二次风冷骨料技术在国内外并不多见，后者更是如此。在一次风冷骨料仓，骨料平均冷却终温从常温降至6～80c。经二次风冷后，骨料平均冷却终温可达-20c～00c。运行实践表明二次风冷效果显著，生产运行稳定，为生产70c混凝土提供了保证。在生产70c混凝土时，还需掺加-80c冰40～50kg,以及所需数量的20c冷却水，经二期工程的生产实践证明，70c预冷混凝土生产工艺流程先进合理，合格率一般都在85%以上，为厂坝混凝土温度控制提供了保障。5.2合理分缝分块坝体分缝分块主要根据坝体结构特点和要求、浇筑能力、温度控制要求并参照工程施工经验等因素确定。经温度应力分析和从施工条件、国内柱状块施工有较成熟经验考虑，为更可靠地保证大坝安全运行，大坝纵向分二条纵缝方案，泄洪坝段最长坝块控制在44米。5.3合理安排施工程序和施工进度合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主要措施之一。为此，设计要求，基础约束区和重要结构部位混凝土在规定的间歇其内连续均匀上升，4不得出现薄层长间歇，基础约束区混凝土宜在低温季节施工，相邻块、相邻坝段高差符合设计允许的高差要求。其余部分基本做到短间歇连续上升。5.4控制混凝土最高温度二期工程大体积混凝土主要部位允许最高温度见表2:表2厂房坝段及左非12#—18#坝段坝体设计允许最高温度单位:℃部位区域月份12～26～8泄洪坝段基础约束区23～2431～34脱离基础约束区23～2435～37厂房坝段基础约束区23～2431～35脱离基础约束区23～2435～38左非溢流坝段基础约束区2434～35降低混凝土最高温度,首先控制浇筑温度,主要从降低混凝土出机口温度，养护运输途中和仓面温度回升两方面着手,夏季浇筑混凝土,除混凝土机口温度必须达7℃外,应严格控制混凝土运输时间和仓面浇筑坯层覆盖前的暴露时间，并要求混凝土运输途中和仓面设置必要的保温措施，使预冷混凝土的浇筑温度比机口温度回升率不大于0.25（浇筑温度不大于12～14℃）。降低水化热温升主要靠采用发热量低的中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥，选择较优骨料级配和掺适量粉煤灰、外加剂，以减少水泥用量和延缓水化热发散速率，并综合采取合理控制层厚、间歇期和通水冷却等措施。在混凝土浇筑温度与当时外界气温相近情况下，为较充分利用浇筑层顶面散热的有利因素，层厚可根据温控、浇筑能力、结构和立模等条件调整。夏季一般采用1.5～2.0m，春、秋、冬季可适当加厚。对大坝部位如层厚大于2m，除满足温控条件外还需具备相应的浇筑能力。5.5通水冷却通水冷却是混凝土温度控制有效措施之一，通水冷却分三期进行。初期通水是削减浇筑层水化热温升，采用6～8℃的制冷水，通水时间10～15天，在混凝土收仓12小时内开始通水，单根水管通水流量不小于18升/分。中期通水是削减坝体内外温差，每年9月初开始对当年5～8月浇筑的大体积混凝土块体、10月初对当年4月及9月浇筑的大体积混凝土块体、11月初对当年10月浇筑的大体积混凝土块体进行中期通水，削减坝体内外温差。后期通水是使混凝土柱状块达到稳定温度，以便进行接缝灌浆。5.6流水养护对新浇混凝土进行及时、持续地养护，对混凝土强度的正常增长和防止混凝土表面干缩裂缝有重要意义，并对混凝土的散热降温有很大帮助。在混凝土浇筑收仓12h内，必须进行流水养护，连续养护时间不得少于混凝土设计龄期。大坝和厂房的上下游面及长期暴露的混凝土侧面，应做为重点进行连续流水养护，使混凝土始终保持湿润状态。5.7表面保护表面保护是防止混凝土表面裂缝发生的重要措施。三峡大坝和电站厂房暴露面大，坝区5的气温骤降又很频繁，混凝土表面保护显得尤为重要，特别是基础约束区、上游面及其它重要结构部位，要作为防护的重点。①对于永久暴露面,10～4月份浇筑的混凝土,拆模后立即设永久保温层；5～9月份浇筑的混凝土,10月初设永久保温层。②每年入秋(9月底),将导流底孔等所有孔洞进行封闭。当日平均气温在2～3天内连续下降超过6℃时,28天龄期内混凝土表面必须进行表面保温。③低温季节(如拆模后混凝土表面温降可能超过6～8℃),以及气温骤降期间,推迟拆模时间,否则在拆模后立即进行表面保护。④保温材料要选择效果好且便于施工的材料。保温后混凝土表面等效放热系数应满足要求:大体积混凝土≤2.0-3.0W/m2·℃;导流底孔、深孔、尾水管、排漂孔及排沙孔等结构混凝土,≤1.5-2.0W/m2·℃。从三峡的实践看，表面保温对于防止混凝土的裂缝极为关键，对于结构复杂部位的