碾压混凝土20年

碾压混凝土筑坝20年王圣培(中国水力发电工程学会碾压混凝土筑坝专委会)1回顾1979年我国开始碾压混凝土筑坝技术探索、研究和实验工作,1986年在福建坑口电站建成第一座碾压混凝土坝。经过20年的开发与实践,碾压混凝土在大坝工程建设筑坝技术方面,取得了令人瞩目的进展和成就,积累了宝贵的经验,形成了一整套具有我国特点的筑坝技术。总体上,碾压混凝土筑坝技术的发展的步调是稳健的、顺畅的,是相当成功的。目前（至2005年末）,我国已建成的碾压混凝土坝共66座,在建的35座,近期拟建的24座(见表1)。表1碾压混凝土坝工程项目统计（单位：座）20世纪80年代末至90年代初期,主要是建设70m高以下的中低坝。至90年代从岩滩电站建成第一座百米级高坝后,江垭、棉花滩、大朝山等一批百米以上高坝先后相继开工兴建,碾压混凝土筑坝技术全面提升到新的高度,转入向百米级高坝快速发展阶段。经过八五国家科技攻关,在对修建二百米级碾压混凝土高坝技术难题取得重要成果后,21世纪开始了龙滩及光照两座二百米级碾压混凝土高坝建设(见表2)。自普定成功建成第一座碾压混凝土高拱坝后,碾压混凝土拱坝在我国很快得到公认,迅速推广发展,并在设计和施工中也形成较有特色的技术体系。现在已建成14座,在建6座。其中高度达百米级以上的7座(见表2)。沙牌拱坝高132m,目前正在设计和拟建140～160m的高拱坝。20世纪90年代末至21世纪开始出现百米级双曲薄拱坝。目前这些坝上游面均未发现裂缝和坝体渗漏现象,设置的几种分缝结构也正常发挥作用。碾压混凝土围堰具有显著的施工速度快,适用溢洪过流能力强的特点,现已修建21座。其中三峡三期围堪、龙滩上围堪和构皮滩上围堪,高度均在70m以上,已属于高混凝土坝。这些围堪最长的仅用4～5个月。在一个枯水季内全部顺利建成,并及时投入运行,当年拦洪、过流、度汛、有的围堰还经受多次大流量溢流考验。所有围堰均没有明显渗漏现象,并一直安全运行。我国碾压混凝土筑坝技术,自坑口第一座坝初步形成具有我国特点的技术模式后,在这一基础上,经过多年设计、科研、施工和管理等各方面人员的奋发开拓,不断提高完善,形成了不设纵缝富浆碾压混项目重力坝拱坝合计已建521466在建29635拟建17724总计9827125凝土防渗、低水泥高掺粉煤灰(或矿碴类掺和料)、低VC值、大仓面连续浇筑、斜坡铺筑碾压以及表2高于100m的碾压混凝土坝项目重力坝拱坝坝名坝高（m）坝名坝高（m）已建工程江垭大朝山岩滩棉花滩水口索风营128118111111101115.8沙牌石门子蔺河口招徕河132110100107在建工程龙滩光照观音阁金安桥百色洪口武都引水戈兰滩彭水景洪咯腊塑克思林192（216.5）195.5（200.5）160160130130130120116.5110123117大花水白莲崖罗坡坝134102104变态混凝土代替常态混凝土等一整套技术路线,并在设计、材料、施工工艺等方面进行一系列改革、创新,形成若干新的理念与思路。工程实际应用表明,碾压混凝土坝施工速度快,混凝土质量好,且节省造价,坝体安全可靠。对于这种水泥用量很少、胶材用量不多的干硬性混凝土,经过防渗、防裂、抗冻、耐久性及热学等方面的研究分析,确认具有良好、可靠的性能,已形成广泛而牢固的共识。这是肯定和发展碾压混凝土筑坝技术的基本点,也是进一步改进、完善坝工设计,提高施工质量,获得技术、经济效益的基础。在碾压混凝土筑坝的技术规程、规范的基础上,经过不断总结经验,紧跟技术发展,先后在设计、施工和材料方面分别依据原有的准则、导则制订出行业专用规范。例如,《水工碾压混凝土施工规范》、《碾压混凝土实验方法》、《碾压混凝土重力坝设计规范》、新订《混凝土重力坝设计规范》(水电系列,其中含碾压混凝土部分)。这些规程规范的编制、发布、实施,标志着碾压混凝土筑坝技术的成熟。在六五、七五、八五和九五国家科技攻关中,对碾压混凝土高坝、碾压混凝土拱坝做了大量科学研究、试验等专题安排,参加科学试验的单位近百个,人员涉及设计、科研、施工、教学、机械设备、施工材料、基础理论等各方面的专家、教授和工人。获得的成果,很大部分直接转化到工程的设计和施工中,取得明显技术、经济效益,为发展我国碾压混凝土筑坝技术铺垫了雄厚扎实的基础。其中不少成果通过工程建设获得科技进步奖。例如,普定、沙牌碾压混凝土高拱坝,分别获国家科技进步一等、二等奖；江垭,大朝山,龙首等工程获省、部级科技进步一等、二等奖；棉花滩,大朝山电站工程,基于优良的碾压混凝土坝工程质量,获得鲁班奖。招徕河百米级碾压混凝土双曲薄拱坝,获2005年度企业十大技术创新奖。这些奖项反映出碾压混凝土筑坝技术确有较高的技术含量和技术推进。通过二十多年的科技开发和百余项大坝工程实践,锻炼造就了一大批从事碾压混凝土筑坝工程设计、施工、科研、设备制造、工程管理等方面专业新生力量和技术队伍。就已建和在建的工程而言,从事有关碾压混凝土坝工程设计的单位,有原水利、电力两部直属设计研究院,长江委、黄委设计院。还有17个省区属水利水电设计研究院(如:辽宁、吉林、延边、河北、山西、甘肃、新疆、云南、贵州、四川、浙江、福建、广东、广西水利、广西电力、湖南、湖北、安徽等)也承担不少百米级以上高碾压混凝土坝工程的设计。参加碾压混凝土坝工程施工的单位,除中国水利水电工程集团公司、葛洲坝集团公司及武警水电指挥部外,还有一些省属水利、水电施工队伍,共24个。部分工程局目前正在承担4～6座百米级高碾压混凝土坝的施工。总之,我国碾压混凝土筑坝经历的道路是健康扎实的,有技术发展成就的,建成的工程是安全的。2经验与特色我国碾压混凝土筑坝技术在坝工设计、混凝土材料、大坝施工等方面,积累的经验和创造的特色技术相当丰富。2.1碾压混凝土材料碾压混凝土的构成,组合和性能都直接影响到大坝的设计和施工。在这方面,多年来的研究结果,不断为发展碾压混凝土技术水平起到促进作用。高掺粉煤灰(或掺和料)和中胶凝材是我国碾压混凝土构成组分的重要特点。许多百米级高坝的混凝土(三级配R9015MPa)。水泥用量多在55～65kg/m3之间,粉煤灰掺量达60%～65%，R9020MPa以上的混凝土,水泥用量在70kg/m3左右。拌制的和浇筑的混凝土,强度指标及变形性能均远超过设计规定要求,绝大部分的混凝土强度保证在90%以上；极限拉伸值普遍超过设计值15%以上。表明坝体混凝土的物理学特性是有充分安全裕度的。对于普遍关切的碾压混凝土层面结合质量及抗剪断性能,许多工程结合工程实用材料,在现场进行室内、原位和芯样抗剪断试验。其试验成果摘列于表3。结果表明,混凝土层间结合面的抗剪断性能,在符合施工规范条件下,正常施工时,其f’、C’值均远大于设计指标。即使中低坝工程中胶凝材料很少的贫混凝土,抗剪断性能也高于设计指标。对于龙滩二百米级高坝,设计的指标是f’≥1.0~1.1,c’≥1.9~1.7MPa,其试验结果,不论是常温或高温条件下浇筑的混凝土,f’,C’值均分别高于1.1和2.OMPa。表3碾压混凝土抗剪断试验成果表项目工程名称胶材用量（kg/m3）试验成果备注水泥粉煤灰F’C’原位抗剪岩滩围堰初凝前覆盖451151.3/1.35/1.081.4/0.92/1.24R9010MPa岩滩主坝初凝前覆盖551041.2/1.171.025/1.36R9015MPa坑口初凝前覆盖60801.101.92R9010MPa铜街子层面铺覆盖76/6576/851.23/1.38/1.52.25/1.16/1.3水口初凝前覆盖60741.371.40大朝山671031.481.20R9015MPa缝面冲毛铺浆1.431.00磷矿＋凝灰岩江垭64961.122.34峰值平均三峡围堰1.522.92R9015MPa石漫滩1.152.30R9010MPa棉花滩R18015MPa1.68/1.772.68/2.20铜街子R1181.801.60龙滩三级配C15均值常温施工601000.96/1.151.71/1.8690d/180d初凝前覆盖高温施工1.17/1.592.11/1.56C202-5h常温施工751051.08/1.421.64/2.27高温施工1.53/1.452.04/2.61C25常温施工90100/1101.15/1.381.51/2.5190d/180d高温施工1.31/1.412.65/2.41芯样坑口60801.121.17φ20cm碗窑（初凝前覆盖）681031.361.78层面江垭（打毛＋砂浆）64961.18/1.202.36/2.28缝面室内试验洪口（三级配）0.993.23石漫滩（三级配）511001.152.30普定（二级配）54/8599/1031.37/1.641.53/2.41临江83831.33/1.581.82/1.85葛洲坝试块50751.181.35通过钻取岩芯对层面和缝面进行专门检查和分析,表明层面的折断率一般仅5%～6%左右,缝面的折断率约7%～9%。层面不是主要薄弱环节,相对而言缝面折断还高些。这种缝面折断与缝面处理技术、处理质量有直接关系。其效果与常态混凝土的缝面处理是同样的,不是碾压混凝土等有的层面结合问题。大量取芯检验成果表明碾压混凝土不再是千层饼工程,也不是原发性固有的缺陷,依现有技术,层间结合问题是可以正常解决的。碾压混凝土的热学特性是大坝简化温度控制、不设缝、减少拱坝分缝、实行大仓面浇筑和防止产生裂缝最本质的要素。特别是早期混凝土温升慢而且少,弹模成长很慢,早龄期的混凝土的拉应力效也很小。这是碾压混凝土在早期强度不高情况下很少发生表面张缝的基本根由。在碾压混凝土拱坝中,这种防裂效果更为明显。因此,大坝混凝土防裂应更加注意混凝土材料组合及特性方面的合理利用与发挥。普定坝首先采用二级配富浆碾压混凝土作坝体防渗材料,投产运行后,至今未发现上游区混凝土有渗漏现象,也未发现表面裂缝。这一技术改变了以后碾压混凝土坝的防渗结构模式。江垭大坝在大坝上游面通过钻取垂直和水平(骑层面缝)混凝土芯样,做了专门抗渗性能试验研究,混凝土不仅能满足设计的W8抗渗指标,甚至超过W10,混凝土的渗透系数可达10-9～10-10cm/s,相当于240m高的二滩拱坝混凝土抗渗指标。在二级配混凝土外缘加上一层30～50cm厚的变态混凝土,切断了层间结合面的渗漏通道,其抗渗性能更有提高,渗透系数可达10-10～10-11cm/s。大朝山工程在粉煤灰材料不相宜的情况下,专门研究开发出磷矿碴与凝灰岩混合磨旧的粉料作混凝土掺和料,掺量是60%。其物理学和热学性与掺同量粉煤灰的混凝土性能基本相同。仓面的作业适应性很好,混凝土凝结效应与施工也相应。应用后,经现场试验和取芯检验,均满足设计要求,具有相当超强幅度。现已普遍推广应用,并作更深化的研究,开发利用。碾压混凝土中掺用石粉问题,早在建坑口坝工程时已开始研究,对它的作用和掺量已有初步认识,经不断深化研究,砂中含有适量石粉确有提高混凝土抗分离、促泛浆、改善层间结合效果和抗渗性能,提高层面粘结强度增强混凝土内部结构的致密性的作用和提高混凝土本体抗渗性能效果。是碾压混凝土组分中备受关注的材料成分。近些年,对细度小于0.075mm的细粒颗粒在改善混凝土性能方面的作用有了更深认识,有的工程在人工砂生产中已明确提出细粉的基本含量指标。为改善混凝土的层面结合以及防止日晒或高气温条件下的混凝土表面经常产生过早泛自或干化现象。对碾压混凝土的可碾性、泛浆性进行综合考虑后,混凝土的VC值,由原初的15～20s,改进到8～15s,现在通常己较普遍采用3～5s。而且对碾压混凝土碾压过程中的弹簧土反弹现象也有放宽。为此在碾压混凝土配合比设计中,混凝土抗压强度已是很容易解决的指标,不再是主要考核的关键,更加注重混凝土泛浆速度和状态,这是我国碾压混凝土配合比设计理念的重要思路。施工中,很多部位的混凝土经碾压初凝后仍经过行车运送混凝土,长时间经受重载汽车反复碾压,特别是在汽车上坝入口处和斜坡碾压的混凝土表面上。对这种不断的碾压扰动已经压实并初凝的混凝土