浅谈碾压混凝土坝及其施工技术

浅谈碾压混凝土坝及其施工技术硕士3班151302020056伍超摘要：碾压混凝土坝是常态混凝土坝与土石坝激烈竞争中产生出来的一种新坝型。它综合了混凝土坝运行安全和土石坝快速施工的特性，具有快速与经济两大优势。本文简要介绍了碾压混凝土坝的发展概况、类型、上游面防渗结构和施工优缺点，以及碾压混凝土坝的施工技术。关键字：碾压混凝土坝、RCD、RCC、碾压混凝土、常态混凝土、振动碾、层厚、收缩缝一．碾压混凝土坝基本知识采用超干硬性的混凝土经逐层铺填碾压而成的混凝土坝。碾压混凝土坝是将土石坝碾压设备和技术应用于混凝土坝施工的一种新坝型。1.发展概况1975年，美国陆军工程团在巴基斯坦的塔贝拉坝泄洪隧洞的修复工程中，首次采用了未经筛选的砂砾石加少量水泥拌和混凝土，经振动碾压，修复被冲毁的部位。在42d内浇筑了35万𝑚3混凝土，显示了碾压混凝土快速施工的巨大潜力。1981年3月，日本建成了世界上的第一座碾压混凝土重力坝——高89m的岛地川坝，1982年美国接着建成了世界上第一座全碾压混凝土坝——高52m的柳溪坝，此后碾压混凝土筑坝技术便在世界各国获得广泛应用，发展十分迅速。截至1998年底，世界上已建和在建坝高超过15m的碾压混凝土坝有210多座，其中坝高在100m以上的有24座，约占10%。我国于1978年开始进行碾压混凝土筑坝技术的研究。1979年的龚嘴水电站第一次进行了碾压混凝土野外实验，1984年采用碾压混凝土建成了铜街子水电站左岸牛石溪沟1号坝，1986年，在福建坑口建成了我国第一座碾压混凝土坝，坝高57m。到2005年底，我国已建、在建的碾压混凝土坝已有近100座，其中坝高超过100m的有23座，均在世界上排名首位。此外，我国在将碾压混凝土用于临时性工程即围堰工程方面，也取得较大成就。如隔河岩、水口、五强溪、三大朝山、龙滩等大型水利枢纽工程，都采用碾压混凝土围堰进行施工导流，发挥了巨大作用。2.类型2.1.按坝型分类碾压混凝土坝按坝型主要分为重力坝和拱坝两种。碾压混凝土重力坝的工作原理与常规重力坝同，只是在混凝土材料和坝体构造上要适应碾压混凝土的施工方法。2.2.按坝体材料分区不同分类国内外建造的碾压混凝土坝根据坝体材料分区不同大体可分为两类：其一是以日本的岛地川坝为代表的“金包银”型式的碾压混凝土坝（简称RCD），如日本的玉川坝、我国的水口坝、观音阁坝和白石坝等。“金包银”型式的碾压混凝土坝的坝体内部采用碾压混凝土填筑，外部用常态混凝土（一般2~3m厚）进行防渗和保护。其二是以美国的上静水坝为代表的全碾压混凝土坝型式（简称RCC），如我国的普定坝、江垭坝等。全碾压混凝土坝的坝体全断面采用碾压混凝土，利用碾压混凝土自身防渗或只在上游面设立薄层防渗层。2.3.按胶凝材料用量分类（1）富浆碾压混凝土坝这类坝的碾压混凝土中，胶凝材料的用量为180~250kg/𝑚3，其中混合材料占60%~75%，水胶比在0.5~0.7之间，多采用二级配。碾压混凝土的施工性能和硬化后的性能都好，尤其是层面结合质量好，有利于防渗，既可用作坝体的内部混凝土，也可用作坝体上游面防渗层。（2）中等胶凝材料碾压混凝土坝这类坝的碾压混凝土中，胶凝材料的用量为140~170kg/𝑚3，其中混合材料占50%~70%。由于胶凝材料的用量相对较少，水泥用量较低，碾压混凝土的绝热温升小，有利于温控，一般可用作坝体的内部混凝土，而在坝体上游面另设防渗层。（3）RCD坝这类坝是日本特有的，其碾压混凝土中胶凝材料的用量为120~130kg/𝑚3，其中混合材料占25%~30%，水胶比在0.7~0.95之间。由于抗渗性能不高，只用作坝体内部混凝土，在坝体上游面设置3m宽的常态混凝土作为防渗层。（4）贫浆碾压混凝土坝这类坝的碾压混凝土中，胶凝材料的用量不超过110kg/𝑚3，其中混合材料不超过30%，水胶比在0.95~1.50之间。这种碾压混凝土的强度较低，抗渗性及耐久性较差。然而作为坝体的内部混凝土，具有较好的低热性能。3.上游面的防渗结构国内外已建碾压混凝土坝设置的防渗结构型式主要有以下四类：3.1.“金包银”防渗型式所谓“金包银”防渗型式，就是在碾压混凝土坝的上游面（或同时在下游面），设置厚度至少为2~3m的常态混凝土及可靠地分缝和止水，而在坝体内部采用碾压混凝土的一种防渗型式。这种型式的防渗结构防渗性能好，可靠性高，坝体上游面附近的混凝土强度和耐久性都得到加强；但常态混凝土水泥用量大，水泥水化热温升高，特别是防渗结构的常态混凝土与主体部位碾压混凝土的施工干扰大，工程进度慢，使碾压混凝土坝的低造价、施工速度快的优越性不能得到充分发挥。3.2.在坝体的迎水面做薄型防渗体型式在碾压混凝土坝工程中，为了尽可能增加碾压混凝土的方量，避免两种不同混凝土施工的干扰，用尽量采用全断面碾压混凝土。这时只将坝体作为稳定结构，而在迎水面另做一薄型防渗体防渗。这一防渗型式具体又可分为以下几种：混凝土预制护面板后浇沥青混合料防渗，混凝土预制模板内贴薄膜防渗，坝体迎水面锚固喷涂高分子聚合物防水材料防渗，补偿收缩混凝土面板防渗。3.3.在全断面碾压混凝土坝上游面一定范围内采用二级配高标号碾压混凝土自身防渗的型式这种防渗型式的主要做法是：在坝体的迎水面一定厚度的范围采用二级配碾压混凝土，同时加大胶凝材料用量（150~250kg/𝑚3），并且在一定厚度范围内铺设一层水泥砂浆，或向碾压混凝土注一定浓度的水泥砂浆，用振动器振捣填实直至表面泛浆为止。3.4.变态混凝土防渗型式变态混凝土施工的基本原理是：在碾压混凝土摊铺层中铺洒水泥净浆或水泥掺粉煤灰净浆，使该处的碾压混凝土具有塌落度，再用插入式振捣器振实，拆模后可得到内部密实、外观理想的混凝土结构物。这种施工技术不仅能有效解决靠近模板部位的碾压混凝土碾压操作不便的问题，而且具有良好的防渗效果。4.施工的优缺点与传统混凝土坝相比，碾压混凝土坝在施工方面具有以下优点：（1）施工速度快（对高坝，每周可实现垂直上升2.5~3.0m，低坝的施工速度可以更快）。（2）设备利用率高（如卡车、推土机、振动碾等）。（3）施工费用低。（4）降低了浇筑块间的水平高差，提高了施工安全度。（5）减少了模板用量，提高了安全性。（6）取消了缆机，减少了坝肩开挖，对环境影响小。与土石坝相比具有以下优点：（1）坝体方量大幅度缩减，填筑速度相当，施工期缩短。（2）可直接在坝上设置溢洪道。（3）施工期的导流设施更简便（导流渠短、运行时间短），对围堰的要求降低。（4）压力管道和输水管道短，进水塔可紧贴坝面修建，抗震性能好。（5）填筑方量少，减小了对环境的影响，减少了施工运输量和施工灰尘。（6）施工期坝顶可以过流而不损坏。（7）每年可施工的时间更长。尽管精心设计的碾压混凝土坝与其他形式的坝型相比通常是最经济的，但是有些因素会使碾压混凝土坝变得比较昂贵。不适合修建碾压混凝土坝的坝址包括：缺乏足够可用的骨料；基岩质量差或覆盖层较厚，可能导致过量不均匀沉降；非常狭窄的河谷，岸坡陡峭，机械设备没有足够的运作空间。二.碾压混凝土坝施工技术1.骨料生产与常态混凝土坝相比，碾压混凝土坝的储料场与搅拌站的布置更为重要。而且在混凝土施工前往往需要几个大型的储料场，主要有以下原因：（1）技术设计要求，骨料在冬季生产，从而可以在较低的温度下储存。（2）在工程正式开工前，骨料加工就能启动并可全力工作。（3）在碾压混凝土浇筑过程中，骨料的使用量可能会大于骨料的生产能力。（4）当生产的骨料偶尔不符合技术要求时，可通过与大型堆料场存储的合格骨料进行混合以达到技术要求，使其得以利用。2.碾压混凝土生产碾压混凝土搅拌机的生产能力必须能够满足混凝土浇筑高速度的要求，且能够使碾压混凝土拌和均匀。搅拌机的间歇时间应尽可能少或没有，预先安排的搅拌机的维修与保养工作应仔细规划和快速完成。3.运输与摊铺3.1.碾压混凝土从搅拌站运至浇筑仓面的运输方式应用最普遍的是采用卡车直接入仓，超过50%的工程采用该运输方式；其次是采用皮带机+卡车联合运输，即先用皮带机入仓，然后用仓面卡车水平运至浇筑点；还有其他运输方式，如采用缆车入仓，再用仓面卡车运至浇筑点（该法只在RCD坝的运输中采用过）；用皮带机将混凝土直接从搅拌站运至浇筑点，该方法用在大型工程（混凝土方量大于100万𝑚3）中比较经济；用缆机吊罐将混凝土运至仓面料斗，然后用仓面卡车运至浇筑点（该法只在早期RCD坝中采用过）；用皮带机入仓，然后用装载机运至浇筑点（该法只在一些小的碾压混凝土坝中采用过，特别是在美国）。任何运输方式都有优缺点，但无论采用何种方法，选用的设备都必须使骨料分离程度保持在最低限度。在最大骨料粒径最大、工作性较低的碾压混凝土运输与浇筑过程中，骨料分离曾是严重的问题。3.2.开始浇筑坝体与基础的结合面是大坝结构中最关键的部位之一。尽管在一些碾压混凝土坝中曾直接采用碾压混凝土填充基础孔洞，并用气动式压实机将其压实，但多数情况采用常态混凝土浇筑基础形成平台，然后再开始浇筑碾压混凝土。基础常态混凝土与其上采用的碾压混凝土尽管工作性不同，但性能接近。基础垫层面积一般最少为400~500𝑚2。浇筑坝肩部分碾压混凝土时，一般要先铺垫层混凝土，即先在坝肩面上铺一层混凝土，然后再在其上摊铺碾压混凝土。在压实时，先用插入式振捣器将垫层混凝土振实，然后用振动碾将碾压混凝土与垫层混凝土层面一起压实。许多碾压混凝土坝在垫层混凝土中都掺加一定量的高效减水剂，以便在经过一定时间后具有适应振动碾碾压的工作性，从而使结合面上的碾压混凝土能够压实。3.3.摊铺在振动碾碾压之前，摊铺设备应将层面摊平，并使每层厚度合适。受碾压混凝土工作性的影响，相邻摊铺条带之间的台阶和楞会引起压实不匀和碾压混凝土质量的变化。一般在最短的时间内摊铺平整比为了精确平整而推迟压实更重要。采用“U”形刮片的推土机进行摊铺，由于其具有侧向限制的作用，可最大程度地减小摊铺过程中碾压混凝土的骨料分离。工作性好、粘聚性强的混凝土也可以减小骨料分离。在压实之前，需人工将混凝土中分析的骨料去除或者重新混合，所需人工的数量取决于混凝土的骨料分离程度及设计要求。3.4.层厚影响碾压混凝土层厚的因素有许多。在摊铺层底部能否获得足够的压实能量以使其能够与下层碾压过的混凝土良好的结合，是影响碾压混凝土层厚的一个重要因素。另一个重要因素是混凝土层面允许的最大暴露时间。每个工程都需要仔细研究以选择最佳层厚。层厚较大时意味着其允许暴露时间要求较长，层间结合面较少，从而结构中潜在的薄弱面也较少；层厚较薄则层间结合面较多，但层面暴露时间较短，层间结合好。4.碾压与常态混凝土靠振捣密实不同，碾压混凝土靠振动碾碾压密实。许多因素都会影响到碾压混凝土的碾压密实度，如最大骨料粒径、胶凝材料的用量及其种类、用水量、层厚以及采用的碾压设备等。为了获得质量优良的碾压混凝土，充分碾压是必须的。碾压混凝土主要靠外部激振力将其碾压密实，而不是依靠内部（或外部）振动和自重下沉密实，碾压混凝土摊铺之后应尽快碾压。首先要选择振动碾，在选择时应该考虑振动碾的可操作性、振动力、碾压滚筒尺寸、频率、振幅、行走速度以及所需的维护等。此外，工程规模、混凝土的工作性、层厚、推土机预压的程度以及施工空间等因素也将影响振动碾的选择。振动碾确定后，接下来需要通过碾压混凝土的工作性与层厚来确定最少的碾压遍数（碾压滚筒朝一个方向运行一次为一遍），以将碾压混凝土碾压至规定的碾压密实度。碾压混凝土碾压后的厚度应大于最大骨料粒径的3倍。应避免过度碾压，因为这可能降低碾压层上部混凝土的密实度。混凝土摊铺完成之后应尽快进行碾压，特别是在气温较高的情况下。碾压应在摊铺后15min内完成，从混凝土拌和到碾压结束的时间不得超过45min。每批碾压混凝土都有自身的碾压特性，这取决于温度、湿度、风速、碾压混凝土工作性、骨料中的细料含量、塑性、骨料级配及最大骨料粒径等因素。一般碾压后的碾压混凝土应均匀，并有较平整的表面。5.碾压混凝土层面碾压混凝土坝采用层铺施工，无法避免水平层面。层厚指压实后的厚度，层面可以是单层或多层摊