混凝土重力坝筑坝材料的分区设计

混凝土重力坝筑坝材料的分区设计摘要：重力坝除要求材料有足够的强度外，还应根据大坝工作条件、地区气候等具体情况，分别满足耐久性（包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗侵蚀）和低热性等。

根据混凝土重力坝不同部位的工作条件及受力条件，将坝体分区，选用不同强度等级和性能的混凝土，以节约和合理使用水泥。

关键词：混凝土重力坝；碾压混凝土重力坝；坝体分区；分区设计前言混凝土重力坝是指用混凝土浇筑的，主要依靠坝体自重来抵抗上游水压力及其它外荷载并保持稳定的坝。

由于混凝土所使用的胶凝材料主要为水泥,在我国水泥的生产走的是一条高能耗、高资源消耗、高污染的道路，是环境污染严重、生态破坏较大的行业之一；水泥的大量使用也会造成工程的成本增加；在大坝的某些部位，混凝土的材料强度也未能得到充分的使用；而水泥本身所具有的水化发热性质，也是大体积混凝土产生裂缝的主要原因。

面对这些问题，混凝土重力坝筑坝材料的分区设计也就应运而生。

分区设计的主要目的是在保证大坝各项性能达到设计要求的情况下，减少水泥用量、降低工程投资、减少因水泥缺点产生的工程问题，达到既经济又环保的目的。

正文重力坝除要求材料有足够的强度外，还应根据大坝工作条件、地区气候等具体情况，分别满足耐久性（包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗侵蚀）和低热性等。

根据混凝土重力坝不同部位的工作条件及受力条件，将坝体分区，选用不同强度等级和性能的混凝土，以节约和合理使用水泥。

一般可分为5个区，见图-1：图-1坝体混凝土分区图Ⅰ区：上游库水位及下游库水位以上坝体表层混凝土，主要受大气的影响，要求该层要有较高的抗冻性，耐久性。

该区在大坝运行过程中常年处于干燥状态中，但因常与大气接触，要求该层要有较高的抗冻性、耐久性。

该区混凝土的抗冻等级因大坝受阳光照射时间的的长短有阴面和阳面之分而不同，根据现行《DL-T 5057-1999 水工混凝土结构设计规范》（4.4.6）要求：混凝土的阳面部位，严寒地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F200，年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F150；寒冷地区抗冻等级不低于F200；温和地区抗冻等级不低于F50。

混凝土的阴面部位，严寒地区抗冻等级不低于F200；寒冷地区抗冻等级不低于150；温和地区抗冻等级不低于F50。

耐久性方面，根据现行《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》（8.5.6）要求：严寒和寒冷地区混凝土最大水灰比不得大于0.55，温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.60。

Ⅱ区：上、下游水位变化区的坝体表层混凝土，既受水的作用也受大气的影响，要求该层有较高的抗冻和抗裂性。

该区上、下游水位变化区的坝体表层混凝土，受水位变化的影响较多，在寒冷地区的冬季，冰冻对混凝土造成的破坏非常严重，所以对该区混凝土的抗冻性有严格的要求。

根据现行《DL-T 5057-1999 水工混凝土结构设计规范》（4.4.6）要求，严寒地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F300，年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F200；寒冷地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F200，低于100次的不低于F150；温和地区抗冻等级不低于F50。

根据现行《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》（8.5.6）要求：严寒和寒冷地区混凝土最大水灰比不得大于0.45，温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.50，在环境水有侵蚀性情况下，应选择抗侵蚀性能较好的水泥，水下混凝土的水灰比可减少 0.05。

Ⅲ区：上、下游最低水为以下坝体表层混凝土，受水的作用，要求该层有较高的强度和抗冻、抗裂性。

该区混凝土因长年浸泡在水下，受水压力的作用，会产生大量的渗流，对坝体的安全稳定运行造成不利的影响。

根据现行《DL-T 5057-1999 水工混凝土结构设计规范》（4.4.5）要求，大坝混凝土挡水面的抗渗等级应符合下列要求：H<30,混凝土抗渗等级不得低于W4；H=30～70，混凝土抗渗等级不得低于W6；H=70～150，混凝土抗渗等级不得低于W8；H>150，混凝土抗渗等级不得低于W10；当结构表层设有专门可靠的防渗层时混凝土抗渗等级可适当降低，当处于严寒寒冷地区且水力梯度较大时其抗渗等级应按规定提高一个等级。

根据现行《DL-T 5057-1999 水工混凝土结构设计规范》（4.4.6）要求，大坝混凝土挡水面的抗冻等级：在寒冷地区，混凝土抗冻等级也不得低于F50；在无抗冻要求的地区，混凝土抗冻等级也不宜低于F50。

根据现行《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》（8.5.6）要求：严寒和寒冷地区混凝土最大水灰比不得大于0.50，温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.55，在环境水有侵蚀性情况下，应选择抗侵蚀性能较好的水泥，水下混凝土的水灰比可减少 0.05。

对于碾压混凝土重力坝会综合考虑Ⅱ区、Ⅲ区的材料分区要求，上游坝面的分区应与防渗层结构相结合考虑。

当上游防渗层采用常态混凝土防渗层、富胶凝材料碾压混凝土防渗层、加膨胀剂的补偿收缩混凝土防渗层时，其厚度和抗渗等级应满足坝体防渗要求（防渗层宜优先采用二级配碾压混凝土，其抗渗等级的最小允许值为：H＜30m时，W4；H=30m～70m时，W6；H=70m～150m时，W8；H＞150m时，应进行专门试验论证；二级配碾压混凝土防渗层的有效厚度，宜为坝面水头的 1/30～1/15，但最小厚度应满足施工要求。

二级配碾压混凝土防渗层上游表面采用变态混凝土时，变态混凝土的厚度宜为30cm～50cm，最大厚度不宜大于 100cm）[2]。

当采用沥青材料、合成橡胶、聚氯乙烯防渗层时，其厚度应根据抗渗性、耐久性、变形特性及与混凝土面的结合情况，由试验及已有经验确定[5]。

下游坝面应根据溢流与水位变幅情况，按防渗、防冲、防蚀、防冻等要求设置保护层。

有抗A 含量宜低于5%，水胶比宜小于 0.45，并应进行试验论证。

侵蚀性要求时，水泥中 C3Ⅳ区：与地基接触的底层混凝土，受上部坝体自重和渗透扬压力作用，要求该部位有较高的强度和抗裂性。

该区作为坝体的基础混凝土，向坝基传递坝体所承受所外荷载和自重，也受到坝基渗透水流产生的扬压力作用和水中化学物质的侵蚀，这就要求基础混凝土有很好的强度和抗侵蚀能力，作为大体积混凝土的一部分亦不可忽略混凝土的低热性。

根据现行《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》（8.5.3），选择混凝土标号时，应考虑由于温度、渗透压力及局部应力集中所产生的拉应力、剪应力或主应力，坝体内部混凝土的标号不应低于 R100；混凝土抗渗等级不得低于W2，承受腐蚀水作用时其抗渗等级应进行专90门的试验研究，但不得低于W4；根据大坝混凝土耐久性要求（8.5.6），严寒和寒冷地区混凝土最大水灰比不得大于0.50，温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.55。

在碾压混凝土重力坝中，坝体基础混凝土，应采用常态混凝土，其厚度可根据基础开挖起伏差、温度控制及基础灌浆要求确定。

近年来建造的碾压混凝土坝，其基础垫层在河床部位采用常态混凝土，在岸坡部位则常采用变态混凝土，如江垭、棉花滩、大朝山等工程。

由于在岸坡部位采用变态混凝土基础垫层，施工较方便，其初凝时间易与坝体碾压混凝土协调，且易使变态混凝土区域与碾压混凝土区域能良好过渡结合[5]。

碾压混凝土坝基础垫层在达到找平目的以满足碾压作业的前提下不宜太厚，这对大坝温度控制及尽快转入碾压混凝土施工、加快施工进度是比较有利的。

因此，规定碾压混凝土垫层厚度不宜大于1m。

Ⅴ区：坝体内部混凝土；Ⅴ区混凝土体积庞大，虽然各种性能都不作过高要求，但该区混凝土设计的好坏几乎能决定大坝的整体性和寿命，原因就在于水泥水化发热。

在早期人们并没有认识到这一点，也没有采用专门的措施，结果在坝体中出现了严重的裂缝，破坏了结构的整体性，影响了其寿命、安全和正常使用。

经研究证实，由于水泥在凝固过程中产生大量的热量，使混凝土温度急剧上升，再逐渐冷却收缩，相应地产生了体积变化及温度应力，在条件不利时便会导致开裂。

为了解决这一难题，人们在实践中逐渐总结了一些措施：如柱状快浇筑，通仓浇筑等方法。

从筑坝材料来讲，改善原材料的性质是重要的解决方法，采用低水化热的大坝专用水泥，采用合适的外加剂（如减水剂）和掺合料，尽量减少单位水泥用量，目前许多常态混凝土的平均单位水泥用量已降至150kg左右，最低的达100kg左右。

在《碾压混凝土坝设计规范》（SL314-2004）（7.0.1）中，碾压混凝土的总胶凝材料用量不宜低于130kg/m3；要求胶凝材料中掺合料所占的重量比，在内部碾压混凝土中不宜超过总胶凝材料的65%；在60、70年代由于生产力落后，在以人力为主施工的工程中，曾采用埋设块石，减少混凝土用量，由于埋石対石料的要求较高，在实际施工过程中耗时耗力且不易达到设计要求，该项措施逐渐被三、四级配混凝土替代。

还有的部门在研究采用低热微膨胀水泥浇筑大坝，利用水泥的轻微膨胀性来消除温度拉应力[3]。

根据现行规范《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》，在抗渗方面，坝体内部抗渗等级不得低于W4；在强度方面，坝体内部混凝土的标号不应低于R90100；根据混凝土耐久性要求，严寒和寒冷地区混凝土的水灰比不宜大于0.65，温和地区不宜大于0.65。

Ⅵ区：抗冲部位（如溢流面、泄水孔、闸墩、导墙等处）的混凝土，受高速水的作用，要求该部位要有高强度，抗冻、抗冲刷、抗侵蚀性；Ⅵ区泄水建筑物的高速水流区，应注意下列部位或区域发生空蚀破坏的可能性：1.进出口、闸门槽、弯曲段、水流边界突变处；2.反弧段及其附近；3.异形鼻坎、分流墩；4.溢流坝面和泄水孔壁流速大于 20m/s的区域。

在大量的工程实践中工程人员通过改善建筑物的体型、控制表面的平整度、掺气减蚀等措施起到了一定作用，在建造时采用合适的材料，提高材料的抗蚀性能，效果也是相当明显的，试验表明，提高混凝土的标号和容重，不掺用混合料，可以提高抗磨能力，同时也提高抗空蚀能力。

因此在承受高速水流有可能产生空蚀的部位的表层混凝土，采用高标号的抗磨抗蚀混凝土，混凝土力求密实，骨料不宜太大，表面确保平整，但所需水泥标号较高，用量较大，要注意表面开裂[3]。

根据现行规范《SL319-2005 混凝土重力坝设计规范》（8.5.8）要求，高速水流区的混凝土应采用具有抗冲耐磨性的低流态高强度混凝土或高强硅粉混凝250。

；当采用耐磨材料（如高分子材料、铸石或土，过流表面的混凝土标号不应低于 R28钢材等）衬护时，应与混凝土可靠结合。

在严寒和寒冷地区混凝土的水灰比不宜大于0.45，温和地区水灰比也不宜大于0.45。

Ⅵ区混凝土在抗冻方面也要有相应的要求，根据《DL-T 5057-1999 水工混凝土结构设计规范》(4.4.6)要求，严寒地区抗冻等级不低于F300；寒冷地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F300，低于100次的不低于F200；温和地区抗冻等级不低于F100。