坝工技术新进展

坝工技术新进展水工及水力学专业委员会

1　概况

新中国成立半个世纪来,福建坝工建设突飞猛进,已建成坝高大于15m、库容百万立方米以上的水库3千多座。建国初期就高起点兴建了一批大中型水库,具代表性的有东张水库(混凝土坝,库容1199亿m3)、东圳水库(心墙土石坝,库容4135亿m3)以及1959年建成的闻名全国的古田溪一级水电站(混凝土宽缝重力坝,高71m,库容6155亿m3)。60年代掀起群众性兴修水利和小水电建设高潮,1972年建成山美水库(心墙土石坝,高7515m,库容6156亿m3),1980年建成池潭水电站(混凝土坝,高7815m,库容8153亿m3,坝后溢流式厂房)。70年代建成的仙游东溪、福鼎南溪等砌石拱坝成功采用细骨料混凝土砌块石,取消了专门防渗结构,促进了我省砌石坝技术高水平发展。80年代随着改革开放进程,福建推广应用坝工新技术在全国一马当先,建成了我国第一座碾压混凝土坝———大田坑口坝,获国家科技进步一等奖。90年代利用世界银行贷款建成了装机140万kW 的水口水电站,宣告我省跨入了有能力兴建坝高超百米、装机超百万千瓦的具有国际先进水平的大型水电站行列。与此同时,居当今世界坝工新潮的碾压混凝土坝和混凝土面板堆石坝(以下称“面板坝”)以及薄拱坝等新技术在我省得到普及性推广应用。近期建成的超百米高的棉花滩碾压混凝土坝和芹山面板坝,将进一步推动我省坝工建设在新世纪的发展步伐。

经统计,全省70m以上的高坝计14座,其中百米以上3座;库容1亿m3以上17座,1千万m3～1亿m3126座;常规混凝土坝30座、碾压混凝土坝9座(其中2座部分采用)、面板坝4座、坝高15m以上的砌石坝578座,其中砌石拱坝367座,除以上坝型外,其余大多为土石坝。

我省已建成的最高坝为122m的芹山面板坝;碾压混凝土坝以棉花滩碾压混凝土坝为最高,达111m;溪柄溪碾压混凝土薄拱坝坝高6315m,为我国碾压混凝土薄拱坝坝高之最;砌石拱坝以桑园坝为最高,达8812m;我省土石坝数量最多,其中以山美水库大坝为最高,达7515m;而控制流域面积最大(5124万km2)、总库容最大(26亿m3)、装机容量最大(140万kW)均属水口水电站。

福建坝工技术总体处于国内较先进水平。2　混凝土重力坝技术进展

在我省高坝中以常态混凝土重力坝居多,它虽然不断受到坝工新技术的挑战,但注入新技术仍能使传统的坝型青春焕发。

211　动态温控、取消纵缝

为控制重力坝大体积混凝土温度,采用常规技术,往往投资高、难度大且效果不理想。南一水库坝高9618m,突破常规,运用动态温控新技术后,在采用综合简易温控措施条件下,取消坝体纵缝,全年施工,坝体没有出现裂缝。主要技术特点如下:

21111　动态控制入仓温度

传统温控对混凝土温差基本采用固定控制标准,一般混凝土入仓温度需控制在20℃以下。动态温控考虑混凝土坝坝址一般较狭窄,不同坝块的高度和底宽差别很大,应区别坝块基础约束性态的差异,充分考虑混凝土的自身体积变形效应和混凝土经长期约束及松驰的性态变化,利用坝基岩石热容量的调整潜力,结合混凝土浇筑时的外部因素等,分别控制混凝土入仓温度。据南一坝的理论推导和实践应用,其值可提高到20℃～27℃。

21112　综合考虑入仓温度

考虑新浇筑混凝土热容量交换的因素,温控不限于控制每立方米混凝土入仓温度,而是以每3m浇筑层或每浇筑72h的平均温度为准。利用夏季昼夜温差大,将大部分混凝土安排在夜间低温时段施工。据南一大坝施工经验,此举可降低混凝土日平均入仓温度约2℃。

21113　优化混凝土配比

南一坝混凝土采用加大粉煤灰的掺量(掺入量为胶凝材料的30%～40%),减少水泥用量,降低水化热温升,同时选用了使混凝土自身体积变形具有微膨胀特性的水泥,抗裂效果显著。

21114　采取综合简易温控措施

南一坝采取上述措施后在高温季节施工,混凝土入仓温度仍会超过控制值,但差距已明显缩小,温控难度降低。夏季高温施工时,对混凝土生产全过程采取了简易综合温控措施,并配置了小容量的冰屑制冷设备,效果很好。

南一水库常态混凝土重力坝由于采用了多项新技术,运

行多年表明:工程质量优良,效益显著。获省科技进步二等奖。

212　掺氧化镁微膨胀混凝土技术

水口大坝7#～15#坝段基础部位必须在夏季浇筑,经采用外掺氧化镁微膨胀混凝土技术,使混凝土浇筑温度可较原设计提高6℃～8℃,为简化夏季混凝土施工工艺、加速大坝施工创造了条件。

213　压力钢管设置压缩垫层

水口水电站坝内引水压力钢管设计内水压力017MPa。由于钢管的下游水平段和弯管段覆盖混凝土厚度仅2125m～410m,为改善坝体受力状态,提高坝体抗裂安全度,在距钢管上游进口端约20m以下至蜗壳进口钢管段的上半周设置厚度为3cm的软垫层。采用设置压缩垫层方案,不仅保证了管周坝体混凝土结构的安全,还节约了钢管周围坝体的大量配筋。该成果获部科技进步二等奖。

214　预应力闸墩

水口水电站溢流坝采用12扇15m×22m弧形闸门,每个闸墩承受4320t的巨大推力。闸墩采用预应力结构,既提高了结构的安全度,又节省了投资,为今后大吨位预应力闸墩设计提供了经验。该成果获部科技进步三等奖。

215　其它

20世纪70年代建成了高92m的安砂水电站混凝土重力坝,坝基为构造复杂的沉积岩,普遍存在千枚岩、糜棱岩等软弱夹层,采用了深30m～40m厚2m的混凝土坝基防渗墙,至今效果良好。80年代建成了结构较复杂的坝后厂顶溢流的池潭水电站混凝土高坝。

3　碾压混凝土筑坝技术进展

1986年福建出色地建成了坝高5618m的我国第一座碾压混凝土坝。作为“国家重点工程性试验项目”,在成果鉴定书中确认:“……坑口试验坝,就其高度而言在目前世界上已建成的碾压混凝土坝中居第二位,采用高掺量粉煤灰混凝土,全断面碾压、连续浇筑等新工艺达到国际水平,具有我国自己的特点”。

目前福建已建成碾压混凝土坝9座,其数量一直居全国之首。福建碾压混凝土筑坝技术,在起步时就具鲜明特色,至今仍具有较高水平。

311　防渗结构

福建碾压混凝土坝基本没有采用常态混凝土面层,即“金包银”的防渗模式,先期建的几座都是采用不同结构的防渗面层,后来跟踪国内趋势采用二级配碾压混凝土面层防渗。

31111　沥青砂浆防渗

我国第一座碾压混凝土坝———坑口坝,采用沥青砂浆防渗,层厚6cm,外侧为钢筋混凝土预制板,既作为沥青砂浆施工模板,又能和沥青砂浆层共同保护碾压混凝土以减少温度冲击而产生裂缝。运行多年表明,大坝总渗漏量稳定在0176L/s以下。这是我省较为成功的防渗结构。

31112　补偿收缩混凝土防渗

我国第二座碾压混凝土坝———龙门滩坝,采用整体式补偿收缩混凝土刚性面板防渗层。面板厚度按水头分段采用0125m～016m,在碾压混凝土坝形成后,立模浇筑补偿收缩混凝土。设计抗渗标号S12,内掺U EA膨胀剂14%～1715%。为保证均匀有效的约束,沿坝面长度方向配置钢筋网,并用锚筋锚固在坝体中。龙门滩坝体与面板均不分横缝。该面板又与坝体刚性衔接,面板在坝端0+053出现贯穿裂缝,缝宽011mm～112mm,经处理后坝体总漏水量已稳定在112L/s左右。

31113　混凝土预制块防渗

水东坝在上游坝面采用混凝土预制块防渗层。预制块用水泥砂浆砌筑。缝的上游侧预留深的勾缝槽,内侧用石棉水泥捣实,外表用丙乳水泥砂浆勾缝,竖缝端面还留槽扩大填塞石棉水泥。预制块与坝体碾压混凝土施工同步上升,既成为模板,又能保护碾压混凝土减少温度冲击。但预制块砌筑工艺不理想,且坝体碾压混凝土高温期连续施工不分缝,导致发生贯穿性裂隙,蓄水初期渗漏较大,经处理已减至3L/s 左右。

31114　二级配碾压混凝土防渗

我国自建成普通碾压混凝土拱坝后,二级配碾压混凝土自身防渗在国内迅速推广应用。我省山仔、涌溪三级、棉花滩等重力坝和溪柄溪薄拱坝都采用了这种模式。棉花滩碾压混凝土高坝,上游坝面防渗采用二级配富胶凝碾压混凝土,高程143m以上为2m等厚(约为水头的1/15),以下渐变,坝基最大厚度为7m,其中上游30cm～50cm采用变态混凝土,即在二级配碾压混凝土中再在现场掺加6%(体积比)的浆液。另外溢流堰顶以下,在坝面喷涂6mm厚的PCCM 聚合物水泥砂浆辅助防渗层。

这些坝,特别在防渗面层,都不同程度产生裂缝,经处理后渗漏水量均降到稳定正常状况。该防渗结构具有施工简便,防渗较好,坝面美观等优点。但由于面层水泥用量较大,拆模后直接暴露的面层混凝土和大的横缝间距,不能适应因温度冲击而产生裂缝的环境。

福建碾压混凝土坝采用的多种防渗结构具有特色。设置独立防渗结构的技术路线是要求众多的碾压层间以及碾压混凝土本身在现场施工中都达到设计抗渗指标,这就难以充分发挥碾压混凝土新工艺的优越性。如果能像混凝土面板堆石坝那样,将坝体防渗和承受荷载的功能基本分开,并探索适应碾压混凝土工艺的可靠防渗结构,就有可能进一步简化防渗面板后面大体积坝体的施工工艺。