李承木,李萬(wàn)軍

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院科研所,四川 成都 610072;2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072)

經(jīng)過(guò)30多年的基礎(chǔ)理論研究和工程應(yīng)用,我國(guó)壩工界已總結(jié)出一套較為完整的外摻MgO混凝土筑拱壩技術(shù)體系,并全面掌握了MgO混凝土的物理力學(xué)性能及長(zhǎng)期膨脹變形規(guī)律[1-2]。在膨脹機(jī)理、變形性能、應(yīng)力應(yīng)變補(bǔ)償理論、施工措施、均勻性控制與檢測(cè)、安定性試驗(yàn)方法、仿真分析程序研制等方面已形成了一套完整的筑壩理論體系[3-4],并在我國(guó)四川、貴州、廣東等10多個(gè)省近50座大中型水利水電工程不同部位應(yīng)用[5],獲得了成功。其中,長(zhǎng)沙拱壩、三江拱壩、落腳河拱壩等13個(gè)拱壩工程采用了全壩外摻MgO混凝土不分橫縫或設(shè)少量誘導(dǎo)縫快速筑拱壩新技術(shù),目前均已成功建成[6],均取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在國(guó)家“十五”計(jì)劃期間,為了將MgO技術(shù)用于高拱壩,國(guó)家電力公司主持對(duì)“高拱壩MgO混凝土筑壩的關(guān)鍵技術(shù)研究及推廣應(yīng)用”課題的研究,該課題依托小灣高拱壩(壩高292m)和龍灘碾壓混凝土重力壩(壩高216.5m),在高壩設(shè)計(jì)計(jì)算方法,應(yīng)力應(yīng)變補(bǔ)償,仿真程序研制,施工組織設(shè)計(jì),溫度對(duì)全級(jí)配混凝土性能的影響,外摻粉煤灰混凝土自生體積變形的提高,MgO材料的膨脹性能及外摻工藝自動(dòng)化等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究。該科研成果為推動(dòng)這項(xiàng)筑壩新技術(shù)的發(fā)展及將其推廣應(yīng)用于100m級(jí)以上高壩創(chuàng)造了條件。長(zhǎng)期理論研究[3-4,6]和工程應(yīng)用實(shí)踐表明,MgO筑壩新技術(shù)安全可靠,目前已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。為了進(jìn)一步推廣MgO筑壩新技術(shù),制定了2個(gè)部頒標(biāo)準(zhǔn)[7-8]和2個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)[9-10],這4個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為技術(shù)保障,為全面推廣應(yīng)用該項(xiàng)新技術(shù)創(chuàng)造了條件。筆者歸納總結(jié)了采用全壩外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)建成的混凝土拱壩工程,介紹了各拱壩的工程特征、施工情況、MgO摻量、長(zhǎng)期觀測(cè)的混凝土自生體積變形、應(yīng)用新技術(shù)后的經(jīng)濟(jì)效益等基本情況,以期為類似工程提供參考。

1 外摻MgO混凝土快速筑拱壩工程

1.1 外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩工程

外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術(shù)首先應(yīng)用于廣東省陽(yáng)春市長(zhǎng)沙拱壩工程中。大壩為雙曲薄拱壩,壩高55.5m,混凝土總量為3.1萬(wàn)m3。該工程在拌和機(jī)口外摻MgO,根據(jù)溫控設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算要求,按上、中、下3部分外摻MgO,MgO摻量分別為4.5%,4.2%,3.5%。全壩不分橫縫,實(shí)行通倉(cāng)連續(xù)快速澆筑,大壩澆筑約每4d上升2.5m。長(zhǎng)沙拱壩于1999年1月6日開(kāi)始澆筑,4月5日澆至壩頂,施工期僅為 90 d。原體觀測(cè)結(jié)果表明,大壩自生體積膨脹變形多數(shù)超過(guò)160×10-6,基本滿足設(shè)計(jì)要求。工程正常運(yùn)行至今已超過(guò)12a,摻4.5%MgO混凝土的自生體積膨脹變形的平均值長(zhǎng)期穩(wěn)定在160×10-6～180×10-6之間。

長(zhǎng)沙拱壩采用外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術(shù),是溫控設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)化溫控措施的重大突破。利用混凝土自身膨脹變形補(bǔ)償混凝土溫降收縮,對(duì)簡(jiǎn)化溫控措施、加快施工進(jìn)度、保證工程質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益均十分有效。該技術(shù)的突出特點(diǎn)是:不分橫縫,分層通倉(cāng)澆筑,水平整體上升,以坯層臺(tái)階式連續(xù)滾動(dòng)推進(jìn),連續(xù)快速全天候澆混凝土(夏季也是一個(gè)很好的施工季節(jié)),不埋冷卻水管,不需封拱灌漿。該技術(shù)徹底摒棄了傳統(tǒng)修建混凝土拱壩需分橫縫,柱狀、跳塊、薄層澆筑,需封拱灌漿等諸多制約筑壩速度的施工工序,極大地加快了施工速度。大壩澆筑多采用垂直與水平運(yùn)輸兩者合二為一的施工方案。其后采用同樣技術(shù)施工的壩美拱壩和沙老河拱壩的基本情況見(jiàn)表1和表2。

需要指出的是:沙老河拱壩澆筑后不到1個(gè)月,因突受寒潮襲擊而形成過(guò)大的溫度梯度,混凝土的坍落度又太小,影響了施工質(zhì)量,使壩體產(chǎn)生了5條貫穿性裂縫(左壩肩2條,右壩肩3條,最大縫寬7～8mm)。灌漿處理后,大壩已安全正常運(yùn)行至今。

1.2 外摻MgO混凝土設(shè)誘導(dǎo)縫通倉(cāng)快速筑拱壩工程

三江拱壩工程位于貴州省貴陽(yáng)市北郊,大壩為單心圓薄拱壩,壩高 71.5 m,混凝土總量為3.8萬(wàn)m3。全壩采用在拌和機(jī)口外摻MgO混凝土施工,根據(jù)溫控設(shè)計(jì)要求和壓蒸試驗(yàn)結(jié)果,MgO摻量為4.5%,全壩實(shí)行通倉(cāng)連續(xù)快速澆筑,每個(gè)澆筑層高2.5m,采用水平整體上升,并以臺(tái)階方式連續(xù)滾動(dòng)推進(jìn)澆筑大壩混凝土。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),在澆筑大壩上部時(shí)氣溫高,溫降收縮大,導(dǎo)致兩岸坡的約束大(拉應(yīng)力超過(guò)3MPa),需要應(yīng)變量達(dá)200×10-6方可完全補(bǔ)償混凝土溫降收縮,而僅憑MgO混凝土的自生體積膨脹不能完全補(bǔ)償溫降收縮。由此提出有針對(duì)性地設(shè)置誘導(dǎo)縫,以達(dá)到釋放超標(biāo)拉應(yīng)力的目的。經(jīng)計(jì)算,需在0.7H(H為壩高)以上位置設(shè)置2條誘導(dǎo)縫。施工時(shí)在兩壩肩各設(shè)置了1條誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫采用混凝土預(yù)制板成縫技術(shù),確?；炷恋目焖偈┕?縫內(nèi)埋設(shè)重復(fù)灌漿管以便蓄水前灌漿。大壩于2002年12月13日開(kāi)始澆筑至2003年6月17日結(jié)束,歷時(shí)186d。施工中,冬季上游基坑自然進(jìn)水,除下游堆渣對(duì)壩體下部壩面進(jìn)行保護(hù)外,中上部壩面未采取任何保溫措施。

表1 各類拱壩工程混凝土的原材料及施工配合比

表2 全壩外摻MgO混凝土通倉(cāng)連續(xù)澆筑拱壩工程基本情況

原體觀測(cè)結(jié)果表明,大壩自生體積膨脹變形量長(zhǎng)期穩(wěn)定在130×10-6～160×10-6之間;2條誘導(dǎo)縫被拉開(kāi),最大縫寬4～5mm,壩體其他部位均未發(fā)現(xiàn)裂縫;拱座測(cè)縫計(jì)反映混凝土與巖石之間的裂縫多數(shù)為受壓縫,少數(shù)為張開(kāi)縫,其縫寬多在 0.1mm內(nèi),不再隨時(shí)間變化。灌漿處理后大壩已安全正常運(yùn)行至今。實(shí)踐證明,除MgO的補(bǔ)償作用外,設(shè)置誘導(dǎo)縫釋放拉應(yīng)力的作用十分明顯,達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo),保證了工程質(zhì)量。

誘導(dǎo)縫的設(shè)計(jì)主要考慮混凝土的膨脹量,而混凝土的膨脹量是溫度和齡期的函數(shù),溫度越高,膨脹量越大。考慮溫度對(duì)自生體積膨脹變形的影響,當(dāng)仿真計(jì)算膨脹量可能無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),為了釋放壩體內(nèi)過(guò)大的超標(biāo)拉應(yīng)力,有必要在兩壩肩各設(shè)置1～2條誘導(dǎo)縫。這是對(duì)外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩技術(shù)的創(chuàng)新,也是設(shè)計(jì)理念的深化和完善。三江拱壩設(shè)誘導(dǎo)縫是經(jīng)過(guò)精準(zhǔn)仿真計(jì)算后的成功典型實(shí)例,其設(shè)計(jì)方法合理,符合工程實(shí)際,值得推廣應(yīng)用。貴州省內(nèi)的幾座外摻MgO混凝土拱壩誘導(dǎo)縫的縫距在河床部位較大,一般都在100m左右;而兩岸坡壩段的縫距較小,一般為15～20m。其后采用同樣技術(shù)在廣東省修建了長(zhǎng)潭拱壩(該壩體混凝土在溫度高達(dá) 52.7℃時(shí)照常施工),在貴州省又成功修建了落腳河、馬槽河、老江底等3座混凝土拱壩,各工程的基本情況見(jiàn)表1、表2。

1.3 外摻MgO碾壓混凝土拱壩工程

貴州省息烽縣境內(nèi)的魚簡(jiǎn)河水利樞紐工程,其大壩為碾壓混凝土雙曲薄拱壩,壩高81m。根據(jù)溫控設(shè)計(jì)要求,除采用內(nèi)含高鎂膨脹水泥外,在大壩拱端還分了2條橫縫、2條誘導(dǎo)縫。實(shí)踐證明,合理分縫顯著減小了超標(biāo)拉應(yīng)力。該大壩澆筑層高2m,每層間隔時(shí)間為5～6d,連續(xù)水平整體上升,碾壓混凝土的Vc值控制在4～8s,用機(jī)械平倉(cāng)鋪料,按碾壓程序進(jìn)行碾壓,其防滲體為2級(jí)配變態(tài)混凝土,該大壩實(shí)際筑壩時(shí)間約為1a,共澆碾壓混凝土11萬(wàn)m3。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:相對(duì)密度的平均值達(dá) 98.7%～99.7%,抗壓強(qiáng)度平均值超標(biāo)達(dá)31%～45%,碾壓混凝土的自生體積膨脹變形量達(dá) 40×10-6以上。工程完工后,除 1條誘導(dǎo)縫有微小的張開(kāi)度外,其余3條均呈閉合狀態(tài),因此尚未進(jìn)行灌漿處理,大壩蓄水已安全正常運(yùn)行至今。其后采用同樣的外摻MgO技術(shù)在貴州省又修建了黃花寨碾壓混凝土拱壩,在甘肅省和新疆維吾爾自治區(qū)成功建成了龍首[11]和石門子[12]2座碾壓混凝土拱壩。此外,為了解決夏季施工問(wèn)題,在廣西壯族自治區(qū)那坡縣成功修建了那恩碾壓混凝土拱壩(壩高26m以上外摻MgO),各工程的基本情況見(jiàn)表1、表2。

朱伯芳[13]指出:為了避免目前碾壓混凝土施工在夏季多停工的現(xiàn)象,最好的辦法就是壩體采用外摻MgO混凝土施工,并建議設(shè)法提高M(jìn)gO摻量。潘家錚曾指出:現(xiàn)在夏季變成很好的澆筑季節(jié),溫度應(yīng)力可以補(bǔ)償,MgO混凝土筑壩是革命性的措施,將MgO混凝土和碾壓混凝土二者結(jié)合起來(lái),則“革命”較徹底。普定碾壓混凝土重力拱壩最好采用MgO微膨脹混凝土施工。實(shí)踐證明這些技術(shù)觀點(diǎn)都是正確的。在碾壓混凝土中外摻MgO能實(shí)現(xiàn)夏季繼續(xù)施工的目的,可加快施工速度,放寬澆筑溫度;以誘導(dǎo)縫替代橫縫,可改善混凝土質(zhì)量,提高壩體抗?jié)B能力,增強(qiáng)壩體耐久性能。因此可以認(rèn)為外摻MgO混凝土筑拱壩技術(shù)是有效的施工技術(shù)措施,所起的綜合效應(yīng)對(duì)工程有利,值得推廣應(yīng)用。

2 長(zhǎng)期觀測(cè)的拱壩混凝土自生體積變形

貴州省內(nèi)的沙老河拱壩、三江拱壩及廣東省的長(zhǎng)沙拱壩長(zhǎng)期觀測(cè)的大壩混凝土自生體積膨脹變形量列于表3中。從表3可以看出:①外摻MgO混凝土自生體積變形均隨MgO摻量的增加和觀測(cè)齡期的延長(zhǎng)而增大,并隨著溫度的增高而增大。②外摻MgO混凝土自生體積變形主要發(fā)生在最高溫升之后、有顯著的降溫之前,具有延遲微膨脹特性。大量研究結(jié)果表明,約70%的膨脹量是在7d齡期之后發(fā)生。③MgO混凝土自生體積膨脹變形是長(zhǎng)期穩(wěn)定不可逆的,其膨脹變形量是永久性的,且室內(nèi)外變形規(guī)律一致[1]。

由文獻(xiàn)[6]可知,沙老河和三江拱壩壩體混凝土早期溫度高,膨脹增量大,1a后的溫度已接近穩(wěn)定溫度場(chǎng),其膨脹發(fā)展逐年變小,到第6年和第4年分別還有2×10-6～7×10-6和5×10-6～8×10-6的膨脹增量,這對(duì)穩(wěn)定補(bǔ)償應(yīng)力極為有利。一般齡期1a以后的膨脹增量可占總膨脹量的10%左右。另外,廣東地區(qū)壩體起始溫度較高,其膨脹變形的穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)較早,通常在齡期1a后基本趨于穩(wěn)定。據(jù)文獻(xiàn)[13]計(jì)算,只要常態(tài)混凝土有100×10-6的自生體積膨脹變形,在華南地區(qū)可省去預(yù)冷骨料和冷卻水管工序而進(jìn)行通倉(cāng)澆筑;在其他地區(qū),只有當(dāng)混凝土自生體積膨脹變形量達(dá)150×10-6～200×10-6時(shí)方可省去預(yù)冷骨料和冷卻水管工序執(zhí)行通倉(cāng)澆筑,這是推廣的基本條件。

文獻(xiàn)[6]指出,全壩外摻6%的MgO的馬槽河拱壩混凝土自生體積膨脹變形量較大,1a齡期的膨脹量達(dá)120×10-6～165×10-6,其膨脹變形過(guò)程和規(guī)律也較好。因?yàn)楣こ趟盟嗟馁|(zhì)量較好且不收縮,單方膠材用量和MgO摻量都較高,這些因素有利于提高預(yù)期膨脹量。大量試驗(yàn)研究表明,膨脹量大小與水泥的質(zhì)量組成及性質(zhì)、MgO質(zhì)量及摻量、混合材料種類及摻量、環(huán)境溫度、外加劑品種、單位膠材用量、級(jí)配材料組成、施工質(zhì)量、外摻均勻性等諸多因素密切相關(guān)。

3 工程經(jīng)濟(jì)效益分析

壩高50～70m的混凝土拱壩常規(guī)施工期為2～3a,應(yīng)用新技術(shù)后的施工期僅為4～7個(gè)月;壩高100m級(jí)的混凝土拱壩常規(guī)施工期為3～4a,應(yīng)用新技術(shù)后的施工期約為1a[4]。與傳統(tǒng)筑壩技術(shù)相比,應(yīng)用新技術(shù)后壩高50～100m級(jí)的水電工程可提前1a多發(fā)揮效益。新技術(shù)的綜合經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)于建壩投資的45%以上(視工程規(guī)模和裝機(jī)容量大小而定)。經(jīng)濟(jì)效益主要體現(xiàn)在省去溫控措施(據(jù)統(tǒng)計(jì),溫控費(fèi)用占工程投資的4%～6%)、縮短工期、節(jié)省工程投資和提前發(fā)電等方面。長(zhǎng)沙拱壩、壩美拱壩、長(zhǎng)潭拱壩采用新技術(shù)后分別提前投產(chǎn)14個(gè)月、12個(gè)月、14個(gè)月,所取得的經(jīng)濟(jì)效益見(jiàn)表4。

采用MgO混凝土并適當(dāng)進(jìn)行表面保溫和養(yǎng)護(hù),有利于解決混凝土壩的開(kāi)裂問(wèn)題,可全部或部分取代傳統(tǒng)的溫控措施,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)塊、厚層、通倉(cāng)連續(xù)澆筑,可以全天候施工,夏季也是一個(gè)很好的施工季節(jié),從而大幅度降低工程造價(jià),簡(jiǎn)化施工工藝,縮短工期,具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。據(jù)統(tǒng)計(jì),小型水電站工程提早發(fā)揮的效益相當(dāng)于壩體投資的30%以上。發(fā)電站裝機(jī)容量越大,其經(jīng)濟(jì)效益越顯著。貴州落腳河水電站由于澆筑拱壩時(shí)采用了新技術(shù),縮短了1a工期,獲得提前發(fā)電等各項(xiàng)直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1365萬(wàn)元。貴州東風(fēng)電站高拱壩基礎(chǔ)回填處理工程采用外摻MgO混凝土施工,減少了分縫分塊,不僅在一個(gè)汛期提前完成了混凝土澆筑任務(wù),而且為工程節(jié)約了1a施工期,為國(guó)家避免了2.04億元的電能損失,其間接經(jīng)濟(jì)效益則更為顯著。某高拱壩壩高 292 m,底寬 73m,電站裝機(jī)容量為420萬(wàn)kW,年發(fā)電量為 188.9億kW·h。若在壩基36m強(qiáng)約束區(qū)采用MgO混凝土快速施工,至少可提前1a發(fā)電,可產(chǎn)生 66億元的電價(jià)收益,簡(jiǎn)化(或取消)溫控措施可節(jié)約工程費(fèi)約20億元,再加上縮短施工工期所節(jié)省的開(kāi)支、減少的貸款利息等,預(yù)計(jì)可獲得經(jīng)濟(jì)效益近100億元。

表3 大壩混凝土的自生體積膨脹變形量

表4 外摻MgO混凝土工程效益

4 結(jié) 論

a.采用外摻MgO混凝土快速筑拱壩技術(shù)施工,具有不分橫縫或設(shè)少量誘導(dǎo)縫,分層通倉(cāng)澆筑,水平整體上升,連續(xù)快速全天候澆混凝土,不埋冷卻水管,不需封拱灌漿等優(yōu)點(diǎn)。該施工技術(shù)已被實(shí)踐證明是成功的,并能獲得較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益,值得推廣應(yīng)用。

b.該項(xiàng)新技術(shù)涉及混凝土材料試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、施工、原體監(jiān)測(cè)等多方面,尤其要重視材料試驗(yàn),它為設(shè)計(jì)、施工、仿真分析提供基本資料,因此十分重要,應(yīng)提前開(kāi)展材料試驗(yàn)工作。

c.將該項(xiàng)新技術(shù)用于高壩理論上是成熟的,關(guān)鍵是要把好施工技術(shù)關(guān),精心施工,并提高M(jìn)gO材料的質(zhì)量及膨脹性能,使混凝土自生體積膨脹量達(dá)到150×10-6～200×10-6,便可在各類混凝土壩中全面推廣應(yīng)用。

:

[1]李承木.MgO混凝土自生體積變形的長(zhǎng)期研究成果[J].水力發(fā)電,1998(6):53-57.

[2]李承木.外摻MgO混凝土的基本力學(xué)與長(zhǎng)期耐久性能[J].水利水電科技進(jìn)展,2000,20(5):30-35.

[3]陳其武,李曉新.氧化鎂混凝土筑壩技術(shù)文集[C].北京:電力工業(yè)部,水利部,水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院,1994.

[4]劉振威.外摻MgO混凝土不分橫縫快速筑拱壩新技術(shù)應(yīng)用研究成果總報(bào)告[R].廣州:廣東省水利廳,2005.

[5]李承木,袁明道.外摻MgO微膨脹混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用綜述[J].水利水電科技進(jìn)展,2003,23(6):57-63.

[6]貴州省水電設(shè)計(jì)院,貴州省水利廳,貴州中水建設(shè)項(xiàng)目管理公司,等.全壩外摻MgO微膨脹混凝土快速建拱壩技術(shù)應(yīng)用研究成果匯編[R].貴陽(yáng):貴州省水電設(shè)計(jì)院,2008.

[7]WJM0035—1994 水利水電工程輕燒氧化鎂材料品質(zhì)技術(shù)要求[S].

[8]WJM 0023—1995 氧化鎂微膨脹混凝土筑壩技術(shù)暫行規(guī)定[S].

[9]DB44/T 703—2010 外摻氧化鎂混凝土不分橫縫拱壩技術(shù)導(dǎo)則[S].

[10]DB52/T 720—2010 全壩外摻MgO混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范[S].

[11]楊家修,崔進(jìn),張世杰.龍首水電站碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電,2001(10):15-17,41.

[12]劉光廷,李鵬輝,胡昱,等.塔西河碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)及施工期蓄水措施[C]//碾壓混凝土筑壩技術(shù)國(guó)際會(huì)議論文集.成都:中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì),1999.

[13]朱伯芳.論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2000(3):1-13.