（水工结构工程专业论文）碾压混凝土坝上下游防渗结构型式研究.pdf

摘要 本文在总结文献研究成果的基础上，针对碾压混凝土坝的主要渗流问题，利用有 限单元法理论，结合一定的工程实践，围绕碾压混凝土坝渗流特性及渗控方案等进行 了详细的分析研究： ( 1 ) 碾压混凝土的渗流特性及室内外试验的研究。主要从室内r c c 试块试验和现 场压水试验入手，对r c c 的渗流特性进行了进一步的阐述。通过对其渗流特性的研究， 找出r c c d 中的一些要注意的敏感性问题，为实际工程建设与安全运行服务。 ( 2 ) 开展碾压混凝土坝渗流场的有限单元法研究工作，编制完成碾压混凝土坝三 维渗流场计算程序。根据碾压混凝土坝成层施工的特点，严密地模拟坝体中对于渗流 场分布起重要作用的排水管和由成层施工形成的层面及缝面的渗流作用，解决渗流场 自由面位置确定问题以及排水孔穿过自由面时的渗流场求解等问题，实现精细定量的 求解与分析碾压混凝土坝中大坝渗流场特性、渗流量汁算等问题。 ( 3 ) 碾压混凝土坝的防渗与排水结构对于大坝的安全与稳定极为重要，本文研究 ，碾压混凝土坝上下游防渗结构特点以及排水结构的布置形式，根据碾压混凝土坝的 渗流特性，拟定碾压混凝土坝上下游面的防渗结构。 ( 4 ) 河谷过宽，坝轴线过长碾压混凝土坝就必须设缝。当止水断裂时由于碾压混 凝土坝的层面相对强透水性，必然导致碾压混凝土坝横缝处坝体的入渗流量和扬压力 增加。本文论证了碾压混凝土坝横缝处理。 关键词：渗流理论、有限单元法、排水予结构、变态混凝土、强渗透各向异性、上下 游防渗结构、横缝。 a b s t r a c t a i m i n g a tt h em a i np r o b l e mo fs e e p a g ei nr c c d ，c o m b i n i n gs o m ep r o j e c tp r a c t i c e s a n dl i t e r a t u r e sr e s e a r c h ，t h ea u t h o rh a sm a d eap a r t i c u l a ra n a l y s i sa n dr e s e a r c hi nt h eb a s i s o ft h ef e mt h e o r y , m a i nw o r k a r ea sf o l l o w s ： 1 t h ea n a l y s i so f t h es e e p a g ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee x p e r i m e n t so f b o t hi nl a b o r a t o r y a n di ns i t ea r es h o w e dh e r et h ea u t h o rh a ss t a r t e dt h er e s e a r c hw i t | le x p e r i m e n t so fr c c s a m p l e s f r o mb o t hi n l a b o r a t o r y a n di n s i t e t h r o u g h t h e s t u d y o ft h e s e e p a g e c h a r a c t e r i s t i c s ，s o m es e n s i b l ep r o b l e m so f r c c d h a v eb e e nf o u n do u t a n dk n o w i n gt h e s e p r o b l e m s h a sp r o f o u n dm e a n i n g 2 b a s e do nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，t h ea u t h o rc o m p i l e st h et h r e e d i m e n s i o n a l s e e p a g ef i e l dc o m p u t a t i o np r o g r a mo fr c c d a m i nt h ep r o g r a m ，t h er c ci n t e r v a l sa n d d r a i n a g eh o l e sa r es i m u l a t e d w h i c ha r ev e r yi m p o r t a n tt ot h es e e p a g ef i e l dd i s t r i b u t i o n ，a n d t h ec o m p l i c a t e dp r o c e s si sp u tf o r w a r dw h e n d r a i n a g eh o l ea n de x i ts u r f a c ei n t e r s e c t ，a n d s oo ns o ，t h ea u t h o rc o u l dr e s e a r c ha n ds o l v et h er c c d a m s s e e p a g e c h a r a c t e r i s t i c sa n d s e e p a g ef l o wa c c u r a t e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y 3 i ti s v e r yi m p o r t a n tf o rt h ed a ms t a b i l i t ya n ds a f e t yt oh a v et h ei m p e r v i o u sa n d d r a i n a g e s t r u c t u r eo fr c c d b a s e do nt h e i m p e r v i o u ss t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c o nt h e u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m a n dt h el a y o u to f d r a i n a g es t r u c t u r e ，a n dt h es e e p a g ep r o p e r l yo f r c c d ，t h ei m p e r v i o u ss t r u c t u r e so nt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a ma r ec a r r i e do u ti nt h i s p a p e r 4 i ft h ef i v e rv a l l e yi st o ow i d ea n dd a ma x i si st o o l o n g ，t h et r a n s v e r s ej o i n t so f r c c dm u s tb ep r e f o r m e d i ft h es e a l i n gc o m p o u n d sa r er i p p e d ，t h eq u a n t i t yo f s e e p a g e a n d u p l i f to n t h et r a n s v e r s e j o i n t sw i l li n c r e a s eb e c a u s eo f t h er e l a t i v es t r o n gp e r v i o u s n e s s o nt h eb e d d i n gs u r f a c eo f r c c d k e y w o r d s ：t h e o r yo fs e e p a g e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，d r a i n a g es u b s t r u c t u r e ， e n r i c h v i b r a t e d r c c ，s t r o n ga n i s o t r o p yo fs e e p a g e ，s e e p a g ep r e v e n t i o n s t r u c t u r e so nt h eu p s t r e a ma n dd o w n s t r e a m 学位论文独创性卢明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究【作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方 外，沦文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同j ： 作的l 一事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表_ ：了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 垂提巧年弓月场口 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 予义梢，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允 许沦文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 盎墨够年l 弓月够日 第一章结论 第一章绪论 1 1 碾压混凝i n 的发展简史旧，3 7 5 3 5 5 】 碾压混凝上坝( r o l l e rc o m p a c t e d c o n c r e t ed a m 缩写为r c c d ) 是将常态混凝土 的结构和碾压土石坝的施工等优点集于一体，具有节约水泥用量、简化施2 1 2 1 艺、施 工速度快和工程造价低等优点。2 0 世纪7 0 年代，许多国家对碾压混凝土筑坝技术进 行了理论研究和科学试验。碾压混凝土坝现已成为世界坝工建设领域中最受喜爱的新 坝型之一。 碾压混凝土技术最早在1 9 6 0 年使用于我国台湾塞门坝施工围堰的防渗心墙。随 即在意大利于1 9 6 5 年在北部修建了阿尔普格拉重力坝( a l p eg e r a ) 。它是用自卸一 车从拌和厂运输混凝土并直接在坝面卸料，用推土机平仓，像土石坝施工一样，坝体 从河床一岸到另一岸全线同时浇筑上升，用悬挂于推土机后部的插入式振捣器进行振 捣，用切缝机切割振捣后的漫凝土，在坝体规定位置形成横缝。 1 9 7 0 年美国加州大学柏克利分校的杰罗姆拉斐尔( j m r a p h a e l ) 教授在“最优 重力坝”论文中建议将土石坝碾压施工方法引用到混凝土坝上，初步提出了掺土水泥 理论及其应用方法，以提高施工速度和节省水泥用量。1 9 7 0 年第1 0 届国际大坝会议 上p a t o n 说：“如果将干贫混凝土用作重力坝的内部混凝土，就能修筑经济的大坝。” 提出了碾压混凝土筑坝的概念。 1 9 7 2 1 9 7 3 年，美国陆军工程师团在艾克溪( e l kc r e e k ) 坝和劳斯特溪( l o s t c r e e k ) 坝分别作碾压混凝土现场试验。1 9 7 4 年巴基斯坦在塔贝拉工程用碾压混凝土 快速修补土坝上游铺盖和隧洞顶崩塌的山岩，日平均浇筑强度达8 4 0 0 m 3 ，最大日浇 筑强度达l8 万m 3 ，足以证明碾压混凝土快速施工的可行佼。 世界上第一座用振动碾碾压坝体混凝士进行筑坝的是1 9 7 8 年9 月在日本岛地川 坝。该坝为高8 9 m 的碾压混凝土重力坝，体积3 1 7 0 0 m 3 ，于1 9 8 0 年建成。岛地川坝 的建设创立了r c d 施工方法。该法的特点是采用碾压混凝土作为坝体内部拌和物， 坝体四周用常态混凝土起防渗作用，坝体碾压混凝土的胶凝材料用量为1 2 0 k g m 3 , 其 中粉煤灰占3 0 。压实层厚度5 0 c m 和7 0 e r a 。每一压实层碾压完毕后，停隙1 3 天 再继续浇筑上升。以切缝机形成坝体横缝。 1 9 8 2 年美国建成了世界上第一座全碾压混凝土重力坝一柳溪坝。该坝高5 2 m ， 涧海大学硕士学位论文 坝轴线长5 4 3 m ，不设纵横缝。内部碾压混凝土胶凝材料仅用6 6 k g m 3 ，压实层厚3 0 c m t 连续浇筑上升。3 31 万m 3 的碾压混凝土在不到5 个月内完成，比常态混凝土缩短工 期1 1 5 年。造价只有常态混凝土重力坝的4 0 左右和堆石坝的6 0 左右。柳溪坝 充分显示了碾压混凝土坝所具有的快速和经济的巨大优势。它的建成大大的雄动了碾 压混凝土坝在美国和世界各国的迅速发展。 我国的碾压混凝土筑坝技术，是在8 0 年代吸收国外先进技术的基础上发展起来 的。通过自己的一系列试验和研究，建立了自己的碾压混凝土筑坝方式，简称r c c d 。 其独特的优势有：坝体体型结构尽量简单；碾压混凝土配合比采用低水泥用量；尽量 实现高掺粉煤灰和掺复合外加剂；坝体以碾压混凝土自身防渗为主，并采用富胶凝材 料，提高抗渗性能；旌工上采用大仓面薄层连续浇筑的工艺等。简言之，我国的碾压 混凝土筑坝技术是高掺粉煤灰，低稠度、薄层、全断面、快速短间歇连续填筑。 1 9 8 6 年在福建省大田县建成了我国第一座试验坝高5 6 8 m 的坑口碾压混凝 i 重力坝。接着，铜街子、沙溪口、隔河岩、天生桥、观音阁、岩滩等工程的大坝或 围堰都相继采用了碾压混凝土技术。经过近1 6 年的发展，特别是通过国家“七五”、 “八五”、“九五”三次科技攻关研究，碾压混凝土在水利工程中的应用取得了明显 的进步。自1 9 8 6 年成功地建成第一座碾压混凝土坝以来，据估计，已建、在建和正 设计的碾压混凝土坝大约有5 0 座左右，它是我国坝工发展育前景的坝型之一。近期 已建、在建和即将开工建设的高1 0 0 m 以上的碾压混凝土坝有龙滩( 2 1 6 m ) 、江垭( 1 3 1 m ) 、百色( 1 2 6 m ) 、大朝山( 1 2 1 m ) 、棉花滩( 1 1 l m ) ，其中碾压混凝土量均超过整个 大坝混凝土星的6 0 以上。其中龙滩水电站碾压混凝重力坝，混凝土量5 3 5 万m 3 ， 其中碾压混凝土量占6 5 左右，施工月高峰浇筑强度超过2 5 万m 3 ，将创造世界先进 水平。沙牌碾压混凝土拱坝是世界上建成的最高碾压混凝土拱坝，坝高达1 3 0 m ( 原 设计为1 3 2 m ，后来因基础岩石较好，提高了2 m ) ，拱长2 3 8 m ，宽高比为1 1 8 4 ，坝 基垫层厚2 8 m ，顶宽9 5 m 。在上游面有0 1 的倒悬。全部工程量为3 6 3 万m 3 ，其中 碾压混凝土3 4 9 万m 3 ，占总工程量的9 6 ，是碾压混凝土用量比例最高的工程之一。 到1 9 9 9 年底，全世界完建和在建的坝高超过1 5 m 的碾压混凝土坝已超过2 1 0 座， 它们分布在5 大洲的2 8 个国家中，其中中国4 0 座，美国2 9 座，西班牙2 1 座，巴西 1 4 座和澳大利亚9 座，约占2 1 0 座的8 0 ，这七个国家在碾压混凝土坝工建设方面 居于世界领先地位。现在，碾压混凝土筑坝已成为大坝建筑的主要技术之一。 第一章绪论 1 2 碾压混凝土筑坝的特点j 2 ，3 j 自2 0 世纪3 0 年代，重力坝混凝土浇筑的方法一般沿剧吊罐运输、机械平仓、插 入式振捣器振实、坝体分块浇筑、水管冷却并进行接缝灌浆的方式施工，成为目前常 用的漫凝土浇筑方法。2 0 世纪7 0 年代出现了碾压混凝土筑坝的新技术，8 0 年代碾压 混凝土坝已在世界各地相继出现，受到工程界的普遍关注。碾压混凝土筑坝采用在层 面l 振动碾压的方法，因此，可以使用超干硬性无塌落度的混凝土，材料的用水量少； 同时采用较高的粉煤灰含量，所以使用水泥也少，施工简便，可用土工施工机械设备， 设备用量也较少，施工安全且速度较快，固目前碾压混凝土筑坝技术发展较快。 碾压混凝土筑坝在材料、施工技术和设计三个方面相互联系和相互影响。碾压混 凝土的拌和物既要有足够的刚度，以支承振动碾的重量和承受振动力，又要有足够的 胶凝材料砂浆含量和适当的稠度，以便在混凝土铺摊和碾压过程中胶凝材料浆体能够 均匀分布，使混凝土很好的胶结，而且有部分浆体能够挤到碾压层面，使上、下铺筑 层可以胶结良好。因此要求混凝土粗细骨料级配优良，压实后空隙小，使胶凝材料用 量较少，降低水泥用量和用水量，又可以保证混凝土具有定的和易性。 碾压混凝土筑坝的方法，目前主要有三种类型。日本在碾压混凝土坝的断面设计、 混凝土材料的配合比、坝体施工工艺以及温度控制等方面总结出一套方法，提出了日 本式的碾压混凝土筑坝方法，称为r c d ( r o l l e rc o m p a c t e dd a m ) 。欧美各国根据其 经验总结出一套碾压混凝土筑坝方法，称为r c c ( r o l l e r c o m p a c t e d c o n c r e t e ) 。我国 从1 9 8 0 年开始总结了一套适合我国特点的碾压混凝土筑坝方法，工程上习惯称为 r c c d ( r o l l e r c o m p a c t e dc o n c r e t e dd a m ) 。r c c d 吸取了r c d 和r c c 的经验和教训， 通常采用高掺粉煤灰的中等胶凝材料用量混凝土以及坝体少设横缝、不设纵缝、连续 浇筑等适合我国条件的旌工方法，使我国碾压混凝土筑坝技术达到较高的水平。 1 2 1 日本式碾压混凝土筑坝方法( r c d ) r c d 筑坝的一个显著的特点就是，采用薄层摊铺、平仓2 - 4 层后一次碾压。碾 压层的高度根据振动压实能量、浇筑能力、温控因素确定，多数坝采用7 5 c m 。一般 碾压层闻间歇约2 - 4 d ，对碾压层面均用刷毛机届j j - 、冲洗并铺设砂浆层进行处理。浇 筑程序；先在下卧浇筑块的顶面铺1 5 m m 厚的水泥砂浆，然后浇筑几层混凝土拌和料， 每浇筑一层，进行平仓，再浇一层，浇到块顶后进行碾压。碾压后的顶面作水平工作 河海大学硕士学位论文 缝，进行凿毛、清洗处理。 r c d 的浇筑和碾压分条进行，浇筑条宽约1 0 m 。浇筑块顶一次碾压，碾压条宽 2 m ，两条搭接2 0 c m 。为使两条浇筑带结合紧密，在完成第_ 浇筑条碾压前，第一个 浇筑条必须没有初凝。 坝上f 游面多用钢模板，设常态混凝土层，坝较长时需分段浇筑，每段长6 0 m ， 两侧也设模板，靠近模板1 m 范围内浇常态混凝土。“金包银”型式是他们首选的防 渗设计方案。为了上游坝面防渗和下游坝面的保护以及与坝基面的胶结和填平，在碾 压混凝土坝的上、下游面和坝基接触面上均设有一定厚度的常态混凝土，一般上游面 常态混凝土厚度为3 m f 游面为2 2 5 m ，坝基部分为1 5 3 m 。 r c d 的横缝间距约1 5 m 。浇筑一条碾压混凝土到块顶，平仓后用振动切缝机切 出横缝，并插入度锌钢板，然后碾压。 日本的经验认为：r c d 比常规混凝土工程费用节省2 0 ，施工速度加快2 0 ， 可以保证施工质量。已建成的碾压混凝土坝中，尚未发现严重漏水。 1 2 2 中国式碾压混凝土筑坝方法( r c c d ) 我国的r c c d 采用大面积薄层连续浇筑的方法。混凝土摊铺和碾压的层厚一般 为3 0 c m ，这样可以防止骨料分离，压实振动波易传到层底，使每层上下部压实都均 匀。连续浇筑3 - 4 层后，宜间歇2 - 3 d 。通常仅对施工缝和冷缝采用刷毛、冲毛等方法， 清除混凝土表面的浮浆和松动骨料，然后进行铺设砂浆层处理，对于连续浇筑的碾压 混凝土，要求施工层面具有足够的抗渗性和层间胶结强度。 r c c d 层间接缝做好的话，其胶结性能良好，抗剪强度、弹模和不透水性与碾压 混凝土本体接近，这是因为r c c d 有足够多的胶凝材料砂浆。早期国外的r c c 胶凝 材料含量少，混凝土分离，未注意碾压时下卧层混凝土是否初凝，所以层间结合差， 发生了漏水。我国的r c c d 克服了这些缺点，但层间胶结强度离散性大，沿层面的 切向渗透系数往往大于碾压混凝土本体的渗透系数。 横缝设置采用切缝机、设置诱导缝或预制隔缝板等。切缝机采用- 先切后碾”或 “先碾后切”两种方法。成缝面积不少于设计缝的6 0 ，余下部分待混凝土自然拉 裂。 整二童堕堡 1 2 3 欧美式碾压混凝土筑坝方法( r c c ) 欧美的r c c 在许多方面和r c c d 和r c d 相同，但在筑坝过程中，根据具体的 t 程和承建单位的情况，也有许多的不同。 美国陆军工程师团的r c c 筑坝技术与r c c d 和r c d 也基本相同，只是上下游 圳面的常态混凝土防渗层和保护层的厚度仅l m ，并在防渗层中设钢筋网。麋溪坝高 7 6 m ，因碾压混凝土层间胶结好，抗渗性强。在横缝处上游坝面常态混凝土局部加厚 到1 5 m ，设两道止水。在坝体内作排水系统，以减小扬压力。糜溪坝长7 8 9 m ，只设 4 5 条横缝，平均间距1 3 0 1 5 0 m ，有些偏大，可能会导t 致坝体产生裂缝。 美国垦务局修建的r c c 坝基本上和中国r c c d 基本卜一样，区别在于胶凝材料 稍少，水泥稍多，灰胶比较小，v c 值略高，更为干硬。 12 4 三种筑坝方法比较 我国的r c c d 用胶凝材料多，其中水泥少，粉煤灰多，有利于避免拌和料的分 离，并使层面胶结良好。这种混凝土发热量较低，也节省水泥。日本r c d 混凝土胶 凝材料比r c c d 少，其中水泥多，粉煤灰少，混凝土更加干硬些。由于水泥用量多， 发热量较高，价格也较高。美国垦务局r c c 混凝土的胶凝材料、水泥和粉煤灰用量 均介于r c c d 和r c d 之间。而美国陆军工程师团r c c 的混凝土胶凝材料最少，很 干硬。层间胶结不好，不透水性和抗剪强度差，故每一层面都要做工作缝处理。 在施工方面，美国陆军工程师团r c c 是3 0 e r a 薄层浇筑，且单层浇筑并碾压， 间歇施工，处理工作缝。这样做的优点是每个层面都胶结好，不透水性和抗剪强度有 保证；此外仓面面积可以很大，不受初凝时间的限制。缺点是旖工复杂、进度慢，水 泥用量多，层面需要高压水冲切，损失混凝土材料较多，不经济。中国r c c d 和美 国肯务局r c c 薄层大面积多层连续浇筑，已能够保证层间的胶结。日本的r c d 的施 工是薄层浇筑3 - 4 层后，一次碾压，减少碾压时间，加快了速度。 坝体内设温度收缩缝是必要的，r c c d 横缝间距由温度应力计算确定，但是影响 因素很多，难于精确计算，所以用2 0 3 0 m 。r c d 横缝间距一般用1 5 m ，可防止温度 裂缝，但间距过密。美国陆军工程师团r c c 只在地基的地形、地质突变处坝体内设 横缝，不考虑防止温度裂缝，这种做法是不相宜的。 河海大学硕上学位 仑文 表1 - 1j 种碾压混凝土筑坝方法的比较 比较项目 盟r c c 位 r c c dr c d 美国陆军工程师 美国垦务局 团 仓面面积 m 2不受初凝时间限 可较大可较大 3 0 0 0 5 0 0 0 制 摊铺层厚度c m 3 01 6 7 2 5o3 03 0 碾压层厚度 c m3 05 0 1 0 03 03 0 水平工作缝间层 3 42 - 43 - 41 歇 浇筑条带宽度 m 不分约1 0不分不分 振动碾重t7 1 17双辊振动碾1 0 碾压次数次7 87 _ 1 15 66 - 8 常态混凝土防m 1 5 ，抗渗梯 约3 02 3 1 0 ( 设钢筋网) 渗层厚度度1 3 0 1 1 5 1 3 碾压混凝土坝的优点 碾压混凝土坝最大的优点就是施工快速、造价经济。 碾压混凝土坝断面尺寸与常态混凝土坝相似，但混凝土水泥用量少、坝体结构简 单使用土石坝施工机械，所以浇筑速度比常态混凝土坝大为加快。美国盖勒斯维勒坝 ( g a l e s v i l l e ) ，坝高5 1 m ，只用2 个多月时间就浇完了。美国的廪鹿溪坝( e l kc r e e k ) 最高曰浇筑强度达9 4 7 4 m 3 。我国岩滩水电站主坝于1 9 8 9 年1 1 月l o 目创造了 1 0 6 8 1 m 3 d 的最高目浇筑量。碾压混凝土坝还节约了模板工程量，根据玉川坝估算， 可节约模板费用3 0 ：同时也节省了冷却等费用。和土石坝相比，碾压混凝土坝断 面小、工程量小，又采用与土石坝相同的旋工机械。所以，碾压混凝土坝比土石坝工 期短。美国芒克斯维勒坝( m o n k s v i l l e ) 设计比较了4 种坝型，认为采用碾压混凝土 坝施工方案，工期只有士石坝工期的一半。法国奥利弗特坝( o l i v e t t e s ) 全部施工用 丁1 8 个月，比堆石坝方案少了1 0 个月。 此外，碾压混凝土的坝基宽度要小于土石坝，相应的其开挖和基础处理范围也小， 第一章绪论 施工导流及泄洪建筑物的长度缩短。由于中小型碾压混凝土坝可以在几个月内碾压完 毕，允许夫大降低施工导流标准。盖勒斯维勒坝采用多年平均流量并未采用5 年或 1 0 年一遇的洪水设计，设计施工导流流量从1 7 0 m 3 i s 降到3 4 m 3 s ，简化了导流设施， 降低了导流费用。碾压混凝土坝相对而言l l 土石- 坝较为经济。表1 2 是几个工程不同 坝裂的经济比较。 表1 2 不同坝型的经济比较( 百万美元) 预算造价 混凝土坝 坝名 碾压混凝土坝土石坝常态混凝土坝堆石坝 决算造价 柳溪 1 7 33 9 12 511 41 盖勒斯维勒 1 4 71 5 31 7 31 27 芒克斯维勒 1 8 12 0 53 362 56 1 7 上静水7 5 98 26 06 1 4 碾压混凝土坝存在的问题 虽然碾压混凝士坝技术取得了极大的发展，规模也越造越大，但是仍然存在不少 技术问题需要解决。当前主要存在以下几个方面： 碾压混凝土坝层面结合质量问题。柳溪坝建成以后第一次蓄水到1 5 2 m 高度时， 在排水廊道和坝下游面立即出现了大量的渗水，总漏水量高达1 7 0 l s 。据分析，漏水 主要来自碾压层面。我国的某工程现场抗剪断试验也表明，碾压混凝土层内粘结力为 1 6 a ，不作任何处理的层面粘结力只有o 8 m p a ，仅为层内部粘结力的5 0 ；铺水 泥砂浆层面粘结力可达到1 2 5m p a ，为层内部粘结力的7 8 。 碾压密实度的均匀性差。碾压混凝土粘性低，在卸料和平仓时容易发生骨料分离 现象。骨料粒径越大、骨料用量越多、胶凝材料用量越少，发生骨料分离的可能性越 大a 振动碾只能在碾压层表面振动碾压，不能像振捣器那样深入到混凝土内部进行扰 河海大学硕士学位论文 动，使砂浆流入骨料空隙中，挤出气泡，所以骨料集中部位胶结效果就很差。 横缝设置。随着坝的规模增大，取消横缝、仅在低温季节施工的方式已不能适应。 横缝合理间距的确定，应当在满足防裂要求的前提下，采刖尽可能大的间距以利于快 速施工。 耐久性难以论证。低水泥用量与高粉煤灰用量使碾压混凝土初期强度低，但后期 会高于常态混凝土。但是由于最老的碾压混凝土坝也就2 0 多年，所以碾压混凝土的 性能究竟如何，仍须进行研究。 1 5 本文的主要内容 本文在总结文献研究成果的基础上，针对碾压混凝土坝的主要渗流问题，利用有 限单元法理论，结合一定的工程实践，围绕碾压混凝土坝渗流特性及渗控方案等进行 了以下的分析研究： 1 碾压混凝土的基本理论和渗流特性的研究。根据碾压混凝土坝室内渗透试验 和现场压水试验结果，分析碾压混凝土坝的渗流特性。 2 碾压混凝土坝上下游防渗结构型式研究。根据碾压混凝土坝的渗流特性，拟 定碾压混凝土坝上下游面的防渗结构。 3 碾压混凝土坝横缝处理论证。河谷过宽，坝轴线过长碾压混凝土坝就必须设 缝。横缝常用的有两种即正规缝和诱导缝。正规缝施工设计与常态混凝土相似，处理 一直采用与常态混凝土坝相同的方法，当止水断裂时由于碾压混凝土坝的层面相对强 透水性，必然导致碾压混凝土坝横缝处坝体的入渗流量和扬压力增加。 4 碾压混凝土坝排水孔的设置。为了保证碾压混凝土坝体内的低扬压力和碾压 混凝土的耐久性，坝内排水孔幕的合理设置尤为重要。 第二章碾压混凝土的渗流特性 第二章碾压混凝土的渗流特性 2 1 概述 碾压混凝土坝是由薄层干贫混凝土碾压而成，施工时每连续上升3 - 4 层后需间隙 一段时间，因而在坝体内形成施工层面和缝面。碾压混凝土坝本体的透水性较弱和常 态混凝土相差不大，而层、缝面的透水性较大，无论从抗渗能力，还是从结构强度上 看，层、缝面都是坝体中的薄弱面，往往会成为坝体渗透水流的主要通道。在已建的 尤其是国外早期建成的碾压混凝土坝中，渗透水流明显地沿层缝面流动，坝下游面上 渗流逸出线位置常常过高。碾压混凝土坝层面渗流问题不仅会影响大坝的耐久性、美 观性和导致水库流量损失，还会因层面长期积水而慢慢改变层面强度和渗流特性，降 低大坝的强度和稳定。尽管施工时对这些不连续面进行种种抗渗处理，但终因坝体的 这种成层结构，导致其呈强渗透各项异性，渗流特性与常态混凝土完全不同。 2 2 碾压混凝土坝材料组成分析 碾压混凝土是种超干硬的混凝土，由水泥、掺合料、水、砂、石子及外加剂等 六种材料组成。为了使碾压混凝土具有良好的技术性质并降低工程造价，必须合理的 选择碾压混凝土的各种材料。碾压混凝土的配合比设计的特点是“1 ： 1 为了不妨碍碾压施工，坝体一般不设冷却水管。由于连续铺筑，通过混凝土顶 面散发的热量减少。因此，配合比设计时除了要考虑满足强度及耐久性等指标，又要 满足绝热温升的限值。尽可能使用较低的水泥用量并掺用较大比例的掺台料。 2 由于超干硬、松散拌和物的易分离特性，配合比设计中应控制粗骨料最大粒径 和各级骨料之间的合理比例，适当加大砂率，以避免施工过程中出现严重的分离与不 密实现象。 3 配合比设计一般考虑在混凝土中掺用外加剂 目前，各国所采用的碾压混凝土，从材料的角度看大致有以下三种配合比类型。 胶凝材料浆固结砂砾石碾压混凝士。胶凝材料( 水泥和掺合料) 总量不大于 t l o k g m 3 ，其中粉煤灰或其它掺和料用量不超过胶凝材料的3 0 。此类混凝土胶凝材 料用量较少t 为了获得拌和物的可碾压性，通过加大水量来实现，因此碾压混凝土的 9 塑塑查堂堡主堂垡堡墨- - 一 水胶比大，一般达到0 9 5 1 5 0 。这就造成了碾压混凝土的强度低，抗渗性及耐久性 差。这种碾压混凝土胶凝材料不足以填满砂子的空隙，混凝土孑l 隙多。这种材料所筑 坝体的防渗是由上游面的防渗材料承担。美国的柳溪坝、盖勒斯维勒坝和廪鹿坝等所 使用的部分碾压混凝土就属于这利，配合比类型。 干贫碾压混凝土。胶凝材料用量1 2 0 1 3 0k g m 3 ，其中掺合料占胶凝材料总重量 的2 5 一3 0 。此类混凝土由于胶凝材料用量不多，通过适当的加大用水量使拌和物 满足可塑性的要求。其水胶比是0 ，7 0 0 9 0 。由于掺和料比例较低，故混凝土的绝热 温升较高。在施工过程中层与层间间隙时间较长，以便利用混凝土顶面散热。该类碾 压混凝土水胶比较大，抗渗性不高，一般不作为防渗层而作为内部混凝土。日本的几 座碾压混凝土坝就采用的这类配合比。 表2 - i 中、日、美碾压混凝土筑坝材料比较 r c c 堕 比较项目 r c c dr c d美国陆军工程师 位美国垦务局 团 水泥用量ck g m 3 5 5 - 6 5 9 6 1 0 06 5 7 0 7 0 粉煤灰用量fk g m 3 8 5 - 9 52 5 3 7 6 5 7 03 3 胶凝材料用量c + fk g m 3 1 5 0 1 6 01 2 0 - 1 3 01 3 0 1 4 0 1 0 3 灰胶比f ( f + c ) 5 0 6 02 0 - 3 05 03 2 用水量wk g m 3 8 0 - 9 59 0 - 1 0 0 1 0 07 5 水胶比w ( c + f ) o 5 0 6o 7 5 一o 8 5o 7 t - o 7 70 7 3 砂率约0 3 0 0 3 0 - 0 3 40 3 4 0 3 6 v c 值 s5 1 21 5 - 2 01 5 2 0约2 0 初凝时间 h 6 - 86 - 8 6 84 最大骨料粒径 m m8 08 05 05 0 - 7 5 粗骨料级配 3322 - 3 坝内最大温升 1 0 一1 5 2 0 减水缓凝剂 o 50 2 5 - 0 4 0有有 高粉煤灰含量碾压混凝土。胶凝材料用量1 4 0 - 2 5 0k g 册3 ，其中掺合料占胶凝材 料重量的5 0 一7 5 。我国自1 9 8 5 年以来采用的绝大多数是胶凝材料用量1 4 0 1 7 0 1 0 第二章碾压混凝土的溶流特性 k g m 4 的碾压混凝土，粉煤灰掺量有逐渐增加的趋势。 中国、日本、欧美的三种不同的筑坝方法采用的碾压混凝土材料组成也大不相同， 其成分比较见表2 一l 。 2 3 碾压混凝土坝渗透试验分析 碾压混凝土坝的渗流特性由碾压混凝土本体渗透性及层面渗透性共同决定。碾压 混凝土本体可视为均质各向同性体，其渗流特性符合d a r c y 定律，但层面渗流特性十 分复杂，其渗流行为可视作缝隙性水流，与层面的水力隙宽、隙粗糙度、隙连通率、 层面的应力应变行为以及加载历史等因素相关。 2 3 1 碾压混凝土坝室内试验分析 为了研究混凝土的渗透性能，通常 需要自制或改制混凝土渗透仪，在实验 室内测定施加压力水后渗透过碾压混凝 土试件的渗水量，利用达西定律，求得 该试件碾压混凝土的渗透系数。碾压混 凝土坝渗流特性室内试验可以直接从碾 压混凝土坝中钻取含层面的芯样制成试 件，也可以在室内制备含层面的试件， 串联模型 并联模型 圈2 - i 碾压混凝土长方体试件的并联及串联 渗透试验模型 进行“并联”、“串联”立方体( 见图2 - 1 ) 或圆柱体模型的试验。采用龙滩工程大坝 碾压混凝土现场试验的浇筑块，根据现场碾压试验的多种工况，按照串并联模型的试 验方式进行渗透试验研究工作，其主要试验结果见表2 - 2 。中国水利水电研究院材料 结构所对含有和不含有层面的试块进行试验，层面的渗透性见表2 - 3 。表2 - 4 为各试 验工况碾压混凝土的施工环境及层面处理情况。 雾 一 酞 眦 压 屡 酬 = 一彩 塑塑查堂堡圭堂垡堡茎 表2 - 2碾雁混凝土室内渗透试验结果 最大渗透 最小渗透平均渗透渗水穿透平均渗碾压混凝土 水压力 试验工况系数系数系数时段水高度容重 ( m p a ) ( c m s )( c m s )( c m s )( r a i n )( c m ) ( k n m 3 ) 纯砂浆 5 5 l 1 0 1 11 3 3 1 0 “3 8 4 1 0 1 12 6 2 c并联1 2 8 1 0 。 6 0 4 1 0 1 。1 2 5 x 1 0 1o 2 32 91 2 9 72 4 2 7 串联 4 9 5 1 0 啪8 2 7 i 0 “1 8 6 1 0 ”o 2 73 1 5t 3 3 8 d并联 6 3 3 1 0 430 5 1 0 ”2 8 9 x 1 0 10 3 82 2 51 2 9 52 4 4 2 并联 2 0 0 1 0 8 4 4 4 1 0 一”5 1 6 1 0 9 o 4 82 2 81 2 3 0 e2 4 5 l 串联 4 5 6 x l q 圳5 6 7 1 0 一“2 4 4 k 0 一”o 4 73 7 01 3 4 0 1 并联 4 3 9 1 0 8 3 5 6 1 0 1 11 1 0 l o 8 0 4 31 7 01 2 4 0 f l2 4 7 0 串联 6 6 4 1 0 1 1 5 3 6 x 1 0 一”5 8 4 1 0 1 1o 4 73 7 01 3 3 6 表2 3碾压混凝土室内渗透试验结果 工况参数类别单位最大值最小值平均值 本体渗透系数c m s3 1 5 1 0 一”1 0 1 x 1 0 2 1 9 1 0 含层面渗透系数c l n s7 8 0 x 1 0 91 8 4 x 1 0 - 94 0 5 x 1 0 9 a 层面等效渗透系数c m s4 7 8 l o 41 7 8 1 0 叫2 9 2 1 0 。4 层面水力等效隙宽 u2 4】51 8 3 本体渗透系数c m s4 ，4 4 l o 呷l 5 2 l o 1 01 5 0 1 0 。9 含层面渗透系数c r n s3 7 9 1 0 95 7 2 1 0 1 。2 4 1 1 0 9 b 层面等效渗透系数c m s 2 9 1 1 0 q6 8 7 1 0 咄1 9 9 1 0 1 层面水力等效隙宽 u1 90 9 】5 本体渗透系数c m s3 9 9 x 1 0 。1 4 2 1 0 一”1 3 9 1 0 。9 含层面渗透系数c m s6 8 2 1 0 14 0 3 1 0 1 02 5 3 l 旷 c 层面等效渗透系数c m s4 3 4 1 0 “5 0 1 1 0 。31 9 3 1 0 1 层面水力等效隙宽 “2 30 8 1 4 3 第二章碾压棍凝土的渗流特性 表2 4 各t 况的碾压混凝土的施工环境及层面处理 t = 况平均气温平均入仓温度层缝面间隔时问h层缝丽处理方案 a3 32 3 ，57 5铺3 c m 厚水泥砂浆 b3 4 52 44不处理 c3 4 52 47 铺2 - 3 c m 厚小石子混凝 工 由表2 2 、2 3 、2 - 4 可以看出碾压混凝土本体渗透系数在1 o 1 0 。c m s 、l ，o 1 0 。1 0 c m s 数量级，说明碾压混凝土本体的渗透系数仅略低于常态混凝土，而坝体沿层 面法向渗透系数和本体渗透系数大致相同。但是层面的透水能力就相对很强，它与层 面的施工间隔时间和层面的抗渗处理质量以及近层面区骨料容易分离等因素密切相 关，一般层面间隙时间越短、抗渗处理越及时则层面抗渗能力越好。因此，碾压混凝 土的渗流特性主要取决于层面的渗流特性。 表2 - 5 不同层面间隔时间的抗渗性 间隔( h )层面状况 层顽抗渗标号 o 整体s 8 4 不处理s 8 8 不处理s 8 1 6 不处理s 6 2 4 不处理s 4 4 8 不处理s 2 土本体的抗渗性能。 表2 - 6 不同层面处理方式的抗渗性能 层面处理方法间隔( h ) 层面抗渗标号 不处理2 4 s 4 刷毛铺砂浆2 4s 6 刷毛铺水泥浆2 4s 8 层面间隔时间的间隔的长短 对层面的渗流特性的影响十分显 著。室内试验表明层面抗渗性随间 隔时间的延长而降低，在初凝时问 ( 8 小时左右) 以内基本上没什么 变化，初凝后将显著降低，见袭 2 - 5 ”。如果层面的间隔时间足够 短，则其抗渗性能将接近碾压混凝 工程中通常采用铺设层间垫 层的方法来改善层面抗渗性，表 2 - 6 列出某工程采用不同的层面 处理方法抗渗性的试验性的结果。 混凝土施工过程中如果间隔时问 太氏，对层面进行铺水泥浆或砂浆处理是非常有效的，也是十分必要的。 一一! ! 塑茎兰堕! 垡笙兰 2 3 2 碾压混凝十坝现场渗透试验分析 由于碾压混凝土室内试验芯样要经过钻取、加工、养护等工序，因此由芯样测得 的渗透系数都是胶结效果较好，难以全面地反映整个坝体的宏观渗透特性。目前，相 对能更客观准确地反映大体积碾压混凝土本体、层面、裂缝等结构部分综合渗透特性 的是现场压水试验。现场压水试验主要有h s i e h 和n e u m a n 的交叉孔( c r o s s h o l e ) 压 水试验法、平面渗源法、普通压水试验、三段压水试验等方法。表2 7 给出了江垭工 程试验参数和渗透系数现场压水试验的结果。由于江垭碾压混凝士坝经过精心设计、 施丁、管理，其施工质量及层面胶结均属上乘。即使如此，现场压水试验测得的渗透 系数也只能达到1 o x l 0 。7c m s 的水平，比芯样的垂直层面方向的渗透系数大2 3 个数 量级，表现出碾压混凝土坝极强的渗透各向异性的特点。同时不同位置处的碾压混凝 土渗透离散性很大，甚至可能会形成强透水段，主要原因是骨料分离严重或是施工质 量不当造成贯穿性缝隙，尤其是在施工交界处，如常态混凝土与碾压混凝土交界、边 坡、入仓道路等部位。 表2 7 江垭碾压混凝土重力坝的第一次现场压水试验结果7 】 渗透率( l m 渗透系数 孑l 号备注 范围平均 ( 1 0 1 c r r d s ) 4 50 0 0 0 7 0 0 60 0 2 2 52 6 1二级配区 0 0 0 0 8 3 40 0 0 6 8 10 7 9二级配区 0 0 1 3 3 30 0 0 一o 1 90 0 4 0 3 4 6 5二级配区 4 4o 0 0 0 0 6 40 0 1 5 5i 8 0二级配区 3 l0 o o 一0 0 3 30 0 0 7 6 8o 8 9二级配区 4 30 1 5 4 6 42 2 5 22 5 4 5三级配区，层面不处理 4 60 0 1 5 3 30 9 4 59 2 4 三级配区，层面不处理 另外，将几个典型工程现场压水试验的渗透系数按胶凝材料用量不同进行统计 ( 表2 8 ) ，可以发现压水试验渗透系数随着坝体胶凝材料用量增加而减小变化的规 律。d u n s t a n 在文献【9 也统计分析了国外以建的碾压混凝土坝的渗透性与混凝土的胶 凝材料用量之间的关系，胶凝材料用量越多，混凝土的渗透系数就越小。一般认为低 胶碾压混凝土的渗透系数约为1 0 。6 c m s 1 0 。1 1 c m s ，中胶碾压混凝土的为1 0 。9 c