再论新概念碾压混凝土坝的设计

再论新概念碾压混凝土坝的设计 曹楚生 摘要 结合我国近年来在碾压混凝上坝和常态混凝上坝的进展 再论新概念碾压混凝土坝 这种混凝土介于碾压混凝土和常态混凝土之间 由稠度 VC 值 不同的零坍落度混凝土构 成 主要利用振动碾压实 在边缘 孔洞 接近基岩和有钢筋部位可使用 VC 值较低的零 坍落度混凝土以高频振捣器密实 这样全坝或全断面都采用零坍落度混凝土 可免除目前 常在碾压混凝土坝中另设置常态混凝土或改性混凝土的分区 对这种新概念碾压混凝土坝 的特点和设计中应注意的事项作简要的阐述 关键词 新概念碾压混凝土 常态混凝上 坍落度 稠度 VC 值 设计 l 新概念碾压混凝土坝的提出 1970 年前后 国内外相继出现了一些公路路面 机场跑道等使用碾压混凝土的报导 这种碾压混凝土在凝固前的稠度较稠 它的坍落度 o 或称干硬性混凝土 用土坝碾压方 法进行施工 即混凝土的运输从传统的料罐改用自卸汽车 振捣器密实改用振动碾碾压 1961 年我国台湾石门坝的围堰心墙和 1975 年巴基斯坦塔贝拉修复工程都采用上法施工 这是最早在水坝局部出现的碾压混凝土 至 1980 1984 年日本 英国和美国相继建成了岛 地川 霍尔比姆伍德和柳溪等碾压混凝土坝 1986 1989 年我国相继建成了坑口 天生桥 二级 龙门滩 潘家口下池坝等碾压混凝土坝 它们的特点是高掺粉煤灰 低水泥用量 坝体不分纵横缝 全断面浇筑 在迎水面或加沥青砂浆防渗 或加补偿收缩混凝土 或二 级配混凝土 或在碾压 昆凝土面上浇洒水泥等浆液 笔者等通过潘家口和石漫滩两坝的设 计以及室内和现场试验研究 提出了一种新概念 或新内涵 碾压混凝土坝 分别于 1995 年 前后在西班牙召开的国际碾压混凝土会议及杂志上发表了多篇沦文 见参考文献 2 我国碾压混凝土坝的进展和技术进步 我国碾压混凝土坝起步较晚 1986 年建成第一座坑口碾压混凝土坝后 即迎来我国碾 压混凝土坝的建设高潮 迄今短短 10 年中建成了不同型式 不同风格和具有中国特色的碾 压混凝土坝 40 余座 高度突破 100m 的有 8 座 碾压混凝上拱坝有 8 座 其中 1994 年建 成了普定第一座碾压混凝土拱坝 最高的是沙牌拱坝 高度达 132m 我国的碾压混凝土坝 不仅在数量上 高度上 而且在技术上都位居国际前列 见表 1 表 1 以建成时间为序 列 出 20 座国内外碾压混凝土坝有关参数和特征 随时间的推移 最大坝高发展到 200m 级 从重力坝发展到拱坝 甚至薄拱坝 坝的质量越来越高 从表 1 所列出碾压混凝土坝的有 关参数看 胶凝材料即水泥和粉煤灰的用量逐渐增大 而稠度 VC 值 或工作度 干硬度 逐渐更稀 从 20 10s 逐渐向 1 3s 3 5s 等发展 坝体型式由金包银 即外部用常态混凝 土 内部用碾压混凝土 逐步向外部浇洒水泥等浆液以减低混凝土的稠度 即和易性 工作 度等 使能以振捣密实 有称加浆混凝土 有称改性混凝土 亦有改用低稠度 VC 值 零 坍落度混凝土等 碾压混凝土坝近年来取得了显著的进展 2 1 碾压混凝土坝的稠度 VC 值和混凝土的坍落度 自从上世纪 80 年代以来 在坝工中除常态混凝土坝 混凝土坝 外 又出现了碾压混凝 土坝 随着各自的密实机具 即振捣棒和振动碾 功能的提高 前者 即常态混凝土 随着振捣 棒功率 频率和振幅的逐渐加大 使振捣棒能在坍落度更小 即稠度更稠 的混凝土中工作 国外和我国混凝土工程 如二滩拱坝中混凝土坍落度已从过去的 5 7 3 5cm 降至 l 3cm 以内 使混凝土的质量提高并可减少水泥用量 后者 即碾压混凝土 在初创期 由 于振动碾功率的很大 希望取得更好的效益 尽量加大混凝土的稠度 除要求坍落度为零 外 在早期的工程中要求它们的稠度 VC 值如日本等在 20 10s 左右 而在国内也在 5 15s 左右 而从近年来稠度 VC 值有逐渐降低趋势 5 8s 左右或更小 同时还要适当加大水泥 或胶凝材料的含量 可以大大加强碾压混凝土的抗渗性能 从上可知 原本前者的稠度较 低 后者的稠度较高 近年来它们发展背道而驰 前者坍落度趋近零 已降至 3 1CHl 而后者的 VC 值降至 5 日 s 或更小 这说明两者的稠度逐渐靠拢 但总的看来后者碾压混 凝土的稠度仍比前者常态混凝土要稠一些 一般说来它的水泥或胶凝材料含量要少些 从 经济和快速施工方面看 碾压混凝土仍占上风 但其抗渗 耐久等性能上则较差 两种混 凝土坝表面上背道而驰 但都异途同归 如 VC 值降至 3s 以下用振动碾压就会有沉陷而呈 弹簧状况 达不到压实效果 美国 987 年曾在上静水坝面层中采用坍落度为 o 6 1 8Cm 的 混凝土 成功地以高频振捣器进行密实 取得了较好效果 我国二滩工程大面积施工中 采用了组合式高频振捣棒 使大坝坍落度降至 2 3cm 这说明如加大振捣棒直径 功率 频率及压重等情况下 有可能在零坍落度混凝土的边沿部位使用 经在潘家门下池坝 石 漫滩坝中试验 在坍落度为零的范围内 VC 值降至 1 3s 使用高频振捣棒也是可行的 这样 两种不同 VC 值混凝土性质趋于接近 以文会友 广交天下朋友 推荐 中国设计院名录大全上海卷上线了 超过 1000 家设计院资料任你看 风华正茂 帐号 wnb 等级 少校 积分 12510 经验 6908 我的博客 留言 引用 2005 11 20 10 48 32 0 第 2 楼 2 2 水泥和胶凝材料的含量 碾压混凝土为便于碾压 必需具有较大的稠度 其坍落度必须为零 它的胶凝材料的 含量至关重要 直接影响碾压混凝土的密实性和各种强度 如压 拉 剪 指标和抗渗性能 目前碾压混凝土按胶凝材料的多少大体上分成高 中 低 3 种 如上述表 1 中所示 早期 美国的柳溪坝等胶凝材料仅 66kz m3 小于 100kg m3 属低胶凝材料混凝土 由于混凝土质 量太差 今已不多见 胶凝材料含量 100 150kg m3 之间的属中胶凝材料混凝土 目前国 内国外多在此范围内 从表 1 可知 近 l0 多年来为改善碾压混凝土的密实度 抗渗性等质 量和碾压层间的结合 胶凝材料有增加的趋势 近年有超出 150kz m3 至 200kg m3 或更多 属于高胶凝材料混凝土 如美国 1987 年建成的上静水坝 高 90m 水泥用量 79kg m3 而 总胶凝材料达 252kg m3 面层混凝土高达 374kg m3 实践证明 加大胶凝材料对改善层间 结合及增加抗渗性能是有效的 同时也提高了碾压混凝土坝在强度上 抗渗上的质量 如 1989 年建成的潘家口下池坝和 1993 年建成的普定坝 1997 年建成的石漫滩坝总胶凝材料 分别为 153kg m3 188kg m3 和 12 184kg m3 从胶凝材料含量它们都属高胶凝材料混凝 土 这 3 座坝的碾压混凝土的各种强度指标都达到了同标号的常态混凝土的要求 而且抗 渗抗冻都能满足工 程的要求 实践证明 只要合理地选定零坍落度混凝土的级配和胶凝 材料含量 一般说来 碾压凝土坝对抗渗 抗冻和耐久性如有要求的 官采用高胶凝材料 含量是需要的 这是因为有足够多的胶凝材料含量 在一定水胶比下才能制备出足够多的 胶凝浆液 才能填满一定数量砂粒的空隙 才能形成足够数量的砂浆 填满混凝土中粗石 料的空隙 这样才能配制良好的碾压混凝土 当然对碾压混凝土的相应级配以及稠度 Vc 值 外加剂都应给予充分重视 特别是稠度太稠不易压实 而太稀就不成其为零坍落度混 凝土 就成为有坍落度混凝土或常态混凝土了 不能使用振动碾压实了 为此稠度 VC 值 是非常重要的 在施工中要严格控制 本文提出的新内涵的碾压混凝土坝具有两种 VC 值 的零坍落度混凝土 一种较稀 Vc 值在 1 3s 之间 可用振捣使之密实 另一种较稠 Vc 值可以高些 适宜用振动碾压实 有人认为前者可否即采用常态混凝土 笔者认为这样就 等于在碾压混凝土坝中另设立了常态混凝土分区 两种性质悬殊的混凝土相邻填筑 不仅 施工不便 还因它们的水泥含量不同 水化热不同 各种力学性能如弹模及变形模量不同 相应的应力等也不相同 易出现裂缝和其他不良后果 3 碾压混凝土坝的设计 碾压混凝土施工不仅是一种新的施工方法 而且这种坝已形成一种新兴的坝型 开始 只在重力坝中使用 现已发展 到重力拱坝和拱坝 这种坝断面的外形轮廓大体上和 般混 凝土坝相似 但在坝身细部设计方面 如纵横缝的布置 廊道 管道及排水孔等设置以及 防渗 模板等都有较大的不同 总之 为适应碾压混凝土新的工艺 碾压混凝上坝的设计 相应地进行必要的生动 就能更加显示出碾压混凝上坝的优越性 3 1 坝体布置和分缝 般碾压混凝土坝的施工由于可利用汽车直接上坝 振动碾碾压 加快施工 填筑进 度 水泥用量较少 水化热降低 对混凝土的温控有利等 可加大混凝土的浇筑仓面 这 就给碾压混凝土坝的设计提出了要求 一般不很高的坝最好不分或不分横缝 纵缝间距也 可视情况加大或取消 碾压正混凝土坝可考虑薄层浇筑 连续上升 在温控和坝体温度应 力方面 碾压混凝上坝有 占有利的一面 也有不利的一面 如坝体连续上升太快 不利 于散热 故还要严格按照施工期温控要求和坝体温度应力计算分析确定 还应该指出 碾压混凝土坝最好选用低热并有微膨胀性能的水泥 这样有利于扩大浇 筑仓面和扩大纵横缝间距 碾压混凝土坝的纵横构造往往与常态混凝土坝不同 由厂碾压 混凝土碾压需要 般浇筑仓面很大 视坝的长度除需修建 些 正规的横缝外 此外还 常用人工造缝 如 用特制的振动切缝机切缝 钻打连续孔 初凝前以人工或风镐打 孔 或在初凝后钻孔 使混凝上凝固收缩后形成诱导缝 预埋分缝板 前两种造缝都是 在碾压混凝土浇筑后进行 横缝不 定从基础开始 也不一定 律竖直通出坝外 但要采 取必要措施 横缝止水上游设 止水下游设诱导缝 些坝称亡述诸缝为 短缝 或 半缝 有的正规缝必要时还町重复灌浆 在碾压混凝土坝的设计中除对纵横缝的间距和结构形式应从有利于碾压混凝施工和有 利于发挥碾压混凝土坝的优越性出发考虑外 还应尽量简化坝体结构 如尽量减少坝身廊 道 孔洞或考虑集中布置 廊道 孔洞周围如需铺设钢筋 则可附近采用低稠度 Vc 值 二 级配零坍落度混凝土并用振捣密实 这样可避免在廊道孔洞周围采用常态混凝土分区 总之 碾压混凝上坝要结合这种坝型施工工艺的特殊要求 从坝体轮廓到细部结构都 要进行认真考虑 以利于发挥碾压混凝上坝型的优越性 3 2 坝面防渗和排水 由于碾压混凝上本身在抗渗及耐久性方面存在的缺点 常用的是日本惯用的 金包银 模式 即在迎水面及外部采用常态混凝土 其厚度约 3m 横缝中的两道止水及排水管均没 在此厚度内 横缝在碾压混凝土碾压后用切缝机切开 这种坝实质上与常态混凝坝极为相 似 在防渗上是可靠的 但其主要缺点是增加厂施工程序 延缓了施工速度 增加了工程 投资 此外在碾压混凝土坝防渗没计方面还有以下几种形式 在迎水向水面立模 现浇 常态混凝土 或补偿收缩混凝土 在迎水面预制混凝土板 板后加防水上丁织物或沥青 砂浆防水层 在靠近迎水面附近采用高胶凝材料碾压混凝土 并在邻近迎水画模板附近 每层层面上部浇洒水泥浆液或特制胶凝浆液 以利于振捣密实 在寒冷地区还要求具备 定的抗冻能力 采用高胶凝材料含量 提高全断面零坍落度质量 包括抗渗 强度 容 重等 并在迎水面附近采用振捣使之密实 以文会友 广交天下朋友 推荐 mp4 mp3 U 盘 T 恤 帽子 鼠标垫 积分 荣誉榜 风华正茂 帐号 wnb 等级 少校 积分 12510 经验 6908 我的博客 留言 引用 2005 11 20 10 49 07 0 第 3 楼 由于碾压混凝土即使采取了上述措施 坝体绝大部分还足通过碾压压实 其层间结合终究 不如常态混凝土经振捣密实的有把握 除采用厂迎水画振捣外 还应在迎水画附近在坝内 加设排水孔 且排水孔的间距应比一般常态混凝上坝小些 这是因为如若沿层画渗水 加 没排水孔后 渗压力会减小 有人认为碾压混凝土坝坝身内可不设或少设排水孔 笔者认 为 如若采用低胶凝材料碾压混凝上坝 其坝体不密实 渗漏无法避免 确实没有必要再 设置排水孔 而中或偏高胶凝材料碾压混凝土坝 其本身混凝上的渗透系数很小 从 些 碾压混凝土坝的实测资料证明 其抗渗性能儿与常态混凝土相近 故必需设置有足够数量 的排水孔 此外 在设计中要核实沿海 层面的抗剪强度 在核算中要注意排水处的渗压 折减系数 在大坝监测中刘此要给子重视 3 3 稳定和应力 与常态混凝上相同 碾压混凝土坝的稳定的汁算准则为 K f V c A H 式中 K 为抗滑安全系数 f c 为抗剪强度 指坝与地基接触面或碾压混凝土内部层面 A 为截面面积 V H 为竖直和水平剪力 应该指出 对碾压混凝土坝除核算沿建基面截面的抗滑稳定和应力外 在坝体内部沿 碾压层面也必须进行核算 这是因为碾压层面往往不如通过振捣密实的结合可靠 其抗剪 指标 f 和 c 往往不易保证 其值需在现场试验并经类比选定 为安全往往选择较低数值 为减少沿碾压混凝土坝碾压层面之间的渗水压力以改善沿该层面的抗滑稳定 为此应在坝 内加密设置坝体排水管 通过一些工程 潘家口 石漫滩 岩滩 普定和龙滩等 试验成果 证明 在同等条件下胶凝材料掺量越大 层面的抗剪强度也越大 据统计 如胶凝材料含 量在 150 200kg m3 或更高 只要施工质量有保证则碾压混凝土本身及层间抗剪强度 抗 压抗拉强度 抗渗 抗冻 耐磨以及弹模等均不亚于常态混凝土 碾压混凝土有关的一些 参数 如混凝土的容重 极限位伸值 各种强度特性等都要通过试验核定 4 结语 结合我国近年来在碾压混凝土坝和常态混凝土坝的进展对 种新概念碾压混凝土坝 的设计 重新补充论述 认为这种新概念碾压混凝土符合当今混凝土和碾压混凝土的发展 规律 具有新的内涵和特点 主要有 坝体内部由不同稠度 VC 值 的零坍落度混凝上组成 均町使用振动碾碾压予以密实 但当 VC 值 3s 时易沉陷而呈弹璜状 为保证混凝土的质量 内外部均采用高胶凝材料 150kg 3m 以上 内部 VC 值可按 一般碾压混凝土要求采用 而外部 Vc 值通过试验要求必须在 1 3s 之间 使混凝土的稠 度稀些 这样可使用高频振捣器予以密实以增加混凝上的抗渗等性能 上述外部 包括边角 VC 值为 1 3s 用振捣密实的混凝土的各种强度 拉 压 剪 抗渗 抗冻等与同标号常态混凝上相近或略有提高 还应该指出 这种混凝土可主要以振 捣使之密实 在与内部混凝土接触处还可用振动碾碾压补强 使它们的抗磨 于缩等性能 大大优于常态混凝土 这种新概念碾压混凝上坝内外部混凝土均山坍落度为零的混凝土组成 它们均专门 配制 易保证质量 仪稠度 或工作度 VC 值略有不同 水泥或胶凝材料含量也接近 混凝 土的各种力学