混凝土重力坝筑坝材料的分区设计

1、混凝土重力坝筑坝材料的分区设计作者：李剑波 指导教师：凤炜摘要 混凝土重力坝的材料主要是混凝土。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 ； 设计Key words: Concrete gravity dam ； RCCD gravity dam ； Dam partition ； Design前言混凝土重力坝是指用混凝土浇筑的，主要依

2、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 混凝土重力坝的材料主要是混凝土。重力坝除

3、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。一般可分为下列各区：坝体混凝土分区图区：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；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；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；区：与地基接触的底层混凝土，受上部坝体自

4、重和渗透扬压力作用，要求该部位有较高的强度和抗裂性；区：坝体内部混凝土，可以采用比坝基部位混凝土低一标号的混凝土，但要严格控制发热量，以避免温度应力造成坝体开裂；坝体内部混凝土的标号不应低于 R90100，区：抗冲部位（如溢流面、泄水孔、闸墩、导墙等处）的混凝土，受高速水流的作用，要求该部位要有高强度，抗冻、抗冲刷、抗侵蚀性；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土，过流表面的混凝土标号不应低于 R28250。当采用耐磨材料衬护时，应与混凝土可靠结合。大坝混凝土分区要素选定各区混凝土等级时，等级的类别应尽量少，以便于施工。同一浇筑快中混凝土强度等级不宜超过两种

5、，以免由于性能差别太大而引起应力集中或产生裂缝。为了方便施工，分区厚度一般不小于23m。 上述的分区方式是基于常态混凝土大坝而言的，随着人们对各种大坝的研究与比较，常态混凝土重力坝的缺点（如施工工期长、造价较高）不断受到人们的诟病。随着坝高的不断增加，拱坝和土石坝成为其强有力的竞争对手。一段时期以来，发达国家重力坝在大坝中的比重明显下降。直到20世纪80年代，出现了采用超干硬性混凝土和振动碾压实方式的筑坝技术，混凝土重力坝得到了新的发展。这种称为“碾压混凝土重力坝”的新坝型一出现，就受到了工程界的普遍关注。碾压混凝土筑坝采用在层面上振动碾压的方法，因此可以采用超干硬性无坍落度的混凝土，材料用水

6、量小；同时采用较高的粉煤灰含量，所以使用水泥也少；施工较简便，可用土工施工机械设备，设备用量也较少；施工较安全，速度较快；可缩短工期，降低工程造价，因而在技术经济上十分有利。虽然碾压混凝土大坝的施工方式与常态混凝土大坝的施工方式区别较大，但是原有的筑坝材料分区方式在碾压混凝土重力坝中依然适用。碾压混凝土重力坝的材料的分区，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：H30m时，W4；H=30m70m时，W6；

7、H=70m150m时，W8；H150m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 1/301/15，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30cm50cm，最大厚度不宜大于 100cm）。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。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。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

8、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。 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。日本的碾压混凝土重力坝混凝土分区方式单一，即“金包银”式。所有这类坝均在外部表面包一层常态混凝土。坝体上游厚度多为3m，下游厚度多为22.5m。坝内统一为强度相等的碾压混凝土。美国的碾压混凝土坝

9、最早多为全断面碾压混凝土，但在不同部位胶凝材料用量不同，如柳溪坝的碾压混凝土分5种配合比，其溢流面胶凝材料用量266kg/m2,坝内为66 kg/m2,下游面为104 kg/m2。后来修建的蒙克斯维尔（Monkesville）坝和上静水坝采用滑膜施工，上下游均有一层0.30.6m的常态混凝土，该部分常态混凝土可起护面作用，其目的不是为提高抗渗性，而是为了抗冻融，坝内全为碾压混凝土。 我国碾压混凝土重力坝的材料分区，根据坝体受力状态、构造要求、施工环境条件决定，力求简化，达到快是施工的目的。通常上游面采用二级配富浆碾压混凝土，厚度为水头的1/151/30，与坝体防渗设施的要求相结合。坝内为三级配

10、的碾压混凝土，混凝土的强度等级及分区应满足大坝设计要求。碾压混凝土强度采用90d或180d龄期。坝体内部碾压混凝土强度等级按强度需要确定，不低于C5；外部混凝土强度等级还要考虑抗渗和耐久性，需要适当提高。碾压混凝土抗渗等级可按90d龄期确定。内部混凝土也有抗渗要求，抗渗等级不低于W2W5。外部混凝土的抗渗等级在高、中坝可按高程或部位不同分别采用不同强度等级，但在同一浇筑层内尽量用同一强度等级。对坝体下游面混凝土，各个工程根据不同情况采用不同的做法。坑口、水东等坝均采用混凝土重力式预制块代替下游模板，预制块作为坝体的一部分可以简化立摸和拆模。实践证明，这种施工方式施工方便、外观好且预制块可以起到

11、防冻隔热作用，具有改善坝面温度应力状态等优点，干砌即可满足内部混凝土碾压时不变形的要求。为保证预制块与坝体连接，每个预制块加2根mm钢筋作锚钩。江垭大坝的非溢流坝下游坝面也做成阶梯状，台阶高度0.9m、宽0.72米，采用混凝土重力式模板，模板长1.5m、高0.95m、宽0.5m，同时支立3层，浇筑过程中逐层循环上升；下游面表面0.20m采用变态混凝土，掺用灰浆的比例为80100L/m3，水泥浆加入量为每立方碾压混凝土900920L。岩滩、天生桥二级、观音阁等工程上、下游面外部采用常态混凝土。试验研究工作表明，暴露在空气中的掺粉煤灰的碾压混凝土，其耐久性和抗冻性不及常态混凝土。如观音阁坝地处我国

12、东北地区，冻融层厚可达2m，由于气象条件和施工坏境因素，设置防护层是必要的。碾压混凝土重力坝的溢流坝面，由于泄洪时流速较高，一般宜采用常态混凝土或钢筋混凝土防护。在铺筑坝内碾压混凝土时，可用预制块作为临时模板，宜采用阶梯状交界面，待碾压混凝土达到一定强度后（35d），即可吊开预制块并处理交界面，为溢流面施工提供条件。为保证常态混凝土保护层与碾压混凝土的连接，在碾压混凝土内埋入适当数量锚筋起锚固作用碾压混凝土重力坝溢流面钢筋混凝土防护层的设计，还需要注意与其他建筑物连接。与闸墩的连接，应有足够的埋置深度，同时也应有足够的锚筋；与上游防渗层的连接，要保证两者形成整体性。这些部位若处理不当，容易形成

13、渗漏通道，或造成应力集中。从施工方便出发，溢流坝面常态混凝土多为23m厚，利用碾压混凝土中预埋钢筋以加强结合。为保证工程质量，不致影响碾压混凝土大坝的上升，可留待日后浇筑二期混凝土。在分块时，施工缝上应设置止水片，其其反弧段的填筑可以用一块整体浇出，以增强其抗冲稳定。坝面进一步还可采用真空模板，使其表面平整度增加，防止发生气蚀。如前述在单款流量较小情况下，也有采用阶梯状增糙措施的。但最近对大单宽流量的大朝山和百色碾压混凝土坝的试验研究表明，采用阶梯式效能也有一定的效果。总结 随着对混凝土重力坝的认识的不断加深,“更好更快更省”的筑坝要求成为工程界的发展方向。通过对大坝的分区设计，可以达到降低大坝的工程投资，缩短施工周期等目的，但是我们也应看到对筑坝材料的分区，会影响到施工机械的配套，施工进度的安排，坝体温度控制等，所以做好混凝土重力坝筑坝材料的分区设计具有很重要的意义。做好大坝的分区设计,在分区设计中不断创新,采用新思路、新技术，是大坝设计的深化方向，也是混凝土重力坝从新换发生机，不断发展的重要动力。参考文献：1SL 319-2005 混凝土重力坝设计规范S.2SL 314-2004 碾压混凝土坝设计规范S.3潘家铮.重力坝设计M.北京：水利电力出版社，19