普定碾压混凝土拱坝

1、普定碾压混凝土拱坝杨志雄杨家修 国家电力公司贵阳勘测设计研究院贵阳550002摘要：结合“八五”科技攻关，于1993年建成的普定碾压混凝土拱坝倍受我国 水电工程界的关注，现已正常运行7年，经受了多次洪水考验本文除介绍该坝的设计、 施工关键技术外，将着重介绍质量检测及该坝建成后的运行情况关键词：碾压混凝土：拱坝：普定坝l工程概况普定坝是结合我国“八五”科技攻关，应用碾压范凝土材料和筑坝新技术建成的我 国碾压混凝土拱坝。位于贵州省乌江上游三岔河中段普定县内距贵阳125Km2。该工 程以发电为主，兼有供水、灌溉、养殖及旅游等综合效益坝址以上流域面积5871Km 2，占三岔河流域面积的81，流域内气候

2、温和湿润，雨 量充沛，年平均降水1187mm，多年平均气温147，平均相对湿度8096。坝址实测最 大洪水流量4990m3s，多年平均流量123m3s。坝址河谷呈不对称“V”型，大坝座落在安顺组(T，。)厚层、中厚层灰岩上岩层产状N E 35。40。倾向上游偏左岸。 山体雄厚，地形完整，河谷高宽比1：2，具有兴建拱坝的良好地形、地质条件。水库正 常蓄水位I 1450m，总库容4209×l护m3，为不完全年调节水库，电站装机容量为75 MW，年发电量3401亿KW·h。普定水电站于1989年12月15日开工，1993年11月大坝建成蓄水，1994年4月 第一台机组并网发电，1

3、995年5月电站全部竣工工程由贵州黔源电力股份有限公司投资兴建，国家电力公司贵阳勘测设计研究院设 计，水电八局施工。总计投资319亿元。大坝实际挡水已超过7年，电站发电运行6年共发电约20亿KW·h，并承担了向安 顺火电厂(装机600MW)供水任务，水库起名“夜郎湖”，已成贵州重要旅游景点a带 动了地方经济迅速发展。152普定坝的设计特点 普定坝为定圆心、变半径、变中心角、等厚双曲非对称拱坝，受地形条件限制，右岸设有30 m重力墩，坝顶总长195671 iTI坝顶高程1150 m，最大坝高75 m，坝 项宽63 m，底宽282 m。坝体混凝土总量137万m3，其中碾压混凝土103万m

4、3， 占坝体混凝土总量的752；常态混凝土34万m，占混凝土总量的248。其平面布 置参见图。主要设计特点如下：豳一(1)尽量简化坝体断面轮廓尺寸和内部结构，将水工建筑物集中布置-如溢泱遵集中 布置在坝顶中段，坝内廊道分层水平布置在1090 m、和11150m高程，用竖井连接廊道，竖井采用预制结构，大大减少了施工干扰。为碾压混凝土通仓连续碾压创造了条 件。其断面尺寸参见图二(2)采用高掺粉煤灰和低水泥用量的碾压混凝土作为筑坝材料-不仅节省水泥降 低工造价由于水泥用量少，混凝土的水化热低，为减化温控措精，加快施工进度打下16了良好基础。普定拱坝采用的R。二级配碾压混 凝土水泥用量85Kgm3，掺

5、55的粉煤灰，21 天绝热温升167；Rl。三级配碾压混凝土水泥 用量54KgiTl 3，高掺65的粉煤灰，2l天绝热 温升158。根据“八五”科研成果分析：以 重量取代水泥，每增掺粉煤灰10，可降低7天 水泥水化热7，可降低15天混凝土的绝热温升 13。与常态混凝土相比，7天干缩降低29， 有利于防止混凝土表面干缩裂缝。(3)坝体采用碾压混凝土自身防渗，在国内 最先打破碾压混凝土筑坝技术中的“金包银”的 传统习惯。在堋体迎水面使用粒经小于40m rn 二级配碾压混凝土作为坝体阻水防渗层，与坝体三级配碾压混凝土同时填筑，同屡碾压。 经坝体多年挡水运行实践证明，防渗效果不亚于常态混凝土。(4)坝

6、体不设施工缝，采用整体、薄层、通仓、全断面碾压填筑，革新了常态棍凝 土拱坝采用分缝、分块、跳仓浇筑的传统旄工方法，省去了复杂的温控措施和麻烦的 封拱灌浆工艺。可充分发挥碾压混凝土快速筑坝技术的优越性。(5)坝上设有诱导缝，普定碾压混凝土拱坝右岸30m重力墩提前施工，以常规施工缝的 形式与拱坝相接通仓连续碾压填筑的最大弧长16567 m，仓面不设施工横缝，有可能产生 温度裂缝，而且产生裂缝的部位和规模难于控制。根据三维有限元进行温度应力仿真计算 和结构模型试验资料分析，在坝体可能产生裂缝(拉应力最大)部位设置了两条诱导缝， 将坝体分成55 ITI、80m、3067 111三段。诱导缝采用i00X

7、30X8cITl(长×高X厚)双层混凝土预制板式结构，沿缝面水平 方向间距l_0 m，沿铅直方向60cm埋设一块，使其在坝体同一断面上预先形成若干个 人造缝隙，削弱该断面的有效受拉面积。在混凝土预制板中预设重复灌浆系统，在诱导 缝上下游部位设置诱导器和跨缝止浆片，一旦沿诱导缝面产生裂缝可实施重复补强接缝 灌浆处理。(6)坝顶开敞式溢洪道采用高、低坝分流戽泄洪消能，绾短挑距和减少对下游的冲 刷。由于溢流挑坎距下游厂房尾水渠较近，(参见图一)为减少泄洪时，高速水流冲刷17墙体和水位波动对厂房发电运行的影响，在每一表孔的溢流面中部设置分流戽，使下泄 洪水经分流戽时形成上下两股相等的水流，在

8、空气中纵横扩散碰撞掺气消能，将部分 能量在空间消除，削硪入水能量通过模型对比试验分析：冲刷坑深度减少40左右， 水舌挑距缩短36。下游水位波动明显削减。为了防止渲泄高速水流产生对溢流面和高、低消力戽的气蚀，在溢流坝和中墩内增 设了补气廊道和通气孔，使水流充分掺气。经过水工模型试验和泄洪原形观测证实，这 种消能形式具有很好的消能效果。泄洪场面十分壮观，但对下冲刷很小，运行7年下游 尾水平顺，发电实际出率比设计额定出率高10以上。 3“八五”科技攻关成果在普定工程上的运用：(1)在普定碾压混凝土拱坝整体结构模型试验中引进了“夹层变温相似材料”模拟 新技术实现了同一模型进行超载与强度储备相结合的破坏

9、试验，其综合安全度大于 40，提出了左右半拱诱导缝宜对称或近似对称布置的重要结论，论证了普定碾压混凝 士拱坝结构设计的合理性。(2)在普定碾压混凝土拱坝层面抗剪特性研究中进行了碾压混凝土多轴剪压强度 试验，确定了层面问抗剪强度准则，通过碾压混凝土变形及损伤特性试验研究，寝I定层 面及非层面碾压混凝土在多轴应力状态下的变形及损伤特性，建立了碾压混凝土本构关 系和破坏准则，使我国碾压混凝土坝的设计理论跃上了一个新台阶。(3)采用三维有限元对普定碾压混凝土拱坝进行全过程温度应力仿真分析及温控防 裂研究，揭示了碾压混凝土拱坝温度和温度应力分布规律，论证了普定碾压拱坝设置诱 导缝的必要性与合理性。(4)

10、通过对碾压混凝土筑坝材料优选和配合比研究，为普定工程优选出了具有高效 减水及强缓凝性的三复合外加剂，研究了在高掺糟煤灰的碾压混凝土中外掺Mgo的可能 性；针对普定工程在充分利用灰岩人工砂石骨料混凝土热膨胀系数低、抗裂性能优良特 性的基础上，适度提高人工砂的石粉含量，以提高混凝土的可碾性，密实性和抗渗性推荐普定工程上坝的二级配碾压混凝土：水泥用量85kgm3，掺55的粉煤灰。 21天绝热温升167"C；R15三缎配碾压混凝土：水泥用量54kgm3，掺65的粉煤灰，2l 天绝热温升158"C。具有防渗、抗裂、层面结合优良等特点。(5)通过粉煤灰质量、气泡特性、水灰比、粉煤灰掺量

11、、龄期等对碾压混凝土耐久 抗冻性影响的系统研究发现：“采用优质粉煤灰、将含气量控制在552E右、降低水灰比、18适当控制粉煤灰的掺量和延长碾压混凝士的养护时间，可太大提高和改善碾压混凝十的 抗冻耐久性。碾压混凝土这项新的筑坝技术，不但适宜于气候温和的南方地区也可推 广运用到较冷的北方地区”。(6)根据普定拱坝不分缝、全断面、薄层、通仓碾压、连续上升的设计要求及地形 条件，通过对狭窄河床碾压混凝土入仓艺研究，选用“自卸汽车+真空溜管+固定式缆 机”的入仓工艺巧妙地解决了普定狭窄河床碾压混凝土的入仓难题。真空溜管仓工艺在普定工程的成功应用和系统研究，为高碾压混凝土坝狭窄河床 入仓工艺开辟了一条新途

12、径。理论分析和工程实践证明真空溜管入仓具有结构简单、 质量可靠、输送高差大、输送能力强等优点，可实现狭窄间床碾压混凝土快速输送目的 具有很大的推广运用前景。(7)通过碾压混凝土通仓与连续施工工艺、层间结合特殊处理工艺，变态混凝土应 用及近模铺料工艺、连续上升可调式悬臂模板等先进工艺的研究和运用，保证了普定碾 压混凝土拱坝的连续施工，最大一个升层达到连续碾压19m。酱定坝原计划利用一个枯水期基本建成后来从混凝土拌合系统的生产能力及整个 电站的施工进度(机组订货较晚)要求考虑调整为两个枯水期13个升层施工。于1992 年元月23日零点正式开盘碾压，第*枯水期(1992123421)施1 l6层，采

13、 用自卸汽车直接入仓，坝体从10766m碾压填筑至10993m高程升高227m；第二 个枯水期(199211i71993530)施工713层采用自卸汽车+真空溜管+固定式 缆机联合入仓，坝体从10993m碾压填筑至11495m高程，升高502m；坝体碾压混 凝±工程全部完成。4大坝质量检测 为了确定大坝设计和施工质量，随耐掌握大坝蓄水运行情况在坝体内埋设备类原观仪器190支，在施工过程中和结束后又对坝体进行了钻孔取芯、超声波探涮t对芯样 进行物理力学检验，基本情况如下：(1)碾压混凝±的实际入仓温度为52"C204"C实测到的坝体最高温度296"

14、;C， 最大拉应力为102MPa，最大压应力357MPa：埋设在24、3。诱导缝上的裂缝计1993 年6月个勋点测到过02ram的张开度，此后便在霉线上下波动，两条诱导缝直到现在 也未张开。(2)钻孔压水试验，二级配碾压混凝土单位吸水率小于03Lu，三级配碾压混凝土除个19别点达到12Lu外，其余均在05Lu以下。对236个点进行超声波探测，波速为45765069ms平均波速4900ms。(3)碾压混凝土芯样获取率在99以上，最长段达到47m，芯样表面光滑致密，碾 压混凝土的层间结合、异种混凝土结合、混凝士和基岩结合等结合面胶结紧密，除以粉 煤灰、岩石、钢筋等颜色不同可区分胶结界面和不同物种类

15、别外，无法辩认分区和结合 层面。芯样容重：c20二级配碾压混凝土2497kgm 3与理论计算值比较其密实度达到 9956；C15三级配碾压混凝土2518kgm 3，密实度接近100。芯样抗压强度：C：。二级 配269463MPa，平均361MPa：Clj三级配为309516MPa，平均达38OMPa。层 面结合轴拉强度：C20二级配231MPa：c5三级配为217MPa。层面抗剪断参数：Czo二 级配碾压混凝土C=3148MPa，tg咖=l_517：C L5三级配C=2753MPatg巾=1822，芯 样抗渗指标>s。，证明碾压混凝土层面结台良好总体质量达到同等常态混凝土水平。 5蓄水运

16、行情况普定坝为我国建成的首座碾压混凝土拱坝，倍受国内专家关注。1993年当库水位升 到11337m高程时，检查巡视人员发现坝体底层1090灌浆廊道两处墙面及几处拱顶滴 水，通过1115廊道即时对1090廊道上游侧灌浆处理，滴水消失。目前廊道干燥无水， 参观人员和考察专家可穿皮鞋进入廊道。1999年元月25日大坝已蓄水运行5年多为了彻底了解大坝运行状况，结合太坝 安全鉴定工作对坝体裂缝进行了一次系统编号祥查，总计发现裂缝49条远低于同期 修建的常态混凝土坝，其中有40条位于坝面常态混凝土部位，有9条位于碾压混凝土 部位。在常态混凝土的40条裂缝中，坝顶路面混凝士占27条，溢流堰顶护面混凝土有12

17、 条，右导墙发现l条。坝顶路面混凝土和堰顶护面混凝士其水泥用量远远超过碾压混凝 土，其水化热温升比高掺粉煤灰的碾压混凝土高得多，末采取任何温控措施，在气温较 高的夏季施工，不分缝、通仓连续浇筑，产生温度裂缝是不可避免的。按专家的话说； “不裂才是怪事”。由于坝顶常态混凝土很薄(05-1Om)即使将常态混凝土裂透。其 缝的深度也十分有限。辗压混凝土中的9条裂缝分布情况如图三所示，从图三可以看出：其中有6条集中 在右岸非溢流坝与混凝土重力墩的接头部位，混凝土重力墩与右岸非溢流坝之间设有一 条完全断开的施工缝(也称其为14诱导缝)。1993年张开2-3mm从理论计算分析：该20部位处于拱端受压区，拉

18、应力较小。在此部位集中产生数条裂缝有些不合常规。通过对 施工原始记录的查阅和复核：该部位碾压混凝土在1993年5月1930日施工，已进入 炎热的夏季，碾压混凝土平均入仓温度204"C，又处在右岸转料台部位，从摊铺、碾压、 养护等都不及其他部位细致，除产生4条竖向裂缝外还发现了2条水平裂缝。可能是 由于入仓温度偏高质量失控引起的。编号为22的裂缝位于右岸非溢流坝段第7升层 内。第7升层碾压混凝土是在第6升层1992年4月21日封仓渡汛7个月后施工的。上 下层弹模差异很大。我们分析：该裂缝主要由于上层新浇混凝土变形受到下层老混凝土 强烈约束而产生的。22号缝处坝面干燥属浅层干裂缝。第4和

19、第21号裂缝处于左岸 非溢流坝段与基岩接触部位，左岸坡面较陡，拱端应力复杂，由于束设周边缝该两条裂 缝主要因基岩对碾压混凝土产生强烈约束而产生较大拉应力所致因此，在后来的碾压 混凝土拱坝设计中都已总结了这一经验教训，在陡坡段拱端与基岩接触面设置周边缝， 对改善拱端应力大有好处。4号和2l号裂缝下游坝面均较潮湿有渗水痕迹2001年3 月进行渡汛检查中，建议利用汛前进行闸门检修期间，库水位下降较多的时段对4号和 21号裂缝进行处理。由于处理费用不多(20万元)，业主接受了设计建议，对4-和21- 裂缝采用灌浆方式进行了处理鼍鼠uHkd岗铡j0渊l”【广U沙“o1速”1llj一，i蜘“一i·

20、;主日i盐，t。；，、14ICR,IIS|，mm、0盟画五型6问题讨论(1)、关于诱导缝的作用，碾压混凝土拱埙与常态混壤土拱坝不同之处，在于施工方21法的不同。常态混凝土拱坝是按柱状法分缝分块、戗仓浇筑，待坝块温度降到规定封拱 温度时，再进行封拱接缝灌浆，将各独立坝块联成整体形成空间受力的拱坝结构混 凝土水化热产生的温升，对拱坝整体应力不产生影响。碾压混凝土拱坝采用通仓薄层铺 筑，全断面碾压，连续上升。碾压混凝土一凝结就形成了拱的作用，以后产生的水化热 将积蓄到坝体内。尽管在薄层碾压过程中可利用层间间隙散掉一部份热量，但仍有30- 5096储存在坝体中，在坝体冷却降温过程中，混凝土收缩产生温度

21、应力，超过混凝土自 身抗拉应力时，将引起拱坝开裂。特别是对狭长的长条形仓面的坝体更为不利。常态混 凝土拱坝分缝同距一般控制在1220m，南非同期建设的沃尔威丹(Wolwedans)碾压 混凝土重力拱坝，坝高70m，诱导缝间距为10m。普定碾压混凝土拱坝结构上下左右均不对称在“八五”科技攻关期间结合普定的气 候条件及碾压混凝土原材料特性对诱导缝的条数、位置和结构形式作过多方案比较和研 究，难以求得统一理想结论，最后只好根据结构模型试验和温控仿真计算选定实施方案。由于普定采用人工灰岩砂石骨料热膨胀系数低，通过高掺粉煤灰减少水泥用量等优 化措施发热量少，再加上普定地区温差不大实测最大拉应力为102M

22、Pa，小于诱导 缝面碾压混凝土自身设计的折算抗拉强度144MPa，故2、34诱导缝至今均末张开但 不等于没有发挥作用，在1999年元月25日对坝体裂缝进行祥查时，在2、34两条诱导 缝之间的80m碾压混凝土坝段末发现裂缝就是一个明显的佐证同时也证明：碾压混凝 土拱坝诱导缝的设置间距从20m增加到80击是有可能的(2)、为什么在第一个枯水时段填筑碾压混凝士没有发生裂缝：从图三可以看出，所 有裂缝都发生在10993m高程以上在1992年1月23日一4月21日施工的1-6层碾压 混凝土，在施工过程、渡汛过程和1999年元月15日编号系统祥查中均末发现裂缝这 段碾压混凝土+垫层混凝土总高243m正好处

23、在拱坝(75m高)l3高度的强约束区内· 按常规分析是拱坝最易开裂的地方。但恰巧没有发现裂缝原因何在?我们分析，可能 是下列因素起到了作用：a在垫层混凝土中采用了外掺M90技术，“八五”科技攻关试验证明在c2。三级配常 态垫层混凝土中外掺32Mgo，在1722"C养护温度下，28天可获得5851×101的 微膨胀量在强约束条件下足可抵消混凝土困降温而产生的温度应力，确保垫层混凝 土自身不会开裂。b在普定碾压混凝土中由于采用贵州硅酸盐水泥，其自身体积变形呈膨胀型，90天22的膨胀量可达208×10，在强约制区内对坝体抗裂有利。 c该部份混凝土在1992年4月21日以前施工，入仓温度为52162"C平均139，入仓温度较低，对混凝土防裂有利，d施工特别认真，严格按照科研要求和设计程序办事由于普定为国内酋座碾压混凝 土拱坝开碾“八五”科技攻关单位和知名专家亲临现场指导，确保了施工质量，1992年 4月21日封仓后即进行表面蓄水养护，通过7个月渡汛养护，带走和消化了坝体内