第五章混凝土坝工程

第五章混凝土坝工程

至今，混凝土坝在高坝中占的比重较大，特别是重力坝、拱坝应用最普遍。混凝土坝施工中，大量砂石骨料的采集、加工，水泥和各种掺和料、外加剂的供应是基础，混凝土制备、运输和浇筑是施工的主体，模板、钢筋作业是必要的辅助。一、混凝土坝传统施工方法的改进与新设备的发展

大中型水利水电工程混凝土坝具有工程量大、质量要求高、施工季节性强、浇筑强度大等特点。如何提高混凝土坝施工的综合机械化和管理水平，采用大型、高效、可靠的施工机械设备是保证混凝土质量、加快施工速度的重要问题。

混凝土坝施工技术在20世纪30年代末修建胡佛（Hoover）坝时已达到较高水平。70多年来，自胡佛坝施工而发展起来的一套传统施工方法一直延续到今天，仍被各国广泛使用。20世纪90年代又有一些新的发展，这套传统方法及近年来的发展可归纳如下：（1）分缝、分块、分层浇筑；（2）混凝土采取温度控制措施；（3）坝体采用标号分区；（4）层面施工缝处理；（5）加强平仓振捣；（6）模板；（7）改进混凝土浇筑技术。由于筑坝技术的发展和施工强度的提高，近十年我国混凝土工程在施工机械设备方面从规模和配套选型上均有质的飞跃。我国自行研制的4×3m3大型混凝土拌和楼经过多年的改进和工程检验，质量稳定，不比国外设备逊色；水平运输设备6m3和9m3侧卸料罐车已实现了国产，皮带机运送混凝土从规模和应用范围均居世界前列；

二、混凝土坝的高强度施工

影响混凝土工程浇筑强度的因素很多，主要取决于坝区自然条件及所用的机械设备能力、坝型、导流方式和施工程序等。混凝土浇筑应力求均衡，以最高月浇筑强度与月平均浇筑强度之比值为均衡系数，一般在1.5～2.0m之间。大坝坝体上升平均速度一般3～6m。

国内外混凝土浇筑高水平的几个代表性工程见下表。第一节骨料料场规划和生产加工

砂石骨料是混凝土最基本的组成成分。一．骨料生产在混凝土大坝中的地位

1．需要量大，每立方米砼中约需1.5立方米的骨料；

2．骨料的质量直接影响砼坝的质量。。二．骨料质量的要求

1．粗骨料粒径划分如下：

一级配5～20mm

二级配5～20，20～40mm

三级配5～20，20～40，40～80mm

四级配5～20，20～40，40～80，

80～120（150）mm

2．细骨料以细度模数控制，一般为

2.4～2.8表5-1细骨料（砂）的质量要求

三、骨料料场规划

骨料料场规划是骨料生产系统的基础。

砂石骨料的质量是料场选择的首要前提。

1.

骨料料场规划的原则

搞好砂石料场规划应遵循如下的原则：1）满足水工混凝土对骨料的各项质量要求，其储量力求满足各设计级配的需求，并有必要的富裕量。

2）选用的料场，特别是主要料场，应该地开阔，高程适宜，储量大，质量好、开采季节长，主辅料场应能兼顾洪枯季节互为备用的要求。3）选用可采率高，天然级配与设计级配较为接近，用人工骨料调整级配数量少的料场。4）料场附近有足够的回车和堆料场地，且占用农田少。5）选择开采准备工作小，施工简便的料场。2.砂石料场规划优选法

料源规划的优化，就是从工程施工总体出发，考虑料场的贮量、开采和加工的限制，以及整个工程需要量的要求进行综合平衡，使砂石料生产成本最低为目标。根据水利水电工程料源规划特点，采用系统工程理论中的动态规划、线性规划等方法，将成品骨料生产费用最低为目标函数，以工程对骨料的需求，加工厂设置，料场可采贮量，各加工工艺单元生产能力为约束条件，进行各砂石加工厂的砂石料开采、需求量、弃料量及贮量之间的最优化。

3.骨料的生产方式

1）天然骨料：成本低，但级配与砼设计级配不同；

2）人工骨料：质量好，可利用开挖出的石料，但成本高；

3）混合骨料：天然骨料为主，人工骨料为辅。

4．骨料的开采方法

水下开采：从河床或河滩开挖天然砂砾料宜用索铲挖掘机和采砂船；

陆上开采：主要使用挖掘机。如下图所示的正铲挖掘机、反铲挖掘机；

碎石开采：采用洞室爆破和深孔爆破。

四、骨料加工和加工设备

将采集到的毛料加工，一般需要通过破碎、筛选和冲洗，制成符合级配，除去杂质的碎石和人工砂。根据骨料加工工艺流程，组成骨料加工厂。

1、

骨料的破碎

使用破碎机械碎石，常用的设备有颚板式、反击式和锥式三种碎石机。最新设备为瑞典Svedala公司的高性能圆锥破碎机。

2、

骨料的筛分

为了分级，需将采集的天然毛料或破碎后的混合料筛分，分级的方法有水力筛分和机械筛分两种。大规模的筛分多用机械筛分，有偏心振动和惯性振动两种。

3、

砂的水力分级

无论天然砂还是人工砂通常多用水力分级，这时分级和冲洗同时进行，也有用沉砂箱承纳分流后的污水砂浆，经初洗后再送入洗砂机清洗。人工砂采用棒磨机加工。4、

骨料加工厂

大规模的骨料加工厂，常将加工机械设备按工艺流程布置成骨料加工工厂。其中，以筛分作业为主的加工厂称筛分楼。五、骨料的堆存

为了适应混凝土生产的不均匀性，可利用堆场储备一定数量的骨料，以解决骨料的供求矛盾。骨料储量多少，主要取决为生产强度和管理水平，通常可按高峰时段月平均值的50%－80%考虑。汛期、冰冻期停采时，需按停采期骨料需用量的20%的裕度考虑。堆料场型式与地形条件、堆料设备、进出料方式有关。常用的型式有台阶式、栈桥式、土堤式。第二节混凝土的生产

一、混凝土生产方式

混凝土生产系统应根据浇筑强度确定生产规模，按用料分散或集中情况设拌和站或拌和楼。目前采用最普遍的是混凝土拌和楼。它把进料、储料、配料、拌和及出料组成定型的、装配式的混凝土工厂。

二、混凝土生产系统的布置

混凝土生产系统是为混凝土工程服务的主要生产系统。它包括混凝土拌和楼、各种原材料的储存、运输系统、混凝土拌和物运送设备，还有制冷、供热、加冰、风冷等配套设施。

1．拌和楼尽量靠近浇筑地点

只要满足爆破安全距离要求并且不与永久性建筑物干扰，拌和楼应尽可能靠近坝体。

我国大中型水电站混凝土生产系统到坝址的距离一般在500m左右，爆破安全距离不宜小于300m，且厂区宜布置在浇筑部位同侧。

2．混凝土出料线路应顺畅

混凝土运输距离应按混凝土出机到入仓的运输时间不宜超过60min，夏季不宜超过30min。当采用汽车运输混凝土时，拌和楼位置和浇筑仓面运输距离不宜太大（一般小于3km），高差不能过大，进仓道路弯道要少，道路坡度应控制在5%～8%的范围内，以便尽量缩短运输时间和提高运输能力。

3．妥善利用地形

厂址选择地质良好，地形比较平缓、地基稳定的基岩上。在山区峡谷地带，混凝土生产系统尽量采用台阶布置，减少土建工程量。厂区主要建筑物地面高程应高出当地20年一遇的洪水位；混凝土生产系统设在沟口时，要保证不受山洪或泥石流的威胁；受料坑、地弄等地下建筑物一般应在地下水位以上；厂区系由陡坡上开挖出来时，特别要注意高边坡的稳定和危石处理。

4．各个建筑物布置原则

各个建筑物布置紧凑，制冷、供热、水泥及粉煤灰等设施均宜靠近拌和楼；

原材料进料方向与混凝土出料方向错开；每座拌和楼有独立的出料线，使车辆进出互不干扰；各个车间流程线路尽量缩短，且不宜交叉，不宜干扰主体工程布置与施工，同时各车间应按国家有关规定满足安全生产、劳动保护要求。

第四节

混凝土的运输方案混凝土运输是连接拌和与浇筑的中间环节。

混凝土运输应做到保质、保量和经济。

保质就是在运输过程中保持新拌混凝土的均匀性与和易性，不发生较大的温度变化，不发生标号混淆。

保量就是运输能力要与拌和、浇筑能力相适应，及时供给足够数量的混凝土。

经济就是指运输费用低。

运输过程包括水平和垂直运输。从混凝土出机口到浇筑仓前，主要完成水平运输，从浇筑仓前至仓里主要完成垂直运输。

一、混凝土的水平运输设备

通常混凝土的水平运输有有轨和无轨运输两种。

1.自卸汽车自卸汽车灵活，应用广泛。但能源消耗大、运输成本高。

2．铁路运输在工程量比较集中，地形比较平坦时，常采用铁路运输。其优点是运输能力大、工效高和消耗能源少，但铁路布置受地形限制、技术要求高、工程量大。

3．胶带机运输在供料点比较集中，运输距离短的情况，可考虑用胶带机运输混凝土。它对地形的适应性较好，且设备简单、操作方便、效率高、成本低。但容易出现分离、砂浆损失。二、混凝土的垂直运输设备通常混凝土的垂直运输有以下三种：

1.施工栈桥与门塔机施工栈桥一般由桥墩、梁跨结构和桥面系统三部分组成，桥上行驶门塔机或运输车辆。

2.缆机

3.专用皮带机三、混凝土运输浇筑方案的选择1.国内外部分工程混凝土高峰浇筑强度一览表2.混凝土浇筑方案组合形式

混凝土浇筑方案，根据枢纽所在区域的自然条件、坝型、枢纽布置、电站形式、导流与度汛、温度控制与灌浆、金属结构安装、施工设备水平及使用历时等因素有不同的组合方式。常见的混凝土浇筑方案组合形式参见下表。

3.浇筑方案的比较选择

（一）基本步骤（1）根据水工建筑物的类型、规模、布置、施工要求，结合工程具体情况拟出各种可能的浇筑方案，并经初步分析选择几个主要方案。（2）对主要方案进行主要施工设备选型、需要量计算，结合具体情况进行布置，并计算辅助设施的工程量等，论证施工方案实现工期的可能性。（3）对主要方案进行经济、造价估算，提出主要优缺点。（4）通过方案的比较，确定推荐方案和备用方案。

（二）比较项目（1）主体工程的浇筑强度、控制性形象进度。（2）准备工作工程量。（3）施工工期。（4）浇筑方案临建工程、机械设备及运转等费用估算。（5）主要机械设备型号、数量。（6）主要优缺点。（7）其他。

混凝土运输浇筑方案的选择通常应考虑如下的原则：

1）运输效率高，成本低，运输次数少，不宜分离，容易保证质量。

2）起重设备能够控制整个建筑物的浇筑部位;

3)主要设备型号单一，性能优良，配套设备能使主要设备的生产能力充分发挥。

4）在保证工程质量的前提下能满足高峰浇筑强度的要求；

5）除满足混凝土浇筑外，同时能最大限度的承担模板、钢筋、金属结构及仓面的小型机据的吊运工作。

6）在工作范围内，设备利用率高，不压浇筑块，或不因压块而延误浇筑工期。第五节混凝土的浇筑和养护

一、混凝土坝的分缝分块为了避免不均匀沉降引起坝体开裂，常采用结构缝将坝体分段，为了控制温度裂缝和施工方便,用纵缝将坝段分成若干柱状块，在浇筑时又用临时的施工缝将柱状块分层，形成若干浇筑仓，又称浇筑块。

坝体分缝分块类型有四种，如下图：

二、混凝土浇筑工艺流程

（一）浇筑前的准备作业

浇筑前的准备作业包括基础面的处理，施工缝处理，立模，钢筋及预埋件安设等。

1．基础面的处理

对于砂砾地基，应清除杂物，整平建基面，再浇10～20cm低标号混凝土垫层，以防漏浆；

对于土基应先铺碎石，盖上湿砂，压实后浇混凝土；对于岩基，在爆破后用人工清除表面松软岩石、棱角和反坡，并用高压水枪冲洗直到洁净，最后用高压风吹至岩面无积水。

2．施工缝处理

施工缝是指浇筑块间临时的水平和垂直接合缝，也是新老混凝土的结合面。在新浇混凝土前，必须采用高压水枪或风砂枪将老混凝土表面含游离石灰的水泥膜清除，并将表层石子半露。

（二）入仓铺料

1.

平层浇筑法

混凝土入仓料多用平层浇筑法。它是沿仓面某一边逐条逐层有序连续铺填。

冷缝：当层间间歇时间超过混凝土初凝时间，层面形成一层乳皮，使层间的抗渗、抗剪和抗拉能力明显降低。称为冷缝，须当作施工缝处理。为保证浇筑层间不出现冷缝，且利于迅速振捣密实，层厚一般30～60cm。

2．斜层浇筑法

3．阶梯浇筑法如下图（三）平仓与振捣

卸入仓内成堆的混凝土料，按规定要求均匀铺平称为平仓。一般常用插入式振捣器垂直插入料堆顶部，借振捣作用铺平混凝土。用推土机（平仓机）平仓是一种行之有效的方法。（四）养护

养护是保证混凝土强度增长，不发生开裂的必要措施。一般从浇筑完毕后12～18h开始，持续养护14～28天。第六节

混凝土的温度控制

一、混凝土温度控制的基本任务

（一）混凝土温度变化的过程

大体积混凝土的温度变化过程，可分为三个阶段，即温升期、冷却期、和稳定期。（二）混凝土的温度裂缝

大体积混凝土的温度变化必然引起温度变形，温度变形收到约束，势必产生温度应力。

大体积混凝土的温度裂缝有如下两种：

1.表面裂缝

2.贯串裂缝和深层裂缝（三）大体积混凝土温度控制的任务

大体积混凝土温度控制的首要任务是通过控制混凝土的拌和温度来控制混凝土的入仓温度，再通过冷却来降低混凝土内部的水化热温升，使温度降到允许范围。

其次，大体积混凝土温控的另一任务是通过二期冷却，使坝体温度从最高温度将到接近稳定温度，以便在达到灌浆温度后及时灌浆。二、大体积混凝土的温度控制措施

温度控制的具体措施常从混凝土的减热和散热两方面来着手，所谓减热就是减少混凝土内部的发热量；所谓散热就是采取各种散热措施。

（一）减少混凝土的发热量

1.减少每立方米混凝土的水泥用量。

2.采用低发热量的水泥。（二）降低混凝土的入仓温度

1.合理安排浇筑时间

2.采用加冰或加冰水拌和

3.对骨料进行预冷：

(1)水冷

(2)风冷

(3)真空汽化冷却（三）加