外掺MgO混凝土快速筑拱坝技术及其应用

李承木,李万军

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院科研所,四川 成都 610072;2.四川省水利水电勘测设计研究院,四川 成都 610072)

经过30多年的基础理论研究和工程应用,我国坝工界已总结出一套较为完整的外掺MgO混凝土筑拱坝技术体系,并全面掌握了MgO混凝土的物理力学性能及长期膨胀变形规律[1-2]。在膨胀机理、变形性能、应力应变补偿理论、施工措施、均匀性控制与检测、安定性试验方法、仿真分析程序研制等方面已形成了一套完整的筑坝理论体系[3-4],并在我国四川、贵州、广东等10多个省近50座大中型水利水电工程不同部位应用[5],获得了成功。其中,长沙拱坝、三江拱坝、落脚河拱坝等13个拱坝工程采用了全坝外掺MgO混凝土不分横缝或设少量诱导缝快速筑拱坝新技术,目前均已成功建成[6],均取得显著的技术经济效益和社会效益。在国家“十五”计划期间,为了将MgO技术用于高拱坝,国家电力公司主持对“高拱坝MgO混凝土筑坝的关键技术研究及推广应用”课题的研究,该课题依托小湾高拱坝(坝高292m)和龙滩碾压混凝土重力坝(坝高216.5m),在高坝设计计算方法,应力应变补偿,仿真程序研制,施工组织设计,温度对全级配混凝土性能的影响,外掺粉煤灰混凝土自生体积变形的提高,MgO材料的膨胀性能及外掺工艺自动化等方面进行系统研究。该科研成果为推动这项筑坝新技术的发展及将其推广应用于100m级以上高坝创造了条件。长期理论研究[3-4,6]和工程应用实践表明,MgO筑坝新技术安全可靠,目前已积累了大量的经验。为了进一步推广MgO筑坝新技术,制定了2个部颁标准[7-8]和2个地方标准[9-10],这4个行业标准作为技术保障,为全面推广应用该项新技术创造了条件。笔者归纳总结了采用全坝外掺MgO混凝土快速筑拱坝技术建成的混凝土拱坝工程,介绍了各拱坝的工程特征、施工情况、MgO掺量、长期观测的混凝土自生体积变形、应用新技术后的经济效益等基本情况,以期为类似工程提供参考。

1 外掺MgO混凝土快速筑拱坝工程

1.1 外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝工程

外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝技术首先应用于广东省阳春市长沙拱坝工程中。大坝为双曲薄拱坝,坝高55.5m,混凝土总量为3.1万m3。该工程在拌和机口外掺MgO,根据温控设计和仿真计算要求,按上、中、下3部分外掺MgO,MgO掺量分别为4.5%,4.2%,3.5%。全坝不分横缝,实行通仓连续快速浇筑,大坝浇筑约每4d上升2.5m。长沙拱坝于1999年1月6日开始浇筑,4月5日浇至坝顶,施工期仅为 90 d。原体观测结果表明,大坝自生体积膨胀变形多数超过160×10-6,基本满足设计要求。工程正常运行至今已超过12a,掺4.5%MgO混凝土的自生体积膨胀变形的平均值长期稳定在160×10-6～180×10-6之间。

长沙拱坝采用外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝技术,是温控设计和简化温控措施的重大突破。利用混凝土自身膨胀变形补偿混凝土温降收缩,对简化温控措施、加快施工进度、保证工程质量、提高经济效益均十分有效。该技术的突出特点是:不分横缝,分层通仓浇筑,水平整体上升,以坯层台阶式连续滚动推进,连续快速全天候浇混凝土(夏季也是一个很好的施工季节),不埋冷却水管,不需封拱灌浆。该技术彻底摒弃了传统修建混凝土拱坝需分横缝,柱状、跳块、薄层浇筑,需封拱灌浆等诸多制约筑坝速度的施工工序,极大地加快了施工速度。大坝浇筑多采用垂直与水平运输两者合二为一的施工方案。其后采用同样技术施工的坝美拱坝和沙老河拱坝的基本情况见表1和表2。

需要指出的是:沙老河拱坝浇筑后不到1个月,因突受寒潮袭击而形成过大的温度梯度,混凝土的坍落度又太小,影响了施工质量,使坝体产生了5条贯穿性裂缝(左坝肩2条,右坝肩3条,最大缝宽7～8mm)。灌浆处理后,大坝已安全正常运行至今。

1.2 外掺MgO混凝土设诱导缝通仓快速筑拱坝工程

三江拱坝工程位于贵州省贵阳市北郊,大坝为单心圆薄拱坝,坝高 71.5 m,混凝土总量为3.8万m3。全坝采用在拌和机口外掺MgO混凝土施工,根据温控设计要求和压蒸试验结果,MgO掺量为4.5%,全坝实行通仓连续快速浇筑,每个浇筑层高2.5m,采用水平整体上升,并以台阶方式连续滚动推进浇筑大坝混凝土。通过仿真分析发现,在浇筑大坝上部时气温高,温降收缩大,导致两岸坡的约束大(拉应力超过3MPa),需要应变量达200×10-6方可完全补偿混凝土温降收缩,而仅凭MgO混凝土的自生体积膨胀不能完全补偿温降收缩。由此提出有针对性地设置诱导缝,以达到释放超标拉应力的目的。经计算,需在0.7H(H为坝高)以上位置设置2条诱导缝。施工时在两坝肩各设置了1条诱导缝。诱导缝采用混凝土预制板成缝技术,确保混凝土的快速施工,缝内埋设重复灌浆管以便蓄水前灌浆。大坝于2002年12月13日开始浇筑至2003年6月17日结束,历时186d。施工中,冬季上游基坑自然进水,除下游堆渣对坝体下部坝面进行保护外,中上部坝面未采取任何保温措施。

表1 各类拱坝工程混凝土的原材料及施工配合比

表2 全坝外掺MgO混凝土通仓连续浇筑拱坝工程基本情况

原体观测结果表明,大坝自生体积膨胀变形量长期稳定在130×10-6～160×10-6之间;2条诱导缝被拉开,最大缝宽4～5mm,坝体其他部位均未发现裂缝;拱座测缝计反映混凝土与岩石之间的裂缝多数为受压缝,少数为张开缝,其缝宽多在 0.1mm内,不再随时间变化。灌浆处理后大坝已安全正常运行至今。实践证明,除MgO的补偿作用外,设置诱导缝释放拉应力的作用十分明显,达到了设计预期目标,保证了工程质量。

诱导缝的设计主要考虑混凝土的膨胀量,而混凝土的膨胀量是温度和龄期的函数,温度越高,膨胀量越大。考虑温度对自生体积膨胀变形的影响,当仿真计算膨胀量可能无法满足设计要求时,为了释放坝体内过大的超标拉应力,有必要在两坝肩各设置1～2条诱导缝。这是对外掺MgO混凝土不分横缝快速筑拱坝技术的创新,也是设计理念的深化和完善。三江拱坝设诱导缝是经过精准仿真计算后的成功典型实例,其设计方法合理,符合工程实际,值得推广应用。贵州省内的几座外掺MgO混凝土拱坝诱导缝的缝距在河床部位较大,一般都在100m左右;而两岸坡坝段的缝距较小,一般为15～20m。其后采用同样技术在广东省修建了长潭拱坝(该坝体混凝土在温度高达 52.7℃时照常施工),在贵州省又成功修建了落脚河、马槽河、老江底等3座混凝土拱坝,各工程的基本情况见表1、表2。

1.3 外掺MgO碾压混凝土拱坝工程

贵州省息烽县境内的鱼简河水利枢纽工程,其大坝为碾压混凝土双曲薄拱坝,坝高81m。根据温控设计要求,除采用内含高镁膨胀水泥外,在大坝拱端还分了2条横缝、2条诱导缝。实践证明,合理分缝显著减小了超标拉应力。该大坝浇筑层高2m,每层间隔时间为5～6d,连续水平整体上升,碾压混凝土的Vc值控制在4～8s,用机械平仓铺料,按碾压程序进行碾压,其防渗体为2级配变态混凝土,该大坝实际筑坝时间约为1a,共浇碾压混凝土11万m3。监测结果表明:相对密度的平均值达 98.7%～99.7%,抗压强度平均值超标达31%～45%,碾压混凝土的自生体积膨胀变形量达 40×10-6以上。工程完工后,除 1条诱导缝有微小的张开度外,其余3条均呈闭合状态,因此尚未进行灌浆处理,大坝蓄水已安全正常运行至今。其后采用同样的外掺MgO技术在贵州省又修建了黄花寨碾压混凝土拱坝,在甘肃省和新疆维吾尔自治区成功建成了龙首[11]和石门子[12]2座碾压混凝土拱坝。此外,为了解决夏季施工问题,在广西壮族自治区那坡县成功修建了那恩碾压混凝土拱坝(坝高26m以上外掺MgO),各工程的基本情况见表1、表2。

朱伯芳[13]指出:为了避免目前碾压混凝土施工在夏季多停工的现象,最好的办法就是坝体采用外掺MgO混凝土施工,并建议设法提高MgO掺量。潘家铮曾指出:现在夏季变成很好的浇筑季节,温度应力可以补偿,MgO混凝土筑坝是革命性的措施,将MgO混凝土和碾压混凝土二者结合起来,则“革命”较彻底。普定碾压混凝土重力拱坝最好采用MgO微膨胀混凝土施工。实践证明这些技术观点都是正确的。在碾压混凝土中外掺MgO能实现夏季继续施工的目的,可加快施工速度,放宽浇筑温度;以诱导缝替代横缝,可改善混凝土质量,提高坝体抗渗能力,增强坝体耐久性能。因此可以认为外掺MgO混凝土筑拱坝技术是有效的施工技术措施,所起的综合效应对工程有利,值得推广应用。

2 长期观测的拱坝混凝土自生体积变形

贵州省内的沙老河拱坝、三江拱坝及广东省的长沙拱坝长期观测的大坝混凝土自生体积膨胀变形量列于表3中。从表3可以看出:①外掺MgO混凝土自生体积变形均随MgO掺量的增加和观测龄期的延长而增大,并随着温度的增高而增大。②外掺MgO混凝土自生体积变形主要发生在最高温升之后、有显著的降温之前,具有延迟微膨胀特性。大量研究结果表明,约70%的膨胀量是在7d龄期之后发生。③MgO混凝土自生体积膨胀变形是长期稳定不可逆的,其膨胀变形量是永久性的,且室内外变形规律一致[1]。

由文献[6]可知,沙老河和三江拱坝坝体混凝土早期温度高,膨胀增量大,1a后的温度已接近稳定温度场,其膨胀发展逐年变小,到第6年和第4年分别还有2×10-6～7×10-6和5×10-6～8×10-6的膨胀增量,这对稳定补偿应力极为有利。一般龄期1a以后的膨胀增量可占总膨胀量的10%左右。另外,广东地区坝体起始温度较高,其膨胀变形的稳定时间相对较早,通常在龄期1a后基本趋于稳定。据文献[13]计算,只要常态混凝土有100×10-6的自生体积膨胀变形,在华南地区可省去预冷骨料和冷却水管工序而进行通仓浇筑;在其他地区,只有当混凝土自生体积膨胀变形量达150×10-6～200×10-6时方可省去预冷骨料和冷却水管工序执行通仓浇筑,这是推广的基本条件。

文献[6]指出,全坝外掺6%的MgO的马槽河拱坝混凝土自生体积膨胀变形量较大,1a龄期的膨胀量达120×10-6～165×10-6,其膨胀变形过程和规律也较好。因为工程所用水泥的质量较好且不收缩,单方胶材用量和MgO掺量都较高,这些因素有利于提高预期膨胀量。大量试验研究表明,膨胀量大小与水泥的质量组成及性质、MgO质量及掺量、混合材料种类及掺量、环境温度、外加剂品种、单位胶材用量、级配材料组成、施工质量、外掺均匀性等诸多因素密切相关。

3 工程经济效益分析

坝高50～70m的混凝土拱坝常规施工期为2～3a,应用新技术后的施工期仅为4～7个月;坝高100m级的混凝土拱坝常规施工期为3～4a,应用新技术后的施工期约为1a[4]。与传统筑坝技术相比,应用新技术后坝高50～100m级的水电工程可提前1a多发挥效益。新技术的综合经济效益相当于建坝投资的45%以上(视工程规模和装机容量大小而定)。经济效益主要体现在省去温控措施(据统计,温控费用占工程投资的4%～6%)、缩短工期、节省工程投资和提前发电等方面。长沙拱坝、坝美拱坝、长潭拱坝采用新技术后分别提前投产14个月、12个月、14个月,所取得的经济效益见表4。

采用MgO混凝土并适当进行表面保温和养护,有利于解决混凝土坝的开裂问题,可全部或部分取代传统的温控措施,实现长块、厚层、通仓连续浇筑,可以全天候施工,夏季也是一个很好的施工季节,从而大幅度降低工程造价,简化施工工艺,缩短工期,具有良好的技术经济优势和应用前景。据统计,小型水电站工程提早发挥的效益相当于坝体投资的30%以上。发电站装机容量越大,其经济效益越显著。贵州落脚河水电站由于浇筑拱坝时采用了新技术,缩短了1a工期,获得提前发电等各项直接经济效益达1365万元。贵州东风电站高拱坝基础回填处理工程采用外掺MgO混凝土施工,减少了分缝分块,不仅在一个汛期提前完成了混凝土浇筑任务,而且为工程节约了1a施工期,为国家避免了2.04亿元的电能损失,其间接经济效益则更为显著。某高拱坝坝高 292 m,底宽 73m,电站装机容量为420万kW,年发电量为 188.9亿kW·h。若在坝基36m强约束区采用MgO混凝土快速施工,至少可提前1a发电,可产生 66亿元的电价收益,简化(或取消)温控措施可节约工程费约20亿元,再加上缩短施工工期所节省的开支、减少的贷款利息等,预计可获得经济效益近100亿元。

表3 大坝混凝土的自生体积膨胀变形量

表4 外掺MgO混凝土工程效益

4 结 论

a.采用外掺MgO混凝土快速筑拱坝技术施工,具有不分横缝或设少量诱导缝,分层通仓浇筑,水平整体上升,连续快速全天候浇混凝土,不埋冷却水管,不需封拱灌浆等优点。该施工技术已被实践证明是成功的,并能获得较好的综合经济效益,值得推广应用。

b.该项新技术涉及混凝土材料试验、设计、施工、原体监测等多方面,尤其要重视材料试验,它为设计、施工、仿真分析提供基本资料,因此十分重要,应提前开展材料试验工作。

c.将该项新技术用于高坝理论上是成熟的,关键是要把好施工技术关,精心施工,并提高MgO材料的质量及膨胀性能,使混凝土自生体积膨胀量达到150×10-6～200×10-6,便可在各类混凝土坝中全面推广应用。

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