外掺氧化镁碾压混凝土技术在黄花寨水电站的应用

郑国旗，赵其兴，2

（1.贵州中水建设管理股份有限公司，贵州 贵阳 550002；2.中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

碾压混凝土（RCC）技术以其施工快速、节约水泥用量等优点在国内外蓬勃发展，但近期的低温浇筑、通水冷却等温控措施，影响了RCC快速浇筑优势的发挥。水泥中含有氧化镁时使配制的混凝土产生体积微膨胀，可以抵消温降收缩，部分或全部取代温控措施［1］。外掺氧化镁技术和碾压混凝土技术相结合，可以简化碾压混凝土的温控措施，使碾压混凝土快速施工的优势充分发挥。

氧化镁混凝土的微膨胀性对混凝土坝防裂的作用最早发现于白山拱坝［2］，其后我国学者开展了大量的研究工作［3-5］。文献［1］对氧化镁混凝土筑坝技术进行了全面总结，对氧化镁混凝土的膨胀机理、对大坝应力的影响、数值计算模型及在混凝土坝中的应用原则与方法等进行了论述。张国新等［6］提出了氧化镁混凝土膨胀变形的反应动力学计算模型，开发了考虑氧化镁膨胀的大坝应力仿真计算软件并应用于若干工程。

自2002年开始，贵州和广东的技术人员开始尝试全坝外掺氧化镁取代传统温控措施，并相继建成了三江、沙老河、长沙坝和鱼简河等工程，取得了丰富的经验。黄花寨水电站建设中综合利用外掺氧化镁筑坝技术和RCC技术的优点，全坝外掺氧化镁，利用其微膨胀性抵消温降收缩，取消了传统的温控措施，仅设置少量横缝，通仓碾压浇筑坝体，实现了快速筑坝，取得良好的社会经济效益。

2 坝体设计及构造

黄花寨水电站位于蒙江干流格凸河上，距贵阳市约150km，是蒙江干流格凸河上的第三级电站。坝址以上流域面积2 163km2，多年平均流量41.0m3/s。水库总库容1.748亿m3，正常蓄水位795.5m，死水位770.0m，属大（2）型水库，调节库容9 540万m3，具有季调节性能。大坝坝型为碾压混凝土双曲拱坝，采用坝顶表孔泄洪挑流消能，发电厂房布置在坝后左岸边，装机容量2×30MW，年发电量2.215亿kW·h，引水系统布置在左岸，全长255.8m。电站由贵州中水建设项目管理有限公司总承包建设，于2010年9月30日蓄水、12月29日投产发电。

黄花寨水电站大坝设计时，结合外掺氧化镁混凝土技术在贵州实践的成功经验［7-9］，进一步综合这两种技术优点，采取碾压混凝土施工工艺，全坝利用氧化镁混凝土的微膨胀作用，简化温控措施。大坝结构设计时充分考虑了外掺氧化镁碾压混凝土技术快速施工的需要，尽量简化附属结构的布置，为通仓浇筑创造条件。

2.1 大坝体形 坝址为基本对称的“V”形谷，河谷宽高比2.2。地层属石炭系下统摆佐组，岩性为深灰色薄至中厚层燧石条带灰岩。双曲拱坝体形在立面上选用了中下部前倾、中上部后仰的拱冠梁形式，水平拱圈采用变厚度椭圆曲线，长轴顺河向布置，拱圈曲率半径由拱冠向两岸逐渐减小，拱厚由拱冠向两岸沿弧长逐渐增加，为使拱圈应力分布均匀，中、下部拱圈中心角取大值，最大中心角95°，坝顶最小中心角48°，坝顶弧长243.58m。坝顶高程800.0m，最大坝高108.0m。考虑满足闸门安装、运输等施工需要，坝顶宽度取6.0m，经计算取坝底宽25.1m，坝体最厚部位25.6m。

2.2 坝体构造及混凝土分区 坝体碾压混凝土主体采用C9020，三级配，抗渗W6。上、下游坝面50cm厚范围为C9020变态混凝土，根据高程不同在坝体上游侧设置厚2.0、2.5和3.0m的防渗层（二级配、抗渗W8、C9020碾压混凝土）。变态混凝土中，上游迎水面、两拱端与基岩接触部位采用二级配，下游面采用三级配。拱坝体形的设计采用多拱梁分析程序ADASO进行，在完成混凝土性能试验后，结合施工组织计划由中国水利水电科学研究院采用SapTis开展了三维有限元仿真计算，在此基础上，确定大坝设4条缝（见图1），其中2条横缝、2条诱导缝。

3 混凝土原材料选择及配合比

3.1 水泥选择 大坝采用安顺畅达瑞安水泥厂生产的P.O42.5水泥，水泥的物理力学性能见表1,水泥熟料的化学成分见表2。

采用辽宁海城东方滑镁公司生产的轻烧氧化镁，氧化镁的纯度大于90%，指标检测结果见表3。

3.2 厂掺氧化镁 由于施工组织选用的是连续式拌合系统，拌合时间较短，不能保证现场外掺氧化镁在混凝土中均匀性。因此，MgO的掺入采取了厂掺的做法，将MgO熟料（半成品）在水泥厂与水泥熟料等进行共磨。MgO订货合同里明确规定了质量指标，对每一批到货进行质量检测，合格后方能与水泥熟料共磨。

表1 水泥物理力学性能

表2 熟料化学成份及矿物组成 （单位：%）

表3 氧化镁试验成果

MgO掺量越高，混凝土的膨胀量也越大，贵州地区外掺氧化镁混凝土技术实践的经验是MgO掺量占胶凝材料的5%～6%，辅以设置诱导缝释放拉应力［10-11］。为了解不同氧化镁（外掺）掺量对水泥、混凝土的影响，进行了净浆、砂浆和一级配混凝土压蒸试验，压蒸试验表明安全掺量为6%。考虑到水泥占胶凝材料的比例，MgO掺量未按室内试验得出的极限掺量设计，而仅取胶材重量的3%～4%，相应地，实际生产的MgO水泥中MgO含量为6.5±0.5%。

3.3 配合比 通过混凝土配合比试验，确定了推荐配合比，要求胶凝材料用量不低于95kg/m3，水胶比不大于0.6。施工单位进场后，根据生产实际的砂石料和原材料对混凝土配合比进行了复核，最终确定施工配合比，见表4。

表4 黄花寨水电站碾压混凝土配合比

4 温控设计

4.1 温控设计理念 温控设计理念为以氧化镁混凝土延迟性微膨胀作为主要的温控措施，充分利用冬、春、秋季中低温季节施工，辅以遮阳棚、地垄取料等简易措施，高温天气利用夜晚低温期浇筑、白天仓面喷雾形成小气候。在此基础上，通过仿真分析坝体应力，分析合理的诱导缝（或横缝）设置方式。工程未采用砂石骨料冷却系统及敷设冷却水管。

4.2 仿真计算 电站枢纽地址区多年平均气温15.1℃，最高月平均温度23.0℃（7月），最低月平均温度5.4℃（1月），气温年变幅17.6℃。

对多种温控方案的仿真计算分析揭示了大坝整体的温度及温度应力状态，在此基础上确定了分缝方案和温控标准。主要计算思路和结论如下：（1）夏季连续浇筑（利用夜晚），坝体连续均匀上升时，坝体最高温度39.6℃（8月份浇筑的混凝土）。利用秋、冬、春季浇筑混凝土，最高温度仅为33.7℃。坝体内温度升至最高后受气温影响逐渐下降，之后年度周期性变化；（2）夏季连续浇筑（利用夜晚），不设横缝时，两岸750.0m以上拉应力超过2.0MPa；720.0m高程分2条缝后，缝附近应力得到改善，但两岸750.0m以上仍有超过2.0MPa的拱向拉应力。夏季停浇，不设横缝时，由于6—8月停浇避开了最高温季节浇筑，中面最大温度应力由原来的较大范围超过2.0MPa（局部2.3MPa）改善为个别点接近2.0MPa。但709.0m高程长间歇后成老混凝土，形成强约束区，导致709.0m—720.0m高程大范围应力超过1.86MPa；（3）在720.0m高程设2条横缝时，拱冠梁上游面最大拉应力1.53MPa，下游面2.12MPa，两岸坡727～760m约束区范围内平行建基面拉应力大面积超过1.5MPa，有产生垂直建基面裂缝的风险。采用分4条缝方案，即709.0m高程分横缝、739.0m高程设诱导缝时，两岸坡727.0m～760.0m范围内只有个别点应力超过1.5MPa，较好地解决了约束区温度应力问题；（4）要求浇筑温度不高于26℃，气温较高时建议尽量晚上浇筑混凝土，白天浇筑混凝土时采取喷雾措施降低太阳辐射热的影响。

4.3 仿真反馈分析 根据施工期实测的数据进行了反演计算分析，调整了计算参数，使其对现场的温控措施和管理要点更加清晰，主要内容如下：（1）由埋设的无应力计实测资料反馈，大坝混凝土实体的微膨胀性低于室内试验值。故将试验室取得的自生体积变形值折减，最终按MgO混凝土30℃养护140d龄期时膨胀量60με、最终膨胀量85με作为计算基准；（2）对比实测温度过程与初始计算结果，由于实际施工时多为白天，初始计算的混凝土入仓温度与实际不符，不同部位最高温度与计算值相差甚远，按最高值对计算参数进行反演，调整绝热温升公式，将浇筑温度在气温基础上提高8℃，能基本反映实际温度过程，计算结果显示最高浇筑温度31.0℃，最高温度45.9℃（8月份浇筑的混凝土）。

坝体分缝后最大应力见图2，由图2可知，大坝应力除局部外，整体拉应力水平满足抗裂要求。

5 施工及质量控制

5.1 斜层碾压 根据大坝仓面面积为2 200～3 300m2，在平均拌和能力140m3/h的条件下，假定运输、碾压和立模等环节全部通过良好的施工组织和管理得到保证，对两种浇筑方式进行了分析：一是平层通仓浇筑法，按0.3m逐层上升；二是斜层平推铺筑法，按1∶10～1∶20斜层铺筑推进、3m层高逐层上升。根据比较分析结果，考虑斜层平推铺筑法具有更好的适应性，实际施工中得到了采用。

5.2 施工质量控制 施工中采用分段验收，混凝土冲毛、立模、冲洗、验收及浇筑各工序流水作业，充分发挥碾压混凝土快速筑坝优越性。

拌和楼选用DWS240连续强制式拌和系统，设计能力240m3/h，布置在砂石料加工系统附近，骨料用皮带机从砂石料加工系统料仓输送至拌和楼料仓，电脑控制操作系统，每班拌和前均进行校验。试验工跟班控制VC值，检测砂石料含水率、超逊径和含泥量。

对碾压混凝土的两个层面进行铺浆：一是新、老混凝土或混凝土与岩石结合面，铺1～2cm水泥砂浆；二是坝前3～4m范围内铺1～1.5mm厚水泥粉煤灰净浆，以保证防渗效果。

坝体分层厚度3m，采用左右岸方向斜层碾压铺筑法浇筑，斜层坡度不小于1∶10，铺35cm料（压实后30cm）。选用操作灵活的平仓机，采用边卸料、边摊铺和边平仓的工艺，以改善骨料分离现象，另安排人工将集中的粗骨料分散。模板、埋件和钢筋等附近人工铺料。

两坝肩局部横向碾压，其余平行于坝轴线碾压。碾压设备为BW202-AD、BW203-AD，先无振碾压2遍，再有振碾压8遍，后无振碾压2遍，振动碾行走速度控制在1～1.5km/h。碾压条带侧面搭接15～20cm，端头重叠2.4～3m。一般情况下，混凝土从拌和到碾压完毕控制在120min以内，摊铺到碾压不超过30min。要求碾压后层面微浆出露、振动碾滚轮前后略呈弹性起伏、上下层骨料相互嵌入、骨料粘接牢固，相对压实度检测不低于98%，补压不合格作废料挖除处理。

进入6月份以后，采取料仓、混凝土运输自卸汽车搭设遮阳棚及水泥、煤灰罐淋水降温等措施。现抽温度较低的河水拌制混凝土，采用北京科宁ADD-3型缓凝高效减水剂（使初凝时间超过8h）。太阳照射和大风条件下，在混凝土浇筑仓面上、下游方向，各布置2台移动式喷雾机，专人进行喷雾降温。仓面洒水养护，及时用麻袋和彩条布覆盖，保持仓面混凝土处于湿润状态。

6 安全监测

大坝安全监测项目除常规观测项目外，重点观测掺MgO后混凝土的膨胀性及大坝变形、缝的开度，黄花寨拱坝共埋设34套无应力计和30支测缝计，用于量测混凝土膨胀变形和监测诱导缝开合度。

施工期内部观测仪器观测成果如下：（1）混凝土浇筑后一般在2～15d达到最高温度，最大温升值在13.0～16.6℃，然后开始缓慢下降。拱圈中心温度高于上、下游坝面温度，高程720m以上坝体混凝土温度受气温影响比较明显；（2）垫层混凝土膨胀量较小，720.0m高程膨胀量相对大，120、180d膨胀量分别为39με和52με，740.0、760.0m高程膨胀量稳定在10～30με之间；（3）4条诱导缝最大开度分别为1.89、1.87、0.08和0.05mm；（4）受库水位上升影响，大坝整体表现为向下游位移，最大位移为14.8mm；（5）计算渗压系数分别为0.08～0.38。712.76m高程廊道实测渗漏总量为0.7L/s。

7 结语

从黄花寨水电站大坝建设实践中得到如下经验和启示：（1）外掺氧化镁混凝土技术和碾压混凝土技术一样，都追求简单快速、经济的筑坝效果。黄花寨大坝将这两种技术有机结合，全坝利用氧化镁混凝土，简化温控措施，仅设置少量横缝，实现了通仓连续碾压、快速浇筑坝体；（2）黄花寨拱坝设置了2条横缝、2条诱导缝，除对1#、2#缝局部（735.0m高程以下，吃浆量小）进行过接缝灌浆以外，其余部位因缝开度极小而未灌浆，这是氧化镁混凝土微膨胀和水库蓄水的共同作用结果。其安全运行为今后拱坝设计提供了启示，传统方法强调先采取工程措施让缝张开、然后灌浆形成整体，一定龄期后才能蓄水，对于氧化镁混凝土拱坝而言，这不是必须的，可以及早蓄水；（3）采取水泥厂共磨方式掺加氧化镁后，现场混凝土生产时间不需延长。但厂掺带来的问题是水泥出厂强度与现有国家标准不符，这需要建设者采取制订专门验收标准的办法来解决；（4）温控设计时，对大坝采用三维有限元进行应力分析是必要的。与此同时，及时整理和反馈施工期观测资料，对仿真分析贴近现场实际也显得尤为重要；（5）随着黄花寨大坝的建成运行，外掺氧化镁混凝土技术应用范围拓展到百米级（108m）。与此同时，其本身也是碾压混凝土拱坝，其温控理念与目前国内碾压混凝土越演越烈的严格的骨料冷却及冷却水管等温控趋势相比，无疑更简便、经济一些，在某种程度上代表了另外一个温控方向。

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