高碾压混凝土重力坝设计方案的探究

潘燕琴

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院）

高碾压混凝土重力坝设计方案的探究

潘燕琴

（广西壮族自治区河池水利电力勘测设计研究院）

本文主要采用了现场、室内试验分析计算相结合的方法对坝体应力计算方法和承载能力、施工期温度应力分析方法和温控防裂措施以及大坝连续施工技术等问题进行了研究，从而建立了一套符合我国高碾压混凝土重力坝特点的设计方法。

高碾压混凝土重力坝；设计方案

1 前言

高碾压混凝土重力坝是一种新型的坝型，它的施工工艺较为简单，易于掌握且成本较低，投资收益较快，因此受到人们广泛的应用。但是随着高碾压混凝土重力坝的不断建设，也带来了许多新的困难和挑战。

2 应力计算方法和承载能力的研究

高碾压混凝土重力坝在应力计算方法和承载能力方面的研究主要包括对碾压混凝土重力坝及其材料性能的主要特点、混凝土重力坝设计准则的研究，通过对这些内容进行研究使得高碾压混凝土重力坝的计算方法、应力控制标准、参数取值和安全系数等标准在配套的情况之下，满足工程的安全标准和经济要求。在对混凝土筑坝及其材料进行研究时，要结合现场碾压试验的结果，来对混凝土的配合比和密度进行研究，明确混凝土的配合比与密度之间的关系，从而为设计密度与混凝土坝的质量控制提供依据。除此之外，还要根据大量碾压混凝土层面抗剪断试验强度参数特性的试验结果，来对混凝土凝聚力和摩擦系数的变异系数之间的关系进行研究，从而对碾压混凝土重力坝应力和承载能力进行分析计算。同时，还要对混凝土强度的尺寸效应和粒径效应进行分析研究，从而得出这两种效应对混凝土强度的影响情况，为高坝强度的分析提供依据。

在对重力坝坝基岩体质量分级方法进行完善之后，采用了人工智能的原理，创建了通用型重力坝坝基岩体分级专家系统，有效的提高了坝基岩体分级的质量和效率。根据对坝基变形对重力坝应力分布影响的分析可以看出，将坝基面应力状态从线性分布改成非线性分布时的附加应力是平衡的，坝踵区拉应力的范围以及数值会对坝基的刚度产生影响。对重力坝实例的有限元应力进行分析研究，可以对有限元法的坝基面应力制定出相应的控制标准。

对碾压混凝土重力坝设计计算的弹塑性增量理论、线性断裂理论以及非线性弹性理论进行研究之后可以对水电站重力坝的应力状态、承载能力有一定的了解。根据碾压混凝土损伤软化和扩容的实际情况，突出了稳定性理论和提高材料抗剪强度保证率的安全储备原则等系统化的方法。在对重力坝的破坏过程、破坏机理以及承载能力和安全余度进行研究时，建立了可以准确计算重力坝稳定性的方法，并制定了判别混凝土重力坝是否稳定的标准。研究工作还对材料强度参数进行了研究，并将重力坝承载能力的稳定性与强度进行了对比，发现碾压混凝土重力坝的稳定性会对其承载能力产生影响，混凝土重力坝的稳定性是对碾压混凝土材料质量以及是否软化等情况的具有反应，运用工程结构失稳的计算分析新方法可以得出坝体在失去稳定性之前的临界数值，从而保证坝体的安全使用。

3 温度应力分析和防裂措施

在对高碾压混凝土重力坝温度应力的规律进行研究之后发现高碾压混凝土重力坝温度应力不同于常态的混凝土重力坝温度应力，这就使得对高碾压混凝土重力坝的温度控制研究有了针对性。高碾压混凝土的防裂能力略微低于常态混凝土，较容易出现裂缝情况，基础温差与坝体自重以及水压力共同作用使得拉应力减小。一般情况下，通仓浇筑的碾压混凝土重力坝的上下层温差会导致较大的拉应力，内外温差会始终起控制作用，由于基岩表面垫层混凝土的温度应力比较大，所以要采取必要的措施来防止裂缝的产生。

通过“九五”对碾压混凝土重力坝温度应力的计算方式进行了改善，提出了并层坝块接缝单元、仿真并层复合单元、温度场和应力场的分区异步长解法、和等效热传导方程等一系列计算方法，除此之外，还将非稳定温度场分区异步长解法与三维有限元浮动网格法结合在一起，创新了计算机的程序，精确了工程温度应力的计算分析。

温度应力仿真计算方法主要应用于水电站碾压混凝土重力坝从施工期开始到运行期的全程计算，可以快速的分析出不同工况之下的温度场和应力场情况。根据研究的结果，制定了多种可行的温控方案。

4 高温多雨环境碾压混凝土坝施工技术研究

通过现场的试验，对气温、日晒、湿度、风速等环境因素进行了系统的研究，得出了这些因素对碾压混凝土连续施工质量造成的影响。又根据水电站碾压混凝土坝材料的配合比和性能，分析出了温度、层面抗剪断参数以及成熟度之间的关系，并制定了关系式，这个关系式可以根据具体的环境因素来快速的得到层间允许的间歇时间，从而为混凝土坝夏季施工设计方案和决策提供了参考。

在夏季高温条件之下为延长碾压混凝土拌和物的初凝时间，对不同的缓凝剂的缓凝情况进行了研究。对降雨对碾压混凝土坝施工的影响进行了研究，从而制定出相应的控制标准，从而为雨季施工提供了依据。

高碾压混凝土重力坝斜层平推铺筑法使得工程可以在高温与多雨夏季连续开展，采用高碾压混凝土重力坝斜层平推铺筑法可以用较小的浇筑强度覆盖较大的坝体浇筑面积，从而减轻由于坝体分块面积过小而带来的不利影响，并且可以进行大面积的浇筑，有效的提高了工程效率。由于斜层平推铺筑法碾压混凝土的层间间歇时间缩短了，所以使得混凝土各层面之间的结合情况得到了改善，因此，高碾压混凝土重力坝斜层平推铺筑法是适用于夏季施工的方法。根据对坝体钻孔取样进行研究之后发现，斜层平推铺筑法比通仓薄层铺筑法更加的具有抗剪强度。

5 施工层面处理和坝体快速施工技术分析

经过对现场和室内的研究发现，增加胶凝材料用量、缩短层间间歇时间、提高砂浆强度、进行刷毛和铺浆处理、保持层面上湿润、增大上下层骨料间的咬合程度等方式对于提高层面的胶结强度有显著作用。层间间歇时间是决定碾压混凝土层面处理选择何种方式的重要素，如果层间间歇时间比较短，则可以选用铺胶凝材料净浆的处理方式，如果层间间歇时间比较长，则要在层面上凹凸不平时进行水平砂浆的铺设工作。在对碾压混凝土坝施工过程中传热介质解算进行研究之后发现，在夏季高温条件下，要严格控制胶凝材料净浆和水泥砂浆水胶在阳光下的暴露时间，并且在配置时根据天气的实际情况，对用水量进行调整。降低砂浆和净浆的入仓温度或者采取仓面喷雾的方式可以有效控制水分蒸发的速度。

根据对碾压混凝土坝施工工序过程进行分析并对其内在规律进行研究之后开发出了仿真的计算机软件，从而对工程中出现的各种情况进行了研究，从而有助于保证决策的正确性，通过对施工过程中的参数以及过程进行研究，为水电站碾压混凝土坝制定具体的施工方案提供了参考依据。

综合考虑碾压混凝土坝建设工期，要求采用成都粉煤灰（二级）掺量一般控制为40～50%。外加剂选择满足缓凝、具有较好的减水作用的品种。沙牌坝碾压混凝土的基础配合比见表1。

该碾压混凝土室内试验90d龄期的抗压强度为24.8MPa和23.29MPa（二、三级配，下同），极限拉伸值为 158×10-6和 146×10-6，弹模为17.42GPa和15.6GPa，国内外尚无先例。

表1 沙牌坝碾压混凝土基础配合比

6 总结

本文全面的提出了诱导缝的设置理论和方法，优化了仿真计算的理论要求，对仿真计算的程序进行了完善，并结合物力模型与数学分析的方式，对出拱坝的承载能力及开裂机制和破坏形态进行了研究，提出了重复灌浆的成套技术，并揭示出水泥、骨料的微观机理，从而配置具有高抗裂性能的碾压混凝土，提高了工程所带来的社会效益。

[1]隋馥名.高碾压混凝土重力坝防渗结构型式研究[J].黑龙江科技信息，2014（4）：170.

[2]刘占龙.高碾压混凝土重力坝防渗结构型式研究[J].黑龙江科技信息，2012（28）：264.

[3]莫志财，孙岩丽.仓面设计在官地水电站碾压混凝土重力坝施工中的应用[J].混凝土世界，2011（11）：78～81.

[4]陈强，廖桂英，闫勇.官地水电站碾压混凝土重力坝设计简介[J].水电站设计，2013，29（03）：05～08.

TV642.3

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1004-7344（2016）25-0132-02

2016-8-15

潘燕琴（1987-），女，助理工程师，本科，主要从事水工设计工作。