堆石混凝土重力坝分缝设计的思考与实践

何涛洪，张全意，张文胜，曾 旭

(遵义水利水电勘测设计研究院，贵州 遵义 563000)

1 概述

堆石混凝土技术是由清华大学水利水电工程系发明并获得国家发明专利授权的新型大体积混凝土施工技术。其施工工艺是将粒径大于300mm的块石或卵石直接入仓，形成有自然空隙的堆石体，利用无需振捣的高自密实性能混凝土(High Self-Compacting Concrete，简称HSCC)，依靠其自重充填堆石体空隙，形成完整、密实的混凝土。具有低碳环保、水化热低、密实度高、稳定性好、层间抗剪能力强、施工速度快等特点。自2003年发明至今，国内已建成堆石混凝土坝60余座，在建堆石混凝土坝30余座，其中已建的陕西省佰佳水电站堆石混凝土拱坝坝高69m，在建的云南省松林水库堆石混凝土重力坝坝高达90m。该技术在行业内得到广泛的关注和认可，正在从国内走向世界，老挝、肯尼亚、埃及、越南等国正在筹备建设堆石混凝土大坝。

目前尚未正式发布堆石混凝土相关的规程规范，其大坝结构分缝设计理念分歧较大。在SL678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》第5.4.2条中阐述“堆石混凝土坝不宜设置纵缝，可根据工程的具体条件和需要设置横缝，间距宜为20～30m”。受该条款约束，我国已建和在建堆石混凝土重力坝设计中，坝体结构设计分缝未充分考虑堆石混凝土水化热低的特点，主要参照混凝土坝分缝设计要求，设置较多横缝，使大坝施工仓面较小，增加堆石入仓难度，施工干扰大，并降低坝体堆石率，影响施工进度和质量，未能充分凸显堆石混凝土的优势。

2 堆石混凝土重力坝分缝设计的思考

在遵义市境内建成并蓄水运行正常，且未出现裂缝、渗水等不良现象的不分纵、横缝全断面整体上升结构型式的混凝土砌石重力坝见表1。

表1中混凝土砌石重力坝在施工过程中坝体挖坑检测试验成果资料表明：每方砌体中混凝土用量55%～60%，其C15混凝土配合比：每方混凝土水泥用量220～260kg(掺有适量粉煤灰)，换算每方砌体中水泥用量121～156kg。根据SL678—2014中每方堆石混凝土堆石率和水泥用量阐述，换算每方C9015堆石混凝土中水泥用量小于80kg。为此，思考堆石混凝土重力坝结构分缝设计借鉴上述工程不分纵、横缝全断面整体上升结构型式。

3 堆石混凝土重力坝分缝设计的实践

贵州省余庆县打鼓台水库工程大坝为C9015堆石混凝土重力坝，坝顶高程799.00m，最大坝高41.0m，坝顶宽度6.0m，坝底最大宽度33.94m，坝顶长198.0m。大坝基础河床至左岸774.00m、右岸777.00m段为三迭系下统夜郎组玉龙山段中厚层灰岩，岸坡左岸774.00m、右岸777.00m以上段则为薄层泥灰岩与泥页岩互层、泥页岩等。工程所在地多年平均气温14.9℃，鉴于其气候条件和大坝体型与上述混凝土砌石重力坝接近，加之其配合比为每方自密实混凝土水泥用量167kg，粉煤灰用量322kg，按每方堆石混凝土中自密实混凝土用量45%，换算每方堆石混凝土中水泥用量75kg，其用量远低于上述混凝土砌石重力坝。在大坝结构设计时，为减少仓面堆石和浇筑带来的施工干扰，加快施工进度，采用不分纵、横缝全断面整体上升结构型式。由于其大坝基础岩性不均匀，考虑在大坝基础岩性变化处(桩号坝0+030.54、坝0+164.54)设置了2条横缝，最大缝距134.0m。大坝防渗面板分别于桩号坝0+030.54、坝0+058.54、坝0+086.54、坝0+112.54、坝0+138.54、坝0+164.54处设置6条横缝，最大缝距28.0m。缝内距上游坝面0.2m处设置一道铜片止水，并采用聚乙烯闭孔泡沫板材填缝，如图1—2所示。

表1 混凝土砌石重力坝统计表

图1 面板横缝大样图

图2 坝体横缝大样图

4 坝体堆石混凝土温升监测

为了解坝体堆石混凝土施工期和运行期的变化情况，在打鼓台水库工程大坝最长坝段(长度134.0m)中间剖面(桩号坝0+097.54)769.00m高程布置了温度计3支(T1、T2、T3)，于2016年10月10日埋设完成，埋设时气温23℃；779.00m高程布置温度计2支(T4、T5)，于2016年11月24日埋设完成，埋设时气温12℃；789.00m高程布置温度计1支(T6)，于2017年3月8日埋设完成，埋设时气温11℃。实测坝体堆石混凝土温度变化过程如图3—8所示。

图3 769.00m高程T1温度变化过程线图

图4 769.00m高程T2温度变化过程线图

图5 769.00m高程T3温度变化过程线图

图6 779.00m高程T4温度变化过程线图

图7 779.00m高程T5温度变化过程线图

图8 789.00m高程T6温度变化过程线图

坝体堆石混凝土温度监测监测成果见表2。数据表明：坝体堆石混凝土浇筑两周之内，因受水化温升影响，其温度达到最高，然后开始缓慢下降。769.00m高程温度计T2实测温度最高为32.3℃，温升值7.3℃；779.00m高程温度计T5实测温度最高为20.7℃，温升值9.2℃；789.00m高程温度计T6实测最高温度为19.8℃，温升值8.3℃。

表2 坝体堆石混凝土温度监测成果表

5 堆石混凝土绝热温升计算

根据参考文献[3]拟合的自密实混凝土绝热温升计算公式：

T=34.31×(1-e-0.0339τ)

(1)

式中，T—温度值，℃；τ—龄期，h。

堆石混凝土绝热温升计算公式：

(2)

式中，V—材料的体积百分比；ρ—材料的密度；c—材料的比热，SCC和rock—自密实混凝土和堆石；θSCC—自密实混凝土的绝热温升。

打鼓台水库工程自密实混凝土和堆石相关参数详见表3。

表3 自密实混凝土和堆石参数表

综上所述，打鼓台水库堆石混凝土绝热温升计算公式如下：

(3)

根据参考文献[3]拟合公式计算的打鼓台水库堆石混凝土绝热温升变化规律与仪器实测情况基本吻合，如图9所示。但是，理论计算最大温升值16.35℃和仪器实测最大温升值9.2℃尚存在一定差异，导致差异的因素可能有：①工程所在地气温相对较低，为堆石混凝土浇筑过程中向外界散热提供了有利条件；②堆石和自密实混凝土之间存在温差，堆石吸热；③仪器监测点堆石和自密实混凝土体积比与整个坝体的堆石和自密实混凝土体积比存在差异；④材料比热采用室内试验值，施工现场材料情况可能和室内试验值存在差异。

图9 堆石混凝土绝热温升曲线图

6 结论

通过介绍打鼓台水库堆石混凝土重力坝分缝设计，借鉴已成混凝土砌石重力坝不分纵、横缝全断面整体上升结构型式成功经验，突破现行设计导则对堆石混凝土重力坝分缝要求，通过埋设仪器监测坝体堆石混凝土温升情况，成果表明，坝体堆石混凝土浇筑两周之内，因受水化温升影响，其温度达到最高，然后开始缓慢下降，最大温升值9.2℃，工程建成后全面检查未发现裂缝等异常情况，结构安全，水库已下闸蓄水，运行正常，可供同类工程参考。