高寒高纬度复杂条件下高混凝土拱坝筑坝材料选择

张秀崧 李海涛 高强

作为清洁可再生资源，水资源的开发利用得到了世界各国的高度重视。随着我国经济的飞速发展，保障水资源安全及开发利用的重点向青藏高原及西北高寒高纬度地区倾斜，从而带动西部经济的发展。

高寒高纬度复杂气候条件下修筑高混凝土拱坝，在我们国内尚无先例，高拱坝混凝土抗裂特性，对混凝土大坝的筑坝材料、筑坝技术、温度控制和施工方法提出了更高的要求。特别是高强、高耐久性、高极限拉伸、低热、低弹、低自身体积变形混凝土配制，需结合工程实际做进一步精细研究。

1 工程概况

某工程拦河坝为混凝土抛物线双曲拱坝，坝高240 m，总库容为17.49亿m³，总装机670 MW，为大（1）型水利水电工程。坝顶全长790.5 m，弧高比3.294，坝顶中心角94.04°，最大中心角94.04°，坝顶宽14 m，最大坝高处坝底厚65.0 m，厚高比0.271。

工程位于北纬48°区，气候干燥，多季风，紫外线辐射强。夏季干热，冬季严寒，降水量小，蒸发量大，昼夜温差大，气温年变幅悬殊。工程区多年平均气温为2.8℃，最冷月均气温-17.3℃。最高36.6℃、最低-45℃、极端温差81.6℃，日温差大于20℃的超过120 d。据工程经验，海拔高度每上升100 m，年均温降低0.57℃，纬度每升高1°，年均温降低0.63℃。考虑到坝址处海拔高程比水文站高130 m，现场温度比水文站实测气温更低，气象条件更为恶劣。

高纬度高寒地区的特高拱坝，除具有特高混凝土坝的一般特点外，叠加复杂的气候条件，对坝体混凝土强度、抗裂性能提出了更高的要求。

2 天然建筑材料

工程区岩体以震旦－寒武系黑云母石英片岩、二云母石英片岩及华力西中期侵入的黑云母花岗岩为主，区段天然砂砾石料储量不丰且开采条件不良，具有碱活性。黑云母石英片岩，岩石坚硬，破碎后可以作为混凝土粗骨料，因部分样品具有碱活性反应，需采取相应的抑制措施；同时岩石中云母含量高达20%～40%且有片理发育，作为混凝土细骨料料源，存在云母含量和片状颗粒含量偏高的质量缺陷。坝址下游约4.5 km有华力西晚期侵入的黑云母二长花岗岩，岩质坚硬。且距坝址80 km外才有灰岩骨料分布。综合分析确定，采用黑云母二长花岗岩人工骨料场作为天然混凝土骨料料源。

受骨料基本特性的影响，不同岩性骨料混凝土线膨胀系数不一。线膨胀系数越大，混凝土的温度变形越大，其抗裂性越不利。本工程混凝土线膨胀系数为9.3×10-6K-1，在同岩性骨料工程中也属偏大，在温度荷载占主导因素的本工程，对混凝土防裂极为不利，需采取相应的措施提高混凝土的抗裂能力。

不同岩性骨料的混凝土线膨胀系数见表1。

表1 不同岩性骨料的混凝土线膨胀系数 ×10-6 K-1

国内已建在建工程不同岩性骨料的混凝土线膨胀系数见表2。

表2 已建在建工程岩性骨料的混凝土线膨胀系数×10-6 K-1

3 粉煤灰优选

受当地煤炭资源品质的影响，工程区附近粉煤灰厂家所产粉煤灰普遍存在高碱、高钙等现象。掺本地区粉煤灰与西南地区粉煤灰的混凝土自生体积收缩变形比对试验结果表明，365 d的自生体积变形分别为-218.2×10-6和-96.0×10-6，掺本地区粉煤灰混凝土自生体积变形值远大于西南地区。粉煤灰中碱含量、氧化钙含量对混凝土自生体积变形具有重要影响。对位于工程坝址1 000 km范围内的16个粉煤灰商贸公司（电厂）的粉煤灰样品的碱含量、氧化钙含量等关键性能的检测。粉煤灰的碱含量在2.51%～5.10%，低于3.0%的粉煤灰供应商仅有2家。粉煤灰的CaO含量在5.3%～18.05%，低于10%的粉煤灰供应商只有5家。综合考虑粉煤灰的供应能力和关键性能检测结果，选用六家单位供应的粉煤灰样品（相对低碱、低钙）进行混凝土自生体积变形试验，优选混凝土自生体积变形值最小值为采用粉煤灰供应商。

4 水泥改性

工程区附近有两家水泥厂生产的42.5低热硅酸盐水泥，分别为BEJ水泥和HBH水泥，首批水泥的化学成分、矿物组成检测结果见表3、4。

表3 水泥化学成分 %

表4 水泥矿物组成计算结果 %

两种水泥180 d设计龄期的混凝土自生体积变形收缩量在-113×10-6～-159×10-6，与国内类似工程混凝土相比，收缩量明显偏大，对混凝土抗裂性极为不利，必须对混凝土材料的性能进行改善，降低混凝土自生体积变形收缩量，提高混凝土的抗裂性能。为改善混凝土的自生体积变形，对两种水泥进行改性，采用内掺MgO技术，适当提高水泥中对变形性能起作用的MgO含量。改性后水泥的化学成分、矿物组成检测结果见表5、6。

表5 水泥化学成分 %

表6 水泥矿物组成计算结果 %

两种改性水泥180 d龄期自生体积变形值分别为-79.7×10-6和-99.7×10-6。内掺MgO，极大地改善了混凝土自生体积变形收缩量。

5 混凝土性能试验

5.1 混凝土配合比

通过对筑坝材料的优选，推荐混凝土的配合比见表7。混凝土的单位用水量（82～83 kg/m3）和胶凝材料用量（182.3～207.6 kg/m3）较低，拌和物性能良好，满足设计和施工要求。

表7 混凝土性能试验配合比

5.2 混凝土力学性能

5.2.1 抗压强度

混凝土抗压强度试验结果见表8。

表8 混凝土抗压强度试验结果

5.2.2 抗拉强度

混凝土劈裂抗拉强度和强度增长率见表9，轴向抗拉强度和强度增长率见表10。

表9 混凝土劈裂抗拉强度试验结果

表10 混凝土轴向抗拉强度试验结果

混凝土具有较高的力学性能。180 d龄期时，抗压强度在54.5～56.2 MPa，满足设计龄期配制强度要求；劈拉强度在2.90～3.19 MPa，轴拉强度在3.07～3.27 MPa。由于受最大水胶比的限制，混凝土抗压强度具有较大的富裕度。

5.3 混凝土变形性能

5.3.1 极限拉伸

极限拉伸变形是混凝土轴向受拉断裂时的应变值，是评价混凝土抗裂能力的一个重要指标。混凝土极限拉伸值及增长率见表11，与其它工程相比，混凝土的极限拉伸值较高，实现了“高极拉”的试验目标。

表11 混凝土极限拉伸值及增长率

5.3.2 弹性模量

混凝土弹性模量试验结果见表12。从抗压弹性模量试验结果看，混凝土的弹性模量与其它工程相比偏低，达到了“低弹”效果。7 d抗压弹性模量在12.0～12.4 GPa之间，28 d抗压弹性模量在16.9～18.5 GPa之间，90 d抗压弹性模量在22.3～24.1 GPa之间，180 d抗压弹性模量在24.4～25.9 GPa，且各龄期混凝土的轴向抗拉弹性模量均大于抗压弹性模量。

表12 混凝土弹性模量试验结果 GPa

5.3.3 自身体积变形

混凝土的自生体积变形影响混凝土的抗裂性能。改性后的混凝土自生体积变形试验结果见表13。混凝土自身体积变形有了很大改善，结合全级配混凝土试验，将进一步优化。

表13 混凝土自生体积变形试验结果 ×10-6

6 结语

在高寒高纬度复杂条件下修建高混凝土拱坝，对混凝土材料的综合性能提出了更高要求，在国内尚无先例，面临一系列科学和技术难题，依靠现有高坝建设经验无法解决，特别是在混凝土骨料线膨胀系数大、粉煤灰高钙、水泥低镁等不利条件下，通过对筑坝原材料的合理选择，优化混凝土配合比，实现了高强、高耐久性、高极限拉伸、低热、低弹、低自身体积变形混凝土配制，提高了混凝土的高强高抗裂的综合性能。