筑坝新技术――碾压混凝土拱坝的研究与实践

 

清华大学水电系教授    刘光廷

清华大学水电系研究员  谢树楠

 

　　多年来,我国一直为水利水电建设工程投资大、建设周期长、发挥效益慢所困扰。在水利水电建设中采用新结构、新材料、新工艺和新的设计方法以缩短建设周期、降低工程造价、提前发挥效益，已成为亟待解决的重大课题。70年代初国外首先将水泥用量少、压实工艺简单的碾压混凝土工艺成功地引入大体积混凝土坝工建设上，建成了世界上第一座碾压混凝土重力坝；世界各国纷纷效仿，目前已建近200座碾压混凝土坝。80年代初我国在福建坑口电站首次采用碾压混凝土重力坝，在短短的10多年内，迅速发展遍及全国，大大加快了坝工建设，并在边建设、边改进中使材料和工艺得到进一步完善。

 

　　碾压混凝土筑坝技术是采用超干硬性混凝土和碾压方法来修建混凝土坝,与常规混凝土筑坝方式相比,水泥用量少,相应的水化热少、温升小、温控简化，我国常用不等待浇注块表面散热的连续快速施工，大大加快混凝土坝建造速度。用大仓面碾压代替插入式震捣，大大简化震实工艺和仓面准备工作量。但由于碾压混凝土容易出现层间缺陷，国外往往采用加大剖面和加大工程量的办法以保证重力坝稳定安全，甚至对适合修建拱坝的地方也采用加大工程量改为重力坝，国内外一直很少建造工程量少的碾压混凝土拱坝，更没有修建碾压混凝土薄拱坝的先例。实践表明,大量增加工程量，势必加大施工强度和增加对设备的投入，不仅提高造价也加长建造工期。我国具备修建拱坝条件的坝址数以万计，如何通过改进结构形式和设计方法既保留拱坝在结构上超载能力大、工程量少的特点，又引用碾压混凝土大仓面、准备工作量少、快速施工的特点，是当前坝工界关注的重大课题。“七五”“八五”“九五”期间，国家科委、水利部、能源部一直将碾压混凝土拱坝的研究作为重点攻关项目，清华大学碾压混凝土拱坝的研究与实践课题组，结合含缺陷结构运行受力和不均质材料强度研究，在弹塑性力学和断裂力学等基础理论方面作了深入的研究，并利用国家“高坝大型结构专业实验室”和江垭、龙滩、温泉堡等工程进行了含弱面层结构压剪破坏、含缝新结构、止裂结构等可控新结构研究，初步建立了一套系统的、规范的、居世界领先水平的碾压混凝土拱坝设计新思想、新结构型式、新材料、新工艺。

 

一、     碾压混凝土拱坝的研究

碾压混凝土拱坝研究的内容广泛而丰富，清华大学水利系主要从设计思想、结构形式、计算方法和材料特性等方面进行了研究。

 

　　 1．碾压混凝土拱坝新结构的研究

　　 通常拱坝混凝土水泥用量多，发热量大，为防止坝体裂缝，在建造中采用小块（边长<20m ）浇注混凝土方式，间歇期长以利散热，这样限制了浇注速度；并常用预冷骨料减小入仓温度，及在混凝土内埋设大量水管冷却混凝土达年平均温度或稳定场后灌浆成整体拱挡水，这不仅增加大量温控措施经费，也推迟工程投入运用，增加动态投资。而碾压混凝土可以减少水泥用量约2/3，可以降低温控要求，且仓面加大甚至全仓面碾压（即少分缝甚至不分横缝）大大减少仓面准备工作量，碾压压实混凝土也简化了施工工艺，是一种经济高效的筑坝材料。但大仓面加大施工期内外温度应力，运行期温降带来拱坝温度初应力（它比常态柱状块的要大）。为此，需研究新的结构措施和仿真计算设计方法来解决这一问题。

 

　　近10多年来清华大学水利系在深入研究了拱坝弹塑性、断裂应力重分布、多裂隙体解、弯曲裂缝和三维断裂、温度断裂及混凝土温度断裂韧性基础上，采用在拱坝上游坝肩拉力区设置人工应力释放缝，在拱冠下游拉力区设置人工径向短缝以释放水压及温度应力，也用于减震，并在缝端组合断裂韧性较小区设置止裂结构以防止缝的延伸。对于河谷较宽的碾压混凝土拱坝，除用上述作坝肩人工短缝外，在拱冠留中缝作铰接点结构，以保证拱坝温度未完全下降前即利用铰点拱结构提前蓄水，边蓄水边降温，拱坝下游作柔性保温以减少拱坝下游混凝土水压及严冬期温度组合拉力破坏。由于施工条件的变化，为保证设计意图的实现和验证工程计算，利用供碾压混凝土专用的微型高强坝体测温器进行混凝土温度监控，及时调整工程措施，也提供内部混凝土降温回填铰接拱和灌浆时间。

 

　　 2．碾压混凝土新材料仿真特性研究

    实际混凝土材料性能随工程条件改变，它和按设计规范标准温度（20摄氏度）下性能有很大差别，因此仿真计算不仅方法上不同，材料参数也需用和工程条件相近的仿真测定和性能规律，这是仿真设计的依据。清华大学水利系研究了不同岩石骨料的混凝土膨胀系数，用替换小骨料以降低混凝土膨胀系数，大大减少了基础区混凝土拉力。研制了同场绝热技术，测定低温入仓混凝土的绝热温升，提供低温高强碾压混凝土和不依靠表面散热连续上升浇注，实验绝热温升12度，溪柄工程实测碾压混凝土（坝体）最大温升11度。

 

    大体积混凝土抗裂问题一直是水利界关心的问题，鉴于前人曾用MgO 膨胀混凝土防止混凝土基础约束裂缝获得成功，清华大学水利系研究了在水泥生产中外掺MgO来减少碾压混凝土收缩。改进自身体积变形测定方法，研究不同温度条件下不同配比MgO碾压混凝土自身体积变形规律，据此进行仿真设计，减少高寒地区冬季降温值过大引起裂缝。

 

    混凝土具有徐变特性，即受力作用时不仅有弹塑性变形，且随时间变形加大，或受温度变化影响随时间应力衰减，这对确定仿真应力影响很大。长期以来因实验和观测设备限制，对徐变的研究多作单轴压力实验，它和多轴性能相差甚远。1995年清华大学水利系自行设计了双轴徐变仪，1998年正式投入运用，设备工作良好，一年实验提供了初步的双压和拉压变形及残余强度成果。1999年又将进口宇航用长焦距5000倍显微镜不仅用于混凝土微观结构改变研究，也用于徐变位错和混凝土残余强度研究，为提供混凝土承受组合应力能力提供依据。

 

　　 根据上述研究工作的基础，按施工过程累计温度及自重多轴徐变应力，考虑混凝土自身体积变形，含层间弱面的碾压混凝土结构及人工短缝及中缝铰接结构，清华大学水利系建立了碾压混凝土拱坝作为成层结构三维仿真应力程序，推动了碾压混凝土仿真特性的研究。

 

　　 3．碾压混凝土强度韧性和不均质体计算强度的研究

 　　由于微观定量量测的困难，国内外对混凝土受内力（饱和度、温度）破坏强度研究很少，对碾压混凝土的研究更少，清华大学水利系曾进行混凝土温度断裂韧性试验研究，初步提供较稳定的温度应变强度因子，测定沙浆和岩石界面拉、剪强度因子，用随机分布骨料制作混凝土及混凝土试件切片，进行单轴加拉压时内部裂隙发展的观测，和宏观试件变形破坏的计算强度变形比较，得到较好的宏观变形对应结果。需要进一步观测碾压混凝土的微观结构，毛细孔内应力研究及碾压混凝土的融冻破坏，高寒地区碾压混凝土耐久性研究，沙浆及碾压混凝土温度断裂韧性，进一步测定三维断裂韧性发展不均质体计算强度（双轴、三轴），将双轴、三轴强度引入工程。

 

　　4．弱基岩上修建拱坝的研究

 　　拱坝通常修建在坚硬的基岩上，局部岩基不良时通常要作加强处理。将高拱坝修建在弱基上，由于变位太大会使拱坝应力急剧恶化以至拱肩破坏或拱冠拉裂造成失事危险。清华大学水利系研究了在拱坝结构上采用扩大坝肩减小压强和变位，采用“柔性拱”结构以适应变位加大而不使应力恶化，利用提高拱座局部弹模将作用力导向深层，使得高压区处于三轴压作用下。还进一步研究了岩体三轴压强度和变形，修正成层岩体三维渗流程序，及饱和岩体受压强度折减及内力破坏，为在软基上修建碾压混凝土拱坝奠定基础。

 

　　5．拱坝地震荷载计算和减震措施研究

 　　按规范应对拱坝地震荷载进行拟静力法计算或动力法计算，但它和实际工程中不对称山体、弱基、柔性拱条件相差太远。对于处在强震区的碾压混凝土拱坝地震荷载计算，清华大学水利系改进了计算方法：研究地震波输入，用可透射波的人工边界（有限基础）模拟考虑山体不对称震动分布，使荷载更接近实际分布；并研究了人工缝削减地震的作用，以及随机震源对拱坝动应力影响。

 

二、碾压混凝土拱坝的实践

 　　清华大学水利系历来重视结合国家的水利水电工程实际开展科研，同时重视将科研成果转化为现实生产力，及时应用于我国水利水电工程建设的实际。

 

　　1.世界上第一座全断面碾压混凝土薄拱坝?D?D福建溪柄水电站大坝的修建

　　 清华大学水利系的碾压混凝土拱坝的科研新成果首先应用于福建省溪柄溪工程，这得到了主管部门的支持和帮助。1993年6月水利部以电建[1993]8号文发了“关于在福建龙岩地区溪柄溪一级电站进行碾压混凝土薄拱坝试验”的函，指出“为了使我国的坝工建设上一个新台阶，‘七五’‘八五’期间，我部及能源部一直将碾压混凝土薄拱坝的研究作为重点攻关项目，近来，清华大学从结构计算、设计方法和施工技术及新材料的应用方面取得了一套相互协调的科研成果。经研究决定和论证，认为在溪柄建立这一试验示范坝是合适的。”。当时的水利部副部长何?Z同志指出“这是一项重要的科技开发项目，它的成功将会使我国的水电建设上一个新的台阶，在全国有很大的推广价值，水利部将给予支持并列入水利部‘八五’重点科技项目”，国家科委也给予了大力支持。

 

　　溪柄电站位于福建九龙江西溪的支流上，是一座以发电为主的水力枢纽，坝址以上的流域面积为58.5平方公里，库容为1000万立方米，装机8400千瓦，年发电量达4000万千瓦时。大坝为全断面碾压的混凝土薄拱坝，坝高63.5米，底宽仅12米，厚高比0.189。采用了全新的结构形式。

 

　　1993年4月由清华大学水利水电设计研究所负责，有水利系各教研组参加的“福建溪柄碾压混凝土薄拱坝”项目组独立承担了“福建溪柄碾压混凝土薄拱坝及一级电站”的全部科研、设计和施工监理工作。当年6月完成了初步设计工作并通过有全国有关专家参加的初设审查，7月水利部又组织了全国专家对该项目进行了进一步的论证。1994年底大坝正式碾压，经过短短的6个月大坝基本建成（常规需要2年左右）。1995年6月大坝经过蓄水前验收，并于当年经受了50年一遇大洪水的考验。1996年第一台机组正式并网发电。目前大坝已经过连续三年超高水位的考验，证明科研成果和设计是完全成功的。这是目前国内外第一座碾压混凝土薄拱坝，它的建成在国际上引起了很大的反响，《国际水电及大坝建设1998年鉴》已将该坝列为世界上第一座已建成的碾压混凝土薄拱坝。

 

　　2．高寒、软基、强震地区的碾压混凝土拱坝?D?D新疆塔西河石门子水利枢纽大坝的修建

 　　 在成功地设计并建造了溪柄电站碾压混凝土拱坝之后，为将碾压混凝土拱坝的科研成果进一步推广和完善，清华大学水利系决定开始在西部高寒、强震地区推广和修建该种坝型的研究。新疆维吾尔自治区地大物博，水资源十分丰富，境内有570条河流，年地表径流达884亿立方米，相当于两条黄河的水量，但由于种种原因，各条河流上控制工程很少，水资源未得到很好地利用，如何采用新技术加快新疆水资源的开发和利用，这对新疆的大发展具有特别重要的意义。1997年新疆维吾尔自治区决定在新疆玛纳斯石门子建造坝高为110米的碾压混凝土拱坝，作为采用新技术加快水电开发步伐的示范工程。这是国内外在高寒、强震、弱基上修建的第一座碾压混凝土拱坝，其建成必将使碾压混凝土拱坝的筑坝技术提高到一个全新的水平。

 

　　 新疆塔西河石门子水利枢纽位于天山北麓塔西河中游峡谷地段。流域总面积2010平方公里，坝址以上冰川积雪面积48平方公里，流域面积664平方公里。该水库以灌溉为主，兼以防洪，发电和旅游，是玛纳斯县综合性的重大工程，库容5014万立方米，总投资近2亿元。水库坝型采用碾压混凝土拱坝，坝高110米，坝顶最大弧长180米。工程主要建筑物有碾压混凝土拱坝，粘土心墙坝，导流洞兼引水发电隧洞和泄水孔。水库建成后，可扩大灌溉面积18万亩，改善灌溉面积30万亩。在该工程的设计中，清华大学水利系列不仅采用了溪柄的新结构，而且在在软基结构、拱坝减震和提前蓄水的技术上又上了一个新台阶。即不仅采用应力释放缝的结构，还采用了新的铰接结构，使得大坝还未建到坝顶就可蓄水，提前发挥效益。目前该工程在自治区党委、政府的全力支持下，正在顺利建设中，2000年10月18日水库已下闸蓄水，2001年将完工。该工程由于采用了新结构和新材料及米长仓面，比原方案缩短工期近二年，节省投资2000万元。这是由清华大学水利系独立承担科研和设计的第二个工程。