沙牌碾压混凝土拱坝的技术创新及成就

1、沙牌碾压混凝土拱坝的技术创新及成就摘要沙牌拱坝是口前世界上已建成的最高碾压混凝土拱坝（坝高130ni。针对该坝 设计与施工的关键技术问题，在“八五”和“九五”国家重点科技攻关的支持下，开展 t 100n碾压混凝土拱坝结构设计、分缝及建坝材料特性、原型观测、快速施工等多 项专题研究，形成了一套碾压混凝土高拱坝筑坝配套技术，成功地应用在沙牌拱坝中， 较好地解决了工程的关键技术问题。本文简要介绍该坝主要的技术创新及成就。关键词碾压混凝土拱坝结构分缝建坝材料快速施工1. 刖吕碾压混凝十筑坝技术的应用和推广，是混凝土筑坝的一场革命。实践所取得的经验证明，碾压 混凝土筑坝技术具冇很多优越性：机械化程度高、

2、丿施工速度快、施工方法简便、建设周期短、工程 投资省、人坝运行性能良好等，是实现快速建坝的新途径。随着碾压混凝土筑坝技术的迅速发展， 修建性能良好的高坝和拱坝已成为当前国内外碾压混凝土筑坝技术的一个重要发展方向。将拱坝其 超载能力强、安全度高、筑坝材料省等优点同碾压混凝土快速施工的优点结合起來，必将取得巨大 的社会经济效益。碾压混凝十筑坝技术于八十年代后期开始推广应用到拱坝上。1988年南非建成的50m高尼尔 波特（knellpoort）重力拱坝是世界上笫一座碾压混凝土拱坝，九十年代中期，国内建成了 75m高的 普定碾压混凝十拱坝，到1=1前为止，已经建成的碾压混凝土拱坝11朋（南非3屎，中国

3、8廉），正 在设计和建设的碾压混凝土拱坝超过10余座，另外在大型水电工程上已经应用的碾压混凝土拱围垠 超过5廉，集中在我国和南非两国。我国的碾压混凝土拱坝建设发展势头迅猛，特别是在“八五”、 “九五”国家重点科技攻关的大力资助下，结合普定、沙牌等拱坝的关键技术问题开展了大量深入 研究，相继建成了普定（高75m）、温泉堡（高48m）、溪柄溪一级（高63m）、红坡（高55.2m）、 龙首（高80m）、沙牌（高130m）、石门子（高109m）、蔺河口 （高00m）等碾压混凝土拱坝,不 仅在实践上取得了重人发展，而且在理论上也取得了重大突破。沙牌拱坝是目而世界上已建成的最高碾压混凝土拱坝，是成功迈上1

4、00m级以上高碾压混凝土 拱坝筑坝技术新台阶的里程碑t程。该坝具存坝高、混凝十-工程最人、跨年度施工、坝体应力水平 高、温控措施简化等特点，不仅在坝的高度上有了明显飞跃，而且在坝体布置、体型、结构、材料、 施工等方面技术难度更人。针对沙牌碾压混凝土拱坝的设计与施工屮的一系列关键技术问题，“八五” 国家重点科技攻关立项了 " 100m级碾压混凝土拱坝结构设计和新材料研究”专题研究，“九五”国 家重点科技攻关开展了 “高碾压混凝土拱坝结构分缝及建坝材料特性研究”、“高碾压混凝土拱坝原 型观测研究”、“高碾压混凝土拱坝快速施工研究”等专题研究，取得了大量的研究成果，90%以上 的成果已应用

5、在沙牌工程中，许多成果已推广应用到石门子、龙首、蔺河口、招探河等高碾压混凝 土拱坝工程的设计和施工中，取得了较好的技术经济效益以及社会效益。2. 工程基木情况沙牌水电站位于四川省阿坝藏族芜族h治州汶川县境内，是岷江支流草坡河上游的一个梯级龙 头电站。电站采用蓄、引相结合的开发方式，坝址位于草坡河上沙牌村牛厂沟附近，厂址在其下游 约5km的克充台地，电站尾水汇入己建成的草坡电站水库。坝址距草坡河口约19km,距汶川县城 约47km,距成都约136km。沙牌水电站水库正常蓄水位为1866.0m,死水位为1825.0m，总库容0.18亿川，电站总装机容 fi 36mw,年发电fi 1.79亿kwh,

6、年利用小时数为4791h。工程为三等工程，主要建筑物为3级 建筑物，设计洪水标准按50年一遇，校核洪水标准按500年一遇，地震基木烈度为7度。枢纽工程 主要由碾压混凝土拱坝、右岸两条泄洪洞及右岸发电引水隧洞、发电厂房等建筑物组成。沙牌水电站分两期建设，一期工程采用引水式开发，建低闸临时取水，于1995年11月开始施 i, 1997年5月发电；二期工程采用高拱坝挡水，形成季调节水库，于1997年6月16日开工建设, 2002年5月30日碾压到坝顶，2003年5月8日下闸蓄水运行。工程建设业主为华西沙牌发电冇限责任公司（投资方为岷江电力股份公司和华西电力集团公 司），设计单位为中国水电顾问集团成都

7、勘测设计研究院，监理单位为四川二滩国际工程咨询冇限 责任公司，施工单位为中国水利水电第八工程局。3. 拱坝设计及主要参数沙牌水电站坝址处河谷深切，两岸基岩裸露，河谷形状为v形，基本对称，其宽高比约为1.7, 适合于修建混凝土拱坝。坝基岩体主要为花岗闪长岩，岩体完整性好，风化卸荷不强；在坝基中上 部高程出露冇花岗闪长岩夹片岩，对片岩进行混凝土置换处理后，可以满足拱坝建棊面的要求。碾压混凝土拱坝设计应满足安全和经济的目的，同时应充分发挥碾压混凝土快速施工的优势， 并容易保证施工质量。经比较论证，三心圆单曲拱坝体形形状简单，更有利于简化坝体构造，更便 于碾压混凝土施工及保证施工质量，从国内外碾压混凝

8、土拱坝施工技术水平和实践经验出发，为积 极稳妥的推动高碾压混凝上拱坝建设的顺利发展，沙牌拱坝体形设计采用三心圆单曲拱坝。为改善 拱坝坝体应力，介理利用地形条件，减轻河床深槽下部开挖和施工难度，在河床底部设置冇集座。 主要拱坝体形儿何参数特征见表3-1 o表3-1拱坝体形儿何参数特征表项目单位特征值项目单位特征值坝顶高程(m)1867.5厚高比/0.238最人坝高(m)130.0弧高比/2.130垫朋高度(m)12.5上游坝面倒悬/01坝顶厚度(m)9.5坝体体积(万 m3)35.80坝底厚度(m)28.0垫座体积(万 m3)2.50顶拱中心线弧长(m)250.25坝基开挖(万 m3)58.20

9、最大中心角(° )92.48拱坝混凝土设计强度采用90天龄期的20mpa碾压混凝土，垫座采用掺mgo微膨胀碾压混凝土,拱坝防渗采用二级配碾压混凝土自身防渗为主，基木上是按全碾压混凝土模式设计。4. 工程技术特点及关键技术问题沙牌碾压混凝土拱坝的技术特点有：（1）拱坝高130m,混凝土量38.3万m3 ,是迄今为止已 建成的世界上最高的碾压混凝土拱坝；（2）设计：“全碾压混凝土坝"模式；（3）施工：全断血薄层 碾压、连续上升工艺；（4）具有混凝土量大、施工环境条件复杂、坝体应力水平高等特点，工程技 术难度大。以往碾压混凝土主要用于重力坝上，川于拱坝上很少，主要是由于拱坝的结构

10、作用与璽力坝有 木质羌别。重力坝断面体积人，主要依靠各独立坝体单独承受荷载和维持稳定。拱坝是依靠坝体的 整体性传递和分配荷载，断面小，若对裂缝不进行冇效控制，将可能对拱坝的整体稳定性造成严重 性后果。在沙牌之前，国内外已修建的碾压混凝土拱坝数量少（5座），规模较小（坝高w752,还 没有修建100米级以上高碾压混凝土拱坝实例和经验。常规拱坝施工方法是柱状浇筑，消除施工期混凝土温升后进行横缝灌浆形成整体，施工措施复 杂，工期长。碾压混凝土拱坝采用全断面整体碾压、连续上升施工，拱坝自然成拱，施工速度快， 丿施工方法简单。对碾压混凝十拱坝而言，施工期温度荷载引起的温度拉应力对拱坝应力有较人影响, 拱

11、坝越高，越容易产生裂缝（如沙牌拱坝达3mpa,远远超过拱坝规范规定的1.0-1.2mpa的应力控 制标准），拱坝温度应力和裂缝控制问题非常突岀。潘家铮院丄曾经指出：不解决这个问题，碾压混 凝土高拱坝就很难发展。为研究解决制约碾压混凝十高拱坝发展的关键技术问题，国家计委确定依托130m高的沙牌拱 坝，针对碾压混凝土拱坝的设计与施工中的一系列关键技术问题，在国家重点科技项冃（攻关）计 划屮立项开展“碾压混凝十高拱坝筑坝技术研究"，以推动和促进碾压混凝十高拱坝的建设。5. 主要的技术创新及成就5.1典型的碾压混凝土拱坝枢纽布置根据坝址区自然条件，拱坝体形设计采用三心圆单曲拱坝，拱坝坝身不布

12、置泄洪建筑物。在拱 坝右岸布置两条泄洪隧洞，泄洪洞进水ii底高程在1846. 0m处，结合导流洞的利用，洞身采用涡 漩式内消能竖井泄洪洞，最大泄流量为242m7so号泄洪洞进水口底高程在1805. 0m高程，洞身采 用长陡坡，坡度为10%,最大泄流量为211m7so发电引水系统布置在拱坝右岸，进水ii底板高程 为1818m ,引水隧洞全长3500. 92m,洞径3m,引用流量15. 6m7so调压井布置在下厂址草坡河右岸 的山体中，为圆筒阻抗式，直径4. 5m,高99.36m。调压井后为埋藏式压力管道，二台机共用一根总 管，管径加，支管直径1.加。厂房布置在草坡河左岸的克充阶地上，主厂房长26

13、叽 宽18. 5m.高 31.55m,安装2台单机容量为1.8万kw的混流式机组。主体工程施工期采用断流围堰挡水，隧洞导 流，坝体全年施工的导流方案。该枢纽布置的特点为厂坝分离布置、坝身无泄洪建筑物，选用三心圆单曲拱坝，结构简单，应 力和稳定条件好。较大地简化了碾压混凝土拱坝结构，为碾压混凝土快速施工创造了极为冇利的条 件，容易保证施工质量。5. 2在碾压混凝十拱坝分缝理论与技术方面实现重人突破5. 2.1系统建立了碾压混凝土拱坝的分缝设计理论和方法（1）为合理解决碾压混凝土拱坝的分缝问题,建立了以断裂力学为基础的诱导缝强度模型，按 缝断而的形式和连接而积，推导得出诱导缝在坝体受拉时的等效强度

14、，根据缝断而上的应力和强度, 提出了诱导缝开裂分析的理论依据和开裂的判别式。为碾压混凝土拱坝诱导缝设置提供了具有指导 意义的科学方法。（2）提出了碾压混凝土木构关系破坏准则，提出了仿真温度场分析的波函数法，编制和完善了 碾压混凝土带缝拱坝全过程（包括施工期和运行期）三维非线性的仿真分析程序，研究了沙牌拱坝 施工期和运行期温度徐变应力场的变化规律及诱导缝开裂的部位和开裂时间，明确了坝体结构的受 力状态。为工程设计提供了依据。（3）采用整体及仿真模型试验，结合断裂力学理论的非线性冇限元数值分析，揭示了坝体应力分 布、开裂破坏机制以及超载安全度，真实反映了碾压混凝土木构关系。所取得的坝体应力，位移及

15、 破坏形态等成果，对设计有重要参考价值。5. 2. 2捉出了合理的碾压混凝土高拱坝结构分缝方案降低温度作用对坝体的不利影响，选择适合碾压混凝土施工的坝体结构分缝方案，对高碾压混 凝土拱坝尤其关键。为减小温度对坝体的不利影响，防止温度裂缝的发生，保证拱坝的安全，并保 证碾压混凝土快速施工，在收集和分析国内外碾压混凝土拱坝结构分缝的设计和丿施工实践经验的基 础上，根据沙牌工程的施工进度，材料特性等条件，通过应力应变全过程温度场和温度应力的仿真 计算分析和物理模型试验对坝体开裂破坏、机制的研究，以及根据拱坝应力和材料强度对不同分缝 方案的论证分析影响，提出了沙牌碾压混凝土拱坝结构分缝方案设计采用诱导

16、缝和横缝的组合方案: 和缝为诱导缝，而和缝为横缝。丿施工实践证明，为释放坝体施工期的温度应力，控制坝体开裂取得了成功。5. 2. 3成功采用预制混凝土重力式模板成缝新技术对碾压混凝土拱坝分缝结构，既要保证缝的作用，乂要保证全断而通仓碾压、连续上升的实现, 最大限度地减少对施工的干扰。针对沙牌碾压混凝土拱坝采用诱导缝和常规横缝组合的分缝方案， 在国内外首次捉出了采用预制混凝土重力式模板结构型式和先安装后填筑碾压混凝土的成缝技术， 该技术的特点是：（1）事先在仓面以外将混凝土成缝模板预制成型，施工时先将重力式成缝模板安 装定位，然后再进行碾压混凝土施工作业；（2）模板断面设计为重力式，缝面为直面，

17、设置灌浆及 排气管路孔、键槽等；缝的背面为斜面加趾板，并设置嵌合型齿结构，斜面上凿毛，保证与碾压混 凝土嵌合紧密；（3）模板的人小应以施工现场人工搬运相适应，一般模板长1.0m,髙度0.250.30m （必须为一个碾压层），底宽（加趾板）0.300.35m,以适应施工现场快速组装；（4）在趾板上设宜 固定插件孔，确保现场安装及碾压施工吋定位准确。该技术具有成缝效果好，施工工艺简单，适应碾压俭快速施工等优点，在诱导缝靠近坝面处增 设边缘切口，利用切口处的应力集中，可加速缝面开裂，这在不增加缝面削弱面积的情况下，对降 低诱导缝的强度，发挥诱导缝的作用，具有良好的效果。5. 2. 4成功实施了适用于

18、碾压混凝土拱坝的接缝重复灌浆技术对碾压混凝土拱坝诱导缝和横缝的接缝灌浆，从考虑拱坝的整体性和蓄水的需要出发，需采用 重复灌浆方式。通过试验研究，首次在国内提出了一套适用于碾压混凝土拱坝的单回路重复灌浆系 统，橡胶套阀重复出浆盒以及可灌注细缝的改性超细水泥浆材等灌浆技术。沙牌拱坝已成功地进行了 2次灌浆。20个灌区的总而积为3210.6m2,首次灌浆时注入水泥总量 为93409.6kg；平均单位注灰量为29.1kg/m2,最大单位注灰量为56.5kg/m2,最小单位注灰量为 10.3kg/m2o重复灌浆吋注入水泥总量为21021.8kg；平均单位注灰量为6.5kg/m2,最大单位注灰量为 9.6

19、kg/m2,最小单位注灰量为3.7kg/m20根据灌浆数据分析，首次灌浆以及重复灌浆时各灌区单位注 人水泥量基木均匀，首次灌浆各灌区单位面积注入水泥量比重复灌浆时要多。根据钻孔取芯检查， 可见水泥结石充实缝面，一、二次灌浆层面清晰，可分辨，缝面充填效果良好。实践证明，橡胶套阀miw浆盒和单回路接缝重复灌浆管路系统具冇灌浆效果好、结构简单、 易于安装、容易冲洗t净及可多次重复灌浆使用等优点，适应于碾压混凝土拱坝的施工。5. 3在碾压混凝土温度控制技术取得创新性突破沙牌碾压混凝土拱坝采用全断面薄层通仓碾压、连续上升的施工方法，由于拱坝较高、规模较 大，温度应力问题突出。解决温度应力问题除提高混凝土

20、抗裂性能并进行合理的结构分缝外，研究 和应用了聚乙烯冷却水管降温技术。冷却水管降温技术是常态混凝土拱坝通常采用的后冷方法，对控制施工期混凝土水化热温升以 及在人坝蓄水前将坝块温度冷却到封拱温度十分有效。由于埋设冷却水管与碾压混凝土施工干扰较 大，在碾压混凝土中埋设冷却水管一直没有解决。针对碾压混凝土坝埋设冷却水管的问题，在沙牌 拱坝上首次提出在碾压混凝土屮预埋高密度聚乙烯冷却水管降温技术，并在人朝山水电站上游碾压 混凝土拱围堰上成功地进行了试验，取得了重要参数，以后乂在沙牌拱坝上进行了试验和应用，还 推广应用到应用于石门子、龙首等碾压混凝土拱坝上，成功地实现了碾压混凝土高拱坝筑坝技术的 突破。

21、该技术较好地解决了施工期水化热温升对拱坝的不利影响，同吋也较好地解决碾压混凝土拱 坝的接缝灌浆问题和拱坝与基础的接触灌浆问题。实践证明，在碾压混凝土中采用高强度聚乙烯冷却水管降温技术，能够适应碾压混凝土施工 条件，埋设施工过程简捷方便，对施工的干扰小，冷却效果却好。5. 4在高抗裂碾压混凝土技术方面取得重要突破抗裂性好的混凝土应该具有较高的抗拉强度、较人的极限拉伸值、较低的弹性模量、较小的t 缩率、较低的绝热温升值以及较小的温度变形系数和口身体积收缩变形小等。以技术经济并重的原则，通过多方案的试验研究比较，就近选择厂家，确立以水泥熟料屮降低 c3a与c3s,提髙c4af与c2s含量，以及引入低

22、碱性钢材混合材的技术，成功研制开发出低脆性延 迟微膨胀专用水泥，其水化热指标低于屮热水泥指标。采用该水泥配制的碾压混凝土表现出了低弹 模、高极限拉伸和微膨胀的特性。通过微观特性研究表明：水泥浆体结构较致密、纤维状水化产物 相互搭接，且存在禾束状qaf水化产物，水泥与骨料界面强度较高，是其抗裂性能提高的依据。通过对碾压混凝土性能的全面试验研究，优化配制出以低脆性微膨胀水泥、采用花岗岩低弹强 比人工骨料及粉煤灰配制的高抗裂性能碾压混凝土。首次采用高压渗透试验方法，对沙牌花岗岩骨 料的裂隙定虽研究，揭示了配制混凝土具冇弹模低、极限拉伸值与徐变度大等特性的依据。提出了 适用于坝体的碾压混凝土配合比，满

23、足了工程的需要，经过试验室和钻孔取芯复核，各项技术指标 达到要求。首次提出抗裂参数作为评价碾压混凝土抗裂能力的指标，并得出具有时间效应（随龄期变化） 的规律。理论研究成來证实，调整水泥的矿物成份和在胶凝材料中合理使用掺和料可改善混凝土的 抗裂能力。抗裂机理分析农明，沙牌选用的低弹模骨料和具有提高抗裂性能及改善界面过渡区的低 脆性微膨胀水泥可明显提高混凝土的抗裂能力。沙牌拱坝从施工期到人坝建成以来，至今尚未发现裂缝，毫无疑问，高抗裂性能碾压混凝土是 人坝防裂取得成功的重要技术。5. 5发展了掺mgo微膨胀碾压混凝土技术沙牌拱坝的垫座最大长度56m,宽度44m,高12.5m,混凝土体积大，受基岩的

24、约束较强，为 防止裂缝及实现碾压混凝土的快速施工，采用了外掺mgo微膨胀碾压混凝土。通过对外掺mgo微膨胀碾压混凝土的力学、热学、变形、耐久性等各项性能进行的全面研究， 获得了大掺粉煤灰掺mgo的碾压混凝土白身体积变形的特性和规律。根据工程情况，提出了可供垫 座使用的碾压混凝土配合比及相应的mgo掺量与自身体积膨胀变形量。为控制虺0掺和比例及掺和 的均匀性，通过水泥厂在水泥牛产过程中掺和，有效地保证了质量，减少了现场掺和的工序及管理。实践证明，染座采用外掺mgo微膨胀碾压混凝土，达到了取消了分缝分块、简化了温控措施、 实现通仓连续碾压的hl的。该技术对加快水电工程施工进度、缩範工期、节省投资等

25、均具冇显著的 技术经济效益。5. 6碾压混凝土坝体防渗技术应用十分成功碾压混凝土的抗渗性主要与胶凝材料用量有关，大量的研究及工程经验表明，采用中高胶凝材 料的碾压混凝土h身具有较强的抗渗透能力。层面是碾压混凝土坝渗透的薄弱环节，防渗的关键在 于层间结合质量。对此，沙牌拱坝迎水ifli坝体部位采用了二级配碾压混凝土自身防渗为坝体主要防渗扭施，考虑 到高拱坝的安全性，还采用ljp型合成髙分子防水涂料作为坝体辅助防渗措施。ljp型合成高分子 防渗涂料具有优异的耐水浸泡性和耐犬候老化性能，粘接强度高，抗紫外幅射好，施工方法简便、 灵活，材料费用低，材料性能能满足大坝防渗要求。从坝体防渗方而考虑，还进行

26、了以下控制：坝 体碾压混凝土的胶凝材料用量不低于!50kg/m3；二级配与三级配碾压混凝土同仓碾压、同时上升； 确定合理的层间结合质量的措施，加强施工现场管理，保证碾压混凝土施工的层间结介质虽，做到 连续碾压，在初凝前覆盖完下层混凝上等。通过现场混凝土钻芯取样检查，获得10m以上的长芯3根，最长的达13. 13m,屈我国第一位。 混凝土芯样的折断面人都不在层面上，证明了层间结合质量较高。5. 7碾压混凝土快速施工技术取得重大发展编制了高碾压混凝土拱坝施工计算机模拟程序，结合沙牌工程采用计算机动态模拟高碾压混凝 土拱坝的施工过程，对于预测、监控施工工期，确定施工措施，逐刀施工强度和浇筑顺序等重要

27、指 标，以及对合理的施工方案选择提供了定屋的技术依据，将高碾压混凝土拱坝的丿施工组织上升到了 新的水平。新型连续强制式拌和楼应用成功，填补了我国在碾压混凝土拌和楼制造上的空口。该新型科研 楼为连续进料、连续拌和、连续出料，微机控制，比其它常态混凝土拌和楼功效高得多。整个系统 结构紧揍、简练，占地面积小，易于安装拆运。真空溜管输送混凝土技术有了重大突破，其输屈度达到了 100m级。在真空溜管设计、施工和应用 上，提出了真空溜管管带釆用超软耐磨橡胶带，对负压溜槽系统的关键部位下料控制装置进行了深 入研究，全封闭的自动弧门研究取得了成功，解决了弧门漏浆、漏气及维修困难易磨损等问题，且 结构简单，制造

28、工艺性好，开启灵活，维护方使研制的自动化控制进料系统可靠，能满足施工要 求，具有实用价值。对于高碾压混凝土坝，真空溜管应用具有入仓成本降低、入仓速度快、混凝土 不离析等优点，较好的解决了狭窄河床情况、高差较人条件下，碾压混凝高强度、连续、经济入仓 的问题。研制并优化上下交替、连续上升、可调式全悬臂大模板，确保了碾压混凝上连续施工；制定的 施工机械配套方案能满足沙牌人坝高速施工的要求；在普定施工工法的基础上制定出本工程的工法, 指导沙牌工程施工，应用效果较好。在改性混凝土的扩大应用上，提出满足沙牌工程需要的水泥、粉煤灰净浆配比，优选出满足工 程要求的最住净浆掺量，确定了简易可行的铺浆工艺。在沙牌施工小，丿邮道周边、基岩面等常态混 凝土部位均使用了改性混凝土,拌和楼无须频繁变换配合比，提高了施工效率。该技术扩大了改性 混凝土的使用范围，实现了全碾压混凝土入仓、全碾压混凝土建坝模式，减少了常态混凝l在碾压混 凝l施工中的干扰，减化了作业工序，冇利于碾压混凝土的快速施工。5. 8系统完善了碾压混凝土拱坝的原型观测