混凝土重力坝筑坝材料的分区设计

1、混凝土重力坝筑坝材料的分区设计摘要：重力坝除要求材料有足够的强度外，还应根据大坝工作条件、地区气候等具体情况， 分别满足耐久性（包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗侵蚀）和低热性等。根据混凝土重力坝 不同部位的工作条件及受力条件，将坝体分区，选用不同强度等级和性能的混凝土，以节 约和合理使用水泥。关键词：混凝土重力坝；碾压混凝土重力坝；坝体分区；分区设计前言混凝土重力坝是指用混凝土浇筑的，主要依靠坝体自重来抵抗上游水压力及其它外荷 载并保持稳定的坝。由于混凝土所使用的胶凝材料主要为水泥，在我国水泥的生产走的是 一条高能耗、高资源消耗、高污染的道路，是环境污染严重、生态破坏较大的行业之一； 水泥的大量使

2、用也会造成工程的成本增加；在大坝的某些部位，混凝土的材料强度也未能 得到充分的使用；而水泥本身所具有的水化发热性质，也是大体积混凝土产生裂缝的主要 原因。面对这些问题，混凝土重力坝筑坝材料的分区设计也就应运而生。分区设计的主要 目的是在保证大坝各项性能达到设计要求的情况下，减少水泥用量、降低工程投资、减少 因水泥缺点产生的工程问题，达到既经济又环保的目的。正文重力坝除要求材料有足够的强度外，还应根据大坝工作条件、地区气候等具体情况， 分别满足耐久性（包括抗渗、抗冻、抗冲耐磨和抗侵蚀）和低热性等。根据混凝土重力坝 不同部位的工作条件及受力条件，将坝体分区，选用不同强度等级和性能的混凝土，以节 约

3、和合理使用水泥。一般可分为5个区，见图-1：I区：上游库水位及下游库水位以上坝体表层混凝土，主要受大气的影响，要求该层 要有较高的抗冻性，耐久性。该区在大坝运行过程中常年处于干燥状态中，但因常与大气 接触，要求该层要有较高的抗冻性、耐久性。该区混凝土的抗冻等级因大坝受阳光照射时 间的的长短有阴面和阳面之分而不同，根据现行DL-T 5057-1999水工混凝土结构设计 规范（4.4.6）要求：混凝土的阳面部位，严寒地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等 级不低于F200，年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F150；寒冷地区抗冻等级 不低于F200；温和地区抗冻等级不低于F50。混凝土的阴

4、面部位，严寒地区抗冻等级不低 于F200；寒冷地区抗冻等级不低于150；温和地区抗冻等级不低于F50。耐久性方面，根 据现行SL319-2005混凝土重力坝设计规范（8.5.6）要求：严寒和寒冷地区混凝土最 大水灰比不得大于0.55，温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.60。II区：上、下游水位变化区的坝体表层混凝土，既受水的作用也受大气的影响，要求 该层有较高的抗冻和抗裂性。该区上、下游水位变化区的坝体表层混凝土，受水位变化的 影响较多，在寒冷地区的冬季，冰冻对混凝土造成的破坏非常严重，所以对该区混凝土的 抗冻性有严格的要求。根据现行DL-T 5057-1999水工混凝土结构设计规范（4.4

5、.6） 要求，严寒地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F300，年冻融循环次数大于 100次的抗冻等级不低于F200；寒冷地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于 F200，低于100次的不低于F150；温和地区抗冻等级不低于F50。根据现行SL319-2005 混凝土重力坝设计规范（8.5.6）要求：严寒和寒冷地区混凝土最大水灰比不得大于0.45, 温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.50，在环境水有侵蚀性情况下，应选择抗侵蚀性能 较好的水泥，水下混凝土的水灰比可减少0.05。III区：上、下游最低水为以下坝体表层混凝土，受水的作用，要求该层有较高的强度 和抗冻、抗裂性。该区

6、混凝土因长年浸泡在水下，受水压力的作用，会产生大量的渗流， 对坝体的安全稳定运行造成不利的影响。根据现行DL-T 5057-1999水工混凝土结构设 计规范（4.4.5）要求，大坝混凝土挡水面的抗渗等级应符合下列要求：H150，混凝土抗渗等级不得低于W10；当结构表层设有专门可靠的防渗 层时混凝土抗渗等级可适当降低，当处于严寒寒冷地区且水力梯度较大时其抗渗等级应 按规定提高一个等级。根据现行DL-T 5057-1999水工混凝土结构设计规范（4.4.6） 要求，大坝混凝土挡水面的抗冻等级：在寒冷地区，混凝土抗冻等级也不得低于F50；在 无抗冻要求的地区，混凝土抗冻等级也不宜低于F50。根据现行

7、SL319-2005混凝土重力 坝设计规范（8.5.6）要求：严寒和寒冷地区混凝土最大水灰比不得大于0.50，温和地区 混凝土最大水灰比不得大于0.55,在环境水有侵蚀性情况下，应选择抗侵蚀性能较好的水 泥，水下混凝土的水灰比可减少0.05。对于碾压混凝土重力坝会综合考虑II区、III区的材料分区要求，上游坝面的分区应与 防渗层结构相结合考虑。当上游防渗层采用常态混凝土防渗层、富胶凝材料碾压混凝土防 渗层、加膨胀剂的补偿收缩混凝土防渗层时，其厚度和抗渗等级应满足坝体防渗要求（防 渗层宜优先采用二级配碾压混凝土，其抗渗等级的最小允许值为：HV30m时，W4； H=30m 70m时，W6； H=7

8、0m150m时，W8； H150m时，应进行专门试验论证；二级配碾压混凝土 防渗层的有效厚度，宜为坝面水头的1/301/15，但最小厚度应满足施工要求。二级 配碾压混凝土防渗层上游表面采用变态混凝土时，变态混凝土的厚度宜为30cm50cm，最 大厚度不宜大于100cm） 2。当采用沥青材料、合成橡胶、聚氯乙烯防渗层时，其厚度应 根据抗渗性、耐久性、变形特性及与混凝土面的结合情况，由试验及已有经验确定眼下 游坝面应根据溢流与水位变幅情况，按防渗、防冲、防蚀、防冻等要求设置保护层。有抗 侵蚀性要求时，水泥中CA含量宜低于5%，水胶比宜小于0.45，并应进行试验论证。3w区：与地基接触的底层混凝土，

9、受上部坝体自重和渗透扬压力作用，要求该部位有 较高的强度和抗裂性。该区作为坝体的基础混凝土，向坝基传递坝体所承受所外荷载和自 重，也受到坝基渗透水流产生的扬压力作用和水中化学物质的侵蚀，这就要求基础混凝土 有很好的强度和抗侵蚀能力，作为大体积混凝土的一部分亦不可忽略混凝土的低热性。根 据现行SL319-2005混凝土重力坝设计规范（8.5.3），选择混凝土标号时，应考虑由于 温度、渗透压力及局部应力集中所产生的拉应力、剪应力或主应力，坝体内部混凝土的标 号不应低于R 100；混凝土抗渗等级不得低于W2,承受腐蚀水作用时其抗渗等级应进行专 门的试验研究；0但不得低于W4；根据大坝混凝土耐久性要求

10、（8.5.6），严寒和寒冷地区混 凝土最大水灰比不得大于0.50，温和地区混凝土最大水灰比不得大于0.55。在碾压混凝土重力坝中，坝体基础混凝土，应采用常态混凝土，其厚度可根据基础开 挖起伏差、温度控制及基础灌浆要求确定。近年来建造的碾压混凝土坝，其基础垫层在 河床部位采用常态混凝土，在岸坡部位则常采用变态混凝土，如江垭、棉花滩、大朝山等 工程。由于在岸坡部位采用变态混凝土基础垫层，施工较方便，其初凝时间易与坝体碾压 混凝土协调，且易使变态混凝土区域与碾压混凝土区域能良好过渡结合丘。碾压混凝土坝 基础垫层在达到找平目的以满足碾压作业的前提下不宜太厚，这对大坝温度控制及尽快转 入碾压混凝土施工、

11、加快施工进度是比较有利的。因此，规定碾压混凝土垫层厚度不宜大 于1m。V区：坝体内部混凝土； V区混凝土体积庞大，虽然各种性能都不作过高要求，但该 区混凝土设计的好坏几乎能决定大坝的整体性和寿命，原因就在于水泥水化发热。在早期 人们并没有认识到这一点，也没有采用专门的措施，结果在坝体中出现了严重的裂缝，破 坏了结构的整体性，影响了其寿命、安全和正常使用。经研究证实，由于水泥在凝固过程 中产生大量的热量，使混凝土温度急剧上升，再逐渐冷却收缩，相应地产生了体积变化及 温度应力，在条件不利时便会导致开裂。为了解决这一难题，人们在实践中逐渐总结了一 些措施：如柱状快浇筑，通仓浇筑等方法。从筑坝材料来讲

12、，改善原材料的性质是重要的解决方法，采用低水化热的大坝专用水 泥，采用合适的外加剂（如减水剂）和掺合料，尽量减少单位水泥用量，目前许多常态混 凝土的平均单位水泥用量已降至150kg左右，最低的达100kg左右。在碾压混凝土坝设 计规范（SL314-2004） （7.0.1）中，碾压混凝土的总胶凝材料用量不宜低于130kg/ms； 要求胶凝材料中掺合料所占的重量比，在内部碾压混凝土中不宜超过总胶凝材料的65%； 在60、70年代由于生产力落后，在以人力为主施工的工程中，曾采用埋设块石，减少混 凝土用量，由于埋石对石料的要求较高，在实际施工过程中耗时耗力且不易达到设计要求， 该项措施逐渐被三、四级

13、配混凝土替代。还有的部门在研究采用低热微膨胀水泥浇筑大坝， 利用水泥的轻微膨胀性来消除温度拉应力3。根据现行规范SL319-2005混凝土重力坝设计规范，在抗渗方面，坝体内部抗渗等 级不得低于W4；在强度方面，坝体内部混凝土的标号不应低于R90100；根据混凝土耐久 性要求，严寒和寒冷地区混凝土的水灰比不宜大于0.65，温和地区不宜大于0.65。丑区：抗冲部位（如溢流面、泄水孔、闸墩、导墙等处）的混凝土，受高速水的作用， 要求该部位要有高强度，抗冻、抗冲刷、抗侵蚀性；丑区泄水建筑物的高速水流区，应注 意下列部位或区域发生空蚀破坏的可能性：1.进出口、闸门槽、弯曲段、水流边界突变处； 2.反弧段

14、及其附近；3.异形鼻坎、分流墩；4.溢流坝面和泄水孔壁流速大于20m/s的区域。 在大量的工程实践中工程人员通过改善建筑物的体型、控制表面的平整度、掺气减蚀等措 施起到了一定作用，在建造时采用合适的材料，提高材料的抗蚀性能，效果也是相当明显 的，试验表明，提高混凝土的标号和容重，不掺用混合料，可以提高抗磨能力，同时也提 高抗空蚀能力。因此在承受高速水流有可能产生空蚀的部位的表层混凝土，采用高标号的 抗磨抗蚀混凝土，混凝土力求密实，骨料不宜太大，表面确保平整，但所需水泥标号较高， 用量较大，要注意表面开裂3。根据现行规范SL319-2005混凝土重力坝设计规范（8.5.8） 要求，高速水流区的混

15、凝土应采用具有抗冲耐磨性的低流态高强度混凝土或高强硅粉混凝 土，过流表面的混凝土标号不应低于R 250。；当采用耐磨材料（如高分子材料、铸石或 钢材等）衬护时，应与混凝土可靠结合。在严寒和寒冷地区混凝土的水灰比不宜大于0.45, 温和地区水灰比也不宜大于0.45。丑区混凝土在抗冻方面也要有相应的要求，根据DL-T 5057-1999水工混凝土结构设计规范（4.4.6）要求，严寒地区抗冻等级不低于F300；寒 冷地区年冻融循环次数大于100次的抗冻等级不低于F300，低于100次的不低于F200；温和地区抗冻等级不低于F100。选定各区混凝土等级时，等级的类别应尽量少，以便于施工。同一浇筑快中混

16、凝土强 度等级不宜超过两种，以免由于性能差别太大而引起应力集中或产生裂缝。为了方便施工, 分区厚度一般不小于23m；对碾压混凝土而言坝体碾压混凝土的分区宽度，应根据坝体 受力状态、构造要求和施工条件确定。总结随着对混凝土重力坝的认识的不断加深，“更好更快更省”的筑坝要求成为工程界的 发展方向。通过对大坝的分区设计，可以达到降低大坝的工程投资，充分使用混凝土的材 料性能等目的，但是我们也应看到对筑坝材料的分区，会影响到施工机械的配套，施工进 度的安排，坝体温度控制等，所以做好混凝土重力坝筑坝材料的分区设计具有很重要的意 义。做好大坝的分区设计，在分区设计中不断创新，采用新思路、新技术，是大坝设计的深 化方向，也是混凝土重力坝从新换发生机，不断发展的重要动力。参考文献：1 SL 319-2005混凝土重力坝设计规范S.SL 314-2004碾压混凝土坝设计规范S.潘家铮.重力坝设计M.北京：水利电力出版社，1987.张严明，王圣培，潘罗生.中国碾压混凝土坝20年一从坑口到龙潭坝的跨越（综述设 计施工科 研运行）M.北京：中国水利水电出版社，2006.孙恭尧，王三一，冯树荣.高碾压混凝土重力坝M.北京：中国电力出版社，2003.陈德亮.水工