碾压混凝土坝的历史演变及启示

碾压混凝土坝的历史演变及启示

压裂混凝土水库是20世纪70年代发展起来的一项新技术。这是水库技术的一个重要创新。该技术具有建设速度快、建设期短、成本低等优点。以下是最初三个代表性项目的简要介绍。1三个代表性设计1.1混凝土坝rcd坝1977～1980年日本修建了世界上第一座碾压混凝土坝———岛地川(图1)。该坝高89m,顶长240m,体积322万m3。坝体采用“金包银”形式,即坝体内部采用碾压混凝土填筑(水泥用量84kg/m3～91kg/m3;粉煤灰用量36kg/m3～39kg/m3),外部包围(2～3)m厚的常规混凝土(VCC)。此种“金包银”式的碾压混凝土坝习称RCD坝,岛地川坝的坝体未设纵缝,横缝按VCC方法按15m设置。邻近上游面,横缝内设二道金属片止水,止水片后设排水井。层面做了加铺水泥砂浆层处理。经大口径压水试验,渗透系数K=(1.47～2.76)×10-5cm/s。工程于1982年建成投产,未发现上、下游贯穿性裂缝,渗漏量可忽略不计,工程运行良好。1.2美国的两座rcc水库继日本之后,美国于20世纪80年代修建了12座碾压混凝土坝,基本采用全断面碾压方式施工,习称RCC坝。(1)柳溪坝坝体混凝土施工技术特征美国修建的第一座全断面碾压混凝土坝是柳溪坝,这也是世界上第一座全断面碾压混凝土坝,该坝由美国陆军工程兵团设计和修建。坝高52m,顶长543m,体积33.1万m3。坝体填筑从1982年4月开始,9月中旬完成,历时4个多月,工期为堆石坝的1/3,造价为其一半。柳溪坝的主要技术特征是大坝混凝土的主要部分为内部贫混凝土,要求具有最低的水泥水化热和足够的抗剪强度。因此水泥用量降低到47kg/m3,粉煤灰用量为19kg/m3。坝体的上、下游面及溢洪道均为富胶凝材料碾压混凝土,厚(2～3)m,全断面碾压。其抗压强度90d为7.3MPa,抗拉强度365d为0.51MPa,坝体大口径钻孔压水试验获得渗透系数K=(10-3～10-5)cm/s,重度为2466kg/m3,绝热温升为11.78℃。柳溪坝的上游面采用非粘合的预制常规混凝土企口模板,板后为水泥用量较高的碾压混凝土,一直浇筑到廊道为止,廊道下游为贫水泥碾压混凝土。层面未铺砂浆处理,整个坝体未分纵缝和横缝。1983年春蓄水后,随即在排水廊道和下游面出现了渗水,其量为170L/s,两个月后减至150L/s,为此用纯水泥浆对坝体进行了灌浆处理,1年半后渗水量减至13.8L/s。(2)混凝土坝体1987年6月,由美国垦务局设计建成了上静水坝,该坝高87m,顶长825m,坝体未设纵缝和横缝,坝体体积113万m3。RCC浇筑用10个月完成,这是美国继柳溪坝之后设计建成的另类碾压混土坝。它吸取了柳溪坝层面结合不良、胶凝材料用量过低的经验教训,采用了高胶凝材料筑坝,其水泥用量为(79.5～92)kg/m3,粉煤灰用量为(172.7～203.5)kg/m3,这种高胶凝材料的RCC提高了抗拉、抗剪强度和密实性。其抗压强度为(21.1～24.8)MPa(90d),重度为2339kg/m3,绝热温升为(28d)18.08℃～25.28℃。坝体下游坡为1∶0.6,相对于常规VCC重力坝减少了坝体体积。上静水坝的上、下游面采用水平滑模浇筑厚0.6m的常规混凝土护面层防渗,下接碾压混凝土坝体。工程蓄水后,发现了12条上、下游贯穿坝体的横向裂缝,平均缝距75m。2坝体裂缝处理岛地川坝、柳溪坝和上静水坝同是20世纪80年代设计建成的碾压混凝土坝,在设计思想上各具特色,代表了三种不同的RCC坝设计方法,它们的不同点不仅在结构设计上,同时还在RCC的配合比上。防渗由上游厚3m的常规混凝土和碾压混凝土坝体承担,另外该坝较高,要求坝体混凝土具有较高的抗剪抗拉力学指标,因此采用了富胶凝材料筑坝,在富胶凝材料中水泥用量较大,为防止浇筑过程中出现“冷缝”,影响坝体的防渗性能,因而要求对层面进行处理。另外,为防止水泥水化热造成坝体裂缝,按常规混凝土坝的技术要求,对坝体设置了横缝。以上设计思想明确,技术处理得当,因而工程建成投产后,运行正常。此种RCC坝设计施工方法在日本一直延续到现在。富胶凝材料筑坝固然防渗性能好和力学指标较高,但施工工艺要求高,时间上和经济上对于只有中等坝高(52m)的柳溪坝不尽合算,因此美国陆军工程兵团采用了贫水泥干硬性碾压混凝土筑坝,以使其工艺上变得更经济。坝的防渗由上游厚3m的富胶凝材料RCC和坝体承担。由于采用贫水泥筑坝,初凝时间较长,水泥水化热低,因而坝体填筑时未做层面处理,坝体也未设纵缝和横缝。工程蓄水后发现坝体渗漏,这就迫使设计者们在此类工程的设计中研究了多种上游坝面防渗结构,包括预制混凝土面板外衬或外喷膜料等多种型式。20世纪80年代在美国采用贫水泥碾压混凝土施工建成的中等坝高工程列举见附表。上静水坝坝高87m,与岛地川坝接近,属高坝。美国垦务局采用了高胶凝材料筑坝,以达到提高RCC坝体的防渗性能和使层面具有较高抗拉、抗剪指标的目的。坝体未设纵缝和横缝,施工铺筑时也未做层面处理。工程蓄水后发现12条贯穿坝体上、下游的横向裂缝,这就提醒工程师们在往后的设计中设置横缝,美国第一座设置横缝的工程是大鹿溪坝(ELKCreek)。在坝顶长786m的坝体上设置了10条横缝,最大缝距91m(平均73m),在靠近上游面的横缝里设二道止水,止水后设排水井,在另一座奎尔溪南坝上采用了较小的横缝距14.6m,使坝体裂缝的扩展得到了有效控制,1990年以来美国修的RCC坝中约有50%设置了横缝,缝距在上述两坝缝距之间。3坝高、坝高的工程特点(1)碾压混凝土坝早期三个有代表性工程的设计思想有些差异,但其实践结果共同表明,施工速度是很快的,其费用比其它坝型省,相对于传统的重力坝是重大创新。(2)三个工程的运行整体上是成功的,但有的也不十分完美,正是这些不完美之处推动了RCC坝不断向前发展.如柳溪坝的坝体渗漏,警示人们对于贫水泥碾压混凝土坝必须采取坝面防渗措施,上静水坝出现的贯穿坝体的12条横向裂缝,警示人们对于富胶凝材料筑坝应考虑对坝体设置横缝。(3)低胶凝材料筑坝,其力学指标和防渗性能不及富胶凝材料,但其水泥水化热低,初凝时间较长,施工工艺较简单,比较适用于中等及中等以下坝高。但事物是发展的,20世纪90年代出现了断面对称面板硬填方坝(FSHD),由此借鉴低胶凝材料筑坝技术,可能是发展FSHD坝的一个方向,如土耳其2002年开始,已设计和施工两座100m以上FSHD坝(Cindere&Oyuk),就是一个良好的例证。因为同一坝高条件下,FSHD坝坝体和建基面的受力条件都优于传统的重力坝,对于基础条件较软弱的地方、强地震区和缺少防渗材料的地区,尤其有它的优势。(4)根据岛地川和上静水等高坝的经验,对于中等以上的高坝,基于防渗性能和抗剪抗拉指标的要求,选取富胶凝材料筑坝是很自然的,但坝体上游面和坝体的防渗、横缝设置和裂缝控制、以及层面抗剪强度的控制等一系列技术问题,应根据工程具体情况慎重处理,在满足力学指标和防渗性能的前提下,尽量降低胶凝材料特別是水泥用量是大家所期望的。如我国江垭全断面碾压混凝土坝,坝高131m坝顶全长368m,设12条横缝,缝距(14.5～35)m,未设纵缝,最大仓面3755m2。初凝前覆盖上一层RCC时,层面不做处理。经过大量试验研究和计算分析论证,采用A1区(上游防渗区,C20)水泥用量