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高碾压混凝土拱坝施工工艺及模拟仿真研究

郭 勇，郑家祥

　　（国家电力公司成都勘测设计研究院，四川成都　610072）


　
摘　要：结合坝高132m的沙牌碾压混凝土拱坝的施工，研究并提出了大坝混凝土真空溜管入仓工艺、改性混凝土扩大使用范围、大坝混凝土冬季施工措施及大坝施工过程仿真模拟程序和施工进度等。研究成果在沙牌水电站大坝混凝土施工中得到成功应用。
　　关键词：碾压砼；拱坝；施工技术；真空溜管；计算机模拟

1　前 言
1．1　工程概况
　　沙牌水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内，是岷江支流草坡河上游的龙头电站。电站由碾压混凝土拱坝、泄洪洞、引水系统和地面厂房等组成。大坝坝高132m，比国外最高的南非伏尔维丹坝（高70m）、国内建成的普定坝（高75m）均高，是目前世界上最高的碾压混凝土拱坝。坝址处河谷呈“V”形，两岸谷坡40°～70°，河面宽40～80m。大坝为全碾压混凝土拱坝，混凝土量36．3万m3，坝型为三心圆单曲拱坝，坝底高程1735．5m，坝顶高程1867．5m，底宽28m，顶宽9．5m。
1．2　碾压混凝土拱坝施工现状
　　1986年我国建成了第一座碾压混凝土坑口重力坝，1989年通过论证决定在普定采用碾压混凝土拱坝，1993年该坝建成。该坝的建成，在碾压混凝土材料、入仓工艺、坝面作业等方面都取得了高水平的科研成果，为100m以下碾压混凝土拱坝的设计、施工积累了经验。在总结成功建筑100m以下碾压混凝土拱坝经验的基础上，对坝高100m以上的薄拱坝采用碾压混凝土筑坝进行了研究，以使我国在用碾压混凝土建筑高拱坝的技术上继续居于世界领先地位。
　　碾压混凝土坝入仓及施工工艺，已从初期的自卸汽车、简易缆机和溜槽方式发展到自卸汽车、真空溜管和高速皮带机、塔带机、斜坡道等入仓方式；在碾压混凝土使用部位上，从基础垫层混凝土、上下游面防渗层、建筑物周边及与岸坡接触段等部位采用常态混凝土到现在整个大坝全部采用碾压混凝土。在筑坝技术有了长足进步的同时，应用计算机模拟技术对整个施工过程进行仿真，预测任意时刻大坝的施工面貌和工期情况，亦是大坝施工组织设计和施工管理发展的方向，代表了计算机时代碾压混凝土坝设计和施工管理的趋势。本研究从碾压混凝土入仓工艺、改性混凝土使用范围、冬季施工及计算机仿真大坝施工等方面，提出了碾压混凝土拱坝施工模拟程序及现场大坝混凝土施工工艺。
1．3　研究内容
　　结合已开工建设、坝高132m的碾压混凝土拱坝的快速施工研究，对100m级以上高碾压混凝土拱坝的施工工艺、入仓方式、冬季施工措施、施工过程仿真管理系统，解决以下4个主要问题：
　　（1）研究碾压混凝土拱坝的入仓工艺，着重解决100m以上高差、采用真空溜管输送碾压混凝土的入仓工艺；
（2）研究改性混凝土的使用范围和施工工艺；
（3）大坝冬季施工方案及措施；
　　（4）高碾压混凝土拱坝施工全过程仿真模拟。
2　入仓方式及施工研究
2．1　100m级真空溜管设计和试验研究
2．1．1　概 述
真空溜管输送混凝土入仓工艺，以投资少、运行简便、输送效率高等特点，在诸多混凝土垂直入仓方式中独树一帜，得到了越来越广泛的应用。100m级真空溜管的研究，是在“八五”科技攻关的基础上，为扩大真空溜管的使用范围，完善“八五”攻关的成果而进行的一次积极的尝试。
　　真空溜管技术输送碾压混凝土，在普定水电站工程50m左右高差情况下，已有较成功的经验。但输送碾压混凝土高差达100m级时，尚存在如下问题：
　　（1）输送高差大，如何保证碾压混凝土质量及保证达到不飞溅、不堵塞、不分离；
（2）碾压混凝土输送出口速度的控制；
　　（3）对工艺、材料、设备性能等方面都有新的要求。
　　100m级真空溜管的设计研究，主要解决碾压混凝土坝入仓高差在100m情况下的技术问题。在保证入仓强度和质量的前提下，入仓设施应简单实用，方便施工，具有明显的经济效益。主要技术经济指标如下：
（1）真空溜管输送混凝土高差达到100 m级；
（2）输送强度不低于180m3／h；
（3）管径控制在0．4～0．8m，管节长4～5m；
（4）溜管长度控制在90～120m；
　　（5）输送二级配或三级配碾压混凝土，最大骨料粒径控制在80mm。
　　此外，为使真空溜管使用高差达100m级并使输送强度达200m3／h左右，还对真空溜管的制造工艺作了研究，并进行了生产性试验。
2．1．2　真空溜管设计
100m级真空溜管系统的主要设计参数见表1。

2．1．3　真空溜管制造工艺及生产性试验
　　真空溜管制造及生产性试验原定在四川沙牌水电站进行，后因种种原因，实际研究和生产性试验的现场为云南大朝山水电站C3标工地。
大朝山水电站利用真空溜管入仓浇筑的混凝土大部分为碾压混凝土，共布置4条溜管。在右岸布置1号和2号溜管，受料斗高程均为856．45m；1号溜管受料斗出口中心在坝下0＋038．00 m，2号溜管在坝下0＋030．00 m；1号溜管的出料口高程为807．2m，2号溜管为813．00m。两溜管最大垂直输送高差58m。
　　在左岸布置3号和4号溜管，受料斗高程均为906．00m；3号溜管的出料口高程为817．00m，4号溜管出料口高程为820．00m。3号溜管最大垂直高差89m，4号溜管最大垂直高差86m。
　　受料斗的上面尺寸为3 400mm×3 400mm，下面尺寸为600mm×600mm，高度2 900mm。受料斗为钢结构，罐体钢板材质为Q235－A，板厚6mm，在受料斗的外壁上装有附着式震动器（ZF110型）。受料斗通过四支撑柱的地脚螺栓与基础相连。
　　受料斗下面设置全封闭的双开下料弧门，并由弧门转动轴端的连杆与气缸相连，以启闭下料弧门。下料弧门下面装有弧门与槽身之间的过渡节，过渡节是一可调整30°左右的活向节型式，以适应溜槽槽身安装时角度调整的需要。
　　在过渡节下面装设“标准”长度的溜管槽身及凑合节，在凑合节下料的出口处，还装设了出口弯头，以防止混凝土下料时对装运设备（自卸车）的冲击。
　　受料斗安装在牢固的混凝土并钢支架结构的基础上，溜管槽身支撑在钢排架或钢管脚手架上。支撑结构应稳固可靠，便于维护人员的行走。
　　研制时，针对“八五”攻关所用弧门存在的密封件磨损大、维修不便及难以形成负压等缺点，100m级溜管的给料装置采用了全封闭式的弧门??“碟形弧门”。在储料斗内有混凝土的情况下，该弧门的内腔与外界几乎完全隔离，且不依赖橡胶件密封，故具有启闭力小、工作可靠、不需更换密封件等优点。经一年多的使用证明，研制是比较成功的。
　　真空溜管槽身的橡胶带，起着裹夹混凝土及在槽内形成负压的双重作用，为达到这一目的，就要求胶带应尽量柔软，以增大其与槽内混凝土的接触面积；而为了提高胶带的使用寿命，又要求其具有良好的耐磨性。为此，与云南双江橡胶厂联合进行了柔软耐磨橡胶带的研制。研制中将减少芯布的层数作为提高柔软性的手段之一，同时力争通过优化配方及改进硫化工艺，进一步降低胶体硬度并将试验磨耗由国际橡胶输送带的0．8％降至0．4％。目前，溜管采用的橡胶带为两层胶夹一层尼龙芯布，工作面胶厚3．5mm，非工作面胶厚1mm。
　　溜管弧门启闭的动力采用了气动及液动两套方案。供气较方便的右岸1号、2号溜管，采用气力驱动，而对远离气源的左岸3号、4号溜管，则采用了液压驱动。两种驱动方式的开关时间均由设置在操作室内的时间继电控制。根据目前仓内转运车辆载重量为15t的情况，弧门每一工作循环的开关时间设定为：开9s→关3s→开9s→关。
　　从大朝山水电站100m级真空溜管的生产性试验和大坝混凝土入仓运行情况看，用100m级高差真空溜管输送碾压混凝土入仓是完全可行的，质量和施工强度均满足设计和施工要求。至2000年4月，大朝山水电站共利用真空溜管输送混凝土42．6万m3，与利用缆机吊运比较，节约成本约80万元。
　　大朝山100m级真空溜管试验研究成果已应用于沙牌大坝真空溜管的设计及制造，为沙牌大坝上部混凝土采用真空溜管入仓及保证混凝土质量创造了条件。
2．2　坝面作业工艺研究
2．2．1　施工工艺研究
2．2．1．1　混凝土入仓布置方案
　　根据沙牌RCC拱坝坝址处两岸山坡陡峭，河谷深切，加之右岸又无交通道路的情况，经方案比较后，决定采用低线公路汽车直接入仓和高线公路左岸真空溜管入仓方案。基坑垫座根据开挖后揭露的良好地质状况，抬高至1738．0m，垫座混凝土入仓采用低线公路基坑出渣道路，在坝踵处搭设斜溜槽，仓面由装载机和自卸车接料，由平仓机摊铺浇筑混凝土；在1738．0m～1800．0m利用坝下游入仓道路汽车直接入仓；在1800．0m～1860．0m为左岸两条真空溜管入仓，仓内由自卸车接料运至碾压条带摊铺；在1860．0m～1867．5m为左岸坝顶斜溜槽＋缆机和汽车直接组合入仓方案。
　　（1）低线公路＋自卸汽车直接入仓。由低线公路经汽车直接入仓浇筑坝体混凝土的总量为140 517 m3，占坝体混凝土总量的38．6％；浇筑坝体高度为62．0m，占坝体总高度的48．0％。入仓道路填筑石渣总量约4．7万m3。
　　（2）高线公路＋真空溜管入仓。高线公路入仓的碾压混凝土总量为216 347m3，占混凝土总量的59．5％。真空溜管浇筑坝体高度60m。
　　（3）20t缆机＋汽车和溜槽联合入仓方案。由于在高程1860．0m以上真空溜管已失去作用，故改用20t缆机在入仓公路1800．0m吊进仓面，同时在高线公路左坝肩搭设混凝土斜溜槽，仓面由自卸车接料联合入仓。在离坝顶部2m高的碾压混凝土采用高线公路汽车直接入仓方案进行。
2．2．

2．3．2．2　改性混凝土的性能试验
　　为了检测改性混凝土的各项性能指标是否达到沙牌工程的设计要求，根据上面的试验成果选用4％的加浆量对其各项性能进行试验。
　　当加浆量为4％时改性混凝土的90天劈拉强度2．05 MPa，抗渗大于S8，90天极限拉伸值1．29×10－4，弹性模量为15．91GPa，全部达到了设计要求，与碾压混凝土一样反映出了高拉伸低弹模的特性。根据试验成果，确定现场施工的加浆量为4％。
2．3．3　现场施工工艺试验
　　不同的铺浆方法对改性混凝土的施工速度和施工质量有很大影响。在沙牌工程对表面洒铺法、沟槽铺浆法和打孔注浆法三种铺浆工艺进行了试验研究。沙牌工程选用加浆量4％和沟槽铺浆法作为改性混凝土的铺浆施工工艺。计量方法采用计时法。经比较，沟槽铺浆法的振实时间适合现场施工。
2．3．4　改性混凝土的应用范围
　　在“八五”攻关的普定RCC施工中，已成功地将改性混凝土应用于振动碾碾压不到的死角及电梯井、廊道周边钢筋混凝土区域。为了更快地提高RCC的施工速度，沙牌电站在普定工程改性混凝土应用的基础上，扩大了使用范围，将与两岸坡基岩面接触的垫层常态混凝土、坝面上游防渗区混凝土、下游斜面混凝土均用改性混凝土代替，整个施工仓面未浇1m3常态混凝土，坝面上除了碾压混凝土外就是改性混凝土。施工完后混凝土面层光滑、内部密实未发生裂缝和其它缺陷。通过对改性混凝土、碾压混凝土和基岩面结合部的取芯检查，芯样致密光滑，改性混凝土和碾压混凝土结合部无法区分辩认，从而证明了在基岩面上用改性混凝土代替常态混凝土施工，技术上是可靠的。
2．4　冬季施工研究
　　沙牌碾压混凝土拱坝采用全断面通仓碾压、连续上升施工工艺，由于施工期将跨越1999年、2000年及2001年冬季（12月至次年2月），而坝区在12月至次年2月月平均气温分别为0．7℃、－1．6℃、0．2℃，极端最低气温为－10．6℃，冬季气候较为寒冷。为了确保碾压混凝土拱坝冬季亦能正常施工，需在总结国内外低温季节施工经验的基础上，研究沙牌大坝在冬季施工时段特别是在负温情况下的碾压混凝土施工工艺和防冻保温措施。
2．4．1　热工计算分析
2．4．1．1　计算条件
　　（1）计算前提：选取全年最冷月元月份进行热工计算。
　　（2）砂石骨料温度：取高于元月平均气温1．6～1．8℃作为砂石料的计算温度值。
　　（3）拌和水温度：在科研楼配水箱内配置140kW电热管，改装成为热水箱，并在水箱外包裹隔热材料，要求能提供45℃左右的热水。
　　（4）运输条件：考虑从拌和楼装料到仓内卸料，整个过程共历时30分钟，对自卸汽车车箱采取保温隔热措施。
　　（5）仓内施工：采用自卸汽车直接入仓，采取退铺法依次卸料以及边摊铺边碾压的施工措施。
2．4．1．2　混凝土出机口温度、入仓温度及浇筑温度
　　根据上述计算条件，计算混凝土的出机温度、入仓温度及浇筑温度。由计算成果可知：在环境气温为－3℃～－5℃的低温情况下，能控制混凝土的出机温度在5℃以上，浇筑温度在3℃左右，满足低温季节混凝土的施工要求。但随着施工工序时间的延长，浇筑温度下降，因此必须制订相应的施工技术措施，保证各道施工工序满足时间控制要求。
2．4．2　冬季施工的技术措施
　　综合上述基本资料分析以及热工计算成果，按规范要求，制订沙牌工程冬季施工技术保证措施，主要有以下内容：
　　（1）骨料储存及保温。成品料仓必须有足够的堆料高度，堆料高度以不小于6m为宜。
　　（2）混凝土拌和。采用45℃左右的热水拌和，热水由科研楼配水箱改装成的热水箱供应。
　　（3）混凝土运输。自卸汽车车厢左右两侧挡板外侧贴4cm厚的泡沫塑料，底板上密铺3cm厚的木垫板，车厢上覆盖保温被，被上缝铁环后套在与车厢板焊接的钢筋上。
　　（4）混凝土施工与保温。沙牌工程采用蓄热保温法在露天进行混凝土碾压施工。但沙牌坝区的元月份月平均气温较低，结合具体施工条件，采取如下措施：
　　a．选择合适时段进行施工。当日气温低于－3℃～－5℃时，在加强现场检测和管理的同时，做好停止施工的准备。在大雨、大雪天停止施工。
　　b．利用保温被对外露混凝土面进行保温，仓内所有孔洞均应进行封堵，并保证其严实性。
　　c．在上游坝面模板内侧紧贴2～3cm厚泡沫塑料板或双层气垫薄膜保温层，在下游坝面模板外侧悬挂稻草帘，要求搭接牢靠。
　　d．采取退铺法依次卸料，摊铺时辅以人工铲料，做到边摊铺边碾压。浇筑仓内小范围的平仓摊铺未及碾压部位，用保温被随时覆盖，碾压时揭开保温被，碾压完毕又立即恢复覆盖。
　　e．浇筑改性混凝土时，在坝区设置制浆站和热水箱，现场配制水泥粉煤灰净浆。混凝土摊铺后及时洒铺净浆，然后马上振捣，振捣后及时覆盖保温被进行保温。
　　（5）养护与拆模。混凝土浇筑完后养护时间不少于28天（或至上一层混凝土覆盖前）。
　　上、下坝面模板要尽量晚拆，特

3．3．2．1　方案拟定
　　（1）大坝混凝土运输模拟。大坝混凝土运输方式低线采用自卸汽车直接入仓，高线采用自卸汽车转真空溜管入仓。根据道路布置及车辆配置情况，进行大坝混凝土运输模拟计算。
　　从计算结果看，仅考虑大坝混凝土运输车，其车流量仅22～25车次／h，且行车间距均在200m以上，低线和高线道路行车状况均较闲。低线公路运输在入仓前由于填筑道路较窄及冲洗汽车轮胎，出现2～3辆车排队，但等待时间较短，排队概率较小。高线运输系统由于需经过3km长的交通洞，洞内行车速度按10～15km／h考虑，在交通洞进出口均出现不同程度的排队等待现象。尤其在交通洞进口大坝真空溜管卸料处，最长出现5辆车排队等待卸料的情况，但出现2辆车排队情况概率较大。因此，工程实施时采取了交通洞进出口的交通管理、进口重车卸料道路和空车返回道路单向行驶、缩短卸料时间等措施。总体看来，沙牌大坝混凝土供料运输相对较简单，仅需加强道路管理即可。
　　（2）大坝施工过程模拟。经业主、监理工程师和沙牌施工局的共同努力，大坝坝基开挖施工于1999年2月底基本完成，同年3月9日开始大坝混凝土浇筑，4月21日坝体浇筑至1754m高程（垫座以上4m，1750m廊道施工完成）。后进行钻孔取芯和试验，至1999年9月18日坝体开始复工浇筑，11月4日坝体浇筑至1768m高程，因资金周转问题，坝体浇筑被迫停止，至1999年12月底仍无复工迹象。
　　针对沙牌电站的情况，坝体混凝土浇筑何时复工难以确定，且此时沙牌工区日平均气温在0℃左右，尤其夜晚气温均在0℃以下，施工条件较差，因此为了对未来的坝体施工进行预测，按冬季不施工，拟定了两个2000年3月复工的方案。
　　方案2001：2000年3月复工，冬、夏季均不停工，按拟定浇筑参数预测大坝后续工期。
　　方案2002：2000年3月复工，夏季白天停工，冬季晚上停工，按拟定浇筑参数预测大坝后续工期。
3．3．2．2　模拟计算及分析
　　按拟定的方案及施工边界条件，对两个方案进行了模拟计算。从两个方案预测情况看，二个方案施工强度和月上升高度均基本一致，不同之处在于冬、夏季停工与否将直接影响发电工期1．5个月。由此可见，在冬、夏季采取一些有效的温控措施，花较少的代价使坝体连续施工，可获得1．5个月工期，直接经济效益是非常明显的。
　　因篇幅原因，现仅列出2001方案的主要模拟成果，详见表5。施工强度柱状图见图1。
模拟施工进度：1999年4月9日大坝浇筑至1750m高程，设置廊道，大坝停止施工10天后继续施工，至1999年4月25日浇至1754 m高程，日浇筑大坝3层，单层施工时间7～8h。工程实施进度：大坝于1999年3月9日开始浇筑混凝土，待基础常态混凝土达到75％设计强度后开始进行碾压混凝土施工，至1999年4月8日，大坝浇筑至1748m高程，同年4月24日大坝浇筑至1754m高程，大坝停工钻孔取芯。对比分析，大坝实际浇筑进度、日上升层数与模拟软件预测进度几乎完全一致，说明所取施工参数和边界条件是符合沙牌大坝施工实际的，模拟系统能用于指导后续大坝施工，并能进行合理、准确的进度预测。
3．4　大坝施工真三维图
　　运用深度缓冲区消隐技术，真正实现了大坝施工过程的三维仿真模拟，能从任意视角直观反映坝体的施工过程。运用矩形网格技术对坝区周边地形和坝肩开挖情况进行三维化处理，建立坝区地形数字模型，生成坝肩及坝基开挖三维图，使坝体与周围地形紧密结合，真实地反映工程所在地的开挖面貌和坝体施工过程。
4　结束语
　　结合已开工建设、坝高132m的碾压混凝土拱坝的施工，对施工工艺、入仓方式、施工过程仿真管理系统进行了研究，提出了碾压混凝土的入仓工艺、冬夏季施工及温控措施、改性混凝土使用范围及施工方法和工艺，试验和研究提出的方法满足了大坝混凝土的施工要求，使碾压混凝土施工工艺及筑坝技术得到进一步的落实和提高。提出的大坝计算机模拟程序，为直观地反映大坝施工过程及大坝体型研究提供了强有力的分析工具。

论文中还涉及几个表格，图片形式，不能一次上传。打包后下载查看。

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