堆石混凝土筑壩技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新綜述

徐小蓉 金 峰 周 虎 閉忠明

(1.華北電力大學(xué) 水利與水電工程學(xué)院,北京 102206;2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084;3.北京華石納固科技有限公司,北京 100085)

混凝土壩堅(jiān)固耐久,是水利水電建設(shè)中最安全和重要的壩型,世界超過(guò)100 m 的大壩中混凝土壩的占比約54%[1].經(jīng)過(guò)百余年的理論發(fā)展和工程實(shí)踐,形成了一套較為完善的大體積混凝土筑壩技術(shù)體系[2].大體積混凝土的抗裂能力,不足以抵御混凝土水化熱溫升導(dǎo)致的溫度應(yīng)力[2-3].20世紀(jì)初,美國(guó)墾務(wù)局為常態(tài)混凝土發(fā)明了“分縫分塊+冷卻水管”的溫度控制工藝[4],并采用拌合振搗施工方法,胡佛混凝土重力拱壩的建成宣告“混凝土壩時(shí)代”的到來(lái).1970年,美國(guó)UC Berkeley的Raphael教授創(chuàng)造性地提出了碾壓混凝土技術(shù)[5],大幅降低了水泥用量和水化溫升,簡(jiǎn)化了工藝,降低了能耗,實(shí)現(xiàn)了混凝土壩的第二次飛躍(如圖1所示).但由于需要采用冷卻水管進(jìn)行溫控,難以避免大壩裂縫,混凝土壩“無(wú)壩不裂”的頑疾仍然存在[3].

圖1 大體積混凝土壩的發(fā)展歷程簡(jiǎn)圖

百余年實(shí)踐表明,人工溫控措施不能完全防止混凝土壩的開(kāi)裂.如果要實(shí)現(xiàn)“自身不裂”的混凝土壩,必須將混凝土水化熱降低到自身抗裂能力可承受的范圍內(nèi).也就是說(shuō),必須在降低水泥用量的同時(shí)提高混凝土抗裂能力.值得一提的是,采用超大粒徑骨料是一個(gè)突破方向[6],既利用其強(qiáng)度又降低水泥用量.但受到拌合、振搗、碾壓等環(huán)節(jié)的限制,常態(tài)和碾壓混凝土采用4級(jí)配骨料已達(dá)到極限,最大骨料粒徑一般不超過(guò)150 mm,即使?fàn)奚|(zhì)量和效率采用埋石也最多5級(jí)配.要根本解決溫控防裂,數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果表明骨料可能需達(dá)到6～7級(jí)配.

堆石混凝土(Rock-Filled Concrete,RFC)筑壩技術(shù)于2003年被清華大學(xué)金峰等提出[6-7],突破了傳統(tǒng)連續(xù)級(jí)配的密實(shí)理論[8]約束,采用“大塊堆石+高自密實(shí)性能混凝土(High performance Self-Compacting Concrete,HSCC)”澆筑膠結(jié),實(shí)現(xiàn)了6～7級(jí)配甚至更大粒徑骨料的堆石混凝土(如圖2所示).堆石混凝土技術(shù)充分利用當(dāng)?shù)厥匣蜷_(kāi)挖料,作為大粒徑骨料直接堆積入倉(cāng),然后往堆石空隙中澆注高流動(dòng)性的自密實(shí)混凝土,其自流填充硬化后與堆石體共同形成完整、密實(shí)、有較高強(qiáng)度的大體積混凝土[6-7,9-10].通常堆石體的體積占比能達(dá)到堆石混凝土的55%左右,既減少了膠凝材料用量,又能輔助吸收混凝土水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量.因此,堆石混凝土絕熱溫升低,一般不超過(guò)15℃,比常態(tài)(約20～30℃)和碾壓混凝土(約15～20℃)都低[11-12].施工過(guò)程中簡(jiǎn)化甚至取消溫控措施,無(wú)冷卻水管且無(wú)振搗,人工消耗、機(jī)械能耗低,具有施工速度快、綜合單價(jià)低等特點(diǎn)[6,9].堆石混凝土技術(shù)在節(jié)能減排方面也具有顯著優(yōu)勢(shì),其碳排放只有常態(tài)混凝土的2/3甚至更低[13].

圖2 非連續(xù)級(jí)配堆石混凝土示意圖

自發(fā)明近20年來(lái),由中國(guó)原創(chuàng)的堆石混凝土技術(shù)從零到一,在工程中不斷實(shí)踐與創(chuàng)新,逐步形成堆石混凝土大體積筑壩技術(shù)體系.該體系具備核心技術(shù)與配套設(shè)備,并建立了相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系,得到了國(guó)內(nèi)外水利行業(yè)的高度認(rèn)可.水利部《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則SL 678》[14]于2014年頒布,國(guó)家能源局《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則NB/T 10077》[15]于2018年正式頒布,水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電水利工程堆石混凝土施工規(guī)范DL/T 5806》[16]于2020年發(fā)布.此外,英文版專著《Rock-Filled Concrete Dam》[17]2022年由國(guó)際著名出版社Springer出版,國(guó)際大壩委員會(huì)堆石混凝土壩技術(shù)公報(bào)2021年已通過(guò)評(píng)審,即將發(fā)布.堆石混凝土技術(shù)獲得發(fā)明專利授權(quán)累計(jì)30 余項(xiàng)[7,18-19],2017年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng).

目前,國(guó)內(nèi)堆石混凝土百米級(jí)高壩建設(shè)已提上日程,海外堆石混凝土壩也已進(jìn)入施工準(zhǔn)備.因此,對(duì)堆石混凝土的筑壩技術(shù)創(chuàng)新與施工質(zhì)量控制,提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求.本文主要介紹堆石混凝土在工程實(shí)踐中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與創(chuàng)新成果,為今后堆石混凝土技術(shù)的發(fā)展路線指明方向.

1 堆石混凝土技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 堆石混凝土主要類型

通常堆石混凝土可分為普通型堆石混凝土和拋石型堆石混凝土兩種[18-20](如圖3所示).

圖3 堆石混凝土的兩種類型

普通型堆石混凝土是先堆石,后澆筑高自密實(shí)性能混凝土[6,9,14-17],其中HSCC 的體積比約42%～46%,主要適用于重力壩與拱壩壩體、素混凝土基礎(chǔ)、混凝土圍堰、堤防、擋土墻等工程.相反地,拋石型堆石混凝土是先澆筑抗離析型自密實(shí)混凝土,后拋石入倉(cāng)[20],其中HSCC 體積比約50%～60%,主要適用于深度較大的倉(cāng)面混凝土施工,如沉井回填、抗滑樁回填、高邊墻、擋墻等工程.拋石型堆石混凝土曾用于向家壩水電站的沉井群回填[21],極大縮短了工期.

本文重點(diǎn)介紹普通型堆石混凝土在筑壩技術(shù)上的進(jìn)展與創(chuàng)新.

1.2 堆石混凝土材料組成

堆石混凝土是由大塊堆石和高自密實(shí)性能混凝土組成的非均質(zhì)材料,其中堆石一般要求粒徑在300 mm 以上[14-16],高自密實(shí)性能混凝土主要含小石子、砂、摻合料(粉煤灰或石粉等)和水泥漿等,由少量外加劑輔助控制HSCC 的流動(dòng)性.圖4 為堆石混凝土各種原材料的體積比例示意圖,堆石體一般占總體積的55%,混凝土的粗細(xì)骨料約27%,水約9%,摻合料約6%,而水泥僅占約3%.按C15堆石混凝土計(jì)算,單位RFC的水泥用量?jī)H約58.5 kg/m3,有效降低了混凝土水化溫升.

圖4 堆石混凝土原材料的體積比例

突破連續(xù)級(jí)配的堆石混凝土,既有0～20 mm 的砂石骨料,也有超大粒徑的堆石,最大塊徑可能有1.5～2 m.工程中充分利用當(dāng)?shù)厥?大石料直接入倉(cāng),小石料通過(guò)破碎機(jī)生產(chǎn)成粗骨料和砂,綠色環(huán)保.圖5為同一倉(cāng)堆石混凝土的堆石與粗細(xì)骨料的粒徑級(jí)配曲線對(duì)比圖,數(shù)據(jù)來(lái)自貴州省在建的沙千水庫(kù).

圖5 超大粒徑堆石與HSCC粗細(xì)骨料粒徑級(jí)配曲線

由圖5可知,不僅粗細(xì)骨料分別在0～5 mm 和5～20 mm 范圍內(nèi)成S型級(jí)配曲線,而且塊石料粒徑也在≥200 mm 的范圍內(nèi)形成連續(xù)級(jí)配曲線.工程實(shí)踐中,堆石混凝土的密實(shí)性能達(dá)到99%以上.目前,正在利用人工智能圖像識(shí)別算法[22],研究如何優(yōu)化塊石粒徑級(jí)配,以提高堆石率從而減少水泥用量.

1.3 堆石混凝土壩典型剖面

中國(guó)大壩工程學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《堆石混凝土壩壩型比選設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[23]和《堆石混凝土壩典型結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[24]擬于2022 年發(fā)布,將為堆石混凝土壩的設(shè)計(jì)提供具體指導(dǎo).圖6為堆石混凝土重力壩和拱壩的典型剖面圖,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一般簡(jiǎn)化壩體材料分區(qū),除上游防滲層[25]、河床段墊層、溢流面等特殊部位外,都采用堆石混凝土澆筑[14-16].此外,優(yōu)化壩段分縫[26-28]、壩內(nèi)廊道[29]和孔口等設(shè)計(jì),便于發(fā)揮堆石混凝土機(jī)械化快速施工的特點(diǎn).堆石混凝土壩不宜設(shè)置縱縫,橫縫間距相比常態(tài)混凝土壩可放寬要求,約20～40 m；若橫縫間距較大時(shí),上游防滲面板宜設(shè)置短縫,間距為15～20 m[15].近年來(lái),堆石混凝土技術(shù)在大壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化上取得了較多創(chuàng)新,如后文所述的整體澆筑拱壩技術(shù)、一體化澆筑技術(shù)、廊道快速施工技術(shù)等.

圖6 堆石混凝土重力壩和拱壩典型剖面

1.4 堆石混凝土壩工程情況

自2005年首個(gè)堆石混凝土工程應(yīng)用后,如今在我國(guó)貴州省、云南省、福建省和山西省等22個(gè)省區(qū),共建設(shè)有高于15 m 的堆石混凝土壩126座,其中已建成95座和在建31座,還有待建工程幾十座.按壩型統(tǒng)計(jì),堆石混凝土重力壩115座、拱壩11座,云南省松林水庫(kù)90 m,是目前最高的堆石混凝土重力壩；陜西省佰佳水電站69 m,是目前最高的堆石混凝土拱壩.2017年前,堆石混凝土拱壩僅2座,近幾年新增近10座堆石混凝土拱壩(見(jiàn)表1).如圖7所示,隨著年份的增長(zhǎng),堆石混凝土工程數(shù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì),堆石混凝土澆筑總方量已超過(guò)588萬(wàn)m3.堆石混凝土壩目前主要分布于我國(guó)西南地區(qū),重要原因是云貴川等地區(qū)石料較為豐富.近年來(lái),堆石混凝土技術(shù)在福建省、四川省、青海省、浙江省等地區(qū)大力推廣,在建的福建省坪坑水庫(kù)(79.7 m)與溪源水庫(kù)(77 m)、青海省滿坪水庫(kù)(77 m)、四川省麻柳灣水庫(kù)(75 m)都是典型的重力高壩.

圖7 堆石混凝土工程數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖(按年份和省份)

表1列舉了目前11座堆石混凝土拱壩,表2為超過(guò)60 m 的堆石混凝土重力壩工程.

表1 堆石混凝土拱壩工程(＞15 m)

表2 堆石混凝土重力壩工程(＞60 m)

2 堆石混凝土施工質(zhì)量控制

堆石混凝土的施工流程如圖8所示,兩大主要工序?yàn)槎咽雮}(cāng)和高自密實(shí)性能混凝土澆筑[9,15].大體積混凝土的施工質(zhì)量不僅取決于原材料質(zhì)量,也跟施工過(guò)程的質(zhì)量控制密切相關(guān).與碾壓混凝土類似,堆石混凝土密實(shí)性是大壩施工質(zhì)量的核心[30-32],決定了大壩強(qiáng)度、抗?jié)B性能和耐久性等.密實(shí)性由堆石質(zhì)量、HSCC質(zhì)量、堆石與HSCC 交界面、施工層面質(zhì)量等因素共同決定[30-32].

圖8 堆石混凝土施工流程示意圖

2.1 堆石質(zhì)量控制

堆石料的粒徑控制(＜300 mm)常通過(guò)挖掘機(jī)人工選料,復(fù)雜時(shí)可采用鋼軌篩、格柵挖斗、鋼筋籠等輔助篩選(如圖9所示).

圖9 堆石粒徑控制常見(jiàn)機(jī)械

由于運(yùn)輸、堆石過(guò)程中存在磕碰破碎情況,故施工時(shí)遜徑料的標(biāo)準(zhǔn)一般為200 mm[15],保證外露面的遜徑料數(shù)量不超過(guò)10塊/m2.不滿足含泥量要求的堆石料,需經(jīng)過(guò)清洗且瀝干后方可入倉(cāng)；汽車只在中下游區(qū)域卸料,固定卸料點(diǎn)；下游堆石高度應(yīng)略高于上游,以提高壩體抗滑穩(wěn)定性,其他常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案見(jiàn)表3.對(duì)重力壩而言,堆石入倉(cāng)宜采用自卸汽車直接入倉(cāng),挖機(jī)輔助進(jìn)行堆石平倉(cāng)；而拱壩倉(cāng)面較窄,宜采用塔吊等起重設(shè)備吊運(yùn)堆石入倉(cāng).如果大塊石與倉(cāng)面底部有大面積接觸,為了保證足夠的密實(shí)性和層間結(jié)合度,可在大塊石底部預(yù)先放200～300 mm的小塊石將其架空.

表3 堆石過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

2.2 高自密實(shí)性能混凝土質(zhì)量控制

高自密實(shí)性能混凝土的質(zhì)量要求包括兩方面：一是新拌HSCC 滿足性能指標(biāo),二是硬化后的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào).關(guān)于HSCC 自身性能的研究已較為成熟,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法[14-16]包括坍落擴(kuò)展度與坍落度試驗(yàn)(流動(dòng)性)、V 型漏斗通過(guò)時(shí)間(粘性)、自密實(shí)穩(wěn)定性試驗(yàn)(穩(wěn)定性)、含氣量試驗(yàn)等,流動(dòng)性不足或泌水離析嚴(yán)重的HSCC質(zhì)量較差.

HSCC的拌合時(shí)間比常態(tài)混凝土略長(zhǎng)(約60～90 s),生產(chǎn)效率主要取決于強(qiáng)制式攪拌機(jī)的單盤(pán)混凝土方量.混凝土攪拌站與澆筑點(diǎn)的直線距離不超過(guò)200 m 時(shí),建議使用混凝土輸送泵運(yùn)輸并澆筑HSCC；超過(guò)200 m 時(shí),可使用混凝土攪拌車運(yùn)輸HSCC；對(duì)于有落差的短距離輸送,可采用溜槽、吊罐等輸送HSCC.圖10為高自密實(shí)性能混凝土的不同澆筑方式,其中地泵、地泵+布料機(jī)、天泵等方式在工程中較為常見(jiàn).地泵在澆筑HSCC 時(shí),可通過(guò)人工拆卸泵管接頭調(diào)整泵管長(zhǎng)度,來(lái)控制倉(cāng)面的澆筑點(diǎn)；布料機(jī)與天泵具有較大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑,施工靈活性高.此外,還有溜槽澆筑、溜筒澆筑(如貓溪溝工程)、塔吊澆筑、吊罐澆筑、混凝土罐車澆筑等方式,需因地制宜.

圖10 高自密實(shí)性能混凝土的不同澆筑方式

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),HSCC 澆筑時(shí)如果施工倉(cāng)面較大,可遵循單向逐點(diǎn)Z型澆筑[14-16]的原則；若倉(cāng)面較小,則雙向S型移動(dòng)澆筑點(diǎn)(如圖11所示)；合理選擇S型或Z型澆筑方式,避免產(chǎn)生混凝土冷縫.相鄰澆筑點(diǎn)3～5 m,每個(gè)澆筑點(diǎn)澆滿后移動(dòng)至下一點(diǎn)；宜從上游面開(kāi)始,沿短邊澆筑.HSCC 的泵送和澆筑應(yīng)保持連續(xù)性,若澆筑中斷4 h以上,需按照冷縫措施[15]處理,即在形成的縫面上澆筑5～10 m3自密實(shí)砂漿作為覆蓋層,再恢復(fù)澆筑HSCC.自密實(shí)砂漿能夠填充微小的空隙,提高界面過(guò)渡區(qū)的粘結(jié)力[32-33].

圖11 高自密實(shí)性能混凝土的澆筑點(diǎn)移動(dòng)

2.3 層間結(jié)合面質(zhì)量控制

見(jiàn)表3,堆石混凝土層間結(jié)合面的質(zhì)量與堆石入倉(cāng)過(guò)程密切相關(guān),此外施工縫的抗剪性能還取決于塊石與周圍HSCC的咬合作用等[30].因此,堆石混凝土收倉(cāng)時(shí),應(yīng)使適量塊石高出澆筑面5～15 cm[14-16](頂層倉(cāng)面除外).但重力壩施工期間一般采用自卸汽車進(jìn)行堆石入倉(cāng),倉(cāng)面大量堆石外露容易扎破自卸汽車的輪胎,可在靠近大壩上下游設(shè)置堆石外露區(qū),上游1/3區(qū)域內(nèi)的堆石外露區(qū)投影面積不少于40%(如圖12所示),以提高上下層面的咬合力.如果倉(cāng)內(nèi)堆石高度基本相同時(shí),可通過(guò)控制HSCC 的覆蓋厚度(多澆或少澆筑HSCC)實(shí)現(xiàn)堆石外露.

圖12 堆石外露加強(qiáng)層間結(jié)合力

待混凝土終凝后,應(yīng)對(duì)層間施工縫進(jìn)行處理,及時(shí)清除表面的浮漿、乳皮、浮石等.推薦采用25～50 MPa高壓水槍沖毛,沖毛時(shí)流速和流量都很關(guān)鍵,也可采用電鎬、混凝土自動(dòng)鑿毛機(jī)或人工鑿毛等方法.倉(cāng)面沖毛后效果為粗糙麻面,非防滲區(qū)域微露粗砂,而防滲區(qū)域微露小石.堆石混凝土澆筑后,要采取灑水養(yǎng)護(hù)等措施,保持混凝土外露面濕潤(rùn)而不產(chǎn)生干縮裂縫.倉(cāng)面堆石混凝土硬化后強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa以上,即澆筑完成夏季約1.5 d、冬季約2 d后,方可進(jìn)行上層倉(cāng)的堆石入倉(cāng)工序[14-16].

3 堆石混凝土筑壩材料創(chuàng)新技術(shù)

3.1 低水泥用量HSCC

高自密實(shí)性能混凝土的配合比是每個(gè)工程質(zhì)量的關(guān)鍵,需反復(fù)在實(shí)驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)做試驗(yàn)調(diào)整,在不影響混凝土強(qiáng)度的情況下水泥用量盡可能少[34].通過(guò)多年工程實(shí)踐,HSCC 的單方水泥用量不斷降低,實(shí)現(xiàn)了低水泥用量高自密實(shí)性能混凝土.以C15 強(qiáng)度等級(jí)為例,早期HSCC 水泥用量約170 kg/m3,到2018年《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則NB/T 10077》[15]時(shí)的建議水泥用量下限值已降至130 kg/m3(范圍130～190 kg/m3),近年來(lái)正在開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)甚至達(dá)到115～120 kg/m3.

摻合料是高自密實(shí)性能混凝土的另一個(gè)技術(shù)突破點(diǎn).粉煤灰作為活性摻合料被廣泛采用,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)部分粉煤灰并沒(méi)有參與到凝結(jié)硬化反應(yīng)中,因此石灰石粉作為惰性摻和料,在松林水庫(kù)[35]、德隆水庫(kù)、車拗口水庫(kù)等工程中被大膽采用,不僅縮減成本,且降低了水化溫升.雖然石粉對(duì)后期混凝土強(qiáng)度沒(méi)有太大幫助,但作為粉體材料起到了很好的填充作用,且可充分利用塊石棄渣生產(chǎn)石粉.

3.2 軟巖條件筑壩

堆石混凝土的堆石料一般要求質(zhì)地堅(jiān)硬,但也有利用軟巖和在軟巖基礎(chǔ)上修建堆石混凝土壩的成功案例[36-37],如紅層地區(qū)四川省七一水庫(kù)(重力壩,35.8 m,完建)、貴州省沙千水庫(kù)(拱壩,66 m,在建).在軟巖基礎(chǔ)上建設(shè)大壩,最大的問(wèn)題是壩基應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定性[38],壩基墊層混凝土一般設(shè)置更厚,如七一水庫(kù)設(shè)2 m 厚C20常態(tài)混凝土[36].軟巖作堆石料的前提是,優(yōu)化開(kāi)采爆破參數(shù)、嚴(yán)格控制入倉(cāng)塊石粒徑,石料飽和抗壓強(qiáng)度不小于25 MPa[36].沙千水庫(kù)首次在HSCC配合比中,采用了石英砂巖制小石子、石灰?guī)r制砂的組合骨料,充分利用當(dāng)?shù)夭牧?工程現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試驗(yàn)、RFC大試件試驗(yàn)[37]和鉆孔取芯(如圖13所示)的結(jié)果表明,軟巖在堆石混凝土中的應(yīng)用是可行的.

圖13 軟巖筑壩成功案例——沙千堆石混凝土拱壩

3.3 高寒地區(qū)筑壩

堆石混凝土由于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)在高寒地區(qū)的應(yīng)用也較廣[39-44],主要在青海省、西藏、黑龍江等高海拔嚴(yán)寒地區(qū),見(jiàn)表4.

表4 部分嚴(yán)寒地區(qū)堆石混凝土壩工程

為了抗凍需要,壩體上下游防滲層(保護(hù)層)、孔洞周邊混凝土的抗凍等級(jí)較高,工程中應(yīng)用案例多為F200最高F300,而壩體內(nèi)部堆石混凝土的抗凍等級(jí)一般僅為F50.在寒冷、干燥的不利環(huán)境條件下,自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性會(huì)降低,凝結(jié)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),可開(kāi)展相應(yīng)的骨料低溫試驗(yàn)、全料(含水泥、摻合料、骨料等)低溫試驗(yàn)[41]確定合適的配合比.工程實(shí)踐中通過(guò)增加新型高性能減水劑(如專用R2110D 型外加劑[41]、R214SC型外加劑[40]等),改善HSCC 的流動(dòng)性和保塑性；通過(guò)增加配合比中的水泥用量,縮短混凝土凝結(jié)時(shí)間[41].此外,高海拔寒冷地區(qū)的晝夜溫差大導(dǎo)致溫控難度較大,壩體需做好分縫設(shè)計(jì)以提高抗裂能力；越冬期可采取有效的表面保溫措施,如覆蓋砂石卵料或10 cm 厚的聚苯乙烯泡沫塑料板[39].單元體抗凍試驗(yàn)表明：凍融后,RFC 的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率與HSCC相當(dāng),工程設(shè)計(jì)可采用HSCC 的抗凍等級(jí)控制.

4 堆石混凝土快速施工創(chuàng)新技術(shù)

4.1 整體澆筑拱壩技術(shù)

為了充分發(fā)揮拱壩體型薄的優(yōu)勢(shì)并加快施工進(jìn)度,2018年提出了不分橫縫、整體澆筑的堆石混凝土拱壩新型式[26](如圖14所示).該型式不僅可簡(jiǎn)化壩體構(gòu)造不分橫縫,且取消振搗/碾壓和冷卻水管等溫控措施,與分壩段澆筑法相比,施工快速且機(jī)械作業(yè)面更寬.貴州省綠塘水庫(kù)是第一座不分橫縫、整體澆筑的堆石混凝土拱壩[12,26],壩高53.5 m,RFC澆筑方量5.8萬(wàn)m3,壩體澆筑僅用了11個(gè)多月時(shí)間,較大提升了施工速度,建成的綠塘水庫(kù)體型和外觀優(yōu)美.

圖14 堆石混凝土拱壩整體澆筑法與分壩段澆筑法

整體澆筑拱壩技術(shù)配套的工藝,包括上下游采用預(yù)制混凝土砌塊模板[45]取代鋼模板(無(wú)需拆模),以及上游防滲層采用高自密實(shí)性能混凝土一體化澆筑.如果采用預(yù)制混凝土砌塊模板,且內(nèi)部無(wú)拉筋時(shí),澆筑層厚應(yīng)適當(dāng)降低,如風(fēng)光水庫(kù)、龍洞灣水庫(kù)采用1.3 m 澆筑層厚.經(jīng)過(guò)拱梁分載法計(jì)算[26]、施工期溫度監(jiān)測(cè)[12,46]、RFC 大試件力學(xué)性能試驗(yàn)[47]、壩體鉆孔取芯等檢驗(yàn)方式,結(jié)果表明綠塘拱壩均滿足質(zhì)量和安全要求,整體澆筑拱壩是一次非常成功的創(chuàng)新實(shí)踐.近年來(lái),越來(lái)越多的堆石混凝土拱壩采用了整體澆筑型式,如龍洞灣水庫(kù)(48 m)、風(fēng)光水庫(kù)(48.5 m)、桃源水庫(kù)(35 m)和沙千水庫(kù).工程實(shí)踐的同時(shí),堆石混凝土拱壩筑壩技術(shù)相關(guān)理論,形成了貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)《堆石混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范DB52/T 1545》[48],于2020年正式發(fā)布.

4.2 一體化澆筑技術(shù)

堆石混凝土壩上游應(yīng)設(shè)置防滲面板層,最大厚度宜為0.5～1.0 m[15].防滲層內(nèi)應(yīng)設(shè)置止水,拱壩橫縫處的止水兼作橫縫灌漿的止?jié){片.早期堆石混凝土壩的防滲層采用常態(tài)混凝土單獨(dú)施工,目前為了簡(jiǎn)化工藝提升施工速度,多數(shù)工程都已改用高自密實(shí)性能混凝土一體化澆筑技術(shù)[25,49],同時(shí)配置防裂鋼筋網(wǎng)(如圖15所示).當(dāng)自密實(shí)混凝土防滲層與壩體堆石混凝土標(biāo)號(hào)不一致時(shí),可通過(guò)調(diào)整水泥、粉煤灰的比例,先生產(chǎn)高標(biāo)號(hào)的防滲層混凝土并澆筑(多澆筑一部分)[49],然后澆筑剩余壩體低標(biāo)號(hào)的混凝土,從而實(shí)現(xiàn)一體化澆筑.

圖15 堆石混凝土上游防滲層布置簡(jiǎn)圖

除防滲層外,堆石混凝土還在斜坡段墊層、壩內(nèi)廊道等部位,采用高自密實(shí)性能混凝土與壩體一體化澆筑技術(shù).壩肩的斜坡段墊層澆筑難度較大,而高自密實(shí)性能混凝土具有非牛頓流體特性[50-51],在填充復(fù)雜形態(tài)部位具有較大優(yōu)勢(shì).此外,堆石混凝土的壩基基礎(chǔ)墊層多采用常態(tài)混凝土澆筑,目前也有了采用堆石混凝土一體化澆筑的成功案例,如沙千水庫(kù).

4.3 超厚層RFC澆筑技術(shù)

導(dǎo)則中建議堆石鋪填分層厚度宜為1.5～2.0 m,因?yàn)閷雍翊笥? m 的工程經(jīng)驗(yàn)不多[15].為了保障北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)人工造雪的水源供給,2019 年堆石混凝土筑壩技術(shù)應(yīng)用于1 050 m(海拔)塘壩的建設(shè),采用了3 m 超厚層RFC 澆筑工藝[52].該壩壩高58米,從首倉(cāng)混凝土澆筑到塘壩的壩頂只用了4個(gè)月時(shí)間,突破了傳統(tǒng)混凝土的工期限制.受群山之巔的賽區(qū)地形和北京高溫雨季的限制,普通的混凝土壩基本無(wú)法同時(shí)滿足工期短和施工質(zhì)量的要求[53],而堆石混凝土快速筑壩技術(shù)在1050塘壩得到了充分展現(xiàn),如圖16所示.

圖16 堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用于冬奧會(huì)1050塘壩

由于HSCC流動(dòng)性和填充性較好,可有效減少超厚層混凝土的底部縫隙以防止?jié)B流[52].在冬奧會(huì)1050塘壩的施工初期,現(xiàn)場(chǎng)逐層開(kāi)展了2、2.5、3和3.5 m 的RFC 澆筑實(shí)驗(yàn),通過(guò)反復(fù)論證最終確定了3 m 的最佳施工層厚[52].為縮短施工工期和保障工程質(zhì)量,該工程還做出了許多技術(shù)創(chuàng)新,如可調(diào)懸臂鋼模板、抓石器快速堆石技術(shù)、全數(shù)字化建模技術(shù)等[52].經(jīng)過(guò)壓力檢測(cè)、密實(shí)度檢測(cè)、鉆孔取芯等試驗(yàn),驗(yàn)證了3 m 澆筑層厚下形成的堆石混凝土具有較高保證率的密實(shí)度,且壩體混凝土質(zhì)量符合強(qiáng)度、抗?jié)B和抗凍等力學(xué)性能的要求.

4.4 模板施工創(chuàng)新技術(shù)

堆石混凝土的澆筑需要倉(cāng)面四周模板的支撐,模板要求具有良好的密閉性、剛度和強(qiáng)度.流動(dòng)的HSCC會(huì)對(duì)模板產(chǎn)生較大的水平側(cè)向壓力,若模板底部支撐不足,則會(huì)導(dǎo)致混凝土跑模；成型的模板應(yīng)構(gòu)造緊密,縫隙小于2 mm,若模板接頭封堵不嚴(yán),則會(huì)導(dǎo)致混凝土漏漿.

工程中常采用懸臂模板、自升式模板、翻升式模板、組合模板和預(yù)制模板等型式.大懸臂模板如圖17(a)所示,是近年來(lái)的創(chuàng)新設(shè)備,采用外部支撐而倉(cāng)面內(nèi)部無(wú)拉筋,不影響模板附近的堆石.模板也可采用內(nèi)拉式支撐(如圖17(b)所示),但對(duì)模板附近的堆石工藝和堆石率會(huì)產(chǎn)生影響.除傳統(tǒng)鋼模板、木模板外,也可采用預(yù)制混凝土塊作為模板,如四川沙坪二級(jí)水電站采用預(yù)制混凝土模板(如圖17(c)所示)、貴州綠塘水庫(kù)等拱壩采用丁砌預(yù)制混凝土塊模板(如圖17(d)所示),省去拆模工序,上下游模板砌筑后作為壩體永久部分.此外,由于下游斜面模板不方便支撐,且可能會(huì)形成無(wú)堆石三角區(qū),因此貴州省軍屯水庫(kù)等工程采用了臺(tái)階狀下游模板,在不介意壩體外觀的情況下,減少了模板支立與拆除時(shí)間,且提高了堆石率,減少了水泥用量,如圖17(e)所示.

圖17 堆石混凝土施工時(shí)的不同模板類型

4.5 廊道快速施工技術(shù)

壩內(nèi)廊道屬于細(xì)部結(jié)構(gòu),高度約3 m[24],其施工過(guò)程通常會(huì)影響3倉(cāng)堆石混凝土的正?？焖贊仓?近年來(lái),壩內(nèi)廊道分別從自身混凝土澆筑和周邊混凝土澆筑兩方面,不斷取得施工技術(shù)創(chuàng)新[29].廊道底板多采用常態(tài)混凝土澆筑,廊道自身可采用現(xiàn)澆和預(yù)制兩種型式.如果是現(xiàn)澆混凝土廊道,采用HSCC 一體化快速澆筑技術(shù)的工程越來(lái)越多,推薦廊道與壩體混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)號(hào)相同,便于施工.如果是預(yù)制混凝土廊道,可預(yù)制常態(tài)混凝土頂拱廊道或預(yù)制“頂拱+側(cè)墻”廊道.此外,壩體堆石混凝土與廊道混凝土現(xiàn)澆存在3種先后順序：壩體先澆筑,則硬化后的RFC可作為廊道外模；廊道與壩體同步上升,則支好廊道鋼筋模板后即可二者一體化澆筑；不推薦廊道先澆筑,工序最多工期最長(zhǎng)[29].上述常見(jiàn)的4 種廊道施工方式如圖18所示,其中預(yù)制廊道需場(chǎng)地寬闊,從而減少吊裝難度；壩體與廊道一體化澆筑的工程,約占到了統(tǒng)計(jì)工程數(shù)量的50%；先預(yù)制廊道吊裝、后堆石作業(yè)的一體化澆筑方案節(jié)約了鋼筋制作時(shí)間,工期相對(duì)最省.

圖18 常見(jiàn)堆石混凝土的廊道4種施工方式

5 結(jié)論與展望

堆石混凝土筑壩技術(shù)從零到一,經(jīng)過(guò)近20年發(fā)展已形成完整的技術(shù)體系,包括核心技術(shù)、施工工藝、配套設(shè)備以及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系,并在筑壩材料、快速施工等方面取得了多項(xiàng)技術(shù)突破與創(chuàng)新.堆石混凝土技術(shù)取得的階段性成果與工程實(shí)踐,都為百米級(jí)堆石混凝土壩及國(guó)外工程的設(shè)計(jì)與施工奠定了技術(shù)基礎(chǔ).目前,安哥拉、巴基斯坦、布隆迪等國(guó)的堆石混凝土壩已準(zhǔn)備建設(shè).由中國(guó)原創(chuàng)并發(fā)展于中國(guó)的堆石混凝土筑壩技術(shù),正逐步走出國(guó)門(mén)、走向國(guó)際.

下一步的堆石混凝土筑壩技術(shù),將實(shí)現(xiàn)新一代智能化無(wú)人或少人筑壩技術(shù).通過(guò)自動(dòng)化、智能化施工技術(shù)提高筑壩效率,并采用智能化質(zhì)量控制手段保證大壩質(zhì)量.目前,工程上正在開(kāi)展智能化筑壩技術(shù)的相關(guān)研究,如采用無(wú)人駕駛機(jī)械,實(shí)現(xiàn)堆石的無(wú)人裝載、無(wú)人運(yùn)輸、無(wú)人卸料和入倉(cāng)；改進(jìn)布料機(jī)安裝“天眼”,實(shí)現(xiàn)HSCC的智能化澆筑；利用少量人工,輔助安裝模板和各種止水預(yù)埋件；研發(fā)沖毛機(jī)器人等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)無(wú)人養(yǎng)護(hù).堆石混凝土智能化質(zhì)量控制,基于視頻或圖片開(kāi)展人工智能識(shí)別算法研究,實(shí)現(xiàn)堆石質(zhì)量的精細(xì)化控制；利用開(kāi)發(fā)的智能化全量檢測(cè)設(shè)備(如泵送全量檢測(cè)、漏斗全量檢測(cè)等),開(kāi)展HSCC 的全過(guò)程質(zhì)量控制.未來(lái)基于堆石混凝土可實(shí)現(xiàn)大體積混凝土壩的智能建造,該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景.