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水 力 发 电 第 3 7 卷第 3 期 2 0 1 1年 3月 严 寒 地 区 采 用 二 级 配 碾 压 混 凝 土 防 渗 结 构 的 可 行 ,I 生分 析 罗纬 邦 新疆水利水 电勘测设计研 究院 ,新疆乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 摘 要 在严 寒地 区 ,碾 压混凝 土坝选择何种 防渗形式 ,以解决高抗冻 、防裂 、防渗的问题是 目前关注的重要课 题 之一 。从我同 已建 、在建工程实例和分析研究看 m ,只要做到精心施工 , “ 二 级配碾压混凝土 变态混凝土 ”防渗 结构其防渗体抗渗等级可 以达到 W8 ~ W1 1 ,能够满足高坝 的防渗要求 ,加之不存在异种混凝土结合问题 .施 工干扰 小 ,在严寒地 区采 【 } J“ 二级配碾压混凝土 变态混凝土”的防渗结构技术上可行 ,经济上具有明显效益 。 关键词 碾压混凝土坝 ;严寒地 区;防渗结 构 Fe a s i b i l i t y An a l y s i s o n t h e I mp e r v i o u s S t r u c t u r e Us i n g Two - g r a d e d RCC i n Co l d Re g i o n s Lu o W e i ba n g X i n j i a n g I n v e s t i g a t i o n a n d D e s i g n I n s t i t u t e f o r Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r , U r u m q i 8 3 0 0 0 0 , Xi n j i n a g , C h i n a Ab s t r ac t Th e s ee pa g e c o n t r o l for t he RCC d a ms i n e o l d r e g i on s i s o n e o f i mp o r t a nt i s s ue s o f c o nc e r n a t pr e s e n t .Th e s t ud i e s o n t h e i mp e r v i o us s t r uc t ur e s o f d a ms wh i c h h a v i ng be e n b ui l t o r un de r c o ns t r uc t i o n s h o w t ha t t h e i mp e r me a b i l i t y g r a de o f i mpmwi o u s s t ruc t u r e us i n g t wog r a d e d RCC a nd d i s t o r t e d c o n c r e t e C a l l r e a ch W 8 ~ W 1 1 wh e n t h e c o n s t r u c t i o n i s c a r e f u 1 . a n d t h e r e q u i r e me n t s O 13 s e e p a g e c o n t r o l f o r h i g h d a ms c a n b e me t .As n o c o mb i n a t i o n o f h e t e r o g e n e o u s e o n e r e t e a n d l e s s c o n s t ru c t i o n d i s t u r b a n c e , t h e i mp e r v i o u s s t r u c t u r e u s i n g t w o - g r a d e d R CC a n d d i s t o r t e d c o n c r e t e i s t e c h n i c a l l y f e a s i b l e for t h e s e e p a g e c o n t r o l o f d a r n s i n c .o l d r e g i o n s , a n d t h e a p p l i c a t i o n a l s o h a s s i g n i fi c a n t e c o n o mi e b e n e fi t s . Ke y W o r d s RC C d a m; c o l d a r e a ; i mp e r v i o u s s t ru c t u r e 中图 分 类 号 T V6 4 2 . 2;T V2 2 3 .4 文献 标识 码 A 文 章编 号 0 5 5 9 9 3 4 2 2 0 1 1 0 3 0 0 4 2 0 3 严 寒 地 浇 筑 碾 压 混 凝 土 坝 ,其 坝 面 的 防 渗 结 构选 择 何 种形 式 ,以满 足 高抗 冻 、防裂 、防渗 的要 求 是 目前 关 注 的 重 要 课 题 之 一 一。 这 个 问题 的 解 决 对 我 网 广 大 北 方 地 区 碾 压 混 凝 土 坝 的 建 设 具 有 十 分 _罩 要 的 意 义 本 义结 合 已 建 的 一 些 碾 压 混 凝 土 坝 的 防 渗 效 果 . 以 新 疆 喀 腊 克 碾 压 混 凝 土 坝 为 例 .着 重 分 析 严 寒 地 区 压 混 凝 土 坝 的 防 渗 结 构 问 题 。 1 国内外碾压混凝土坝的防渗结构形式及发展 防 渗 结 构 作 为 碾 混 凝 土 坝 的 重 点 设 计 部 位 , 其 形 式 在 不 同 同 家 、不 同 地 、不 同 时 期 不 尽 相 同 . 主 要 有“ 金 包 银 ” 式 、钢 筋 混 凝 土 面 板 式 、薄 膜 防 渗 、沥青 混 合料 防 渗 和碾 压 混 凝土 自身 防渗 结 构等 几 种 。 日本 碾 混 凝 土 坝 惯 用 的 防 渗 形 式 是“ 金 包 银 ” 式 ,即 外 部 用 常 态 混 凝 土 , 内 部 用 碾 压 混 凝 土 。 上 游 坝 面设 置 厚 3 ~ 4 I I 1的 常 态 混 凝 土 防 渗 层 , 下 游 面 设 置 厚 2 ~ 2 . 5 m 的 常 态 混 凝 土 保 护 层 , 基 础 部 分 设 置 厚 1 . 5 ~ 3 I l l 的 常 态 混 凝 土 垫 层 俄 罗 斯 碾 混 凝 土 坝 常 用 的 防 渗 形 式 是 厚 常 态 混 凝 土 ,其 常 态 混 凝 土 的 厚 度 比 日本 的“ 金 包 银 ” 式 还 厚 。 美 国 陆 军 工 程 师 团 修 建 的 碾 压 混 凝 土 坝 的 防 渗 形 式 为 1 1 1 1 厚 的常 态 混凝 土 .并 在 防 渗层 中设 钢筋 网 而美 国垦 务局 修 建 的碾 斥 混凝 土 坝 的 防渗 形式 多 为 二 、 级 配 碾 压 混 凝 土 直 接 防 渗 ,也 有 采 用 2 ~ 3 n l 厚 常 态 混 凝 土 防 渗 的 。 南 非 、 巴 西 等 地 区 早 期 的 碾 压 混 凝 土 坝 上游 丽 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 2 2 作者简介 罗纬邦 1 9 6 5 一 ,男 ,青海 两宁人 ,教授级高丁,从 事水利水 电T程设计T作. 第 3 7卷第 3 期 罗纬邦 严寒地区采用二级配碾压混凝土防渗结构的可行性分析 多 为 常 态 混 凝 土 防 渗 , 后 期 的 碾 压 混 凝 土 坝 上游 面 有 常 态 混 凝 土 防 渗 、碾 压 混 凝 土 直 接 防 渗 或 预 制 混 凝 土 板 浇 筑 碾 混 凝 土 带 薄 膜 防 渗 等 彤 式 。 我 国 早 期 在 中 低 坝 T 程 中 ,先 后 探 索 应 用 过 沥 青 砂 浆 护 面 、预 制 混 凝 土 模 块 嵌 缝 、预 应 力 补 偿 收 缩 钢筋 混 凝土 、P VC膜 等 防 渗结 构 形 式 ;后 又 多年 采 用“ 金 包 银 ” 防 渗 形 式 ,现 今 多 采 用“ 二 级 配 碾 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 结 构 。 2 “ 二级配碾压混凝土 变态混凝土”防渗 形式在严寒 地 区碾压 混凝土 坝中应 用的可 行性 2 . 1 部 分 已 建碾 压 混 凝 土 坝 防渗 结 构 形 式 及 防渗 效 果 北 方 部 分 已 建 碾 压 混 凝 土 坝 防 渗 结 构 形 式 及 防 渗 效 果 见 表 1 。 2 _ 2严 寒地 区碾压 混凝 土 坝 防渗 形 式对 比 2 0 0 6年 , 地 处 我 同 高 纬 度 区 的 新 疆 喀 腊 塑 克 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 的 建 设 即 将 实 施 , 由 于 该 坝 区 气 候 条 件 异 常 恶 劣 , 夏 季 酷 热 、冬 季 严 寒 ,年 温 差 最 高 月 最 低 月 平 均 气 温 差 6 7 . 5 , 极 端 8 9 . 9℃ 与 昼 夜 温 差 平 均 1 2 . 8 ~ 1 6 . 2℃ 极 大 ;蒸 发 强 烈 , 多 风 干 燥 .许 多 专 家 对 该 大 坝 采 用“ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 的 防 渗 结 构 方 案 十 分 担 忧 , 于 是 开 展 了“ 坝 上 游 面 挂 混 凝 土 预 制 板 .在 预 制 板 与 坝 面 问 浇 筑 沥 青 混 凝 土 ”、 “ 金 包 银 ”、 “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混凝 土 ” 等 防渗 形 式 的研 究 比较 。其 中 , 就“ 坝 上 游 面 挂 混 凝 土 预 制 板 ,在 预 制 板 坝 面 间 浇 筑 沥 青 混 凝 土 ” 的 防 渗 形 式 存 现 场 做 了 试 验 研 究 . 重点 研 究 沥 青 混 凝 土 防 渗 层 的 厚 度 、 预 制 板 尺 寸 大 小 、预 制 板 的 拼 装 和 固 定 方 式 等 。 现 场 试 验 表 明 , 此 种 防 渗 形 式 的 实 际 操 作 难 度 很 大 , 其 施 T 与 坝 体 的 浇筑 干扰 难 以避 免 。坝体 保 温 措 施 的落 实 和施 工 进 度 无 法 保 证 , 冈 此 , 最 终 放 弃 了 该 防 渗 形 式 ,后 重 点 对 另 两 种 防 渗 形 式 从 抗 渗 性 、 抗 裂 性 、抗 冻 性 等 方 面 进 行 了研 究 比 较 。 2 . 2 . 1 抗 渗性 “ 金 包 银 ” 防 渗 形 式 是 在 坝 体 的 上 下 游 面 设 1 . 5 ~ 4 . 0 m 厚 的 常 态 混 凝 土 作 为 防 渗 体 ,常 态 混 凝 土 经 振 捣 后 各 项 性 能 容 易 达 到 设 计 要 求 ,其 结 构 密 实 , 防 渗 层 混 凝 土 的 强 渗 透 各 向 均 一 , 防 渗 性 能 优 良 ;但 由于 不 能 及 时 变 换 混 凝 土 品 种 而 使 层 面 间 隔 时 间 过 长 ,交 界 面 薄 弱 甚 至 出 现 冷 缝 面 现 象 。 “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 结 构 通 过 控 制 加 浆 和 振 捣 ,可 避 免 此 现 象 出 现 ,另 外 , 根 据 试 验 研 究 和 工 程 实 践 反 映 ,虽 然 碾 压 混 凝 土 本体 的抗 渗 性 略低 于 常 态 混 凝 土 ,但 与 变 态 混 凝 土 组 合 后 的 抗 渗 性 完 全 能 满 足 1 0 0 ~ 2 0 0 m 水 头 的抗 渗 要 求 。 我 国 在 温 和 湿 润 地 区 已 建 成 的 一 些 高 坝 的 碾 压 混 凝 土 钻孔 样 的防渗 标 号 有 的高 达 W1 2,相 当于 渗 透 系 数 达 到 1 . 3 X 1 0 c m/ s 。 特 别 是 龙 滩 和 光 照 两 座 坝 的 高 度 近 2 0 0 m.而 混 凝 土 的渗 透 系数 均 大 于 1 .O x 1 0 - 9 C , n 3 / s , 透 水 率 均 小 于 1 L u, 表 明“ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 结 构 的 抗 渗 性 能 优 良 。 2 1世 纪 初 ,在 北 的 甘 肃 和 新 疆 兴 建 龙 首 拱 坝 和 玛 纳 斯 石 门 子 拱 坝 时 .大 胆 采 用 了“ 二 级 配 碾 压 混凝 土 变 态 混凝 土 ”防 渗结 构形 式 。这两 座拱 坝建 成运 行 近 l 0年 来 ,坝体 本身 的渗水 很 少 ,防渗 层性 状 良好 ,混 凝 土 抗 渗 等 级 达 W8 ~ W 1 1 。 目 前 ,新 疆 喀 腊 克 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 已 按 照“ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 的 防 渗 结 构 浇 筑 到 顶 , 已 蓄 水 。 同 一 时 期 ,该 地 区 的 冲 呼 尔 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 和 特 克 斯 山 口 碾 压 混 凝 土 重 力 坝 也 相 继 建 成 运 行 。 表 1 北方部分 已建碾压混凝土坝 防渗结构形 式及 防渗效果 水 力 发 电 2 0 1 1 年 3月 这 三 座 坝 的 混 凝 土 钻 孑 L 芯 样 的 渗 透 系 数 在 2 . 6 xl O - 9 ~ 1 . 5 x 1 0 c m] s之 间 , 二 级 配 混 凝 土 最 大 透 水 率 不 超 过 0 . 8 L u,都 满 足 了高 坝 的 防渗 要 求 。特 别 是 喀 腊 塑 克 碾 压 混 凝 土 坝 在 年 极 端 温 差 高 达 8 9 . 9 o C.多 年 平 均 气 温 只 有 2 . 7 ℃ 的 恶 劣 气 候 条 件 下 , 其 二 级 配 区 混 凝 土 芯 样 的 抗 渗 等 级 达 到 W8 ~ W I O, 渗 水 量 仅 为 0. 3 8 ~ 0 . 7 L / s ,在 廊 道 内 观 察 显 示 ,坝 体 混 凝 土 本 体 渗 水 现 象 很 少 , 综 合 表 明 ,所 选 防 渗 形 式 能 够 满 足 严 寒 地 区 高 坝 的 防 渗 要 求 。 2 . 2 - 2 抗冻 性 两 种 防渗 结 构 均 能 满 足 建 筑 物 的抗 冻 设 计 要 求 . 但 常 态 混 凝 土 粉 煤 灰 掺 量 相 对 较 少 , 且 经 拌 和 机 搅 拌 ,气 泡 分 布 均 匀 ,抗 冻 性 能 相 对 较 优 “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 因 水 泥 浆 含 量 少 .较 为 干 硬 , 引 气 剂 掺 量 相 同 时 , 不 容 易 形 成 大 量 致 密 、稳 定 的 气 泡 。 但 是 室 内 试 验 以及 石 门 子 、龙 首 、 喀 腊 塑 克等 高寒 地 区工程 实 践证 明 ,通过 加 大 引气 剂 掺 量 可 以使 碾压 混凝 土 的含 气 量达 到 4 %~ 5 % 最佳 含 气 量 ,可 以配制 出抗 冻等 级 大 于等 于 F 3 0 0的混 凝 土 。 2 . 2 . 3 温控 防裂 “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 结 构 与 “ 金 包 银 ” 方 式 相 比 ,总 胶 凝 材 料 含 量 、用 水 量 基 本 相近 ,但水 泥 含量 少 近 2 0 %.发 热量 相 对 较低 ,发 热 缓 慢 ,混 凝 土 绝 热 温 升 低 2 ~ 5℃ ,坝 内 温 度 分 布 比较 均 匀 ,温 度 梯 度 小 ,温 度 应 力 也 较 小 ,有 利 于 温 控 防 裂 。 2. 2 . 4施 工干扰 为 降 低 两 种 混 凝 土 的 施 工 干 扰 ,及 时 变 换 混 凝 土 品 种 , “ 金 包 银 ” 防 渗 形 式 必 须 增 加 一 套 混 凝 土 拌 和 楼及 附属设 施 专 门拌 制 常 态混 凝 土 ,增 加 的设 备 2 / 3以 上 时 间 处 于 闲 置 状 态 。 为 保 证 常 态 混 凝 土 与 碾 压 混 凝 土 的 交 界 面 不 出 现 薄 弱 面 或 冷 缝 ,两 种 混 凝 土 均 采 用 薄 层 同 步 浇 筑 , 南 于 存 在 两 种 混 凝 土 同 时 施 工 ,施 T 十 扰 大 . 主 要 体 现 存 常 态 混 凝 土 入 仓 、浇 筑 、 养 护 与 模 板 翻 升 之 间 需 要 增 加 工 序 ,施 工 工 艺 相 对 复 杂 .施 工 工 序 甚 至 超 过 了 常 态 混 凝 土 坝 .难 以 充 分 发 挥 碾 压 混 凝 土 坝 快 速 施 工 的 优 势 ; “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 南 于 采 用 单 一 的碾 压 混 凝 土 施 T 方 法 , 模 板 翻 升 等 施 工 干 扰 相 对 较 少 , 且 不 需 要 拌 和 楼 单 独 拌 制 常 态 混 凝 土 。 在 两 种 混 凝 土 交 接 处 捅 入 振 捣 棒 振 捣 , 可 保 证 从 变 态 混 凝 土 到 碾 压 混 凝 土 的 良好 过 渡 ,最 后 再 在 变 态 混 凝 土 与 碾 压 混 凝 土 交 界 处 用 小 碾 进 行 碾 压 ,可 保 证 变 态 混 凝 土 与 碾 压 混 凝 土 的 良 好 结 合 ,不 存 在 两 种 混 凝 土 缝 面 结 合 问 题 。 2 . 2 _ 5经济 效益 “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 结 构 较 “ 金 包 银 ” 防 渗 结 构 因 水 泥 用 量 少 、丁 艺 简 单 、设 备 投 入 少 ,投 资 明 显 较 少 , 以 喀 腊 塑 克 工 程 为 例 ,在 未 计“ 金 包 银 ” 防 渗 形 式 施 工 干 扰 引 起 的 费 用 增 加 的 情 况 下 ,两 者 直 接 费 用 相 差 9 2 0万 元 ,再 考 虑 到 因 施 工 较 快 可 提 前 发 挥 效 益 带 来 的 收 益 . “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 形 式 经 济 效 益 明 显 优 于“ 金 包 银 ”形 式 。 3 结语 综 上 所 述 . “ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 防 渗 结 构 其 本 体 混 凝 土 密 度 、抗 拉 强 度 、抗 压 强 度 、 弹模 、极 限拉 伸 值 和抗 剪 断参 数 等方 面均 能满 足设 计 要 求 。 只 要 做 到 精 心 施 工 , 目前 的 施 工 工 艺 完 全 可保 证 层 面 的结 合质 量 ,防渗 体 抗 渗等 级 可 以达 到 W8 ~ Wl 1 .能 够满 足 高 坝 的 防 渗要 求 ,加 之 不 存 在 异 种混 凝 土结 合 问 题 ,施 工 干扰 小 ,故 在 严寒 地 区 采 用“ 二 级 配 碾 压 混 凝 土 变 态 混 凝 土 ” 的 防 渗 结 构 技 术 上 可 行 ,经 济 上 具 有 明 显 效 益 。 参考文献 [ 1 ] 孙君森 ,孙恭尧 . 龙滩高 R C C重力坝防渗结构研究 [ C ] / / R C C 9 9 碾压混凝土筑 坝技 术 国际会 议论文集. 北 京 中 国水 力发电 T 程 学 会 .1 9 9 9 . 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