高温环境下碾压混凝土坝施工技术分析毕业设计Word文档下载推荐.docx

1、4.3 碾压混凝土坝防渗结构施工技术分析 234.3特殊气象条件下碾压混凝土坝施工技术分析 245 高温环境下碾压混凝土坝施工技术分析（结合案例）255.1 高温环境下碾压混凝土坝施工技术分析 255.2 高温环境下碾压混凝土坝施工案例具体容 265.3 问题产生原因 265.4 问题解决措施 28结论与展望 31参考文献 32II / 32引言虽然碾压混凝土减少了大量的水泥用量，降低了水泥水化温升，但在高气温环境条件下的碾压混凝土筑坝施工中，若无相应的施工技术措施，同样会增加温控防裂难度，影响碾压混凝土的施工质量。实质上施工中所说的高温应定义为气温、风速、大气相对湿度等因素的不同组合。在高气

2、温环境条件下，通常是加剧混凝土拌和物的水分蒸发速率而影响拌和物的可碾性、密实性以与压实容重。在碾压混凝土层面，受高气温影响最显著的特征是降低层间粘结强度、层间抗剪强度以与抗渗性能。基于高气温给碾压混凝土施工带来的诸多不利影响，我国现行水工碾压混凝土施工规（SL53-94 ） 4. 11.3 条明确规定，当日平均气温高于 25时，碾压混凝施工应采取防高温和防日晒的施工措施。1 然而，在炎热的夏季，特别是我国南方大部分地区的日平均气温一般者在 25以上。为加快工程建设进度，缩短工程建设工期，保证碾压混凝土施工的连续性，难免存在高气温环境条件下的碾压混凝土施工期。因此从实际工程中就提出了高气温环境条

3、件下，碾压混凝土坝施工技术措施的研究课题，该课题也正是当前国外从事碾压混凝土工程最受关注的研究课题之一。为此，国外科研人员开展了大量的试验研究工作，通过反复试验研究说明：采用低脆性以与低水化热水泥等，优化混凝土施工配合比，尽量缩短混凝土层间间隔时间，加强质量控制等一系列措施是实现高温混凝土施工的必要技术措施。目前这些措施已经在山口等电站的高温碾压施工中证明是可行的。本文针对碾压混凝土坝的特点，提出在高温环境下大坝碾压混凝土施工的综合措施与方法，从而保证在高气温条件下碾压混凝土坝连续、快速施工，以降低碾压混凝土的最高气温和防止裂缝的产生。从 20 世纪 80 年代我国第一座碾压混凝土坑口水电站大

4、坝建设以来，经历20 多年的发展，我国的碾压混凝土筑坝技术无论在理论研究、分析方法还是在施工方法上都取得了长足的发展。然而碾压混凝土温度控制施工技术方面却没有大的突破，基本沿用常态混凝土的温控方法，采用较低的出机温度来达到温控的目的，尤其对夏季高温时段的碾压混凝土浇筑，鉴于其施工温控难度大，设计大都避开夏季这一极端高温时段，要求不进行碾压混凝土施工，这使得工程施工缺乏连续性。笔者认为，只要措施得当，可以突破夏季高温时段的碾压混凝土浇筑施工技术，实现碾压混凝土的全年施工。9 / 321碾压混凝土坝概述1.1 碾压混凝土坝的优点与存在的问题1.1.1 碾压混凝土坝的优点碾压混凝土筑坝技术具有工艺简

5、单、上坝强度高、工期短、造价低、适应性强等特点，产生了巨大的经济和环境效益，已经成为最有竞争力的坝型之一，在世界大坝建设中得到了大力发展和广泛应用。一是可进行流水化、大面积连续浇筑，提高混凝土的施工强度；二是可利用原有混凝土施工配套系统，提高系统利用率，最大限度地发挥系统的工作能力；三是可最大限度地使用机械，提高机械化程度，减轻劳动强度，减少劳动力，提高施工质量；四是大量使用掺合料，节约水泥，降低成本；五是可缩短工期（1/2 1/3 ），提高投资收益。1.1.2 碾压混凝土坝存在的问题在推广应用碾压混凝土坝技术与发展的道路上，还有不少问题有待深化认识， 并需进一步提高建坝质量和降低造价，有些问

6、题尚需研究、改进和提高。（1） 高坝温度控制问题在高坝工程中，如何利用碾压混凝土长龄期（ 如 180d、360d） 的抗压强度极限拉伸、热学、弹模等性能，特别是结合高坝体积大，坝体温度下降缓慢，历时达数十年，坝体的后期降温实际上有很微小的应力效应，加以合理利用自重与外荷载、分析计算出更为合理的温度控制标准，是项很值得探讨、谋取共识的问题。（2） 碾压混凝土高拱坝提早并缝灌浆问题由于碾压混凝土大都是全坝面通仓浇筑，在混凝土浇筑过程中即已形成拱体， 不像常态混凝土坝柱状分块、冷却降温后并缝成拱，工程建设者多期望早期投产， 往往出现拱坝温度场来不与降温到稳定温度状态时即行并缝灌浆、投产载荷，投 产后

7、，坝体温度将延续下降。针对这一特点，有必要深入研究拱坝温度场未降温 到位即行投产受荷后的应力变化与其效应。（3） 中低碾压混凝土坝工程的再优化问题在中低碾压混凝土坝的设计强度指标，实际已留有相当余地，而在此基础上， 配制的混凝土又普遍大幅超强，两者都存在很大潜力。值得设计上考虑调整坝的 强度设计标准，并相应采用更为合理的混凝土材料组分和配合比，将会明显改变 中低坝温度的理念，进一步提高碾压混凝土坝的广泛适应性。（4） 高坝采用后期强度合理利用问题高碾压混凝土坝实际建设和投产受荷的龄期至少在一年以上。目前多数高坝设计采用 90d 龄期。大量工程试验成果说明，180d 或更长龄期的碾压混凝土，其物

8、理力学性能有很大潜力，这种超潜能不加利用，是很大的浪费。工程设计中已有足够安全裕度，存留这些潜能做高坝的意义不大。资料统计结果显示2 ，180d 比90d 龄期的碾压混凝土抗压强度极限拉伸和抗拉强度都在 1.08 11.10 1 之间。对确定温度控制指标而言至少可获得缓解 23的效应。（5） 施工单位的素质问题工程建设中，大型工程从发标、评标到施工兴建、工程管理大部分较正常。 但一些中小型工程，特别是工程资金较紧的工程，有的承建单位片面追求低造价、争项目，进场施工时甚至主要设备不到位，技术人员配备不齐，有的工程仅有1 2 个人搞过或见过碾压混凝土工程，施工方案有明显漏洞，队伍素质弱，施工中出现

9、不少质量问题。这种现象令人不安，值得各方警惕，采取强化管理措施以防 工程产生不良后果。1.2 碾压混凝土坝的类型（1） 坝型我国不仅能设计施工常规碾压混凝土坝，而且在碾压混凝土拱坝的设计施工方面有重大突破。1993 年我国建成当时世界第一高的碾压混凝土重力拱坝普定，坝高 75m，碾压混凝土 10.3 万 m3；1996 年又建成当时世界第一座碾压混凝土薄拱坝溪柄，坝高 63.5m，碾压混凝土 2.114 万 m3；2001 年又建成世界第一高碾压混凝土薄拱坝龙首，坝高 82m，厚高比 0.17 ，碾压混凝土 19.5 万 m3；我国正在建设的碾压混凝土双曲薄拱坝招徕河，坝高 107m，厚高比

10、0.173 ， 碾压混凝土 15.32 万 m3。（2） 坝体材料碾压混凝土材料性能和耐久性研究，揭示了碾压混凝土溶蚀机理，通过对碾 压混凝土临界水力梯度与渗透溶蚀耐久性的分析论证，为直接采用碾压混凝土作 为坝体防渗体、减少防渗层厚度、降低部碾压混凝土水泥用量和大量采用粉煤灰 提供了理论依据，并被应用于工程实践。研制的碾压混凝土配合比数据库和配合 比计算机辅助设计方法，简化了碾压混凝土配合比设计。活性掺和料研究，解决 了高掺粉煤灰的问题。一般掺量为胶凝材料的 55.65. ，减少水泥用量，简化温控， 在缺少粉煤灰的地区还可采用磨细后的磷矿渣和凝灰岩作掺和料。外掺石粉研究，解决了不同砂质外掺石粉

11、用量对混凝土抗压、抗拉强度的影响。碾压混凝土外掺MgO的膨胀性能研究已取得可喜的成果。（3） 坝体结构在高碾压混凝土重力拱坝应力和承载能力计算分析方面，我国普遍采用非线性有限元法，同时根据现代混凝土和岩石弹塑性力学、非线性断裂力学的最新研究，采用非线性弹性理论、弹塑性增量理论和非线性断裂理论，研究高碾压混凝土重力坝的应力状态和承载能力。高碾压混凝土拱坝采用的整体三维有限元分析方法，能较好地模拟复杂的地基条件，合理地考虑拱坝整体刚度与地基的相互作用。采用仿真设计高碾压混凝土拱坝又是一例创新，它考虑了主要荷载的连续增加过程，应力性质的改变（ 如应力集中点韧性改变） ，参数的正确性等。渗流分析和防渗

12、结构研究，提出了非均质成层材料单元、缝面薄层单元与无厚度二维缝面单元模型，解决了碾压混凝土成层结构体渗流数值分析的数学模型。在计算方法上，提出同时解得渗流场和高精度渗流量的“结点四自由度变分法”，形成碾压混凝土渗流计算成套技术。在碾压混凝土拱坝新结构研究方面，我国在石门子碾压混凝土拱坝设计中有重大突破，具有世界领先水平。为解决大仓面外温差、运行期温降带来的整体拱坝温度初应力问题，在碾压混凝土拱坝上游坝肩拉力区设置人工应力释放缝、在拱冠下游拉力区设置人工径向短缝以释放水压与温度拉应力，并在缝端组合应力断裂区设置止裂结构以防裂缝延伸；在拱坝表面层前期冷却区设置膨胀混凝土塞与灌浆系统，利用膨胀混凝土

13、塞良好的拱向传力作用，在坝体温度未完全下降前形成“铰接拱”提前蓄水，边蓄水边降温而下游面不产生较大的拉应力，待拱坝 长时间降温后再进行中缝灌浆。研究说明：在水压作用下拱坝中缝上游部分断面混凝土塞和全断面混凝土在上下游坝面引起的应力接近，仅混凝土塞局部压力略加大，但亦不难控制在双轴压力场强度围。变态混凝土（ 又称改性混凝土） 是我国在碾压混凝土筑坝实践中创造的。它是在靠近坝肩、上下游模板和廊道周边等地段不用常态混凝土浇筑，而是用碾压混凝土铺摊后，再注入一定数量的水泥粉煤灰胶浆，用插入式振捣棒振实，采用这种方法可将碾压混凝土改性，形成平整光滑的外表面和良好的部接合面，并简化施工。1.3 碾压混凝土

14、坝上游面的防渗结构碾压混凝土坝上游面的防渗问题一直受到工程界的重视，从室实验与现场提取成型试件的抗掺性能试验资料来看，只要配合比设计合理，施工质量可靠，碾压混凝土本身的抗渗性能都较好。也就是说，碾压混凝土本身是防渗的。有些碾压混凝土坝没有单独采用防渗结构也取得了较好的防渗效果，这已在多座碾压混凝土坝，包括我国高 53m 的荣地坝工程中得到证实。但在实际工程中，因碾压混凝土是薄层填筑、薄层碾压，分层较多，有时为了充分发挥碾压混凝土施工速度快的优势，层间处理一般较简单，这就难以保证坝体所有水平层面结合的质量。国外已建碾压混凝土坝设置的防渗结构型式主要有以下四类3 ：（1） “金包银”防渗型式；（2

15、） 在坝体的迎水面做薄型防渗体型式；（3） 在全断面碾压混凝土坝上游面一定围采用二级配高标号碾压混凝土自身防渗的型式；（4） 变态混凝土防掺型式。1.4 碾压混凝土坝设计的发展趋势碾压混凝土技术是在 1960 年最早使用于我国石门坝围堰，但仅仅作为其防渗体材料。其次是在 196l 1964 年意大利 Alpe Gera 坝快速碾压施工，混凝土用斜坡道和自卸卡车运输，用安装在拖拉机后部的部振动机浇筑成 70cm厚的混凝土浇筑层。施工时先全层面浇筑，然后用切缝机切出横缝。19751977 年巴基斯坦的Tarbela 坝，被冲刷的溢洪道岩基加固工程采用了碾压混凝土施工，其日平均浇筑量达到 5260m

16、3，在当时创造了一个惊人的成绩。1976 年日本大川坝上游围堰用振动碾压 10000m3 的混凝土。在 1978 年以前，碾压混凝土技术只用于像围堰这样的临时性工程和结构的修复上4 。当今世界各国碾压混凝土坝日益增多，技术发展活跃，总的趋势是；由低坝向高坝发展，由重力坝向拱坝发展，由间歇式浇筑向连续浇筑发展。碾压混凝土应用于高坝，对加快大型水电站建设至关重要。我国在高坝温度控制、抗滑稳定与大高差浇筑等关键技术上的突破，将使我国在该领域继续处于领先地位。采用碾压混凝土修建拱坝，国外和国都已有很多成功的工程。碾压混凝土拱坝显示出比砌石拱坝具有更强的生命力和更大的竞争力。2碾压混凝土的技术性质分析2

17、.1 碾压混凝土的组成材料碾压混凝土是由水泥，掺合料、水、砂、石子与外加剂等六种材料组成。水泥和掺合料又统称胶凝材料。碾压混凝土的形成机理与常态混凝土相同：胶凝材 料与水混合形成胶凝材料浆；胶凝材料浆包裹砂子颗粒，填充砂子间的空隙，并 与砂子一起形成砂浆；砂浆则包裹石子颗粒并填充石子间的空隙，再加上外加剂， 便形成了碾压混凝土结构体。在碾压混凝土拌和物中，胶凝材料浆在砂石颗粒间 起“润滑”作用，使拌和物具有施工所要求的工作度。硬化后的胶凝材料浆体把骨科牢固地胶结成整体。碾压混凝土中的骨料构成混凝土的“骨架”，并一定程度地改善混凝土的某些性能（ 如减少混凝土的体积变形，降低混凝土的温升等 ） 。

18、外加剂的作用是，改善碾压混凝土拌和物的工作性能，提高碾压混凝土的抗冻、抗裂和抗渗等性能；是必不可少的组成材料。这些原材料的性质在很大程度上影响着碾压混凝土的性能，特别是胶凝材料的选择、外加剂的选用、粉煤灰的应用技术等，对碾压混凝土的和易性和施工质量会产生很大的影响。为了保证碾压混凝土具有良好的技术性能，并降低工程造价，必须了解各种原材料的特性，对其进行合理地选择。2.2 碾压混凝土的配合比设计碾压混凝土的配合比是指碾压混凝土各组成材料相互间的配合比例。配合比可用体积比或重量比用公式表示，也可以采用表格形式表示。碾压混凝上配合比设计的任务，实质上是在满足混凝土的工作度、强度、耐 久性与尽可能经济

19、的条件下，选择适宜的原材料，合理地确定水泥、掺合料、水、砂和石子（ 分别以 C、F、W、S、G 等符号表示） 等五项材料用量之间的四个对比关系。通常将水与胶凝材料用量之间的对比关系用水胶比 W（C+F）表示；掺合料与胶凝材料用量之间的对比关系用 F（C+F）表示；砂与石子用量之间的对比关系用砂率 S（S+G）表示：胶凝材料浆与砂用量之间的对比关系用浆砂比（C+F+W） S 表示（ 也可用浆体填充砂子空隙的盈余系数表示 ） 4 。它们是碾压混凝土配合比的四个参数。正确地确定这四个参数，就能使设计出的混凝土既满足各项技术指标要求又经济可行。碾压混凝土配合比设计的基本出发点是：胶凝材料浆体包裹细骨料

20、颗粒并尽 可能地填满细骨料间的空隙：砂浆包裹粗骨料，并填满粗骨料间的空隙，形成均 匀密实的混凝土，以达到混凝土的技术经济要求。因此，在进行配合比设计时， 必须了解胶凝材料浆能否填满细骨料的空隙，砂浆量是否足以填满粗骨料的空隙。在此基础上考虑到施工现场条件与室条件的差别，适当增加一定的胶凝材料浆量 和砂浆量作为裕度。最终通过现场碾压试验，检验设计出的混凝土拌和物对现场施工设备的适应性。为了更好地进行配合比设计，我们必须了解进行配合比设计应遵循的一般原则、配合比参数确定原则，弄清临界浆层厚度的概念，并从理论上认识影响临界浆层厚度和较佳浆量的因素。碾压混凝土的配合比设计的特点是：（1） 为了不妨碍碾

21、压施工，坝体一般不设冷却水管。由于连续铺筑，通过混凝土顶面散发的热量减少。因此，配合比设计时除了要考虑满足强度与耐久性等指标，又要满足绝热温升的限值。尽可能使用较低的水泥用量并掺用较大比例的掺台料。（2） 由于超干硬、松散拌和物的易分离特性，配合比设计中应控制粗骨料最大粒径和各级骨料之间的合理比例，适当加大砂率，以避免施工过程中出现严重的分离与不密实现象。（3） 配合比设计一般考虑在混凝土中掺用外加剂目前，各国所采用的碾压混凝土，从材料的角度看大致有以下三种配合比类型。胶凝材料浆固结砂砾石碾压混凝士。胶凝材料（ 水泥和掺合料 ） 总量不大于1lOkgm3，其中粉煤灰或其它掺和料用量不超过胶凝材

22、料的 30。此类混凝土胶凝材料用量较少, 为了获得拌和物的可碾压性，通过加大水量来实现，因此碾压混凝土的水胶比大，一般达到0.95-1.50 。这就造成了碾压混凝土的强度低，抗渗性与耐久性差。这种碾压混凝土胶凝材料不足以填满砂子的空隙，混凝坝隙多。这种材料所筑坝体的防渗是由上游面的防渗材料承当。美国的柳溪坝、盖勒斯维勒坝和鹿鹿坝等所使用的部分碾压混凝土就属于这利，配合比类型。干贫碾压混凝土。胶凝材料用量 120-130 kg m3，其中掺合料占胶凝材料总重量的 25-30 。此类混凝土由于胶凝材料用量不多，通过适当的加大用水量使拌和物满足可塑性的要求。其水胶比是0.70-0.90 。由于掺和料

23、比例较低，故混凝土的绝热温升较高。在施工过程中层与层间间隙时间较长，以便利用混凝土顶面 散热。该类碾压混凝土水胶比较大，抗渗性不高，一般不作为防渗层而作为部混 凝土。日本的几座碾压混凝土坝就采用的这类配合比。高粉煤灰含量碾压混凝土。胶凝材料用量 140-250 kgm3，其中掺合料占胶凝材料重量的 50-75 。我国自 1985 年以来采用的绝大多数是胶凝材料用量 140-170kg m3 的碾压混凝土，粉煤灰掺量有逐渐增加的趋势。2.3 碾压混凝土拌合物的工作性碾压混凝土拌和物的工作性包括工作度、可塑性、稳定性与易密性。工作性较好的碾压混凝土拌和物，应具有与施工设备与施工环境条件（ 气温、相

24、对湿度等） 相适应的工作度。较好的可塑性是指碾压混凝土拌和物在一定外力的作用下，能产生适当的塑性变形。较好的稳定性是指在施上过程中碾压混凝土拌和物不易发生分离。较好的和易性则是指碾压混凝土拌和物在振动碾等施工压实机械作用下易于密实并充满模板。碾压混凝土的特定施工方法要求其拌和物必须具有适当的工作度，既能承受住振动碾在上行走不陷落，也不能拌和物因过于干硬使振动碾难以碾压密实。由于碾压混凝土拌和物是一种超干硬性拌和物，坍落度为零，因此无法用坍落度试验宋测定其工作度。用常规的 VB试验也难以测定碾压混凝土拌和物的工作度。目前工程界多采用对试验改进后所形成的VC试验方法来测定碾压混凝土拌和物的工作度。

25、1. VC值的测定VC试验的原理，就是在一定振动条件下，碾压混凝土拌和物的液化有一个临界时间，达到此临界时间后混凝土迅速液化，这个时间可间接表示碾压混凝土的工作度，工程上也称 VC值5 。VC值用维勃稠度仪测定，图 2-1 为维勃稠度仪示意图。图 2-1 维勃稠度仪示意图1- 容量筒；2- 坍落度筒；3- 透明圆盘；4- 漏斗；5- 套筒；6- 写位螺丝；7- 振动台；8- 元宝螺丝；9- 滑杆；10- 支柱；11- 旋转架；12- 螺栓；13- 配重砝码10 / 32用维勃稠度仪测 VC值的操作过程为：先按照规定方法把碾压混凝土拌和物装入坍落度筒，提起坍落度筒后，再依次把透明圆盘、滑杆与配重

26、砝码加到拌和物表面。再松动滑杆紧固螺栓，开动振动台同时记时，记下从振动开始到圆压板周边全部出现水泥浆所需的时间，并以两次测值的平均值作为拌和物的稠度（VC值） ， 单位为 s 。我国碾压混凝土施工规规定 VC的取值围一般为 515s ，近年来不少工程为解决碾压混凝土施工过程中的层面结合问题，倾向于选择较低的 VC值，甚至低于 5s 。2. 影响 VC值的主要因素（1） 单位用水量单位用水量是影响碾压混凝土拌和物 VC值的决定性因素，VC值一般随着单位用水量的增大而减小，如图 2-2 所示。碾压混凝土原材料骨料最大粒径和砂率一定时，如果单位用水量不变，则水胶比的变化对拌和物 VC值的影响不大。图

27、 2-2 某工程单位用水量与VC值关系曲线（2） 粗骨料用量与特性碾压混凝土拌和物是山砂浆和粗骨料组成的，在砂浆配合比一定的条件下， 若粗骨料用量多，砂浆用量相对减少，则大颗粒骨料之间的接触面相对增大；在相同振动能量下，液化出浆困难，VC值增大。此外，在相同条件下，碎石碾压混凝土拌和物的 VC值较卵石碾压混凝土拌和物的大：吸水性大的骨料 VC值较大： 粗骨科的最大粒径越大，则碾压混凝土拌和物颗粒移位和重新排列所需要的激振力越大，VC值也越大。（3） 砂串与砂的性质试验说明，当用水量和胶凝材料用量不变时，在一定围，碾压混凝土拌和物的 VC值将随着砂率的增加而减小；当砂率超过一定围后，再继续增加砂

28、率，则VC11 / 32值反而增大，如图 2-3 所示。图中所示曲线的最低点所对应的砂率 R1为最正确砂率。（4） 粉煤灰品种与掺量图 2-3 砂率与 VC关系曲线粉煤灰的细度、烧失量、颗粒形态下的需水量与掺量对碾压混凝土的用水量和 VC值均有较大影响。一般情况下，粉煤灰越细，碾压混凝土拌和物的 VC值越小。若水胶比与胶凝材料用量一定，则在某一围，VC值随粉煤灰掺量的增大而增加；当粉煤灰围超过一定值以后，随着粉煤灰掺量的增大，碾压混凝土拌和物的VC值反而降低。（5） 外加剂一般在碾压混凝土拌和物中加入减水剂或引气剂，可使其 VC值降低。2.4 硬化后碾压混凝土的结构与性能碾压混凝土拌和物表观密

29、度测定分试验表观密度测定和现场表观密度测定两种。试验表观密度测定，对配合比设计计算各种原材料用量，所得表观密度进行校核，提供碾压混凝土配合比设计理论表观密度。试验按水工混凝土试验规程（SL3522006）6.2 “碾压混凝土拌和物表观密度测定”进行。现场表观密度测定, 是用表面型核子水分密度计，在已碾压完毕 20min 的碾压混凝土层面，实测结果作为现场压实表观密度。按水工混凝土试验规程（SL3522006）7.11 “现场碾压混凝土表观密度测定”进行。 6碾压混凝土相对压实度按下式计算：K式中相对压实度，%；Dc100DmDc现场压实表现密度，kg/m。12 / 32Dm配合比设计理论表观密度，kg/m图 2.4 碾压混凝土芯样的表观密度和抗压强度碾压混凝土从拌和到碾压完毕最长时间不宜超过 2h。每个浇筑升层碾压后的表面为层面，再浇筑碾压混凝土就是含层面碾压混凝土。大量试验和现场观测说明，含层面碾压混凝土的性能均低于本体，不管层面环境条件如何和间隔时间长短，时间愈长，性能愈差。直接铺筑允许时间，垫层铺筑允许时间和冷缝。如何确定这些时间，规比较笼统，只提到综合考虑各种因素，经试验确定。一、层面结构和浆体胶结（一）层面断口分析从不同层面间隔时间浇筑的碾压混凝土层面拉断和剪断破坏状