高碾压混凝土拱坝施工工艺

  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m

  ，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全套工艺流程进行仿真，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、改性混凝土应用限制范围、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。

  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、施工全套工艺流程仿线）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；

  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：

  此外，为使线／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。

  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＋038.00m，2号溜管在坝下0＋030.00m；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3400mm×3400mm，下面尺寸为600mm×600mm，高度2900mm.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；而为了更好的提高胶带的常规使用的寿命，又要求其拥有非常良好的耐磨性。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，逐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作情况看，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线

  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140517m3

  根据沙牌拱坝的结构，参照普定RCC施工模板、二滩拱坝常态混凝土施工模板，该工程使用的施工大模板，其面板尺寸设计为上游3m×3.1m，下游3m×3.2m（宽×高）。面板采用4mm厚钢板，钢板与次梁之间用螺栓连接，支撑桁架由〔18、〔12、〔10槽钢组成，整块模板重1.5t.该套模板有如下特点：（1）上下模板吊装就位时的连接不用螺栓，改为“Y”式承插对位，可缩短立模时间；

  （1）铺料与平仓。混凝土料在仓面上采用自卸车两点叠压式卸料串联摊铺作业法，铺料条带从上游向下游垂直于水流向（或平行于坝轴线）仓面的碾压。沙牌大坝为全断面碾压混凝土的高拱坝，根据工艺性试验结果及大坝实际施工情况确定：大碾作业时碾压遍数为无振2遍，有振6～8遍，无振1～2遍。实测表明，最后无振碾压1～2遍不影响碾压混凝土的密实，仅影响仓面的感观；BW75S小振为无振2遍，有振28～30遍，无振1～2遍。最终以核子密度仪检测碾压混凝土容重，根据结果得出，达到规定要求。

  在收集分析普定碾压混凝土拱坝有关改性混凝土施工及其浆液配制等的基础上，针对普定碾压混凝土与常态混凝土结合部施工互相制约，拌和楼因改换混凝土品种而造成相互干扰、影响碾压混凝土施工进度等原因，设想通过改进改性混凝土施工的工艺措施，扩大其使用范围，即将原基岩面与碾压混凝土结合部的常态混凝土改为改性混凝土，避免仓面因多品种混凝土施工而相互制约，以及拌合楼拌多种混凝土而相互干扰，以提高碾压混凝土施工速度，逐步降低筑坝成本。为此，结合沙牌工程进行了一系列有关的室内试验和现场试验，以解决浆体设计、浆体量控制、施工工艺、质量控制等问题。

  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，扩大了应用限制范围，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。

  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℃，极端最冷气温为－10.6℃，冬季气候较为寒冷。为了确认和保证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。

  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实施工程技术措施，保证各道施工工序满足时间控制要求。

  我国在水电工程混凝土坝施工中应用计算机模拟技术始于20世纪80年代初。1984年，我院与天津大学联合对二滩水电站双曲拱坝混凝土柱状分块浇筑进行计算机模拟研究，后经过多年的开发、完善并随着计算机技术的发展，模拟程序走过了数字、平面图形、三维图形直至全过程仿真的发展历史。在二滩工程的施工应用中，通过多方案模拟和计算分析，提出了大坝施工的最优方案，并对实施工程单位所报施工进度按模拟进度做调整，并要求按此进度施工。通过多方面的努力，将开挖拖后了5个月的工期抢了回来，使二滩大坝按原计划完成了混凝土浇筑，第一台机组按时发电，实现直接经济效益37亿元，受到业主和相关的单位的一致好评，并获国际工程咨询协会1997年度一等奖。之后又开发了三峡二期工程大坝混凝土和永久船闸混凝土浇筑模拟系统，在三峡工程项目施工管理中完成三峡公司向国务院年度和季度浇筑计划的预测编报工作，1999年和2000年完成的浇筑量与预测计划量有惊人的吻合，获得了成功。

  碾压混凝土坝施工作业，按施工全套工艺流程可分为两个子系统，即坝面作业系统和混凝土运输系统。混凝土供料强度为联系两个子系统的中间环节。碾压混凝土坝施工受许多外界条件的影响，除了坝体结构、施工机械、施工工艺等对坝面施工有直接影响外，混凝土料的生产和运输也是制约碾压混凝土坝施工的主要的因素。因此，在认真做好坝面施工全套工艺流程研究的同时，也必须研究混凝土的生产和运输，将两者协调起来考虑，找出其中的重要的条件，有明确的目的性地进行实施工程过程分析，提出解决的措施，以及工期和进度。

  沙牌水电站碾压混凝土拱坝施工于1997年初开始招标，同年4月21日华西沙牌发电有限责任公司与水电八局签订了施工合同。由于受各种因素的影响，开挖的实际施工进度较合同工程计划滞后，坝肩、坝基开挖于1999年2月底基本完成。鉴于此情况，1999年底第一台机组发电的总目标肯定不能实现，那么要完成大坝混凝土浇筑，到底需要多长时间？工程施工期间冬、夏季停工与否对工期影响如何？模拟系统将围绕工程施工的具体问题进行方案研究。

  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km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）大坝施工全套工艺流程模拟。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，因问题，坝体浇筑被迫停止，至1999年12月底仍无复工迹象。

  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。

  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1754m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。

  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、施工全套工艺流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全套工艺流程及大坝体型研究提供了强有力的分析工具。

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