形成原因
碾壓混凝土重力壩的溢流壩段通常設定河床部位(壩體中部)溢流壩段的結構布置及材料分區特點為:內部為大體積的碾壓混凝土,上部為閘室閘墩及表孔弧門等,下游面為溢流面、
導牆是鋼筋混凝土結構。大壩
表孔通常設計為一定厚度的鋼筋混凝土,光照大壩壩高200.5米,表孔泄水水頭落差大,故導牆及溢流面的表面50厘米厚設計為高強度等級的C40抗沖耐磨混凝土。圖1為貴州光照大壩溢流壩段剖面圖。
中國國內水電工程傳統施工方法一般導牆溢流面常態混凝土與壩體碾壓混凝土分開進行澆築,在碾壓混凝土下游面布置台階面及插筋,後期打毛進行溢流面的常態混凝土澆築。隨著水電工程的大量開工,機械設備的日益更新,大壩混凝土施工技術尤其是碾壓混凝土施工技術的逐漸成熟、推廣,水電站建設的周期日益縮短,表孔常態混凝土二期澆築就成為了制約大壩施工進度的一個瓶頸。
中國水利水電第十六工程局、中國水利水電第十一工程局在總結分析這兩種施工方法利弊及同步澆築上升施工技術可行性的基礎上,首次在百色電站大壩上大膽嘗試進行導牆溢流面常態混凝土與壩體碾壓混凝土異種混凝土同步澆築上升確保了施工質量,並在進度及經濟效益上取得了顯著效果。隨後,中國水利水電十六工程局承建的貴州光照水電站碾壓混凝土大壩工程福建洪口水電站大壩工程、雲南戈蘭灘大壩及新疆喀臘塑克大壩也相繼成功套用了該方法進行表孔常態與碾壓混凝土同步澆築上升。
工法特點
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》(導牆及溢流面常態混凝土與碾壓混凝土同步澆築上升)迎合了碾壓混凝土施工的最大特點與宗旨——快速施工。
異種混凝土同步澆築上升的前提是各類型混凝土入倉強度及澆築手段的保證,生產安排合理、互相配合、互不制約,施工資源需同時保證兩種混凝土澆築的質量。
異種混凝土同步澆築上升的特點有如下幾點:
1.質量方面:常態混凝土與碾壓混凝土同時澆築結合良好,不存在二期結合面;避免常態混凝土大面積、大體積澆築帶來的溫度應力裂縫及乾縮裂縫的產生。避免了後期混凝土澆築時的澆築倉面狹小、振搗困難、倉面清理困難、入倉手段匱乏等不利狀況,有利於保證混凝土的澆築質量。
2.進度方面:常態混凝土與碾壓混凝土同步上升,提前進行大壩表孔常態混凝土澆築,既降低了常態混凝土澆築強度,又節約了工期。
3.效益方面:節省了溢流面一期台階面立模、拆模、插筋、變態混凝土、台階面人工鑿毛、台階面的清理及後期常態混凝土澆筑前的砂漿鋪築等,入倉手段簡單,經濟效益明顯。異種混凝土澆築過程中可使部分資源達到共享,節約了施工成本。採用同步異種混凝土同步澆築上升技術,在一定的條件下可以減少溢流面常態混凝土垂直運輸設備(門機、塔機等)的投入或縮減垂直運輸設備的使用時段。
4.施工方面:同步澆築上升使常態混凝土澆築工作面增大,溢流面常態混凝土可採用倉面自卸車直接入倉,避免傳統的採用攪拌車運輸高坍落度常態混凝土帶來的混凝土成本增加及溫度裂縫所帶來的不利影響。
5.安全環保方面:避免常態混凝土後期澆築產生的上下施工作業面,同步澆築上升增大常態混凝土部位的工作面,有利於鋼筋模板安裝及混凝土澆築作業的實施;無需單獨搭設走道或爬梯進入常態工作面;台階面一般採用木模板進行立模,同步澆築上升法可節省木材用量,同步澆築上升可避免台階面鑿毛產生的大量施工棄渣,有利於環保。
操作原理
適用範圍
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》適用於在建、擬建的大部分碾壓混凝土重力壩。
工藝原理
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》的工藝原理敘述如下:
異種混凝土同步澆築上升的主要原理為在碾壓混凝土大倉面、大體積澆築的工況下,擇時進行導牆溢流面常態混凝土的澆築。異種混凝土同步澆築上升以碾壓混凝土正常澆築為前提及計算條件,常態混凝土的入倉及澆築強度在保證不初凝的前提下,也要保證異種混凝土搭接處的混凝土能夠跟隨大倉面的整體澆築速度。
混凝土澆築之前要繪製澆築要領圖(倉面施工組織設計),根據混凝土拌制能力、運輸能力、倉面大小、混凝土初凝時間、混凝土澆築方法、澆築強度、施工難度等綜合因素計算導牆及溢流面常態混凝土澆築強度及開始澆築的時間。混凝土澆築之前要進行現場的技術交底,澆築過程中倉面指揮長需根據現場實際情況(環境氣候、實際澆築強度、資源運行情況等)及時的進行現場動態調整,以“不影響碾壓混凝土正常澆築速度、搭接處的異種混凝土跟隨大倉面整體澆築”為最佳原則。
碾壓混凝土澆築根據倉面特性、混凝土生產能力、資源配置等因素有平層碾壓及斜層碾壓兩種方式。三級配碾壓混凝土的澆築層厚通常為30厘米。碾壓混凝土澆築強度以層間間隔時間及直接鋪築允許時間(初凝時間)為控制指標。層間間隔系指從下層混凝土拌合物拌合加水時起到上層混凝土碾壓完畢為止的歷時;直接鋪築允許時間指不經任何層面處理直接鋪築上層碾壓混凝土就能夠滿足層間結合質量要求的最大層間間隔時間,也就是通常所指的碾壓混凝土初凝時間。
碾壓混凝土的初凝時間根據澆築強度需要、施工氣候、原材料、配合比等因素決定,高溫季節施工有時會摻用高溫型緩凝減水劑,使得碾壓混凝土的初凝時間增長。
斜層碾壓一般從下游向上游鋪築,坡度不陡於1:10。在壩體中部以上高程,壩段數量多,倉面上下游距離變短,多採用從左到右或從右到左的方向進行斜層碾壓。如圖2。
每個倉塊的碾壓混凝土澆築方式(平層或斜層碾壓、斜層碾壓澆築方向)決定了常態混凝土澆築的開始時間及方式。
常態混凝土的運輸有自卸車、攪拌車、門塔機、纜機等。混凝土的澆築可採用平鋪法或台階法施工。應按照一定厚度、次序、方向,分層進行。台階法施工的台階寬度不應小於2米混凝土的澆築坯層厚度,應根據拌合能力、運輸能力、澆築速度、氣溫及振搗器的性能等因素確定。一般為30~50厘米。有條件時,優選平鋪法進行澆築。如圖3。
1.溢流面常態混凝土施工
溢流面常態混凝土通常情況下採用平層法進行澆築,其澆築面積較小,平層澆築操作簡單。在大壩全斷面左右岸斜層碾壓的情況下,溢流面的常態混凝土需採用左右方向台階法進行澆築,保持與碾壓混凝土澆築方向一致。
2.導牆常態混凝土施工
導牆的澆築尺寸根據導牆結構、澆築高程的不同而不同,導牆的澆築倉塊一般呈長條形,短邊與碾壓混凝土交界,故一般採用下游往上游台階法進行澆築。在導牆倉塊澆築面積較小施工的情況下,也可以採用平層法進行澆築。
施工工藝
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》的施工工藝流程及操作要點敘述如下:
工藝流程見圖4。
1.混凝土配合比
光照大壩混凝土採用人工砂石骨料,骨料為灰岩,最大骨料粒徑為80毫米,水泥採用貴州暢達水泥股份有限公司生產的暢達牌大壩42.5普通矽酸鹽水泥,粉煤灰為安順火電廠生產的安順Ⅱ級灰,外加劑採用南京瑞迪HLC-NAF緩凝高效減水劑和山西黃河的HJAE-A引氣劑。光照水電站大壩碾壓混凝土配合比見表1~表3。
註:外加劑為山西黃河新型化工有限公司生產的HJUNF-2H緩凝高效減水劑、HJAE-A引氣劑和甘肅巨才電力技術有限責任公司生產的HF高強耐磨混凝土外加劑,纖維為廣州市建騰建築材料有限公司生產的“維鋒"聚丙烯纖維。
2.拌合系統及入倉方式
根據施工總進度計畫安排,混凝土高峰月澆築強度為23.2萬立方米,其中常態混凝土0.95萬立方米,碾壓混凝土22.25萬米。光照水電站拌合系統分左、右岸布置,左岸布置1號、2號兩座2×4.5立方米強制式攪拌樓,3號一座2×3.0立方米強制式攪拌樓,右岸布置一座4×3.0立方米自落式4號攪拌樓,大壩左右岸拌合系統的碾壓混凝土拌合能力(銘牌)為660(左)+180(右)=840立方米/小時。
大壩碾壓混凝土水平運輸主要採用汽車和深槽高速皮帶機;垂直運輸主要採用纜機和箱式滿管。RCC入倉方式採用了自卸汽車直接入倉、皮帶機+箱式滿管入倉+自卸汽車、自卸汽車+箱式滿管、自卸汽車+纜機入倉四種入倉方式。大壩相應部位的RCC入倉方式及工程量詳見表4。
大壩常態混凝土主要採用自卸車直接入倉、滿管+自卸車、纜機三種入倉方式,自卸車直接入倉主要為EL622.5以下部位,大壩表孔布置在EL640以上,導牆溢流常態混凝土的入倉方式主要為滿管+自卸車、纜機(2台20噸輻射式)兩種入倉方式。
3.平層碾壓施工工況下的異種混凝土同步澆築上升
倉面相對較小的情況下(3個壩段以內)碾壓混凝土採用平層碾壓澆築。碾壓混凝土的澆築層厚為30厘米,常態混凝土澆築厚度為30~50厘米。根據碾壓混凝土倉面面積、拌合能力、入倉澆築強度、初凝時間計算碾壓混凝土每層覆蓋澆築的時間。常態混凝土再根據倉面面積、澆築坯厚、初凝時間、碾壓混凝土每層覆蓋時間倒算常態混凝土需要的入倉澆築強度。
若導牆部位上下游尺寸較長,常態混凝土入倉強度難以滿足時,可以採用調整配合比以延長常態混凝土初凝時間、導牆部位提前開始從下游往上遊方向台階法進行澆築兩種方法。同時保證不影響碾壓混凝土澆築進度及常態混凝土澆築質量。
4.斜層碾壓施工工況下的異種混凝土同步澆築上升光照電站大壩碾壓混凝土斜層碾壓方向有下游往上遊方向及左右方向兩種。根據大壩結構特點,大壩EL662.5以下斜層碾壓澆築方向為由下游往上游EL6625以上斜層碾壓澆築方向為由右岸往左岸,斜層碾壓的混凝土量占大壩碾壓混凝土總量的92%
(1)下游往上遊方向斜層碾壓
以光照大壩5~11號壩段EL643.5~EL646.5碾壓混凝土與大壩1號導牆同步澆築上升為例說明。該倉塊的澆築範圍為壩左0+113.05~壩右0+020.5、壩縱0+000~壩縱0+122.50,混凝土共3.17萬立方米。大壩澆築倉塊平面圖如圖5。具體工程量見表5。
註:圖5全稱為:光照大壩5-11號壩段EL643.5-EL646.5混凝土澆築平面圖。
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| R IV:C25-90W12F150二級配碾壓混凝土 | | | |
| Cb I:C25-90W12F150二級配變態混凝土 | | |
| R II:C20-90W6F100三級配碾壓混凝土 | | |
| Cb III:C20-90W6F100三級配變態混凝土 | | |
| C IV:C25-28W8F100三級配常態混凝土 | | |
| C VI:C40-28W8F150二級配常態混凝土 | | |
該倉塊最先開始澆築的部位為下游的1導牆,採用2台20噸輻射式纜機進行澆築,由下游向上游台階法進行澆築,常態混凝土澆築層厚50厘米,當底層50厘米厚常態混凝土開始鋪築至導牆與壩體碾壓混凝土材料分區線時,開始進行碾壓混凝土的澆築,當壩體下游面碾壓混凝土鋪築第9層時,1號導牆常態混凝土澆築完畢。由於1號導牆斷面較小,當碾壓混凝土開始澆築時,兩台20噸輻射式纜機的入倉強度足以滿足常態混凝土澆築速度,倉面指揮長可視碾壓混凝土澆築實際情況,適當調整1號導牆常態混凝土澆築速度,以常態混凝土不初凝且交界處異種混凝土搭接澆築順暢為原則。
(2)左右方向斜層碾壓
以光照大壩3~18號壩段EL695.5~EL698.5碾壓混凝土與大壩1~4號導牆溢流面同步澆築上升為例說明。該倉塊的澆築範圍為壩左0+16.45~壩右0+153.45、壩縱0+000~壩縱0+54.66,混凝土共3.4萬立方米。大壩澆築倉塊平面圖如圖6、圖7。具體工程量見表6。
註:圖6全稱為:光照大壩3-18號壩段EL695.5-EL698.5混凝土澆築平面圖
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| Cb II:C20-90W10F150二級配變態混凝土 | | | |
| R V:C20-90W10F100二級配碾壓混凝土 | | |
| R III:C15-90W6F50三級配碾壓混凝土 | | |
| Cb III:C15-90W6F50三級配變態混凝土 | | |
| C III:C20-28W8F100三級配常態混凝土 | | |
| C IV:C25-28W8F100三級配常態混凝土 | | |
| C VI:C40-28W8F150二級配常態混凝土 | | |
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該倉塊從右岸往左岸方向進行斜層碾壓,最先澆築右岸的18號壩段碾壓混凝土,溢流面導牆位於9~12號壩段,斜層碾壓的坡度為1:12。導牆的澆築面積較小,倉強度滿足平層澆築要求,導牆採用平鋪法進行澆築,溢流面順斜層碾壓方向採用由右向左台階法進行澆築,澆築坯厚均為50厘米。斜層碾壓混凝土坡腳即將到達4號導牆時即可進行4號導牆常態混凝土澆築,其餘導牆依次進行。溢流面常態混凝土隨碾壓混凝土同步進行,常態混凝土採用自卸車直接入倉澆築,平倉機、反鏟輔以人工進行台階分層澆築,類似於模板邊機拌變態混凝土的澆築方法。如圖8。
5.施工注意事項
(1)如果具備澆築條件,導牆的常態混凝土可以直接從底部開始與壩體碾壓混凝土同步澆築上升。溢流面可以選擇在直線段或者反弧段開始,弧線處最好在其切線接近45附近開始,有利於鋼筋模板安裝及混凝土澆築。
(2)溢流面異種混凝土同步澆築上升起始斷面與已澆築溢流面交界面要設定縱縫,縱縫垂直溢流面線形設定,並在縱縫上布置插筋、止漿片。
(3)導牆及溢流面混凝土施工質量尤為關鍵,異種混凝土同步澆築上升之前需進行精細的倉面組織設計並繪製澆築要領圖進行現場交底,要有充足的施工資源。倉面指揮長在澆築過程中需全程掌控澆築進度及質量情況,並進行靈活調整。
(4)混凝土澆築時,碾壓機及重型設備不宜靠近溢流面導牆部位的混凝土,避免增大混凝土側壓力導致導牆溢流面的模板發生位移或變形。
材料設備
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》所用的材料及設備明細如下:
1.材料
異種混凝土同步澆築上升較碳壓混凝土單獨澆築增加投入的材料主要用於導牆溢流面模板、鋼筋的制安及常態混凝土拌制及澆築。
2.機具準備
光照大壩輾壓混凝土與導牆溢流面常態混凝土同步澆築上升配置的機具設備見表7。
參考資料:
質量控制
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》的質量控制要求如下:
1.質量檢查
質量檢查包括原材料檢查、混凝土拌合質量檢查、澆築質量檢查等以及過程控制中的工序間質量檢查。常態混凝土及輾壓混凝土質最均按照國家標準及行業標準的要求進行嚴格控制,施工過程按設計技術要求及工法進行實施,倉面質檢落實”三檢責任制”,嚴把質量關。
2.檢測記錄
檢測記錄是督促施工者重視質量的重要手段,也是評定工程質量的重要依據。每個施工者、質檢員和管理人員都要事實求是地認真填寫。做到資料齊全,不漏項。
安全措施
採用《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》施工時,除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外,尚應遵守注意下列事項:
1.施工前,應建立健全安全生產管理體系,成立以項目經理為首的安全管理小組。專職安全員待證上崗,各班組設定兼職安全員,層層落實安全責任制。
2.根據工程的具體特點,做好切合實際的安全技術書面交底工作,定期與不定期地進行安全檢查,經常開展安全教育活動,使全體員工提高自我保護能力。
3.吊裝入倉作業范酣內,設立警戒線,並樹立明顯的警戒標誌,禁止非工作人員通行;現場所有工作人員必須堅守工作崗位,聽從指揮,統一行動,以確保全全。
4.現場用電必須嚴格執行安全用電規程的有關規定,電工需持證上崗。
5.嚴禁超載吊裝,歪拉斜吊;要儘量避免滿負荷行駛,構件擺動越大,超負荷就越多,就可能發生事故。
6.進入施工現場必須戴安全帽,高空作業必須系安全帶,穿防滑鞋。
7.做好防暑降溫、防寒保暖和職工勞動保護工作,合理調整工作時間,合理髮放勞保用品。
環保措施
在生產運行期間,加強對員工進行環保知識教育,提高員工的環保意識,並採取有效的措施進行環境保護,建立健全環境內部保護體系,成立環境保護領導小組,搞好施工現場的環保工作,制定環境保護崗位責任制,《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》的具體措施如下:
廢料處理:生產過程中產生的廢料,集中清理運到指定的位置堆放。
保護河流水質:生產廢水、生活污水經處理達到排放標準後,才能排放。
控制揚塵:運輸道路用灑水車灑水,使粉塵減少到最低程度。
保護環境衛生清潔:在現場設定移動廁所,及時清除施工區的垃圾,並運到指定的地點堆放和處理;進入現場的材料、設備放置有序,防止任意堆放阻塞工作場地周圍的通道和破壞環境。
嚴格遵守國家和地方政府有關環境保護的法令、法規和契約規定,對施工活動範圍內的環境予以認真保護。教育職工遵守環境法規,提高環境意識,並根據工程環保的特點制定一系列具體措施加以貫徹落實,自覺接受有關監督、管理部門對施工活動的監督、指導和管理,積極改進施工中存在的環保問題,提高環保水平。
效益分析
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》的效益分析是:
1.技術比較分析
光照大壩導牆溢流面均布置於EL640以上,1號導牆常態混凝土全部與壩體碾壓混凝土同步澆築上升,2~3號導牆及溢流面常態混凝土從L672.4開始與壩體碾壓混凝土同步澆築上升,4號導牆常態混凝土從EL654.5開始與壩體碾壓混凝土同步澆築上升。同步澆築上升的常態混凝土質量均達到規範及設計要求,混凝土表面未出現裂縫。預留台階後期澆築的導牆溢流面常態混凝土倉面狹小,插筋及鋼筋密布,鑿毛、沖洗、澆築施工難度大。後期澆築常態混凝土占用了纜機、自卸車、模板及澆築人員等施工資源,給“三枯”下閘蓄水前混凝土施工增加了大量施工工作量。光照大壩異種混凝土同步澆築上升施工技術為大壩節省了近三個月的工期。
2.經濟比較分析
不考慮同步澆築上升在施工進度上的有利作用並對施工資源的減少投入、合理利用方面的優勢僅對光照大壩表孔與壩體碾壓同步澆築上升的混凝土對減少台階面設定上的減少投入統計如下:
(1)減少台階面木模板立模:4500平方米×160元/平方米=72萬元;
(2)減少台階面插筋:ф28毫米,ф36毫米,85噸×4800元/平方米=40.8萬元;
(3)減少台階面人工鑿毛:8500平方米×50元/平方米=42.5萬元;
(4)減少後期台階面M30砂漿鋪築:200平方米×400元/平方米=8萬元;
(5)減少爬梯、走道等安全設施投入:12萬元。
光照大壩採用同步澆築上升的施工方法僅減少台階面布置可直接節省投入175.3萬元。
由此可知,碾壓大壩的表孔常態混凝土與碾壓混凝土同步澆築上升施工方法帶來的經濟效益可觀(圖9)。
註:施工費用以2009-2010年施工材料價格計算
套用實例
《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》的套用實例如下:
一、工程概況
光照水電站位於貴州省關嶺縣和晴隆縣交界的北盤江中游,是北盤江幹流的龍頭梯級電站,工程以發電為主,其次航運,兼顧灌溉、供水等任務。工程樞紐由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、放空底孔、右岸引水系統及地麵廠房等組成。電站裝機容量1040兆瓦(4×260兆瓦),保證出力180.2兆瓦,多年平均發電量27.54億千瓦時。水庫正常蓄水位745米,死水位691米,總庫容32.45億立方米,死庫容10.98億立方米,為不完全多年調節水庫。
大壩壩頂全長410米,壩頂高程750.50米。最大壩高200.5米。光照水電站壩址區岸坡坡角約45°,地形完整,兩岸地形較為對稱,為典型的“V形橫向河谷,山體雄厚,河谷狹窄。壩址區山高坡陡、峽谷險峻,施工道路布置困難。
光照水電站大壩工程混凝土約280萬立方米,其中碾壓混凝土約240萬立方米、常態混凝土約40萬立方米,最高級配為三級配。混凝土分別由左、右岸拌合系統生產,左岸有2座2×4.5立方米強制式拌合樓和1座2×3立方米拌合樓,右岸有1座4×3立方米自落式拌合樓。根據施工進度安排,大壩混凝土最高澆築強度為24萬立方米/月,其中碾壓混凝土澆築強度為21萬立方米/月,常態混凝土澆築強度為3萬立方米/月。
二、碾壓混凝土與常態混凝土同步澆築上升情況
1.澆築量
光照大壩表孔EL725以下的導牆溢流面常態混凝土共8.25萬立方米,其中與壩體碾壓混凝土同步澆築上升的常態混凝土共5.8萬立方米。
2.澆築質量
為驗證光照水電站大壩溢流面及導牆混凝土質量情況,對該部位的常態混凝土進行了取樣,試驗結果表明:其各項混凝土性能指標均滿足設計及規範要求。溢流面及導牆未出現施工裂縫,混凝土表面光滑平整。
3.施工效果
大壩碾壓混凝土與表孔常態混凝土同步澆築上升,既保證了混凝土施工質量、節省了投資,又加快了施工進度,確保了光照大壩下閘蓄水目標的成功實現。
榮譽表彰
2011年9月,中華人民共和國住房和城鄉建設部發布《關於公布2009-2010年度國家級工法的通知》建質[2011]154號,《碾壓砼壩異種混凝土同步澆築上升施工工法》被評定為2009-2010年度國家二級工法。