混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設(shè)計(jì)

/混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設(shè)計(jì)作者：李劍波指導(dǎo)老師：鳳煒摘要：重力壩除要求材料有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)依據(jù)大壩工作條件、地區(qū)氣候等具體狀況，分別滿足耐久性（包括抗?jié)B、抗凍、抗沖耐磨和抗侵蝕）和低熱性等。依據(jù)混凝土重力壩不同部位的工作條件及受力條件，將壩體分區(qū)，選用不同強(qiáng)度等級(jí)和性能的混凝土，以節(jié)約和合理運(yùn)用水泥。關(guān)鍵詞：混凝土重力壩；碾壓混凝土重力壩；壩體分區(qū)；分區(qū)設(shè)計(jì)前言混凝土重力壩是指用混凝土澆筑的，主要依靠壩體自重來抗拒上游水壓力及其它外荷載并保持穩(wěn)定的壩。由于混凝土所運(yùn)用的膠凝材料主要為水泥,在我國水泥的生產(chǎn)走的是一條高能耗、高資源消耗、高污染的道路，是環(huán)境污染嚴(yán)峻、生態(tài)破壞較大的行業(yè)之一；水泥的大量運(yùn)用也會(huì)造成工程的成本增加；在大壩的某些部位，混凝土的材料強(qiáng)度也未能得到充分的運(yùn)用；而水泥本身所具有的水化發(fā)熱性質(zhì)，也是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要緣由。面對這些問題，混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設(shè)計(jì)也就應(yīng)運(yùn)而生。分區(qū)設(shè)計(jì)的主要目的是在保證大壩各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的狀況下，削減水泥用量、降低工程投資、削減因水泥缺點(diǎn)產(chǎn)生的工程問題，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的目的。正文重力壩除要求材料有足夠的強(qiáng)度外，還應(yīng)依據(jù)大壩工作條件、地區(qū)氣候等具體狀況，分別滿足耐久性（包括抗?jié)B、抗凍、抗沖耐磨和抗侵蝕）和低熱性等。依據(jù)混凝土重力壩不同部位的工作條件及受力條件，將壩體分區(qū)，選用不同強(qiáng)度等級(jí)和性能的混凝土，以節(jié)約和合理運(yùn)用水泥。一般可分為5個(gè)區(qū)，見圖-1：圖-1壩體混凝土分區(qū)圖Ⅰ區(qū)：上游庫水位及下游庫水位以上壩體表層混凝土，主要受大氣的影響，要求該層要有較高的抗凍性，耐久性。該區(qū)在大壩運(yùn)行過程中常年處于干燥狀態(tài)中，但因常和大氣接觸，要求該層要有較高的抗凍性、耐久性。該區(qū)混凝土的抗凍等級(jí)因大壩受陽光照射時(shí)間的的長短有陰面和陽面之分而不同，依據(jù)現(xiàn)行《DL-T5057-1999水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（）要求：混凝土的陽面部位，寒冷地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級(jí)不低于F200，年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級(jí)不低于F150；寒冷地區(qū)抗凍等級(jí)不低于F200；溫順地區(qū)抗凍等級(jí)不低于F50?；炷恋年幟娌课唬涞貐^(qū)抗凍等級(jí)不低于F200；寒冷地區(qū)抗凍等級(jí)不低于150；溫順地區(qū)抗凍等級(jí)不低于F50。耐久性方面，依據(jù)現(xiàn)行《SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（8.5.6）要求：寒冷和寒冷地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.55，溫順地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.60。Ⅱ區(qū)：上、下游水位變更區(qū)的壩體表層混凝土，既受水的作用也受大氣的影響，要求該層有較高的抗凍和抗裂性。該區(qū)上、下游水位變更區(qū)的壩體表層混凝土，受水位變更的影響較多，在寒冷地區(qū)的冬季，冰凍對混凝土造成的破壞特殊嚴(yán)峻，所以對該區(qū)混凝土的抗凍性有嚴(yán)格的要求。依據(jù)現(xiàn)行《DL-T5057-1999水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（）要求，寒冷地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級(jí)不低于F300，年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級(jí)不低于F200；寒冷地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級(jí)不低于F200，低于100次的不低于F150；溫順地區(qū)抗凍等級(jí)不低于F50。依據(jù)現(xiàn)行《SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（8.5.6）要求：寒冷和寒冷地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.45，溫順地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.50，在環(huán)境水有侵蝕性狀況下，應(yīng)選擇抗侵蝕性能較好的水泥，水下混凝土的水灰比可削減0.05。Ⅲ區(qū)：上、下游最低水為以下壩體表層混凝土，受水的作用，要求該層有較高的強(qiáng)度和抗凍、抗裂性。該區(qū)混凝土因長年浸泡在水下，受水壓力的作用，會(huì)產(chǎn)生大量的滲流，對壩體的平平穩(wěn)定運(yùn)行造成不利的影響。依據(jù)現(xiàn)行《DL-T5057-1999水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（）要求，大壩混凝土擋水面的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)符合下列要求：H<30,混凝土抗?jié)B等級(jí)不得低于W4；H=30～70，混凝土抗?jié)B等級(jí)不得低于W6；H=70～150，混凝土抗?jié)B等級(jí)不得低于W8；H>150，混凝土抗?jié)B等級(jí)不得低于W10；當(dāng)結(jié)構(gòu)表層設(shè)有特地牢靠的防滲層時(shí)混凝土抗?jié)B等級(jí)可適當(dāng)降低，當(dāng)處于寒冷寒冷地區(qū)且水力梯度較大時(shí)其抗?jié)B等級(jí)應(yīng)按規(guī)定提高一個(gè)等級(jí)。依據(jù)現(xiàn)行《DL-T5057-1999水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（4.4.6）要求，大壩混凝土擋水面的抗凍等級(jí)：在寒冷地區(qū)，混凝土抗凍等級(jí)也不得低于F50；在無抗凍要求的地區(qū)，混凝土抗凍等級(jí)也不宜低于F50。依據(jù)現(xiàn)行《SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（8.5.6）要求：寒冷和寒冷地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.50，溫順地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.55，在環(huán)境水有侵蝕性狀況下，應(yīng)選擇抗侵蝕性能較好的水泥，水下混凝土的水灰比可削減0.05。對于碾壓混凝土重力壩會(huì)綜合考慮Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)的材料分區(qū)要求，上游壩面的分區(qū)應(yīng)和防滲層結(jié)構(gòu)相結(jié)合考慮。當(dāng)上游防滲層接受常態(tài)混凝土防滲層、富膠凝材料碾壓混凝土防滲層、加膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土防滲層時(shí)，其厚度和抗?jié)B等級(jí)應(yīng)滿足壩體防滲要求（防滲層宜優(yōu)先接受二級(jí)配碾壓混凝土，其抗?jié)B等級(jí)的最小允許值為：H＜30m時(shí)，W4；H=30m～70m時(shí)，W6；H=70m～150m時(shí)，W8；H＞150m時(shí)，應(yīng)進(jìn)行特地試驗(yàn)論證；二級(jí)配碾壓混凝土防滲層的有效厚度，宜為壩面水頭的1/30～1/15，但最小厚度應(yīng)滿足施工要求。二級(jí)配碾壓混凝土防滲層上游表面接受變態(tài)混凝土?xí)r，變態(tài)混凝土的厚度宜為30cm～50cm，最大厚度不宜大于100cm）[2]。當(dāng)接受瀝青材料、合成橡膠、聚氯乙烯防滲層時(shí)，其厚度應(yīng)依據(jù)抗?jié)B性、耐久性、變形特性及和混凝土面的結(jié)合狀況，由試驗(yàn)及已有閱歷確定[5]。下游壩面應(yīng)依據(jù)溢流和水位變幅狀況，按防滲、防沖、防蝕、防凍等要求設(shè)置愛惜層。有抗侵蝕性要求時(shí)，水泥中C3A含量宜低于5%，水膠比宜小于0.45，并應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)論證Ⅳ區(qū)：和地基接觸的底層混凝土，受上部壩體自重和滲透揚(yáng)壓力作用，要求該部位有較高的強(qiáng)度和抗裂性。該區(qū)作為壩體的基礎(chǔ)混凝土，向壩基傳遞壩體所承受所外荷載和自重，也受到壩基滲透水流產(chǎn)生的揚(yáng)壓力作用和水中化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，這就要求基礎(chǔ)混凝土有很好的強(qiáng)度和抗侵蝕實(shí)力，作為大體積混凝土的一部分亦不行忽視混凝土的低熱性。依據(jù)現(xiàn)行《SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（），選擇混凝土標(biāo)號(hào)時(shí)，應(yīng)考慮由于溫度、滲透壓力及局部應(yīng)力集中所產(chǎn)生的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力或主應(yīng)力，壩體內(nèi)部混凝土的標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于R90100；混凝土抗?jié)B等級(jí)不得低于W2，承受腐蝕水作用時(shí)其抗?jié)B等級(jí)應(yīng)進(jìn)行特地的試驗(yàn)探討，但不得低于W4；依據(jù)大壩混凝土耐久性要求（8.5.6），寒冷和寒冷地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.50，溫順地區(qū)混凝土最大水灰比不得大于0.55。在碾壓混凝土重力壩中，壩體基礎(chǔ)混凝土，應(yīng)接受常態(tài)混凝土，其厚度可依據(jù)基礎(chǔ)開挖起伏差、溫度限制及基礎(chǔ)灌漿要求確定。。近年來建立的碾壓混凝土壩，其基礎(chǔ)墊層在河床部位接受常態(tài)混凝土，在岸坡部位則常接受變態(tài)混凝土，如江埡、棉花灘、大朝山等工程。由于在岸坡部位接受變態(tài)混凝土基礎(chǔ)墊層，施工較便利，其初凝時(shí)間易和壩體碾壓混凝土協(xié)調(diào)，且易使變態(tài)混凝土區(qū)域和碾壓混凝土區(qū)域能良好過渡結(jié)合[5]。碾壓混凝土壩基礎(chǔ)墊層在達(dá)到找平目的以滿足碾壓作業(yè)的前提下不宜太厚，這對大壩溫度限制及盡快轉(zhuǎn)入碾壓混凝土施工、加快施工進(jìn)度是比較有利的。因此，規(guī)定碾壓混凝土墊層厚度不宜大于1m。Ⅴ區(qū)：壩體內(nèi)部混凝土；Ⅴ區(qū)混凝土體積浩大，雖然各種性能都不作過高要求，但該區(qū)混凝土設(shè)計(jì)的好壞幾乎能確定大壩的整體性和壽命，緣由就在于水泥水化發(fā)熱。在早期人們并沒有相識(shí)到這一點(diǎn)，也沒有接受特地的措施，結(jié)果在壩體中出現(xiàn)了嚴(yán)峻的裂縫，破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，影響了其壽命、平安和正常運(yùn)用。經(jīng)探討證明，由于水泥在凝固過程中產(chǎn)生大量的熱量，使混凝土溫度急劇上升，再慢慢冷卻收縮，相應(yīng)地產(chǎn)生了體積變更及溫度應(yīng)力，在條件不利時(shí)便會(huì)導(dǎo)致開裂。為了解決這一難題，人們在實(shí)踐中慢慢總結(jié)了一些措施：如柱狀快澆筑，通倉澆筑等方法。從筑壩材料來講，改善原材料的性質(zhì)是重要的解決方法，接受低水化熱的大壩專用水泥，接受合適的外加劑（如減水劑）和摻合料，盡量削減單位水泥用量，目前許多常態(tài)混凝土的平均單位水泥用量已降至150kg左右，最低的達(dá)100kg左右。在《碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL314-2004）（）中，碾壓混凝土的總膠凝材料用量不宜低于130kg/m3；要求膠凝材料中摻合料所占的重量比，在內(nèi)部碾壓混凝土中不宜超過總膠凝材料的65%；在60、70年頭由于生產(chǎn)力落后，在以人力為主施工的工程中，曾接受埋設(shè)塊石，削減混凝土用量，由于埋石対石料的要求較高，在實(shí)際施工過程中耗時(shí)耗力且不易達(dá)到設(shè)計(jì)要求，該項(xiàng)措施慢慢被三、四級(jí)配混凝土替代。還有的部門在探討接受低熱微膨脹水泥澆筑大壩，利用水泥的略微膨脹性來消退溫度拉應(yīng)力[3]。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》，在抗?jié)B方面，壩體內(nèi)部抗?jié)B等級(jí)不得低于W4；在強(qiáng)度方面，壩體內(nèi)部混凝土的標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于R90100；依據(jù)混凝土耐久性要求，寒冷和寒冷地區(qū)混凝土的水灰比不宜大于0.65，溫順地區(qū)不宜大于0.65。Ⅵ區(qū)：抗沖部位（如溢流面、泄水孔、閘墩、導(dǎo)墻等處）的混凝土，受高速水的作用，要求該部位要有高強(qiáng)度，抗凍、抗沖刷、抗侵蝕性；Ⅵ區(qū)泄水建筑物的高速水流區(qū)，應(yīng)留意下列部位或區(qū)域發(fā)生空蝕破壞的可能性：1.進(jìn)出口、閘門槽、彎曲段、水流邊界突變處；2.反弧段及其旁邊；3.異形鼻坎、分流墩；4.溢流壩面和泄水孔壁流速大于20m/s的區(qū)域。在大量的工程實(shí)踐中工程人員通過改善建筑物的體型、限制表面的平整度、摻氣減蝕等措施起到了確定作用，在建立時(shí)接受合適的材料，提高材料的抗蝕性能，效果也是相當(dāng)明顯的，試驗(yàn)表明，提高混凝土的標(biāo)號(hào)和容重，不摻用混合料，可以提高抗磨實(shí)力，同時(shí)也提高抗空蝕實(shí)力。因此在承受高速水流有可能產(chǎn)生空蝕的部位的表層混凝土，接受高標(biāo)號(hào)的抗磨抗蝕混凝土，混凝土力求密實(shí)，骨料不宜太大，表面確保平整，但所需水泥標(biāo)號(hào)較高，用量較大，要留意表面開裂[3]。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（）要求，高速水流區(qū)的混凝土應(yīng)接受具有抗沖耐磨性的低流態(tài)高強(qiáng)度混凝土或高強(qiáng)硅粉混凝土，過流表面的混凝土標(biāo)號(hào)不應(yīng)低于R28250。；當(dāng)接受耐磨材料（如高分子材料、鑄石或鋼材等）襯護(hù)時(shí)，應(yīng)和混凝土牢靠結(jié)合。在寒冷和寒冷地區(qū)混凝土的水灰比不宜大于0.45，溫順地區(qū)水灰比也不宜大于0.45。Ⅵ區(qū)混凝土在抗凍方面也要有相應(yīng)的要求，依據(jù)《DL-T5057-1999水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(4.4.6)要求，寒冷地區(qū)抗凍等級(jí)不低于F300；寒冷地區(qū)年凍融循環(huán)次數(shù)大于100次的抗凍等級(jí)不低于F300，低于100次的不低于F200；溫順地區(qū)抗凍等級(jí)不低于F100。選定各區(qū)混凝土等級(jí)時(shí)，等級(jí)的類別應(yīng)盡量少，以便于施工。同一澆筑快中混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜超過兩種，以免由于性能差別太大而引起應(yīng)力集中或產(chǎn)生裂縫。為了便利施工，分區(qū)厚度一般不小于2～3m；對碾壓混凝土而言壩體碾壓混凝土的分區(qū)寬度，應(yīng)依據(jù)壩體受力狀態(tài)、構(gòu)造要求和施工條件確定?？偨Y(jié)隨著對混凝土重力壩的相識(shí)的不斷加深,“更好更快更省”的筑壩要求成為工程界的發(fā)展方向。通過對大壩的分區(qū)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到降低大壩的工程投資，充分運(yùn)用混凝土的材料性能等目的，但是我們也應(yīng)看到對筑壩材料的分區(qū)，會(huì)影響到施工機(jī)械的配套，施工進(jìn)度的支配，壩體溫度限制等，所以做好混凝土重力壩筑壩材料的分區(qū)設(shè)計(jì)具有很重要的意義。做好大壩的分區(qū)設(shè)計(jì),在分區(qū)設(shè)計(jì)中不斷創(chuàng)新,接受新思路、新技術(shù)，是大壩設(shè)計(jì)的深化方向，也是混凝土重力壩從新?lián)Q發(fā)朝氣，不斷發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。參考文獻(xiàn)：[1]SL319-2005混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]SL314-2004碾壓混凝土壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[3]潘家錚.重力壩設(shè)計(jì)[M].北京：水利電力出版社，1987.[4]張嚴(yán)明，王圣培，潘羅生.中國碾壓混凝土壩20年--從坑口到龍?zhí)秹蔚目缭剑ňC述·設(shè)計(jì)·施工·科研·運(yùn)行）[M].北京：中國水利水電出版社，2006.[5]孫恭堯，王三一，馮樹榮.高碾壓混凝土重力壩[M].北京：中國電力出版社，2003.[6]陳德亮.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2008.[7]DL-T5057-1999水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[8]SL-T