溫泉堡水庫碾壓混凝土拱壩設(shè)計與施工

溫泉堡水庫碾壓混凝土拱壩設(shè)計與施工1工程概況 溫泉堡水庫位于河北省秦電島市湯河中游,距秦皇島市區(qū)15km。是一庫以供水為主,兼顧灌溉和防洪的小(一)型水庫。大壩主體工程由非溢流壩段、溢流壩段和放水孔組成。壩體混凝土工程量為6.25萬m3,其中碾壓混凝土5.5萬m3。 壩址以上流域面積25km2,多年平均降雨量750mm,多年平均徑流量718萬m3,50年一遇設(shè)計洪水流量515m3/s,200年一遇校核洪水流量746m3/s。水庫正常蓄水位166.3m,總庫容697萬m3。 壩址處河谷橫斷面旦“U”型河谷,底寬約120m,兩岸山體雄厚陡峭,岸坡基本對稱。河床砂卵石覆蓋層厚3-6m,基巖為微風(fēng)化花崗巖,巖性單一、完整、堅便,無大的地質(zhì)構(gòu)造?；A(chǔ)巖石相對不透水,只進行了固結(jié)灌漿。 壩址區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)烈氣候,冬季寒冷干燥,夏季白夭炎熱夜間涼爽,多年平均氣溫10℃,1月份最低旬平均氣站在-7.4℃,7月份最高旬平均氣溫25.2℃,極端最低氣溫-24.3℃,極端最高氣溫39.4℃。 壩型為全斷面碾壓混凝土.單曲拱壩,采用RCC施工方法筑成。最大壩高48m,壩頂高程170.5m,壩頂厚5m,最大壩基寬度13.82m,壩頂弧長188m,外半徑104m,最大中心角103.50,最小中心角710,壩體厚高比0.29,上游壩面直立,下游壩坡1:0.21。壩體內(nèi)沒有設(shè)置廊道,在高程l40m設(shè)一條Φ1.0m鋼管放水孔。 水庫泄洪采用壩頃溢流的方式,堰頂高程166.3m,不設(shè)閘門,分5孔,凈寬39.6m,最大泄量.642m3/s,挑流消能。 源泉堡水庫由水利部河北水利水山勘測設(shè)計研究院設(shè)計,河北省水利工程局施工。1993年3月開始澆筑碾壓混凝土,1994年11月澆筑完畢。水庫建成后的7年中,經(jīng)受住了長時間高蓄水位和多次溢流泄水的考驗,運行情況基本正常。 溫泉堡水庫是我國在北方寒冷地區(qū)建成的第一座全斷面碾壓混凝土拱壩,但由于我們的設(shè)計和施工水平及經(jīng)驗有限,壩體出現(xiàn)過一些問題,如右岸邊壩塊出現(xiàn)了貫穿性裂縫;二級配碾壓混凝土防滲區(qū)存在滲漏；下游壩面混凝土凍融剝蝕等,需要我們進一步總結(jié)提高。2壩體設(shè)計2.1壩體防滲設(shè)計 溫泉堡水庫大壩采用全斷面碾壓混凝土RCC方法施工,由于碾壓混凝土容易產(chǎn)生層間結(jié)合薄弱的特點,再加上壩址區(qū)氣候干燥,平均空氣相對濕度為60%的不利條件。設(shè)計上進行了兩種防滲型式的研究,即土工膜防滲和二級配碾壓混凝土防滲。2.1.1土工膜防滲設(shè)計 (1)土工膜的性能 用于防滲目的的土工膜可分為三類:一般土工膜、加筋土工膜和復(fù)合土工膜,結(jié)合本工程的使用特點,選用抗?jié)B性能好、抗撕裂強度高、抗老化能力強、易焊接的PVC單面熱壓復(fù)合土工膜。其性能為拉伸強度>13Mpa,斷裂伸長率〉200%,低溫性40℃,尺寸穩(wěn)定性≤±2%,滲透系數(shù)1.6×10-13cm/s。 (2）土工膜的鋪設(shè) 土工膜的鋪設(shè)由兩種方法,即先鋪法和后鋪法。先鋪法是將土工膜預(yù)先固定在倉內(nèi)模板上,將周邊焊接密封,然后攤鋪碾壓混凝土料,每攤鋪一小層后靠土工膜面挖一條淺溝灌注1:0.6的水泥漿,用振搗器充分振實,排出混凝土內(nèi)部的氣體,使無紡布緊緊吸附粘貼在混凝土上,待混凝士固化后就與土工膜牢固的連接在一起了。經(jīng)檢測,先鋪法混凝土與土工膜的連接強度較高,抗剪切強度為233kPa,抗撕裂強度為170kPa,并且破壞面均不在無紡布與混凝土之間,而是在無紡布與土工膜之間,由此可見先鋪法可以滿足固定土工膜的需要。 后鋪法是在壩體混凝士拆掉模板后將土工膜錨固在壩面上,形成密封的防滲屏障，溫泉堡水庫采用的錨固材料為硬塑料板條和膨脹螺栓,這種錨固方法的優(yōu)點是施工簡單、錨固牢靠,但也有土工膜與混凝土之間存在連續(xù)空隙的缺點,如果有局部焊接不牢或破損,影響防滲效果。 本工程采用的PVC復(fù)合土工膜卷材厚度為1.5mm,幅寬2.05m,戰(zhàn)縫采用焊接法熱焊密封,即用電熱焊機熔化土工膜表面再用滾輪加壓使，土工膜表面幾微米深范圍內(nèi)產(chǎn)生分子滲透和交換,溶成一體。現(xiàn)場焊接的質(zhì)量檢測可采用充氣法、真空法和鉤針法,結(jié)合施工條件選定。焊接后取樣試驗焊縫處的抗拉強度為母材的86.8%,達到11.98MPa,斷裂位置在焊縫邊緣,連接是比較牢靠的。 (3)防滲效果 土工膜原材料和焊接樣品經(jīng)室內(nèi)檢測合格,但現(xiàn)場實施的大面積的土工膜和千余米的焊縫效果如何呢?通過蓄水檢測證明效果良好。第一次蓄水深度7.5m,2個月后抽干,經(jīng)檢測后鋪法施工的土工膜與壩面之間無積水現(xiàn)象,第二次蓄水深度16.5m,2個月后抽干,先鋪法和后鋪法施工的土工膜與壩面之間均無積水現(xiàn)象。在壩體下游面觀測土工膜防滲區(qū)范圍內(nèi)沒有潮濕、滲漏現(xiàn)象。至今運行7年后,原土工膜防滲區(qū)的壩面仍無滲漏痕跡,防滲效果十分理想。2.1.2二級配碾壓混凝土防滲設(shè)計 溫泉堡水庫,壩體在放水孔高程以上采用了二級配碾壓混凝土防滲,設(shè)計作用水頭為26.3m,防滲厚度確定為2m,混凝土標(biāo)號為R90200S4D150,混凝士配合比為:水膠比0.6,小石和中石各50%,砂率38.2%,525#硅酸鹽水泥110kg/m3,II級干排粉煤灰84kg/m3,水107kg/m3,河砂789kg/m3,人工石灰?guī)r碎石1300kg/m3,DH4A緩凝減水劑摻量0.5%,DH9引氣劑摻量0.03%,密度2390kg/m3,VC值6-10s。 對二級配碾壓混凝土的防滲性能分別進行了室內(nèi)試驗和現(xiàn)場檢測,從室內(nèi)幾種不同情況處理后的的碾壓混凝士層面的抗?jié)B指標(biāo)看,均在3.24--3.72×10-9cm/s之間,滿足設(shè)計要求?，F(xiàn)場取芯和壓水試驗測試,芯樣抗?jié)B指標(biāo)大于S6,壓水試驗ω值最大為0.003,也滿足設(shè)計要求。但從水庫的運行情況看,由于各種原因造成層面結(jié)合不好形成局部滲漏現(xiàn)象,防滲效果不太理想。2.2壩體橫縫設(shè)計 雖然碾壓混凝土具有水泥用最少、水化熱低、干縮變形小的特點,但由于溫泉堡水庫地處氣混變化幅度大的寒冷地區(qū),壩體較薄,基礎(chǔ)約束大等不利因素,對于是否設(shè)置橫縫,我們進行了慎重的研究。通過對壩體施工期溫度及阿力變化三維仿真計算結(jié)果的研究和參考國內(nèi)外實際工程經(jīng)驗,確定壩體設(shè)置橫縫,間距為30m左右。2.2.1壩體橫縫的型式 源泉堡水庫壩頂長度為188m,共-設(shè)置了5條橫縫,6個壩塊,中間四個壩塊長度均為30m,左邊塊最大長度為34.5m,右邊塊最大長度為33.5m。壩塊編號由右岸向左岸依次為1#-6#,其中1#與2#、5#與6#壩塊之間設(shè)置誘導(dǎo)縫,主要原因是1#、6#壩塊底部長度不足10m,無法單塊進行碾壓施工,必須與2#、5#壩塊同倉施工,而常規(guī)縫不能實施連倉澆筑,所以采用誘導(dǎo)縫的型式。 由于施工隊伍的混凝土生產(chǎn)能力、運輸能力及碾壓能力不足,整個壩體連倉澆筑,不能保證每一小層在規(guī)定的時間內(nèi)碾壓覆蓋上一層混凝土。為了確保碾壓混凝土的層間結(jié)合質(zhì)量,在2#與3#、4#與5#壩塊之間采用了常規(guī)型橫縫,其結(jié)構(gòu)是參照拱壩設(shè)計規(guī)范設(shè)計的,屬施工中形成的冷縫。 3#與4#壩塊之間采用了誘導(dǎo)、常規(guī)混合型橫縫型式,即在壩體澆筑倉面較大的下部設(shè)置常規(guī)縫,上部倉面小時改為誘導(dǎo)縫,實現(xiàn)連倉澆筑,提高施工速度。 溫泉堡水庫壩體設(shè)置的橫縫型式,較為靈活機動,比較適合于施工隊伍澆筑能力低,施工倉面狹長、倉面面積變化較大的工程。2.2.2誘導(dǎo)縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計 (1)誘導(dǎo)縫的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計由于拱壩的橫縫需要灌漿封拱,所以碾壓混凝土拱壩與重力壩的誘導(dǎo)縫結(jié)構(gòu)型式是不同的。溫泉堡水庫采用的誘導(dǎo)縫是由成對的誘導(dǎo)板連接而成,即在需設(shè)置橫縫的位置,將誘導(dǎo)板成對的捆在一起,埋在碾壓混凝土層內(nèi),利用成對的誘導(dǎo)板之間的縫隙形成薄弱環(huán)節(jié),當(dāng)壩體發(fā)生較大的拉應(yīng)力時,在此處開裂,形成有規(guī)則的裂縫。誘導(dǎo)縫的細部結(jié)構(gòu)主要由止?jié){片、鍍鋅鐵皮、誘導(dǎo)板、灌漿管路系統(tǒng)和排氣管等組成。 止?jié){片采用橡膠止水帶,布置在灌漿區(qū)的周圍,起封閉灌漿區(qū)的作用,防止接縫灌漿時漏漿、串漿。在止?jié){片外的上下游壩體的表面部分,由于應(yīng)力集中,最先開裂,為了保證開裂線處于止?jié){片的中心線上,在其位置預(yù)先設(shè)置鍍鋅鐵皮,使其起到邊緣切口的作用,同時也進一步削弱誘導(dǎo)縫的強度。 誘導(dǎo)板為鋼筋混凝土預(yù)制板,高度宜小于碾壓層的厚度,為25cm,板厚為了防止振動碾的破壞,定為5cm,氏度為1m。由于誘導(dǎo)板在灌漿時充當(dāng)灌漿盒,要在其上預(yù)留灌漿槽及出漿槽,兩塊相對后形成灌漿管和出漿管。誘導(dǎo)板埋設(shè)的數(shù)量約占橫縫斷面積的30%。 在誘導(dǎo)板內(nèi)設(shè)置灌漿系統(tǒng),單數(shù)層的誘導(dǎo)板內(nèi)布置I次灌漿系統(tǒng),雙數(shù)層內(nèi)布置II次灌漿系統(tǒng)。I次系統(tǒng)為間斷式灌漿管插入誘導(dǎo)板內(nèi)10cm,II次系統(tǒng)采用帶有放射形出漿孔并外套膠皮套的管路穿過誘導(dǎo)板,并與各自的進回漿主干管連接起來。 排氣管布置在每一灌漿區(qū)的頂部,將捆好的誘導(dǎo)板不間斷地埋入壩體,在靠下游面的一對誘導(dǎo)板內(nèi)插入管子,引出壩體,形成排氣管。I次系統(tǒng)浮宮漿完畢后要用水對排氣管進行沖洗。 (2)橫縫開裂及灌漿情況 1993年底壩體澆筑到150m高程,暴露過冬。1994年3月對壩體進行檢查,5條橫縫全部開裂,誘導(dǎo)縫在上下游壩面的開裂線比較順直,沒有超出止?jié){片范圍的現(xiàn)象,十分符合設(shè)計意圖。通過測縫計觀測,裂縫的開展寬度為0.16-4.68mm,從外表量測裂縫寬度為0.5-4mm。 1994年4月對各橫縫進行了水泥灌漿,灌漿壓力為0.3-0.6MPa,水泥灌入量為0.1-21kg/m2。灌漿后對橫縫進行了鉆孔取芯檢杏,從芯樣的情況看,大部分灌漿效果很好,水泥結(jié)石充填密實,縫內(nèi)的水泥結(jié)石清晰可見,但也有少部分充填不密實,還有的芯樣成兩半狀,看不到水泥結(jié)石。2.3壩體排水管設(shè)計 本工程的壩體豎向排水管設(shè)計了三種型式:塑料編織袋裝碎石；拔管后裝碎石及鉆機造孔。根據(jù)工程實踐的結(jié)果看,塑料編織袋裝碎石法在大層鋪砂漿和小層間澆灑水泥漿時,由于編織袋漏漿容易造成排水管失效。拔管法施工簡單、造價低,但也存在拔管后管壁和管口混凝土掉落在孔底堵死排水管的問題,另外,拔管法還容易出現(xiàn)移位的問題。上述兩種方法施工管理必須得當(dāng)方可保證排水管的質(zhì)量。鉆機造孔法對施工的干擾較小,孔位及成孔質(zhì)量比較理想,但造價比較高。為降低造價,可采用淺孔鉆造孔,壩體每升高10-15m造孔一次,每次選孔的底部采用水平碎石排水袋聯(lián)接到集中排滲出口。3工程施工 溫泉堡水庫的碾壓混凝土采用三臺JS1000強制式拌和機拌和,額定生產(chǎn)能力84m3/h。左岸二個壩塊高程153m以下、右岸四個壩塊高程162m以下為5t自卸汽車運輸入倉,以上采用皮帶機運送混凝土到壩頭由小翻斗車接料后入倉,推土機平倉,BW-200和BW-90振動碾碾壓,3440核子密度儀檢測混凝土容重。碾壓混凝土施工采用通倉、薄層連續(xù)澆筑,小層厚度30cm,連續(xù)澆筑6層后倒倉。3.1層面處理 壩址區(qū)氣候干燥,5月-6月,空氣的相對濕度僅為35%-40%,平倉后一個小時左右,碾壓混凝土拌和物表面2-5cm既有不同程度的曬干失水,顏色變向,此時碾壓感到相當(dāng)困難。同樣對于碾壓.完畢的小層面,在允許暴露的時間之前,層面1-3cm范圍的混凝士失水變硬,這時如果不進行處理就鋪上層混凝土并碾壓,獲得的層面均有不同程度的滲漏,最大滲透率達1.0Lu.其原因主要是碾壓混凝土在卸料和平倉時,不可避免地出現(xiàn)骨料分離造成粗骨料墊底現(xiàn)象,致使碾壓層底面附近混凝土拌和物偏離配合比的設(shè)計狀態(tài),在這種情況下澆筑上層混凝土,由于底部混凝土失水變硬不但難以彌補上述缺陷,并進一步造成硬殼微裂,使層面存在微裂隙和“孔洞",從而增大滲透性。 為了解決這一問題,混泉堡水庫對二級配混凝土區(qū)碾壓小層面不管初凝土與否均采用刨松2-4cm后噴灑膠材漿(水膠比為0.6)的處理方法,不僅使硬皮露出新面,而且也可使被刨松的混凝土,作為噴灑膠材漿的容體成為一個富漿層。由于這富漿層的存在,可使上層混凝土拌和物的底部缺陷得到充填和包裹,并使先澆層面與后澆層混凝土之間處于浸潤狀態(tài),利于碾壓時上下層混凝土結(jié)合為一體,增強了混凝土層面的抗?jié)B性。 通過壓水試驗,凡在初凝之前進行刨松2-4cm后澆灑膠材漿并隨之覆蓋上層混凝土者,滲透率為零；沒按上述方法處理的,滲透率大于零,滲漏量達0.5-1.0Lu。 三級配碾壓層面施工中沒有進行處理,在壩體接縫灌漿時通過壓水、灌漿工序觀察,多次出現(xiàn)在下游壩面離縫較遠處的層面上滲水濕潤甚至漏漿現(xiàn)象,這也說明碾壓混凝土的層面不采取層面處理措施,結(jié)合質(zhì)量是較差的、不穩(wěn)定的。3.2周邊混凝土的處理 由于振動碾對倉面周邊及角部15-25cm處不能施碾,不能使模板邊的碾壓混凝土拌和物表面泛漿、達到密實,造成壩體混凝土表面存在孔洞和蜂窩麻面現(xiàn)象,這不僅降低了混凝土的設(shè)計密度、影響了各項物理力學(xué)指標(biāo)和抗?jié)B、抗凍耐久性,而且嚴(yán)重影響了建筑物的美觀。 對周邊混凝士的處理本工程采周了加漿振搗法,即在碾壓混凝土拌和物平倉完畢后的模板邊挖一條淺溝(15×10cm）,在淺溝內(nèi)澆灌與原拌和物具有相同水膠比的膠材漿,其量約為8kg/m,然后用插入式振搗器沿淺溝振搗密實。 為了驗證這樣處理后的混凝士的物理力學(xué)特性是否降低,經(jīng)倉內(nèi)取樣養(yǎng)護試驗,原R90200S4Dl50的二級配混凝土加漿振搗后的物理力學(xué)性能指標(biāo)為:抗壓、抗拉強度分別為33.1MPa和2.97Mpa,抗?jié)B太于S6,凍融150次相對動彈模為91.6%，重量損失僅為2.7%。經(jīng)比較,加漿振搗后的混凝土與原碾壓混凝土本體在物理力學(xué)特性和抗凍、抗?jié)B指標(biāo)方面沒有大的差別,兩者基本相同。另外,從源泉堡水庫在上游止水和下游止?jié){帶周圍應(yīng)用加漿振搗法后,在灌漿時沒有發(fā)現(xiàn)止?jié){帶范圍漏漿,說明其與止?jié){帶的連接是十分密實的。 加漿振搗的說凝土稱變態(tài)混凝土,壩體表面非常光滑,沒有蜂窩麻面等缺陷,碾壓層面位置看不到接縫痕跡。另外，加漿部分混凝土先振搗密實，然后用振動碾壓相鄰混凝土，使被碾壓的混凝土側(cè)面骨料嵌入其內(nèi)，提高了兩種混凝土的結(jié)合力。 隨著對變態(tài)混凝土的進一步認(rèn)識,這一技術(shù)己被應(yīng)用在上游面的防滲層、觀測儀器及止水等周圍混凝土、取代壩肩常態(tài)混凝土等,大大簡化了碾壓混凝土的施工工藝。4存在問題的淺析 溫泉堡水庫從l994年11月建成后,不僅經(jīng)常高水位運行,而且溢流堰多次滯流,大壩基本正常,但也存在壩體滲漏和裂縫問題。4.1壩體滲漏 水庫蓄水初期,從下游面觀測,有局部滲漏現(xiàn)象,滲漏點集中出現(xiàn)在140m高程以上的二級配碾壓混凝土防滲區(qū)內(nèi)。有些滲水點在水平向呈線狀,有的滲水點呈點狀。滲水量差異較大,有些滲水點能明顯的看到滴水造成的水流,有的滲水點的滲漏量較小,只是在滲水點附近形成潮濕的水跡。到了冬季滲漏水在下游壩面結(jié)成片片冰掛。 經(jīng)分析,滲漏較明顯的部位主要分布在1#和2#壩塊150m高程大層面和5#和6#壩塊的155m高程面。I#和2#壩塊150m高程間歇層面的滲漏原因主要是1994年11月下旬進行冬季施工試驗時(氣溫為-5℃）由于澆筑倉面溫度較低,致使鋪設(shè)的2cm厚的砂漿很快就受凍硬結(jié),進行碾壓混凝土施工時,砂漿不能充分充填空隙,造成層面連接不好而滲漏。5#和6#壩塊的155m高程面滲漏的主要原因是在該層平倉完畢后,突降大雨,當(dāng)時沒有立即封蓋,而是強行碾壓,倉面和山坡的雨水匯集倉面后流向下游,使表面混凝士的膠材漿部分流失,隨后雖然進行了灌漿處理,但仍造成該層滲漏比較嚴(yán)重。 其他漏水點則分布在不同壩塊不同層面上,分析其滲漏原因主要有如下幾方面: (1）壩體上部碾壓倉面狹窄,混凝土的運輸方法不合理,運輸能力不足,造成層間間隔時間太長,層面結(jié)合不好,沿層面的線狀漏水大多是這一原因造成的。 (2）施工中對層面硬皮采用人工刨松法,很容易出現(xiàn)漏刨現(xiàn)象,其結(jié)果造成局部混凝土層面存在孔隙,這些孔隙串通后就形成了點狀滲漏。 (3)大層面由于鑿毛不徹底、砂漿鋪設(shè)不均勻、砂漿鋪設(shè)時間過長等,都會造成局部滲漏。 從溫泉堡水庫大壩二級配防滲區(qū)的情況看,雖然存在局部滲漏點,但對整個防滲區(qū)來講,大部分碾壓層和絕大部分區(qū)域是良好的,是不滲水的。因此,可以說二級配作為大壩特別是作為中、低壩的防滲體,只要對施工層面進行認(rèn)真的處理,是完全可行的。4.2壩體裂縫 溫泉堡水庫壩體1993年底上升到150m高程后過冬,上游水位139m。1994年3月對壩體上、下游面和頂部檢查發(fā)現(xiàn)5條橫縫全部開裂,另外上游面在每個壩塊的中間部位均出現(xiàn)一條垂直裂縫；下游面除兩個地塊外的四個壩塊均出現(xiàn)兩條垂直裂縫,位置基本位于壩塊的三分點上。裂縫高度大多延伸到了140-145m高程,裂縫深度l0-25cm,上游面的裂縫寬度為0.3-1mm,下游面為0.1-0.3mm,屬表面縫。1994年11月壩體到頂后過冬,上游水位139m,1995年2月和3月對壩體進行多次檢查,原表面縫沒有上升和發(fā)展,而在左邊壩塊上發(fā)現(xiàn)一條貫穿裂縫,裂縫位置距壩肩20m左右,裂縫高度約30m。裂縫寬度達2-3mm。4.2.1表面裂縫的成因分析 表面縫的縫寬和深度不大,但裂縫延伸的高度卻達10-20m,分析其原因主要是溫泉堡水庫冬季沒有對壩體上、