江垭全断面碾压混凝土重力坝结构设计与筑坝材料特性

　　水利水电技术江垭全断面碾压混凝土重力坝结构设计与筑坝材料特性水利部湖南水利水电勘测设计研究院（水利部湖南水利水电勘测设计研究院，长沙市，410007）0m，采用全断面碾压混凝土重力坝坝型，溢流坝采用双层孔口、高低坎挑流泄洪消能方式，坝体结构较为复杂。在坝体结构、筑坝材料分区设计中，充分考虑了碾压混凝土的施工特点，尽量减少施工仓面内异种混凝土种类，使大坝的碾压混凝土量占总量的80%以上，为连续快速施工创造了条件。低水泥用量、高粉煤灰的混凝土配合比设计，其抗渗和力学性能均能满足高坝要求。

　　5330hm2；改善航道124km，升船机年过坝货运量8万t；供水解决5万人生活用水。枢纽布置如所示。

　　澧水是洪涝灾害频繁的河流，全流域没有控制性防洪工程，淞澧平原及西洞庭湖历来是湖南省防洪工作的重中之重。

　　江垭水库建成后可将上述地区的防洪标准由目前的4- 7年一遇提高到17-20年一遇，与拟建中的皂市水库及干流宜冲桥水库联合调度，可使防洪标准提高到50年一遇。

　　江垭工程拦河坝为全断面碾压混凝土重力坝，设计坝高128.0m，1998年特大洪水后加高为1310m，是目前世界上己建。在建*高的全断面碾压混凝土坝，工程为一等工程，大坝为1工程概况江垭水利枢纽工程位于湖南省慈利县江垭镇，水域处于汇入洞庭湖四大水系之一的澧水支流娄水中游，坝址控制流域面积3711km2，占该流域面积的73%，其中包括五峰、鹤峰两个长江水系暴雨区。

　　江垭工程以防洪为主，兼有发电灌溉。航运。供水等综合效益。拦河坝*大坝高131m，水库总库容17.4亿m3，其中防洪库容7.4亿m3，右岸布置地下发电厂房，装机3<年发电量7.5亿kW.h；坝身设灌溉取水管，灌溉农田例如，洞轴线偏离、管片错台等超标问题。对土体中采用掘进机施工的可行性和预制管片接缝的防渗问题，有待于进一步探讨。

　　22.4泵站水力过渡过程总干线一、二级泵站设计流量为48m3/s，每级泵站设计扬程142m，每级泵站内均安装10台立式离心泵。总干线一、二级泵站采用有压隧洞连接的“串联运行方式”，一级泵站从万家寨水库取水，引水期水位变幅23m，站间设有调压井和溢流井，以保证两级站间流量平衡。二级泵站后接申同嘴蓄水洞，经水库调蓄后使流量与三级泵站相匹配。

　　总干线一、二级泵站管路布置复杂，水锤防护上采用调压井和缓闭蝶阀联合作用的方式，这在国内大型泵站中尚属首例。通过对事故停泵和缓闭蝶阀引起的调压井涌浪和管道系统压力振荡的研究计算，确定了*优设计方案。

　　22.5钢衬钢筋混凝土岔管的应用南干线一、二级泵站设计流量25.8m3/s，设计扬程140m，由一根主管通过卜形岔管与6台水泵连接，主管内径3.8m，支管内径2.4~28m，设计内水压力22MPa，HD值高达836m2.若采用普通明岔管，选用HT-60钢材，壁厚32mm，*大肋厚80mm，不仅施工困难，而且造价高。经多方案分析研究，决定采用钢衬钢筋混凝土岔管，使外包混凝土承担一部分内水压力钢板厚度减为24mm，内外贴边加强，外包混凝土中布置3层钢筋。这种型式的岔管具有工艺简单、节省投资和整体安全度高的优点，值得推广应用。

　　程师。

　　闵家驹，男，66岁，教授级高级工程师，副总工程师。

　　（收稿曰期：1999~10~19责任编辑冉崇辉）一级建筑物。

　　本工程于1995年7月2日大坝开挖正式开工，1996年10月开始浇筑碾压混凝土，1998年汛前大坝浇到200m高程，达100年一遇拦洪标准，1998年特大洪水期间削减娄水流量的60%，减少了下游沿河市县的洪灾损失。1999年4月大坝达到加高后的坝顶高程245.00m，进入金属结构及坝顶细部结构施工，预计年底竣工。

　　2大坝设计江垭工程坝址区河谷为“U形，常年水位125 0m时河床宽约90m，正常水位236.0m时自然河谷宽290.0m，大坝建基面高程114.00m，原设计坝顶高程242.00m，*大坝高128.0m，坝顶长327.0m.1998年特大洪水过后，为了增加水库防洪能力，提高防洪调度的灵活性，利用江垭水库尚未完建的有利条件将大坝及表孔闸门加高3.0m，*大坝高为131.0m. 2.1溢流坝设计坝址上游为长江沿岸的五峰、鹤峰暴雨区，汛期洪水峰高量大，设计洪水（P=012%）流量12200m3/s；校核洪水（P= 0.0观）流量15 /s.流域规划要求水库汛期（七8月）正常水位以下预留防洪库容7.4亿m3，汛限水位210.6m，库水位消落深度达25.4m.故此溢流坝要求下泄流量大，进水前沿宽度小，进水深度大，单一的表孔或中孔不能满足泄洪和防洪调度的要求，经多方案研宄论证，选用了双层立体进水I口高低坎大差动挑流空中碰撞消能方式。

　　溢流坝设于河床中央，宽88.0m，分3个坝段。表孔为开敞式，设4孔，堰顶高程224.00m，孔口尺寸14必15m，堰顶上游为两段圆弧与竖向坝面衔接，下游为WES型曲线接1：0.8直线段再接高低坎挑流反弧段。中孔设于表孔闸墩下面，共设3孔，进口底板高程180.00m，孔口尺寸5必7m，在坝内约2/3为水平段后接物线，利用表孔闸墩设置进口检修闸门竖井，弧型工作门布置在出口高挑坎下面。中孔可单独下泄50- 100年一遇洪水，为经常操作孔，与表孔联合泄大洪水，泄流特性如表1所列。2个边表孔和3个中孔为低挑坎收缩出流，挑坎高程150.00m；中间2个表孔为高挑坎扩散出流，挑坎高程191.20m，形成高差达41.2m的大差动挑流消能（见）。高低坎两股水流碰撞后，加剧了水流与空气的摩擦紊动，形成水气二相流加大了空中消能作用。

　　表1溢流坝泄流特性洪水频率P入库流量下泄流量闸门调度中表孔联合1（中间表孔开1/3）中孔或联合中孔2.2左右岸挡水坝结构设计坝体基本三角形剖面为上游铅直，下游1：08的斜坡，坝顶宽度12.0m，下游折坡点高程为228.00m（见）。在满足坝体应力稳定前提下，设计坝体外轮廓力求简单，充分考虑碾压混凝土坝大仓面连续快速施工的特点。

　　坝段之间的分缝间距不但与坝体结构、基础特性有关，还与坝体温度应力有关。由于坝体上升速度快、混凝土温升缓慢，大体积混凝土散热条件差，温度应力影响时间长，薄层大仓面的连续碾压施工夏季难以采用有效的降温措施。为此，采用6 78三个月平均气温超过25C的月份结合施工度汛停工的措施，其他月份进行模拟混凝土入仓温度和热学性能的仿真三维计算，确定坝段*大宽度为35m，单坝段*大仓面3570m2.根据坝基帷幕灌浆、坝体排水、观测、交通等要求，沿坝体高度设置三层廊道，即基础灌浆排水廊道和高程160. 200.00m廊道，上两层廊道用作钻排水孔形成坝体排水幕和布设观测仪器，以监测大坝运行安全状况。

　　2.3坝体材料分区设计大坝材料分区设计根据坝体运用要求，设计不同的碾压混凝土种类以适应强度、抗渗等需求，并尽量多采用碾压混凝土以加快施工速度，缩短混凝土间歇时间，提高混凝土层间结合能力。本工程除在基础齿槽、垫层、中孔及廊道周边、下游溢流面及闸墩、导墙和坝顶细部结构等采用常规混凝土外，其他部位均采用碾压混凝土。坝体上游防渗采用二级配富胶凝材料碾压混凝土，90d强度指标为C20Sn，坝体大体积混凝土在高程190.00m以下为三级配，90d强度为C15，高程190. 00m以上三级配其90d强度为C10（见中A1上游防渗混凝土，A2下部大体积混凝土，A3上部大体积混凝土）。

　　为了确保防渗可靠，除施工中Ar混凝土层间加水泥浆增强防渗性能外，在高程190.00m（死水位188m）以下增设一层适应变形能力及抗渗性能强的高分子聚合物水泥砂浆防渗层，并在防渗体A1混凝土下游利用两层坝体廊道及坝顶钻设排水孔加强排水，减少渗水沿缝面进入坝体形成渗压力。

　　3筑坝材料设计及特性分析我国碾压混凝土筑坝一般采取连续薄层碾压施工方式，尽管要求在下层混凝土初凝之前覆盖上层混凝土，但其上、下层之间结合面仍较混凝土本体薄弱，影响了混凝土的抗渗性能及抗剪性能。对于中低坝因抗渗、抗剪要求均较低，此矛盾并不突出。对于百米以上的高坝抗渗性能要求高，一般采用常规混凝土作防渗体，即所谓“金包银”剖面。这样在同一仓面内碾压混凝土与常规混凝土同时施工，二者初凝时间因胶凝材料和用水量的差异较大，易在两种混凝土结合面形成微冷缝，从而影响混凝土的整体性。再者拌和楼的频繁调度，混凝土输送方式的不同，都影响了混凝土的施工进度及质量。所以全断面碾压混凝土高坝材料设计应满足坝体对材料的力学热学、抗渗等性能的要求。

　　3.1碾压混凝土配合比设计根据坝体不同部位对筑坝材料的要求，针对各部位材料性能要求进行配合比试验。坝址上、下游30km内分布有19个天然砂石料场，总储蓄量满足大坝需求，但砂的储量不足，需要人工制砂。在施工中经常因料场的改变而变更混凝土配合比，影响碾压混凝土质量，分散的料场开采及较长的运距难以满足高强度上坝的需求，再者天然砂石料级配连续性比人工骨料差，力学性能亦有差别，综合分析选用坝址下游灰岩人工砂石料。

　　配合比采用低水泥用量高掺粉煤灰的方式，粉煤灰掺量分别为胶凝材料的55%、6（%、70%，以降低高坝大体积混凝土的温升，减小温度应力影响。设计配合比见表2. 3.2坝体实际碾压混凝土性能江垭大坝自1996年10月浇筑碾压混凝土以来，利用高温与度汛相结合的停工期间在坝体钻孔取心样进行物理力学性能检测。1997年8月大坝浇筑高程为155.00~158.00m（中间缺口度汛）钻孔测取A1A2混凝土；1998年3月坝体浇筑高程190.00m安装中孔期间钻孔测取A1A2混凝土；1999年6月坝体上升到坝顶，钻孔测取A1A3混凝土（施工实用配合比及混凝土力学性能见表3）检测结果表明混凝土的力学性能优越。

　　对A1混凝土进行现场压水试验（见表4），结果表明绝大部分压水段透水率较小，透水率较大的（Q1lu）压水段是随机分布，并进行了灌浆处理，对廊道等表面透水点均作了嵌缝封堵处理及化学灌浆处理。另外，为了检查A1混凝土施工转换模板的缝面及碾压层面防渗效果，在上游坝面钻水平孔取芯，芯样所含的层（缝面）外观界线不明显，顺层面的平均渗透系数为从表2表3可知，施工中实用碾压混凝土配合比与设计配合比基本一致，只是A1A2混凝土的水泥和粉煤灰比设计配合比略有增加。现场取芯的力学性能及抗渗性能均满足大坝的实际运行需要，但现场核子密度仪检测的密度普遍低于芯样的密度需要进一步研宄，芯样的抗压强度分布均匀，抗拉强度分布不均匀离差较大，可能与局部的层间结合和局部骨料分离有关。

　　表3实用配合比及实测碾压混凝土力学性能设计材料用量木密度抗压强抗拉强抗渗分区标号钙（芯样）号现场芯样机口芯样表4A1混凝土坝体钻孔压水试验成果时间段数（占总段数的百分比）6月表2碾压混凝土设计配合比及力学性能序号90d设计标号外加剂密度/ 3胶凝材料用量3抗压强度/MPa90d抗拉强度/MPa90d抗静压弹模/104MPa90d极限拉伸值/10~6抗渗品种掺量CF90d180d轴拉劈拉A1-1C20木钙0.252 4结语江垭大坝自1996年10月开始浇筑碾压混凝土到1999年4月上升到坝顶高程，历时3个施工季节，*大月上坝强度为1997年11月）体现了碾压混凝土筑坝的高速度施工。通过江垭大坝的设计、建设过程，笔者认为：（1）在碾压混凝土坝的设计过程中应充分考虑其施工特点，坝体结构及材料分区应力求简单，使仓面混凝土种类少、作业工序明确、操作规范，从而尽量缩短层间间歇时间以减少层间处理工作量，提高混凝土质量，尽量避免碾压混凝土与常态混凝土施工干扰，所以大坝中孔弧门闸室设于下游高挑坎下部空间，使之和溢流面、闸墩等常规混凝土集中施工；（2）低水泥高掺粉煤灰的混凝土配合比设计对于高坝大体积混凝土是可行的，可降低混凝土的水化热，并充分利用粉煤灰二次水化反应所带来的后期强度增长值，本工程90~360（航压强度增长2（%以上，抗拉强度增长30%以上；（3）全断面碾压混凝土重力坝的核心是上游面二级配富胶凝材料混凝土性能可靠，由碾压混凝土的成型机理可知，其密度大于同级配的常规混凝土，即本身抗渗能力并不低，只要有完备的工艺措施解决层间结合问题，可以用作高坝抗渗混凝土，江垭大坝在防渗区及高剪应力区采取了一系列层间接合措施，其效果是显著的；（4）全断面碾压混凝土坝极大地方便了施工拌和楼的调度和上坝混凝土的输送，防渗体A1混凝土与大体积A2或A3混凝土同时摊铺、碾压，其混凝土的类型相同不会产生象异种混凝土那样的微冷缝，从而进一步加强了大坝剖面上的整体性；（5）全断面碾压混凝土坝质量以完善的施工组织措施和严格的工序管理为保障，承包商在工序衔接，工艺操作上责任明确，操作规范化，为大坝混凝土质量提供保证措施，江垭大坝曾连续取到6m以上的混凝土芯样，*长的为7.2m，说明碾压混凝土的配合比设计和施工措施都是合理可行的；（6）碾压混凝土坝设计、施工在我国己取得了一定经验积累和工程运行验证，证明其是一种投资相对较低，施工进度快，工程质量有保障的值得在一定条件下推广的坝型。

　　（：19991019责任编辑陈小敏）