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1、第七讲 混凝土坝工程施工技术,1、混凝土工程施工技术的发展历程,近半年世纪以来，我国水工混凝土工程施工，从半机械化到机械化施工，经历了一段较长的过程。 50年代，从治理淮河开始，不少混凝土工程施工曾采用人工拌和混凝土和使用容量为0.4m3、0.8m3的小型拌和机，浇筑仓面采用“满堂”木排架，用手推车、卷扬机或扒杆式钢塔作为混凝土水平、垂直运输的主要手段，建成了像佛子岭、梅山、响洪甸、上犹江、古田等多座水电站。,到50年代后期，经过一些混凝土坝的施工实践，积累了一定的经验。开始用机械替代人工，如混凝土水平运输用内燃机车牵引立罐，垂直运输用起重量为10t门式起重机和塔式起重机。 70年代到80年代
2、中期，混凝土施工机械化程度进一步提高。葛洲坝工程规模巨大，坝体混凝土超过1000万m3，采用了较大容量拌和楼（31.5m3、43m3）、大型起重机械（25t塔机，60/30t高架门机），以及采用低热矿渣硅酸盐水泥和预冷混凝土工艺，夏季可生产7的低温混凝土，实现全年连续浇筑。1979年创造了浇筑混凝土203万m3的施工纪录。,乌江渡水电站是我国首座建在喀斯特峡谷地区的混凝土拱形重力坝，施工机械化程度较高。混凝土用半自动化拌和楼加冰拌和，水平运输用机车牵引6m3立罐，经3台20t缆机吊运入仓，用湿地推土机和振动捣，风砂枪处理施工缝面，基本实现了混凝土施工机械的配套。 80年代后期，我国相继兴建了一
3、批大中型水利水电工程，混凝土坝施工工艺日趋完善，工程质量逐步提高，筑坝技术逐渐成熟。水中、五强溪、二滩。三峡工程混凝土总量2715万m3，列于世界首位。 二滩、小浪底、三峡等大型工程混凝土施工的共同特点是综合机械化程度较高，并广泛采用新技术，反映出我国水电工程建设发展的最新水平。,2、混凝土生产,（1）材料 水泥：我国大坝混凝土大多采用中热硅酸盐水泥或低热矿渣酸盐水泥，有的工程还使用具有补偿收缩作用的微膨胀水泥。 砂石骨料：继乌江渡工程大规模生产以灰岩为料源的人工砂石料以后，大化、岩滩、天生桥二级、漫湾、隔河岩、五强溪、宝珠寺等大型水电工程均以人工砂石料作混凝土滑料，并形成了一套较较完整的工艺
4、流程。,二滩工程建成了包括分级生产人工砂和机械脱水的人工砂石料生产系统。三峡工程建成了目前世界上规模最大的月生产成品砂39万t、成品粗骨料76万t的人工砂石加工系统，采用了新型液压圆锥破碎机和立式冲击破碎机等先进的砂石生产设备。,掺合料：除广泛掺用优质粉煤灰外，有些工程掺用凝灰岩粉，拌制的混凝土具有弹性模量低、极限拉伸值大等特点。有的工程还使用磷矿渣作掺合料。 外加剂：目前，水工混凝土使用的外加剂品种较多，包括高效减水剂、引气剂和缓凝剂等。有的工程使用具有减水缓凝和引气作用的外加剂，取得了显著的技术、经济效益。,（2）拌和设备 经过多年的研究、开发，我国生产制造的混凝土拌和楼已形成了系列，拌和
5、机容量从2.01.0m3、31.0m3、21.5m3、31.5m3、23m3、33m3、43.0m3直至44.5m3。各种容量拌和楼都能适应“双掺”（掺外加剂、掺粉煤灰）和预冷混凝土生产的要求。 要预冷混凝土生产中，除采用片冰外，视温度控制要求，不少工程还采用冷水喷淋或风冷骨料，以及拌和楼料仓风冷等，夏季可控制混凝土出机温度在10以下。东江、东风、五强溪、二滩以及在建的三峡、龙滩工程夏季都按温度控制要求生产低温混凝土，做到全年连续施工。,3、混凝土运输,（1）水平运输 混凝土从拌和楼机口至混凝土入仓前的运输统称水平运输。目前运送混凝土的机具包括有轨、无轨运输设备以及胶带输送机。,（2）垂直运输
6、 混凝土垂直运输设备根据坝址地形、坝高、枢纽布置而定，常用方法为:（a）门式或塔式起重机。（b）缆索起重机：如乌江渡、东江、龙羊峡、水口、岩滩、漫湾、隔河岩、东风、五强溪、李家峡、二滩等工程。二滩工程为适应地形，采用辐射式爬坡缆机，大大减小缆机平台开挖工程量。（c）塔带机：如三峡泄洪坝段和左岸厂房坝段用6台塔带机，并辅以高架门机及塔机。,4、混凝土施工,(1)模板 近20年来，我国在水工混凝土工程施工中，推广采用了组合钢模板、滑动模板、半悬臂模板、悬臂模板、自升模板、滑框倒模等。 进入90年代，水口、东风、五强溪、二滩等工程全面应用悬臂模板，西北口工程混凝土面板坝首先采用无轨滑模、水口水电工程
7、升船机应用滑框倒模新工艺，模板安装、拆卸采用仓面吊车，表明了我国水工混凝土模板工程进入了工业模板新阶段。,(2)平仓与振捣 混凝土入仓后的摊铺，我国先后采用过平铺法、台阶法和通仓薄层浇筑等方法，浇筑层厚一般为50cm。 目前，大中型混凝土工程施工已逐步以机械化平仓代替人工操作。我国定型生产的YPZ-40型平仓振捣机，已用于实际工程中。 混凝土入仓后摊铺方式的选择取决于混凝土拌和能力、混凝土运输设备和坝体结构布置。通仓薄层浇筑可简化施工，具有一定优势，已在五强溪等工程中采用。 平仓、振捣是混凝土浇筑最重要的工序之一，采用平仓振捣机，可提高生产效率和混凝土浇筑质量，有时仍需辅以手持振捣器。,(3)
8、施工缝处理 水平施工缝多用高压水冲毛，压力可达50MPa。为保证层面的结合并简化施工，不少工程采用只在施工缝靠上游面46m范围内铺砂浆，并加大第一层混凝土的砂率，省去在全缝面铺砂浆的工序。(4)、接缝灌浆 接缝灌浆系统以往多采用灌浆盒的点出浆方式，70年代以后不少工程改用塑料拔管造孔的线出浆方式（如安徽陈村工程），更有利于保证接缝灌浆质量，且可节省灌浆钢管。90年代兴建的二滩高拱坝只在灌浆区底部设出浆槽的面出浆，简化了施工，但缝面在灌浆时阻力较大，仍有待改进。,5、加快混凝土工程施工的途径,（1）简化坝体结构，合理布置附属建筑物 合理设计混凝土工程的结构，简化形体，缩小体积；附属建筑物的孔洞等
9、布置，尽量集中或布置在坝体外，从而有利于机械化施工。 （2）改进施工技术（a）用系统工程理论，网络计划方法，寻求最优施工方案和最便捷工作路线。（b）简化水平施工缝处理，改变施工缝上满铺水泥砂浆的施工方法，只对靠上游面一定距离（38m）采用冲毛、铺砂浆的工序，其他部分只冲毛、不铺砂浆。,（c）通仓薄层浇筑。坝体不分纵缝，而只分横缝，层厚为12m。 （d）采取综合温度控制措施，防止混凝土裂缝，实现全年连续施工。综合温度控制措施包括：采用中热或低热水泥，加掺合料和外加剂以减少水泥用量，预冷骨料，加冰拌和生产低温混凝土，预埋冷却水管进行坝内冷却，及时养护，做好表面保护等。 （e）混凝土工程施工机械合理
10、选配套，做到连续、均衡、高效生产。,(3)发展新材料，应用新设备 在混凝土原材料方面，除采用中热或低热水泥外，还采用微膨胀水泥、高效减水剂、优质粉煤灰等以及新型保温材料。在新设备方面，采用连续供料的自动化拌和楼，使用轨式、胎式侧卸混凝土料罐车；能水平、垂直运送混凝土的塔带机和胎带机；大容量、大跨度、快速提升的缆式起重机和高架门机；以及平仓、振捣、冲毛、拆装模板的专用机械。(4)运用先进的管理方法 目前，我国的混凝土坝施工技术水平和管理水平得到了显著提高，施工速度明显加快。,6、混凝土工程的温度控制,大体积混凝土自浇筑时开始，就要经受外界环境温度和自身水化热的作用，使混凝土中任一点的位移和变形不
11、断地变化，当其受到外部和内部的约束时，就产生了应力。 当应力超过了混凝土的极限强度，或其应变超过了混凝土的极限拉伸值，由混凝土构成的建筑物就要产生裂缝。 裂缝发展到严重程度，建筑物承载能力将被削弱甚至破坏。几十年来如何防止裂缝一直是工程技术界所关注的一个重大课题。,6.1 大体积混凝土结构的特点,（1）混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的110左右；拉伸变形能力也很小，短期加载时的极限拉伸变形只有60-100，约相当于温度降低6-10的变形；长期加载时的极限拉伸变形也只有120-200。,(2)大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水泥的水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹
12、性模量很小，徐变较大，升温引起的压应力并不大；但在日后温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。,(3)大体积混凝土通常是暴露在外面的表面与空气或水接触，一年四季中气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。,(4)大体积混凝土结构通常是不配钢筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量钢筋，与结构的巨大断面相比，含钢率是极低的。在钢筋混凝土结构中，拉应力主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力。在大体积混凝土结构内，由于没有配置钢筋，如果出现了拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。,在大体积混凝土结构的设计中，通常要求不出现拉应力(如重力坝的设计)或者只出现
13、很小的拉应力，对于自重、水压力等外荷载，要做到这点一般并不困难。在施工过程中和运行期间，在大体积混凝土结构中往往会由于温度的变化而产生很大的拉应力，要把这种温度变化所引起的拉应力限制在允许范围以内是颇不容易的。,在早期升温阶段，杆内产生了压应力，但因早期混凝土弹性模量比较小，松弛系数也比较小，因此压应力的数值不大；到了后期降温阶段，混凝土弹性模量较大，松弛系数也较大，单位温差产生的应力增量比较大，因此，随着杆内温度的逐步降低，不但早期压应力被抵消了，而且在杆内还会产生很大的剩余拉应力。当温度变幅达到1220时，对于受到完全约束的混凝土，后期产生的拉应力足以使混凝土被拉断。混凝土结构温度应力：混
14、凝土的弹性模量是随着龄期而变化的；混凝土徐变的影响。,工程教训,丹江口重力坝早期的严重裂缝。60年代初建成的柘溪单支墩大头坝，由于施工期大头部迎水面的表面裂缝在蓄水后发展成为劈头裂缝，曾在相当长时期内，水库限制水位运行，影响电站效益的充分发挥，后经加固处理，才恢复正常运行。辽宁桓仁水电站因裂缝过多，不得不降低了坝高并缩小电站规模。辽宁省的葠窝水库重力坝，由于施工时末满足设计要求的温控标准，变分缝浇筑为通仓浇筑，混凝土内部最高温度竞高达4050，虽采用了小屯内含MgO膨胀性水泥，当坝体温度降至2025时，23号坝段产生了平行坝轴线方向的大裂缝，并发展至接近下游面，破坏了大坝的整体性，不得不限制水
15、库蓄水，进行加固处理后才得以正常运行。,混凝土的抗压强度和抗压极限压缩变形一般较高，但其抗拉强度和极限拉伸值很低，抗拉强度约为其抗压强度的1/81/20。一般200号混凝土28天龄期的极限拉伸值极少超过1010-4。因此防止大体积素混凝土或少筋混凝土结构产生裂缝，不是轻而易举的事。为避免危害性裂缝的产生，既要在结构上精心设计，又要优选混凝土原材料和配合比，并在施工全过程中加强温度控制，必须付出必要的代价。若忽视了预防裂缝，一旦产生危害性裂缝，为了恢复结构的整体性、抗渗性、耐久性，用于加固工程的费用往往超过温控防裂的费用，因此应以预防为主。,结构混凝土本身抗裂能力的大小，直接决定结构混凝土的裂缝
16、机率和需要采取的温控措施，所以如何提高混凝土的抗裂能力，一直是从事大坝温度控制的设计、施工、科研人员非常关注的问题。结构混凝土裂缝问题，可简单地认为是混凝土的抗裂能力与破坏力之间的关系问题。混凝土的抗裂能力一般可以表示为混凝土的弹性模量和极限拉伸值的乘积。单从混凝土本身的抗裂能力来讲，自然要求其弹性模量高和极限拉伸值大于是最简单情况是采用高标号混凝土。但是从结构混凝土的破坏力来说，一般包括荷载(静、动荷载)引起的应力、温度徐变应力、自生体积变形徐变应力、干缩徐变应力等，破坏力除了荷载应力外，都与结构混凝土本身的性能有关。不难理解，结构混凝土的本身性能既决定了本身的抗裂能力，又一定程度地决定了破
17、坏力，因此精心地选择混凝土原材料、合理设计混凝土的配合比，对大体积混凝土的温度控制设计十分重要，应进行全面的技术经济比较。,6.1 温度控制及防裂设计,混凝土的自生体积变形 混凝土仅由于水泥水化所产生的与荷载和温度、湿度变化无关的变形，称为自生体积变形。据国内外混凝土坝内无应力计实测的大量结果，自生体积变形有收缩也有膨胀。混凝土的徐变大体积水工混凝土内部湿度基本上是饱和的，混凝土早龄期加荷的徐变度大于晚龄期加荷的徐变度。我国大坝混凝土一般均掺用粉煤灰，掺量约为2540。试验表明，在大量掺用粉煤灰的混凝土中，其受拉徐变不同于受压徐变，一般情况下前者小于后者。,按允许变形进行温度控制设计时，有：式
18、中，Tp-浇筑温度；Tf-稳定温度； Tr-水化热温升；-泊松比-线膨胀系数；A1-均匀温差约束系数；A2-不均匀温差约束系数；K-安全系数；Kp-松弛系数；Kr-考虑早期升温的应力折减系数一般可取0.8-0.85；0-自身体积变形；1-极限拉应变；-考虑混凝土随龄期发展的折减系数，若膨胀发生在早期（如低热膨胀水泥），其值取0.05-0.10；若晚龄期膨胀占相当比例，可取0.5-0.7.,6.2 温度控制标准,在70年代以前，我国虽已建成不少混凝土坝，但还没有统一的温度控制标准，一般都是由设计单位根据国内外建坝经验自行制定，并由其主管部门进行审定。经过多年实践和大量的调查研究工作，1978年颁
19、发了SDJ2178混凝土重力坝设计规范，以后又颁发了别SD14585混凝土拱坝设计规范、DL/T51122000 水工碾压混凝土施工规范等，明确了温度控制标准。几个重要指标如下：,(1)基础允许温差标准见表2310。采用此表的前提条件是：基础混凝土28d龄期的极限拉伸值不低于0.85x10-4；施工质量均匀、良好；基础与混凝土的弹性模量相近；施工时短间歇均匀上升；浇筑块尺寸高宽比不小于0.5等。不符合以上条件者，须另行研究。,(2)上下层温差标准。允许温差为1520，在老混凝土面停歇大于28d时考虑。 (3)表面保护标准。基础混凝土、上游坝面及其他重要部位的混凝土，当其龄期不满28d，遭遇日平
20、均气温在24d内连续下降69的气温骤降时，应有表面保护措施。严寒地区另行研究。 (4)相邻块高差标淮，不超过1012m。 (5)混凝土的浇筑温度除符合温度应力要求外 保证混凝土不结冰。,6.3 混凝土防裂措施,实践经验表明，混凝土坝的裂缝通常都是综合因素造成的，所以防止裂缝必须采取综合措施，必须从结构设计、混凝土原材料优选、配合比设计到施工方法和工艺，以及混凝土的养护和表面保护等各个环节加强温控防裂，努力提高结构物自身的抗裂能力；另一方面要尽可能减小混凝土结构中的应力，使之与混凝土的抗裂能力相适应，达到既安全又经济的目的。 为防止混凝土坝产生贯穿性裂缝，并尽量减少表面裂缝，据近五十年的实践经验
21、，必须从结构、材料、施工各方面采取措施：,（1）防止混凝土裂缝在结构方面的措施 (a)选择合理的结构型式 实践经验表明，现有的混凝土结构裂缝，绝大多数与温度应力有关，因而结构型式选择恰当，就可能减小温度应力，从而减少裂缝。 (b)适当的分缝分层 国内外大坝建设经验证明，将大体积混凝土分成较小的块体，在施工时可有效地减少裂缝。基础温差中的均匀温差TpTf产生的应力虽与浇筑块长度无关，但不均匀温差Tr与浇筑块长度有关。,（C）配置钢筋钢筋的存在，会阻止干缩变形，导致干缩应力的产生，因此不能用钢筋来防止干缩裂缝。在常温和允许应力状态下，当混凝土达到极限变形时，混凝土中的应力仅为20MPa，因此用钢筋
22、防裂是极不经济的。 但在长期暴露的混凝土表面或溢流面配置适当数量的钢筋网，可防止贯穿性或深层裂缝的产生。,（2）材料方面措施 上式中，Tf 、和K可认为是不变量，因此从材料角度，应采取： 1（极限拉应变）大的混凝土；徐变大的混凝土，Kp小；热膨胀系数（）小的骨料（灰岩）；较低的浇筑温度；较低的水化热温升；自身体积膨胀（0）较大的膨胀水泥，不用收缩性水泥；Ec/Er比值大的混凝土，以减少基础约束系数（A1,A2）, Er为基础弹模。,（3）施工方面措施 降低浇筑温度：有加冰、冷水拌和、预冷骨料和后冷混凝土等； 减少水化热温升：包括薄层浇筑、控制间歇期、一期冷却等； 调节混凝土的温度分布：缩短表面
23、暴露时间、表面保护、内部水管冷却等。,7碾压混凝土施工技术,我国碾压混凝土坝的技术特点，主要表面在以下几个方面：（1）坝高超过100m的碾压混凝土重力坝已建成3座。（2）在倒悬面施工、分缝、并缝、温控及防渗方面都积累了不少经验。,（3）我国幅员辽阔，气候条件差别很大，无论在亚热带、北方寒冷地区都有碾压混凝土工程。采用的材料、结构和施工方法各有特色。试验证明，碾压混凝土若掺用引气剂，其抗冻性有较大提高。适应高温施工的碾压混凝土外加剂的研究应用也取得了初步成果。,（4）高掺粉煤灰可节约水泥，同时降低水化热，简化温控措施，便利施工。对用于碾压混凝土的水泥、砂石骨料以及外加剂也做了不少探索，积累了相当丰富的经验。（5）在施工中，拌和、运输、摊铺、压实用的设备和养护也都积累了许多经验，逐步形成一套成熟的方法。,（6）大江大河的导流工程中采用碾压混凝土围堰优越性显著，施工速度快，经验合理。如三峡、水口工程的纵向围堰。岩滩、隔河岩、五强溪，大朝山工程横向围堰，汛期均允许过水。（7）探索多种上游面防渗技术，包括常态混凝土、沥青砂浆、钢筋混凝土面板、预制混凝土模板勾缝、PVC塑料薄膜和二级配碾压混凝土防渗层。其中以二级配碾压混凝土防渗层全断面碾压最为经济可靠。,
