艾克明

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 長(zhǎng)沙市 410007）

碾壓混凝土筑壩是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，是筑壩技術(shù)上的一個(gè)重大創(chuàng)新，它具有施工速度快、工期短、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)將早期三個(gè)代表性工程簡(jiǎn)介如下。

1 三個(gè)代表性工程[1]

1.1 日本的島地川壩

1977～1980年日本修建了世界上第一座碾壓混凝土壩——島地川（圖1）。該壩高89m，頂長(zhǎng)240m，體積322萬(wàn)m3。壩體采用“金包銀”形式，即壩體內(nèi)部采用碾壓混凝土填筑（水泥用量84kg/m3～91kg/m3；粉煤灰用量36kg/m3～ 39kg/m3），外部包圍（2～3）m厚的常規(guī)混凝土（VCC）。此種“金包銀”式的碾壓混凝土壩習(xí)稱(chēng)RCD壩，島地川壩的壩體未設(shè)縱縫，橫縫按VCC方法按15m設(shè)置。鄰近上游面，橫縫內(nèi)設(shè)二道金屬片止水，止水片后設(shè)排水井。層面做了加鋪水泥砂漿層處理。經(jīng)大口徑壓水試驗(yàn)，滲透系數(shù)K=（1.47～2.76）×10-5cm/s。工程于1982年建成投產(chǎn)，未發(fā)現(xiàn)上、下游貫穿性裂縫，滲漏量可忽略不計(jì)，工程運(yùn)行良好。

1.2 美國(guó)的兩座RCC壩

繼日本之后，美國(guó)于20世紀(jì)80年代修建了12座碾壓混凝土壩，基本采用全斷面碾壓方式施工，習(xí)稱(chēng)RCC壩。

（1）柳溪RCC壩（圖2）。

圖1 島地川壩結(jié)構(gòu)

圖2 柳溪RCC壩結(jié)構(gòu)

美國(guó)修建的第一座全斷面碾壓混凝土壩是柳溪壩，這也是世界上第一座全斷面碾壓混凝土壩，該壩由美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)設(shè)計(jì)和修建。壩高52m，頂長(zhǎng)543m，體積33.1萬(wàn)m3。壩體填筑從1982年4月開(kāi)始，9月中旬完成，歷時(shí)4個(gè)多月，工期為堆石壩的1/3，造價(jià)為其一半。柳溪壩的主要技術(shù)特征是大壩混凝土的主要部分為內(nèi)部貧混凝土，要求具有最低的水泥水化熱和足夠的抗剪強(qiáng)度。因此水泥用量降低到47kg/m3，粉煤灰用量為19kg/m3。壩體的上、下游面及溢洪道均為富膠凝材料碾壓混凝土，厚（2～3）m，全斷面碾壓。其抗壓強(qiáng)度90d為7.3MPa，抗拉強(qiáng)度365d為0.51MPa，壩體大口徑鉆孔壓水試驗(yàn)獲得滲透系數(shù)K=（10-3～10-5）cm/s，重度為2466kg/m3，絕熱溫升為11.78℃。柳溪壩的上游面采用非粘合的預(yù)制常規(guī)混凝土企口模板，板后為水泥用量較高的碾壓混凝土，一直澆筑到廊道為止，廊道下游為貧水泥碾壓混凝土。層面未鋪砂漿處理，整個(gè)壩體未分縱縫和橫縫。1983年春蓄水后，隨即在排水廊道和下游面出現(xiàn)了滲水，其量為170L/s，兩個(gè)月后減至150L/s，為此用純水泥漿對(duì)壩體進(jìn)行了灌漿處理，1年半后滲水量減至13.8L/s。

（2）上靜水RCC壩（圖3）。

圖3 上靜水RCC壩結(jié)構(gòu)

1987年6月，由美國(guó)墾務(wù)局設(shè)計(jì)建成了上靜水壩，該壩高87m，頂長(zhǎng)825m，壩體未設(shè)縱縫和橫縫，壩體體積113萬(wàn)m3。RCC澆筑用10個(gè)月完成，這是美國(guó)繼柳溪壩之后設(shè)計(jì)建成的另類(lèi)碾壓混土壩。它吸取了柳溪壩層面結(jié)合不良、膠凝材料用量過(guò)低的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用了高膠凝材料筑壩，其水泥用量為（79.5～92）kg/m3，粉煤灰用量為（172.7～203.5）kg/m3，這種高膠凝材料的RCC提高了抗拉、抗剪強(qiáng)度和密實(shí)性。其抗壓強(qiáng)度為 （21.1～24.8）MPa（90d），重度為2339kg/m3，絕熱溫升為 （28d）18.08℃～ 25.28℃。壩體下游坡為1∶0.6，相對(duì)于常規(guī)VCC重力壩減少了壩體體積。上靜水壩的上、下游面采用水平滑模澆筑厚0.6m的常規(guī)混凝土護(hù)面層防滲，下接碾壓混凝土壩體。工程蓄水后，發(fā)現(xiàn)了12條上、下游貫穿壩體的橫向裂縫，平均縫距75m。

2 三種不同設(shè)計(jì)思路[2]

島地川壩、柳溪壩和上靜水壩同是20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)建成的碾壓混凝土壩，在設(shè)計(jì)思想上各具特色，代表了三種不同的RCC壩設(shè)計(jì)方法，它們的不同點(diǎn)不僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，同時(shí)還在RCC的配合比上。

（1）島地川壩。防滲由上游厚3m的常規(guī)混凝土和碾壓混凝土壩體承擔(dān)，另外該壩較高，要求壩體混凝土具有較高的抗剪抗拉力學(xué)指標(biāo)，因此采用了富膠凝材料筑壩，在富膠凝材料中水泥用量較大，為防止?jié)仓^(guò)程中出現(xiàn)“冷縫”，影響壩體的防滲性能，因而要求對(duì)層面進(jìn)行處理。另外，為防止水泥水化熱造成壩體裂縫，按常規(guī)混凝土壩的技術(shù)要求，對(duì)壩體設(shè)置了橫縫。以上設(shè)計(jì)思想明確，技術(shù)處理得當(dāng)，因而工程建成投產(chǎn)后，運(yùn)行正常。此種RCC壩設(shè)計(jì)施工方法在日本一直延續(xù)到現(xiàn)在。

（2）柳溪壩。富膠凝材料筑壩固然防滲性能好和力學(xué)指標(biāo)較高，但施工工藝要求高，時(shí)間上和經(jīng)濟(jì)上對(duì)于只有中等壩高（52m）的柳溪壩不盡合算，因此美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)采用了貧水泥干硬性碾壓混凝土筑壩，以使其工藝上變得更經(jīng)濟(jì)。壩的防滲由上游厚3m的富膠凝材料RCC和壩體承擔(dān)。由于采用貧水泥筑壩，初凝時(shí)間較長(zhǎng)，水泥水化熱低，因而壩體填筑時(shí)未做層面處理，壩體也未設(shè)縱縫和橫縫。工程蓄水后發(fā)現(xiàn)壩體滲漏，這就迫使設(shè)計(jì)者們?cè)诖祟?lèi)工程的設(shè)計(jì)中研究了多種上游壩面防滲結(jié)構(gòu)，包括預(yù)制混凝土面板外襯或外噴膜料等多種型式。20世紀(jì)80年代在美國(guó)采用貧水泥碾壓混凝土施工建成的中等壩高工程列舉見(jiàn)附表。

附表 美國(guó)20世紀(jì)80年代部分RCC壩一覽表

（3）上靜水壩。上靜水壩壩高87m，與島地川壩接近，屬高壩。美國(guó)墾務(wù)局采用了高膠凝材料筑壩，以達(dá)到提高RCC壩體的防滲性能和使層面具有較高抗拉、抗剪指標(biāo)的目的。壩體未設(shè)縱縫和橫縫，施工鋪筑時(shí)也未做層面處理。工程蓄水后發(fā)現(xiàn)12條貫穿壩體上、下游的橫向裂縫，這就提醒工程師們?cè)谕蟮脑O(shè)計(jì)中設(shè)置橫縫，美國(guó)第一座設(shè)置橫縫的工程是大鹿溪壩（ELKCreek）。在壩頂長(zhǎng)786m的壩體上設(shè)置了10條橫縫，最大縫距91m（平均73m），在靠近上游面的橫縫里設(shè)二道止水，止水后設(shè)排水井，在另一座奎爾溪南壩上采用了較小的橫縫距14.6 m，使壩體裂縫的擴(kuò)展得到了有效控制，1990年以來(lái)美國(guó)修的RCC壩中約有50%設(shè)置了橫縫，縫距在上述兩壩縫距之間。

3 幾點(diǎn)啟示

（1）碾壓混凝土壩早期三個(gè)有代表性工程的設(shè)計(jì)思想有些差異，但其實(shí)踐結(jié)果共同表明，施工速度是很快的，其費(fèi)用比其它壩型省，相對(duì)于傳統(tǒng)的重力壩是重大創(chuàng)新。

（2）三個(gè)工程的運(yùn)行整體上是成功的，但有的也不十分完美，正是這些不完美之處推動(dòng)了RCC壩不斷向前發(fā)展.如柳溪壩的壩體滲漏，警示人們對(duì)于貧水泥碾壓混凝土壩必須采取壩面防滲措施，上靜水壩出現(xiàn)的貫穿壩體的12條橫向裂縫，警示人們對(duì)于富膠凝材料筑壩應(yīng)考慮對(duì)壩體設(shè)置橫縫。

（3）低膠凝材料筑壩，其力學(xué)指標(biāo)和防滲性能不及富膠凝材料，但其水泥水化熱低，初凝時(shí)間較長(zhǎng)，施工工藝較簡(jiǎn)單，比較適用于中等及中等以下壩高。但事物是發(fā)展的，20世紀(jì)90年代出現(xiàn)了斷面對(duì)稱(chēng)面板硬填方壩（FSHD），由此借鑒低膠凝材料筑壩技術(shù)，可能是發(fā)展FSHD壩的一個(gè)方向，如土耳其2002年開(kāi)始，已設(shè)計(jì)和施工兩座100m以上FSHD壩（Cindere&Oyuk），就是一個(gè)良好的例證[3]。因?yàn)橥粔胃邨l件下，F(xiàn)SHD壩壩體和建基面的受力條件都優(yōu)于傳統(tǒng)的重力壩，對(duì)于基礎(chǔ)條件較軟弱的地方、強(qiáng)地震區(qū)和缺少防滲材料的地區(qū)，尤其有它的優(yōu)勢(shì)。

（4）根據(jù)島地川和上靜水等高壩的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于中等以上的高壩，基于防滲性能和抗剪抗拉指標(biāo)的要求，選取富膠凝材料筑壩是很自然的，但壩體上游面和壩體的防滲、橫縫設(shè)置和裂縫控制、以及層面抗剪強(qiáng)度的控制等一系列技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)工程具體情況慎重處理，在滿(mǎn)足力學(xué)指標(biāo)和防滲性能的前提下，盡量降低膠凝材料特別是水泥用量是大家所期望的。如我國(guó)江埡全斷面碾壓混凝土壩，壩高131m壩頂全長(zhǎng)368m，設(shè)12條橫縫，縫距（14.5～35）m，未設(shè)縱縫，最大倉(cāng)面3755m2。初凝前覆蓋上一層RCC時(shí)，層面不做處理。經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)研究和計(jì)算分析論證，采用A1區(qū)（上游防滲區(qū)，C20）水泥用量84kg/m3，粉煤灰用量103kg/m3；A2區(qū) （壩體區(qū)，C10）水泥用量65 kg/m3，粉煤灰用量98kg/m3屬中等膠凝材料壩。江埡全斷面碾壓混凝土壩，在同類(lèi)壩型中是世界最高的。自1999年投產(chǎn)運(yùn)行以來(lái)一直正常，說(shuō)明它在繼承和發(fā)展碾壓混凝土筑壩技術(shù)上是一個(gè)良好范例[4]。

1 許百立，等.水利水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)綜述(水工)[M].北京：電子科技大學(xué)出版社，1993.

2 Kenneth Hansen.Diverging ViewsonRCC[J].WaterPower&Dam Construction，1996，48（8）.

3 S.Matmaz，etc.Design of the 100 in-high OyukHard fill Dam[J].International Journalon Hydropower&Dams，2003，10.

4 劉紅運(yùn).江埡水庫(kù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.