[德國]
B.施塔貝爾 等
張國新 楊會臣 馬貴生 譯
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碾壓混凝土拱壩施工新技術(shù)
[德國]
B.施塔貝爾 等
摘要:目前碾壓混凝土重力壩技術(shù)已廣泛應(yīng)用于世界各地,但在壩工界,用于拱壩填筑仍是一項復(fù)雜而艱巨的任務(wù)。在過去30 a里,通過基礎(chǔ)研究、試驗和實踐,大壩建設(shè)者成功探索出碾壓混凝土拱壩填筑的新方法,開發(fā)出的多項創(chuàng)新技術(shù)已成功應(yīng)用于碾壓混凝土拱壩工程建設(shè)中?;仡櫫私陙砟雺夯炷凉皦翁钪夹g(shù)的發(fā)展,從拱結(jié)構(gòu)和性能方面對比了碾壓混凝土拱壩和傳統(tǒng)混凝土拱壩的不同特性,總結(jié)出碾壓混凝土拱壩建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)和施工程序。以巴基斯坦高133 m的高瑪贊碾壓混凝土拱壩為例,討論了包括橫向收縮縫的設(shè)置和灌漿、碾壓混凝土壩的后冷卻、 壩肩陡坡碾壓混凝土的澆筑等關(guān)鍵技術(shù),這些技術(shù)在碾壓混凝土拱壩建設(shè)中是必不可少的。
關(guān)鍵詞:碾壓混凝土;碾壓混凝土拱壩;收縮縫;橫向縫灌漿;混凝土冷卻
在世界范圍內(nèi),碾壓混凝土(RCC)在大壩修建方面的應(yīng)用正飛速增長,但主要用于修建重力壩,而修建拱壩(包括重力拱壩)仍然面臨挑戰(zhàn)。截止2013年底,全世界建成的637座RCC壩中,只有35座是拱壩,這主要是由RCC材料的固有性質(zhì)、施工方法和環(huán)境條件決定的。除了常規(guī)拱壩的基本要求以外,RCC拱壩還需要特殊的工藝和施工方法。
30 a以來,研究設(shè)計人員和承包商都在積極探索RCC拱壩澆筑方法,通過不懈努力、創(chuàng)新與合作,解決了許多問題,開發(fā)出許多新技術(shù)和施工方法,新技術(shù)如雨后春筍般涌現(xiàn)。隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新,RCC拱壩將拓展大壩建設(shè)的新前景,并開啟了大壩建設(shè)的新紀元。
1RCC拱壩發(fā)展
RCC技術(shù)在拱壩建設(shè)方面的應(yīng)用和發(fā)展可追溯到20世紀80年代,盡管當(dāng)時RCC重力壩的發(fā)展尚處于初級階段,但一經(jīng)問世便受到廣泛關(guān)注,其施工技術(shù)也在不斷推陳出新。第1座RCC拱壩為重力壩,于20世紀80年代末誕生于南非,高70 m的沃維丹斯(Wolwedans)壩和50 m高的克涅布特(Knellpoort)壩是RCC重力拱壩建設(shè)的先驅(qū)。
此后,一些國家和組織也對RCC拱壩進行了技術(shù)研發(fā)。巴基斯坦高133 m的高瑪贊(Gomal Zam)和老撾高99 m的南俄5(Nam Ngum 5) RCC重力拱壩就是實例。另外,2013年底完工的波圖格斯(Portugues)RCC拱壩也是一個重要里程碑,標(biāo)志著RCC技術(shù)進入美國拱壩領(lǐng)域。
這些研究與實踐深化了人們對RCC材料性能和RCC拱壩特性的理解,促進了技術(shù)創(chuàng)新和施工方法的革新,大壩業(yè)主也漸漸認識到這種壩型的優(yōu)勢。迄今為止,RCC已應(yīng)用于包括重力拱壩和雙曲薄拱壩等所有類型的拱壩中。
2RCC拱壩特性
拱壩是呈拱形彎曲的壩,利用拱效應(yīng)和壩體材料強度來支撐作用于其上的荷載。拱壩最適合也最常修建于狹窄陡峭的峽谷,要求有穩(wěn)定的巖體來支撐上部結(jié)構(gòu)和傳下來的應(yīng)力。拱壩的拱效應(yīng)將荷載傳至壩基和壩肩,因此要求拱壩壩體結(jié)構(gòu)的完整性要好。
傳統(tǒng)混凝土拱壩通常分段修建,水庫初次蓄水前,需對壩段間的收縮縫進行灌漿,為此,需要使用后冷卻技術(shù),將壩段冷卻至最終穩(wěn)定溫度。灌漿后,壩段相互結(jié)合成為整體結(jié)構(gòu),獲得必要的拱效應(yīng)。冷卻和灌漿的另一作用是迫使兩側(cè)壩端與峽谷巖壁緊密接觸。
RCC拱壩在原理上類似于傳統(tǒng)混凝土拱壩,不同之處是施工方法。RCC拱壩作為一個單一整體結(jié)構(gòu)而建設(shè),即壩頂以大概一致的速度加高,而不是分段加高。與RCC施工技術(shù)一樣,收縮縫和接縫灌漿的設(shè)計和施工以及大壩后冷卻技術(shù)也需要研發(fā)和應(yīng)用。此外,由于施工差異,RCC拱壩與傳統(tǒng)混凝土拱壩的應(yīng)力分布也不同。
對于只有誘導(dǎo)縫的RCC拱壩,在誘導(dǎo)縫開啟前不會進行灌漿,因此后冷卻系統(tǒng)并非絕對必要。由于這種RCC拱壩均勻升高,沒有明顯的收縮縫,隨著施工的進程,拱不斷升高,最終達到壩頂高程,拱效應(yīng)從一開始就在發(fā)揮作用,且混凝土的強度和彈性模量都會隨著時間而發(fā)展,拱效應(yīng)也會增長。
對于有傳統(tǒng)全橫向收縮縫的RCC拱壩,收縮縫條件分兩種情況:
(1) 收縮縫起始高程以下的壩體,拱效應(yīng)在施工過程中就已形成,與設(shè)誘導(dǎo)縫且誘導(dǎo)縫開啟前相同,如前文所述。
(2) 收縮縫起始高程以上的壩體,在RCC填筑時先形成拱并獲得拱效應(yīng),但在水庫蓄水前,通過后冷卻技術(shù)使壩體冷卻至最終恒溫時,收縮縫張開,最初形成的拱效應(yīng)隨之消失。只有在對收縮縫進行灌漿后,整個大壩的拱效應(yīng)才重新形成,之后RCC拱壩收縮縫的工作原理與傳統(tǒng)混凝土拱壩無異。然而,RCC拱壩收縮縫的形成、灌漿系統(tǒng)以及后冷卻系統(tǒng)與傳統(tǒng)混凝土拱壩完全不同,由于RCC使用推土機和振動壓路機快速施工、薄層澆筑,這些工作必須與RCC澆筑同步進行。
由于RCC拱壩的施工步驟和拱形成機制,混凝土溫度變化和自體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力會殘留在壩體內(nèi),并在壩體中不斷積累,而混凝土自重產(chǎn)生的應(yīng)力并非線性分布。拱壩中的剩余應(yīng)力與鋼結(jié)構(gòu)焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力有些類似。因此,必須進行詳細的有限元分析,模擬逐層施工的全過程,才能正確評估RCC拱壩中的應(yīng)力。由于拱壩依靠拱效應(yīng)和壩體材料的強度來承擔(dān)負荷,拱壩的應(yīng)力水平通常高于重力壩,因此常需要高強度的RCC,這就導(dǎo)致水泥含量較高。此外,在壩肩陡坡上澆筑RCC混合料也是一項艱巨的任務(wù)。為克服這一困難,人們已在RCC拱壩的施工過程中開發(fā)出各種施工方法。
實際上,RCC拱壩與傳統(tǒng)混凝土拱壩在性能和運行方面具有相同的優(yōu)點,如果地形地質(zhì)條件允許,RCC拱壩往往優(yōu)于重力壩和傳統(tǒng)混凝土拱壩。首先,拱壩所用的混凝土體積遠遠小于重力壩,其次RCC施工通??煊趥鹘y(tǒng)混凝土澆筑。這就決定了RCC拱壩可在1~2個低溫季節(jié)完成施工,施工快、工時短,還能簡化導(dǎo)流工程,使項目更早投產(chǎn)。這些因素均能顯著降低項目成本。
3收縮縫形成技術(shù)
3.1橫向收縮縫的類型和間隔
與RCC重力壩不同,RCC拱壩橫向收縮縫的 形成需要與施工步驟和所使用的灌漿系統(tǒng)一同考慮和設(shè)置。收縮縫技術(shù)多種多樣,對收縮縫的類型和設(shè)置技術(shù)已進行過深入研究,并成功應(yīng)用于RCC拱壩建設(shè)中。技術(shù)總結(jié)如下:誘導(dǎo)橫向收縮縫、傳統(tǒng)橫向收縮縫、短結(jié)構(gòu)縫和鉸鏈縫。其中,誘導(dǎo)橫向收縮縫和傳統(tǒng)橫向收縮縫最常用于RCC拱壩,即可單設(shè)一種,也可二者相結(jié)合設(shè)置。下文將詳細討論這兩種收縮縫。
眾所周知,拱壩容易受不規(guī)則裂縫的損害。無灌漿的橫向收縮縫可能會破壞拱結(jié)構(gòu)的整體性,削弱拱效應(yīng)的發(fā)揮,進而影響大壩穩(wěn)定性。因此,在RCC拱壩設(shè)計和施工中,控制裂縫的發(fā)生是首要任務(wù)。橫向收縮縫是人為安置在壩體中的可控裂縫,旨在防止不規(guī)則裂縫的產(chǎn)生。
研究和經(jīng)驗表明,混凝土溫度變化和自身體積變化產(chǎn)生的應(yīng)力是收縮縫布置和類型選擇中的關(guān)鍵因素。當(dāng)壩高不超過70 m的RCC拱壩不布置傳統(tǒng)收縮縫時,此類應(yīng)力不會影響其穩(wěn)定性;但當(dāng)壩高超過70 m時,為避免超應(yīng)力現(xiàn)象的發(fā)生,應(yīng)布置傳統(tǒng)收縮縫或者使之與誘導(dǎo)縫結(jié)合布置,以確保壩體的整體性。
原則上,為降低施工成本,RCC拱壩的橫向收縮縫數(shù)量應(yīng)控制為最少,距離建基面的起始高程應(yīng)盡量高,因為收縮縫的施工會與RCC施工相干擾。換言之,橫向收縮縫的間距應(yīng)盡可能大,無橫向收縮縫的壩體下部應(yīng)盡可能填筑得高一點。因此,RCC填筑應(yīng)安排在低溫季節(jié)開始,從而增加建基面上無收縮縫壩體的高度。
應(yīng)通過詳細的壩體熱力學(xué)分析之后分別確定收縮縫的間距和起始高程,對已建RCC拱壩調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)收縮縫和傳統(tǒng)收縮縫的間距分別為10~40 m和30~70 m。值得注意的是,收縮縫間距常根據(jù)溫控措施、施工程序和規(guī)定的施工進度進行調(diào)整。此外,RCC拱壩不需要設(shè)置縱縫。
3.2誘導(dǎo)橫向收縮縫
誘導(dǎo)縫的定義是,在預(yù)定的位置設(shè)置防黏結(jié)材料而形成的弱面,可減少壩體的有效橫截面面積。與周圍混凝土相比而言,沿該弱面的抗拉強度明顯低很多,當(dāng)拉應(yīng)力超過弱面混凝土抗拉強度時,沿弱面將出現(xiàn)裂縫。在弱面被拉斷之前,含有弱面的混凝土結(jié)構(gòu)可照常傳遞力。一旦弱面張開,其他壩體混凝土中的應(yīng)力得到釋放,從而避免形成不規(guī)則裂縫。
經(jīng)驗表明,誘導(dǎo)縫應(yīng)布置在拉應(yīng)力較集中的區(qū)域,在這些區(qū)域內(nèi)如果不設(shè)置誘導(dǎo)縫釋放應(yīng)力,則可能出現(xiàn)裂縫。一般而言,誘導(dǎo)縫處的橫截面應(yīng)比全截面面積縮小約1/6至1/3。在RCC拱壩的發(fā)展歷程中,開發(fā)出了多種誘導(dǎo)縫施工工藝。
在沃維丹斯RCC重力拱壩中,設(shè)置了誘導(dǎo)縫,灌漿管、回漿管由高密度聚乙烯片材和管材制成,如圖1所示。一個灌漿艙包含8層厚25 cm的RCC,其中3層設(shè)置有誘導(dǎo)縫,垂直間隔為50 cm(2層)。灌漿系統(tǒng)布置在下面兩層誘導(dǎo)縫下端。在上游和下游飾面混凝土中,在聚氯乙烯止水帶兩側(cè)布置寬150 mm、厚2 mm的高密度聚乙烯片材,確保誘導(dǎo)縫可穿過止水帶中心。橫截面面積約減少35%。
誘導(dǎo)縫一旦張開,就應(yīng)進行接觸灌漿。在大壩的運行過程中,誘導(dǎo)縫可能再次張開,因此應(yīng)進行二次灌漿。實踐證明,RCC拱壩的大部分誘導(dǎo)縫都未張開,但也可能在沒有布置誘導(dǎo)縫的部位出現(xiàn)裂縫,而誘導(dǎo)縫卻保持閉合狀態(tài),在誘導(dǎo)縫間距過大時可能出現(xiàn)這種情況。
3.3傳統(tǒng)橫向收縮縫
“傳統(tǒng)橫向收縮縫”是指RCC拱壩中完全斷開的縫,其功能與在傳統(tǒng)混凝土拱壩中相同,一般認為壩高超過70~100 m的大型RCC拱壩必須使用傳統(tǒng)收縮縫。
有學(xué)者提出了1種使用預(yù)制混凝土塊設(shè)置收縮縫的方法。使用2種預(yù)制混凝土塊(A和B型)設(shè)置收縮縫,預(yù)制混凝土塊長1 m、高0.3 m(等于RCC單層厚度)、底寬0.3 m,后側(cè)設(shè)置的“齒槽”可增強與RCC的結(jié)合。A型預(yù)制混凝土塊還設(shè)置有灌漿管和通氣管。兩種預(yù)制混凝土塊交替安置,將混凝土塊對齊,分塊用鋼筋綁牢固定,每5~6層布置1層A型混凝土塊,其他層使用B型混凝土塊,將收縮縫對齊,如圖2(a)(b)所示。
混凝土塊下鋪墊層砂漿,以提高其粘結(jié)效果和抗?jié)B性。灌漿管在施工現(xiàn)場安裝,之后進行RCC澆筑。與傳統(tǒng)混凝土拱壩一樣,RCC拱壩的傳統(tǒng)收縮縫應(yīng)在水庫初次蓄水前進行灌漿。為此,通常需要后冷卻系統(tǒng)。
4收縮縫灌漿技術(shù)
收縮縫灌漿旨在均勻地填充橫向收縮縫,從而使拱壩形成整體結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮大壩的拱效應(yīng)。在RCC拱壩的發(fā)展歷程中,開發(fā)出許多策略和方法。必要時,主要使用以下3種方法:①后冷卻一次性灌漿;②雙灌漿; ③二次灌漿。原則上,如果RCC拱壩中安裝有后冷卻系統(tǒng),傳統(tǒng)收縮縫可能僅需要一次性灌漿。RCC拱壩的灌漿規(guī)定和步驟與傳統(tǒng)混凝土拱壩相似。
誘導(dǎo)縫應(yīng)安裝雙灌漿或二次灌漿系統(tǒng),應(yīng)謹慎使用傳統(tǒng)收縮縫。顧名思義,雙灌漿系統(tǒng)指在1條收縮縫內(nèi)安裝2套獨立的灌漿系統(tǒng),第1套用于首次灌漿,如果需要時第2套可用于以后的灌漿。目前,有國家已開發(fā)出1種新型二次灌漿系統(tǒng),專門用于RCC拱壩橫向收縮縫的灌漿,這種灌漿系統(tǒng)可多次用于收縮縫灌漿,其原理與歐洲使用的二次灌漿系統(tǒng)類似。
如圖3所示,二次灌漿系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為出漿口,包括1個橡膠套筒、1根穿孔鋼管以及鋼管兩端的套管接頭。套管接頭的作用是將沿著收縮縫安置的穿孔鋼管連接起來,并與一系列灌漿/返漿管連接,形成灌漿系統(tǒng)。高彈性橡膠套筒緊密地包裹在鋼管周圍,其作用相當(dāng)于逆止閥,防止灌漿管外部的水或其他物質(zhì)進入。只有當(dāng)灌漿管內(nèi)部壓力超過約60~150 kN/m2時,橡膠套筒才與穿孔鋼管斷開,形成連通的通道,灌漿管內(nèi)的漿液能夠通過出漿口進入收縮縫。灌漿后,用低壓水清洗灌漿管,以備下次使用。開口為0.2 mm或更寬的收縮縫是可灌的。橫向收縮縫的灌漿應(yīng)當(dāng)在水庫開始蓄水前1個月完成。
在高瑪贊RCC重力拱壩中,設(shè)置了4條傳統(tǒng)橫向收縮縫,其中2條位于中心部分的收縮縫進行了灌漿,而另外2條位于壩肩較高的收縮縫一直保持打開狀態(tài),以減少部分拱效應(yīng),從而增加重力作用,以平衡壩踵處的超垂直拉應(yīng)力。每個灌漿艙高6.0 m,含20層單層厚0.3 m混凝土預(yù)制塊,止?jié){片形成灌漿艙的邊界。
5RCC壩后冷卻
RCC壩采用循環(huán)冷卻水來進行后冷卻,實踐證明,在預(yù)埋水管時比傳統(tǒng)混凝土壩難度更大,主要有如下2個難點。
(1) 在RCC施工期間,安裝冷卻水管不應(yīng)影響RCC的快速澆筑;
(2) 在RCC填筑過程中,壓路機或其他重型機械不能損壞埋入的薄壁管。
最近,在RCC施工的研究和實踐中取得了新進展,可以做到通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計、施工管理以及冷卻管選材來滿足上述先決條件,下面詳細說明后冷卻技術(shù)在高瑪贊RCC重力拱壩施工中的成功應(yīng)用。
5.1管材選擇
由于鋼管有零配件、彎管和接頭等許多部件,連接起來費工費時,不適宜選作冷卻管,因此應(yīng)選擇高密度聚乙烯(HDPE)管,具有以下優(yōu)點。
(1) 重量輕。HDPE管的比重僅為860~1 000 kg/m3,因此1根長200 m的HDPE管僅35~40 kg,便于運輸和現(xiàn)場快速安裝。
(2) 柔軟可盤繞。HDPE管的最小彎曲半徑為20~25 cm,完全可以滿足冷卻管柔韌度的要求。
(3) 單管長度大。1卷HDPE管長約200~250 m,若非必要冷卻管不需要接頭。
(4) 高強度。HDPE冷卻管具有相當(dāng)高的抗拉伸強度,斷裂強度超過20~25 MPa,馬倫爆裂強度高達3 ~10 MPa。
(5) 高拉伸性。拉伸率至少達到200%才能拉斷。
(6) 性價比高。HDPE管價格比鋼管便宜得多。
5.2施工區(qū)域及艙室布置
平面上,整個RCC填筑區(qū)域至少應(yīng)分為2個單元(見圖4),這樣就可在1個單元安裝冷卻管,同時在另1個單元填筑RCC,使冷卻管的安裝不會影響RCC施工。第2單元RCC填筑面應(yīng)保持比第1單元的高2~3層,便于冷卻管安裝和RCC施工。
施工單元應(yīng)被分為幾個冷卻艙室,如圖4所示,這樣每個冷卻艙室內(nèi)冷卻管總長度不會超過1卷HDPE管的長度(高瑪贊壩為240 m),冷卻管的鋪設(shè)無需接頭,安裝時間會大大縮短。此外,當(dāng)使用過長的冷卻管時,冷卻效果不會受到影響。
配水管與供/回水管的連接是將三通(Tee)鋼管插入到3根管子的端頭內(nèi),HDPE管端頭可使用噴燈首先加熱,然后使用鋼絲將軟化的管端頭固定在三通管上。此外,應(yīng)使用聚四氟乙烯(PTFE)接頭密封帶,將接頭部位包裹若干層。
5.3冷卻管安裝、覆蓋及冷卻運行
安裝前和覆蓋1層RCC混合料(30 cm厚)之后,均應(yīng)檢查HDPE管是否漏水,方法是向管內(nèi)灌0.1 MPa壓力的水或空氣,若有漏水應(yīng)修復(fù)。高瑪贊壩冷卻系統(tǒng)的1個接頭發(fā)生了漏水,造成混凝土輕微損傷,對接頭方法進行了改良。
在剛剛碾壓但還未凝固的RCC表面上,人工鋪設(shè)冷卻管,用直徑4~6mm的U形鋼筋將冷卻管固定在RCC表面,直管段間距2~4 m,彎管段用3件U形鋼筋固定。
冷卻管安裝完成后,覆蓋1層厚度不小于25~30 cm的RCC,RCC應(yīng)從冷卻管網(wǎng)的一側(cè)開始澆筑。推土機、卡車和壓路機等重型機械不能直接壓在裸露的冷卻管上,RCC澆筑后才能在其上作業(yè)。這一點非常重要,關(guān)系到RCC壩中使用冷卻管的成敗。如果RCC覆蓋前使用重型機械,可能導(dǎo)致冷卻管產(chǎn)生嚴重的塑性變形,使冷卻水泄漏或管路堵塞。
在高瑪贊壩,冷卻管的水平和垂直間距為1.5 m×1.5 m。冷卻管不僅用在水平面上,由于使用了傾斜層法澆筑RCC,在傾斜面上安裝冷卻管也沒有絲毫困難。大壩混凝土的后冷卻使用2種典型冷卻管,外徑32 mm、壁厚2.0 mm的管材用作配水管,外徑40 mm、壁厚3.0 mm的管材用作供/回水管。
在高瑪贊壩,RCC層填筑6 h后開始冷卻,溫度14 ℃的冷卻水在冷卻管網(wǎng)中循環(huán)14 d。在橫向收縮縫灌漿前至少1個月,實施后冷卻的最后階段,使RCC溫度降低至指定的封閉溫度。在某些區(qū)域,也可在中秋季節(jié)使用冷卻系統(tǒng),加速RCC的冷卻,從而降低內(nèi)部混凝土和飾面混凝土之間的溫度差,降低壩內(nèi)部的熱應(yīng)力,同時保持RCC較低的彈性模量。此外,冷卻后冷卻水可在冷卻管內(nèi)滯留時日,充分利用水的殘余冷卻效果。
單個管道內(nèi)冷卻水的流速約0.8~1.2 m3/h,每12或24 h,將水流方向反向調(diào)整,從而降低每層RCC內(nèi)的溫度梯度。24 h溫度下降允許幅度不應(yīng)超過1 ℃,RCC和管內(nèi)冷卻水間的溫度差不應(yīng)超過25 ℃,減少接觸冷卻管混凝土產(chǎn)生所謂的熱振。不過,目前尚無證據(jù)證明這種效應(yīng)會對混凝土造成損害。
6陡峭壩肩上RCC混合料的運輸
6.1RCC混合料的特殊運輸方法
由于拱壩常建于兩岸陡峭的峽谷,在壩肩陡坡上運輸RCC混合料是建設(shè)者面臨的難題之一。迄今為止,與RCC重力壩一樣,在RCC拱壩修建中,將RCC混合料從混凝土配料機運至填筑地點的主要工具仍然是自卸車,并常和其他運輸工具聯(lián)合使用,如各種皮帶輸送系統(tǒng)、緩降象鼻管、真空溜槽、全管導(dǎo)管、M-Y箱和M-Y箱管系統(tǒng)。從原理上講,緩降象鼻管、真空溜槽、全管導(dǎo)管,M-Y箱和M-Y箱管系統(tǒng)均依靠重力運送混凝土混合料,所消耗的能量少,運送成本較低。所有這些運送方法都要依賴于當(dāng)?shù)貤l件而定,且各有優(yōu)缺點。選擇運送方法和設(shè)備的重要標(biāo)準是,RCC混合料的離析應(yīng)降至最低,運送應(yīng)快速、可靠、有效,成本最低。
壩址地形是影響運送方法選擇的關(guān)鍵因素。根據(jù)經(jīng)驗,卡車通??蓪CC混合料運至壩的下部。當(dāng)壩肩不是很陡(即坡度不超過約40°)時,可將壩座上、下游削成斜坡,從而使用卡車和/或傳送帶將RCC混合料運送到不同高程。
緩降象鼻管是一種柔性橡膠軟管,可安裝在傳送帶的出口端,從而垂直運送RCC混合料,但運送高度限定在15~20 m以下。當(dāng)壩肩坡度介于40°~70°時(理想坡度為45°~55°),真空溜槽或全管導(dǎo)管可能是最佳選擇,而M-Y箱或M-Y箱管系統(tǒng)可用于坡度為60°以上的陡峭壩肩??傊?,RCC拱壩往往使用各種設(shè)施相配合的綜合性運送方法。
6.2M-Y箱和M-Y箱管系統(tǒng)
M-Y箱又名M-Y攪拌機,是一種垂直降落衰減攪拌箱,由日本研發(fā)并首先用作持續(xù)攪拌和運送混凝土混合料的攪拌機和運送裝置,由2排扭曲的箱體組成。M-Y箱的每個箱體有2個平行垂直入口和2個平行水平出口,由鋼板隔開。從入口到出口,橫截面的垂直尺寸逐漸減小,而水平尺寸以相同的比例逐漸增加,從而使全程的橫截面面積相等。當(dāng)混合料灌入箱體后,在穿過各個箱單元時,M-Y箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得混合料受到重力的揉搓,從而在非常陡峭甚至垂直的斜坡上運送混凝土混合料時能夠持續(xù)攪拌,同時混凝土混合料的下落速度逐漸降低。
M-Y箱管系統(tǒng)是M-Y箱的改良版,專門用于垂直運送混凝土混合料,一系列M-Y箱和長6~15 m的鋼管串聯(lián)起來,其長度取決于斜坡坡度。穿過M-Y箱的混凝土混合料互相摩擦,重復(fù)拌合,下降速度減緩并能防止離析,然后穿過鋼管。在混凝土混合料的運送過程中,這一過程不斷重復(fù),直至混合料到達出口。M-Y箱和M-Y箱管系統(tǒng)現(xiàn)已越來越多地用于傳統(tǒng)混凝土混合料、RCC混合料、水泥土或水泥砂石的垂直運送,施工實踐證明了其具有良好的適用性和卓越的性能,并具有性價比高、可重復(fù)使用等優(yōu)點。有人認為,在狹谷修建RCC拱壩,M-Y箱或M-Y箱管系統(tǒng)是在壩肩陡坡上運送RCC/混凝土混合料的最佳選擇。
6.3真空溜槽和全管導(dǎo)管
真空溜槽是1種封閉的半圓形導(dǎo)管系統(tǒng),主要包括下列必要配件(見圖5)。
(1) 帶徑向閥的進料斗。料斗體積通常為6~10 m3,可存放RCC混合料,并調(diào)節(jié)混合料運送強度;
(2) 過渡段。過渡段不受柔性蓋的限制,以加速RCC混合料的拌合;
(3) 帶柔性蓋的溜槽體。真空溜槽的主體,在運輸RCC混合料的過程中形成真空;
(4) 出口彎管。其功能是改變RCC混合料的運送方向,降低運送速度,使RCC混合料能夠排放至卡車上。
真空溜槽系統(tǒng)由剛性的鋼桁架支撐,如圖5所示。首先,將RCC混合料傾倒至料斗中;然后打開徑向閥,使RCC混合料在重力作用下向下滑動到過渡段,混合料的運送速度加快;當(dāng)混合料進入帶有柔性蓋的溜槽,其速度會因重力而進一步加快,同時封閉溜槽內(nèi)的壓力下降,形成真空。反之,溜槽內(nèi)、外的壓力差會阻礙混合料的運動,降低混合料的運送速度。當(dāng)RCC混合料沿溜槽向下滑動時,該過程重復(fù)進行,產(chǎn)生一種類似波狀運動,從而使RCC混合料的下降速度控制在合理范圍內(nèi)(通常為10~15 m/s)??赏ㄟ^調(diào)整閥門開度來調(diào)節(jié)真空度和混合料運動速度。使用真空溜槽來運送RCC混合料,可避免混合料離析。真空溜槽垂直運送RCC混合料的效率很高,運送能力可達200~550 m3/h。此外,其制造成本較低,便于使用和維護。
全管導(dǎo)管(full-tube duct)也稱為整倉系統(tǒng),也是從真空溜槽改良而來。與真空溜槽類似,全管導(dǎo)管由進料斗、全管導(dǎo)管主體、徑向閥和出口彎管構(gòu)成,由鋼桁架支撐在斜坡上。全管導(dǎo)管主體橫截面呈方形或圓形,尺寸為40 cm×40 cm ~80 cm×80 cm或 直徑為40~80 cm。與真空溜槽不同,徑向閥安裝在溜槽末端出口附近,控制混合料運動。在運送過程中,管中完全充滿混凝土混合料,通過調(diào)節(jié)徑向閥的開度來調(diào)節(jié)混凝土混合料的運送速度,下降速度逐漸變慢可防止混合料離析。全管導(dǎo)管的應(yīng)用條件與真空溜槽相同,在垂直運送混凝土混合料方面效率較高,廣泛應(yīng)用于RCC壩壩肩陡坡的澆筑。
6.4實例分析
高瑪贊RCC重力拱壩高133 m,建基面高程630.0 m,壩頂高程763.0 m,壩頂長231 m,壩底最大寬度達78 m。河床壩段布置4孔溢洪道,每孔長17.5 m,兩側(cè)為非溢流壩段。在壩中心高程680.0 m建有沖沙底孔,直徑3.0 m。大壩位于長800 m的克久里(Khajuri)峽谷段,壩址處峽谷呈對稱的“V”形,谷底寬25~40 m,兩岸邊坡上緩下陡,左、右岸下部谷坡平均坡度分別為75°、65°,上部平均坡度40°~45°。該壩RCC澆筑總方量為40.9萬m3,另外,還澆筑了8.5萬 m3的傳統(tǒng)混凝土。
在高瑪贊RCC重力拱壩建設(shè)過程中,成功運用了多種運送混凝土混合料的方法。
(1) 從建基面高程630.0 m~696.6 m,使用自卸卡車運送混凝土混合料。
(2) 高程696.6~736.0 m,從混凝土配料機至真空溜槽,以及在大壩澆筑區(qū),使用卡車水平運送混凝土混合料,而長54 m的真空溜槽和出口彎管下接的長10 m的緩解象鼻管用于垂直運送混凝土混合料。真空溜槽傾斜70°,運送的RCC混合料總量達125 000 m3。
(3) 從高程736.0 m至壩頂,使用皮帶運輸機和卡車運送混凝土混合料,以克服溢洪道部分的障礙。
(4) 通過塔式起重機和混凝土泵輸送傳統(tǒng)混凝土。
7結(jié)語
RCC拱壩的成功建設(shè)實踐證明,RCC是建設(shè)拱壩的合適材料和技術(shù),不僅成本低,而且建設(shè)工期短。關(guān)鍵技術(shù)主要包括:橫向收縮縫的設(shè)置與灌漿、使用后冷卻技術(shù)進行溫控、在壩肩陡坡上運送RCC混合料、在壩址施工場地狹小的特定環(huán)境條件下施工管理。本文總結(jié)了最先進RCC施工經(jīng)驗和最實用的技術(shù),為RCC拱壩技術(shù)的擴展應(yīng)用鋪平了道路,可以預(yù)見,隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷涌現(xiàn),RCC技術(shù)在拱壩建設(shè)中的應(yīng)用將會越來越廣泛。
張國新楊會臣馬貴生譯
(編輯:唐湘茜)
收稿日期:2015-11-06
文章編號:1006-0081(2016)05-0013-07
中圖法分類號:TV642.4
文獻標(biāo)志碼:A