贵州氧化镁混凝土拱坝设计十年回顾.pdf
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1、水利水电技术第4 5 卷2 0 1 4年第2期 贵州氧化镁 混凝土拱坝设计十年 回顾 赵 其兴 , ( I 贵州 中水建设管理股份有限公 司,贵州 贵 阳 5 5 0 0 0 2;2 中国水利水电科学研究院,北京 1 0 0 0 3 8 ) 摘要 :通过对十几年来贵 州氧化镁混凝土拱坝的建设 实践和效果进行回顾 ,以期对该技术作一个阶 段性总结,并立足于设计实务 ,归纳总结全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术设计及构造要点。而且,对 氧化镁混凝土原材料和工程 实际的典型配合比进行介绍 ,以供业 内工程师参考。 关键词 :氧化镁混凝土;拱坝 ;大坝设计 ;构造 ;微膨胀 ;温度控制;贵 州省 中图分类号
2、 :T V 6 4 2 4 文献标识码 :A 文章编号 :1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 5 3 0 5 Re v i e w o n d e s i g n o f M g O c o n c r e t e a r c h d a m f o r 1 0 ye a r s i n Gu i z h o u Z H A O Q i x i n g , ( 1 G u i z h o u Z h o n g s h u i C o n s t r u c t i o n P r o j e c t Ma n a g e me n t C o ,L t d
3、 ,G u i y a n g 5 5 0 0 0 2 , G u i z h o u , C h i n a ; 2 C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h , B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ,C h i n a ) Ab s t r a c t :T h r o u g h t h e r e v i e w o n t h e p r a c t i c e a n d e f f e c t o f t
4、h e c o n s t ruc t i o n o f t h e Mg O c o n c r e t e a r c h d a m f o r o v e r 1 0 y e a r s i n G u i z h o u P r o v i n c e ,i t i s e x p e c t e d t o ma k e a p h a s e s u mma r y o n t h i s t e c h n o l o g y a n d t h e n s u mma r i z e t h e k e y p o i n t s o f t h e t e c h n i
5、 c a d e s i g n a n d s t ruc t u r e o f t h e a r c h d a m c o n s t ru c t e d wi t h t h e c o n c r e t e a d mi x e d wi t h Mg O e x p a n d i n g a g e n t b a s e d O i l t h e r e l e v a n t d e s i g n p r a c t i c e F u r t h e r mo r e ,t h e r a w ma t e ria l s o f t h e Mg O c o
6、n c r e t e a n d i t s t y p i c a l mi x i n g r a t i o i n t h e a c t u a l e n g i n e e ri n g p r a c t i c e a r e d e s c ri b e d h e r e i n a s w e l l ,S O a s t o p r o v i d e s o me r e f e r e n c e s for t h e e n g i n e e r s i n t h e s e c t o r c o n c e r n e d Ke y wo r d s
7、 : Mg O c o n c r e t e ;a r c h d a m ;d a m d e s i g n;s t ruc t u r e ;mi c r o - e x p a n s i o n;t e mp e r a t u r e c o n t rol ;Gu i z h o u P r o v i n c e 1 引言 以白山重力拱坝为开始 ,陆续在红石重力坝、清 溪重力 坝、水 口重力 坝、石塘护坦 、铜街子厂 坝接 缝 、东风基础填塘等工程 实践 的基础 上 ,国家 电 力部水 电水利规划设计总院和水利部水利水 电规划设 计总院于 1 9 9 5年联合颁布 了 Mg
8、O微膨胀混凝土筑 坝技术暂行规定 J ,为 Mg O混凝土技术在中国的推 广奠定 了基础。 M g O微 膨胀 混凝 土 筑坝 技术 暂 行规 定在对 Mg O混凝土技术持积极推 动态度 的 同时也提 出了须 慎重对待的要求,强调主要在基础约束区浇筑 M g O 混凝土 ,而不是 自上而下地全坝使用 ,尤其是在外掺 氧化镁的情况下更是这样 。此外 ,对拱坝 ,尤其是薄 拱坝,不推荐使用 Mg O混凝土 ,并明确注明该“ 暂行 规定 ” 不适用于拱坝 。 广东省的长沙坝是 中国第一座全坝使用 Mg O混 Wa te r Re s o u r c e s a n d Hy d ro p o we
9、r En g i n e e r i n g V o L 4 5 No 2 凝土浇筑 的拱 坝,该工程 于 1 9 9 9年 春开始浇筑 ,4 个月即完成大坝浇筑 ,同年 1 0月蓄水 ,随后发现多 条裂 缝 ,次 年 春 对 这 些 裂 缝 采 取 了化 学 灌 浆 处 理 。长沙坝的建成 ,开启了将氧化镁混凝土技术 应用于拱坝整体的先河 ,也是广东省运用氧化镁混凝 土不分缝拱坝技术 的典型案例。 对全坝外掺 Mg O混凝土拱坝技术发展起到重要 作用的另一座坝是贵州省建于 2 0 0 1年 的沙老河 坝。 贵州省是 国内拱坝建设较多 的地 区之一 ,早期多 以 浆砌石为筑坝材料 ,由于地区气
10、候相对温和 ,在建 筑传统上有浆砌石拱坝不分缝 的习惯 ,所 以长沙坝 不分缝拱坝技术在贵州受到 了欢迎 ,首次 工程实践 应用就 是 沙老 河拱 坝 。该 坝 浇筑 跨越 了整个 夏 季 ,采用 四级配 外掺 氧化 镁 混凝 土 ,于 2 0 0 1年 3 收稿 日期 :2 0 1 3 - 1 2 1 3 作者简介 :赵其 兴( 1 9 7 2 一 ) ,男,贵州织金人 ,高级工程师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵其兴贵州氧化镁混凝土拱坝设计十年回顾 月开始浇 筑 、1 0月 到顶 ,未 设伸 缩 缝 和止 水 ,1 1 月即产生了 4条贯穿上下游的裂缝
11、 ,均为大致 径 向 的竖 向裂缝 ,主要集 中在两坝端分布 。除了这些裂 缝 以外的坝体氧化镁混凝土是不透水 的,之后的多 次检测也表明混凝土性能 良好 。次年 3月对这些裂 缝进行 了灌浆 。2 0 0 2年因水库库区古树移栽 问题未 解决而导致 大坝 空库过冬 ,在 1 2月底 寒潮过 后原 已灌浆处理的裂缝再次拉 开 ,且新增 了一条贯穿性 的裂缝和一条未贯穿 的拱 冠下游 面裂 缝 ,也均是竖 向裂缝 。2 0 0 3年初再 次对这些裂 缝进行水泥灌 浆 , 之后正常运行至今 。 沙老河拱坝的原 型监测资料表 明,夏季浇筑 的 混凝土到冬 季后降 温幅度达 到 2 0 2 7 ,秋季
12、浇 筑 的混凝 土在寒 潮 时月 降温 幅度 达 到 1 01 5 , 而 Mg O混凝土 ( Mg O掺量为 3 5 5 ) 的膨胀量 仅为 7 0 9 0 。通 过对 沙 老河拱 坝 的反 演分 析 , 认识到在贵州气候条件下 ,Mg O混凝 土的膨胀 量不 足以补偿其收缩 ,导致基础 约束 区混凝 土应力 过大 开裂 ,并逐渐 向上部 发展 ,最终导致拱坝产 生贯穿 性裂缝 一 。 在总结沙老河拱坝经验的基础上 ,采用相同的四 级配混凝土于 2 0 0 3年建成了贵州第二座 M g O混凝土 拱坝 三江拱坝。与沙老河拱坝不同的是 ,三江拱 坝在施工时段上选择 了有利于温度控制的冬春季节
13、, 并在两坝端各设置 1 条诱导缝 ,氧化镁掺量也提高到 4 5 5 。大坝混凝土浇筑于 2 0 0 2年 1 2月始 、至 2 0 0 3年 5月结束 ,随后在 2 0 0 4年 1月两条诱导缝充 分张开,对诱导缝进行灌浆处理后于 当年汛期开始蓄 水 ,正常运行至今近 1 0年。除局部新老混凝土施工 层面以外 ,坝体基本没有渗水现象 ,也未发现混凝土 裂缝 ,Mg O混凝土技术在 三江拱坝得 到了成 功的实 践 ,是贵州省运用全坝外掺 Mg O混凝土拱坝技术 的 范例 一 。 继沙老河拱坝和三 江拱 坝之后 ,贵州又运用外 掺 Mg O混凝土拱坝技术陆续建成 了落脚河拱坝 、马 槽河拱坝 、
14、老江底拱坝 、鱼简河拱坝 、黄花寨拱坝 等项 目 “ J 。在这 些工 程实践 的基 础上 ,贵 州省 颁布了地方标 准 全 坝外掺氧化镁 混凝土拱 坝技术 规范 ( D B 5 2 T 7 2 0 _2 0 1 1 ) ,以进一步推广和指导 氧化镁混凝 土拱坝 的建设 。在地方标准颁 布后 , 采用该技术 先后 又建成 了河湾拱 坝 、那 恩拱 坝等 , 目前下屯拱坝和黄家寨拱坝也正在建设 中。 笔者参与 了贵州省 上述工程 的设计 和管理 ,拟 从设计角度对该技术作一个 阶段性 总结 ,并 以本文 介绍该项技术的应用要点 ,以供工程师参考。 2 设计及构造 2 1 拱坝体形设计 得益于氧化
15、镁混凝土 的延迟性微膨胀特性 ,氧 化镁 混凝土拱坝 的温控措施可以较传统的普 通混凝 土拱坝简化 :一般不设置专 门的骨料冷却系统 和冷 却水管 ,节省了相应 的设备和运行费用 ;通仓 浇筑 的施工方式节省 了侧 面模板 的安装 时间和费用 ,同 时也便于混凝 土等材料在仓面上 的运输从而能加快 施工速度 ;较大 的分缝距离节约 了封拱灌浆 工程量 和时间。 相对于砌石拱坝而言,氧化镁混凝土拱坝在施_T 速度上具有显著优势 ,在施工质量控制方面也具有更 好的受控性 ,随着人工成本的大幅提升 ,在造价方面 的竞争力也逐渐体现。 总体设计时应尽可能地简化坝体构造 ,以便发挥 氧化镁混凝土快速施工
16、 的技术优势。在确定大坝的基 本轮廓和尺寸时,氧化镁混凝土拱坝的体形设计方法 与传统的普通混凝土拱坝相近 ,一般都采用多拱梁法 程序来计算大坝应力 ,通过试算找到设计者满意的体 形后再复核坝肩稳定 ,但体 型设计 中要考虑 Mg O 的 膨胀对大坝荷载的影响。 碾压混凝土拱坝和砌石拱 坝也 是采用相 同的方 法进行体形设计 的,尽管从严格意义上看这样 做不 够严谨 。传统 的多拱梁法计算程序是基 于普通 混凝 土柱状跳仓浇筑 的施工工艺来 编制的 ,一般通 过预 埋的冷 却水 管将坝体混凝土二次冷却至设计规定 的 封拱温度后进行接缝灌浆 ,计算 时忽 略接缝灌 浆之 前独立坝段施工期 的历史应
17、 力 ,包括二 次冷却 混凝 土带来 的温度应力 和封拱前结构 自重产生 的结构应 力。而对于贵州不分缝 的砌石拱 坝 、设置诱 导缝 的 氧化镁混凝土拱坝 或碾压混凝 土拱坝而言 ,坝体浇 筑并硬化后就已经 成拱 ,一方 面作 为应力计算 基准 的“ 设计封拱温度” 这样一个初始条件在工程实践上 难以兑现 ,另一方面其施工期 的历史应力本身也不 宜 被忽 略 。 应该说 ,目前在确定这几类不同材料或施工工艺 的拱坝体形时,采用传统的多拱梁程序计算主要是出 于设计经验的考虑 ,因为这种方法已经在国内得到了 普及 ,多家研究机构或设计院都编制 了相关的计算程 序 ,已经为大多数设计者熟悉和掌握
18、。当然 ,对确定 拱坝体形而言,这样的近似计算是可行的,拱坝的体 形确定本身就随设计者的经验和偏好而变化 ,没有标 水利水电技术第4 5卷2 o l 4年第 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 准答案可言。 2 2 有限元仿真计算 大体积素混凝土结构容易产生裂缝 ,传统上认为 大体积混凝土结构在整个使用期的体积变化主要是温 度变化引起 ,干缩变形仅限于大体积混凝土结构 的外 表面 ,自生 体积变形 通常并 不十分 重要 。然而 , 始于白山重力拱坝的诸多中国工程实践表明,氧化镁 混凝土的 自生体积变形是不容忽视 的并有利于减少大 体积混凝土结构裂缝 。 氧化镁
19、混凝土的 自生体积变形与普通混凝土有着 较大的差异 。普通混凝土通常都是收缩 的,而氧化镁 混凝土则具有微膨胀特性 ,并且这种膨胀不 同于钙矾 石型的早期快速膨胀后逐渐 回缩 ,而是相对缓慢 的、 不 回缩的膨胀 ,这种特性 已经被众多研究 所证 实 。 如前所述 ,通仓浇筑 的拱坝施工期应力和氧化镁 混凝土的 自生体积变形都不应被忽视 ,因此氧化镁混 凝土拱坝的应力计算有别于传统普通混凝土拱坝。传 统 的多拱梁程序不能合理反映出氧化镁混凝土拱坝的 应力状况 ,有必要采用有 限元法进行计算 ,并在此基 础上进行温度控制设计。为了计算施工期应力 ,有必 要模拟大坝的施工过程 ,定义施工期环境和混
20、凝土生 产过程 的相关数据 ,如气温变化过程 、混凝土人仓温 度 、温度控制措施 、混凝土 自生体积变形过程 、混凝 土弹性模量和徐变过程等。由于计算要从混凝土人仓 温度开始 ,考虑混凝土发热 、硬化 、徐变 、自生体积 变形等过程 ,并伴随各种温控措施 ,也即考虑了氧化 镁混凝土拱坝从诞生到运行的全过程 ,因此将这样的 计算称之为“ 仿真” 计算。 国内有多家研究机构对氧化镁混凝土拱坝的仿真 计算方法进行了研究 ,也开发了 自己的计算程序。从 贵州省 的工程实践经验来看 ,中国水利水电科学研究 院研制 的 S A P T I S程序相对较为理想 ,能够用于指导 实际的施工和设计 ,到 目前为
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