三峡工程碾压混凝土围堰关键技术研究与应用

摘要： 三峡工程的关键项目之一——碾压混凝土围堰施工工期紧、施工强度大、技术要求高。针对这些特点，从设计、配合比、施工组织和施工技术等各方面进行优化，为快速施工及质量保证创造最有利的条件。施工采用全断面摊铺碾压、不间断连续上升方式，创造了月强度47万m3，日强度2.1万m3，小时强度达到1 265 m3等多项碾压混凝土施工的新纪录。
关键词：碾压混凝土围堰； 关键技术； 研究； 三峡工程
1 工程特点
三峡工程是当今世界上的水电工程，总工期17年。为使工程早日发挥效益，采用围堰临时挡水方案以保障船闸通航和初期发电；即在右岸导流明渠截流后修建的土石围堰保护下，利用一个枯水季节快速建造一座高90 m、总方量为110万m3的碾压混凝土围堰，与左岸已经形成的二期大坝共同承担挡水任务，同时与三期下游土石围堰及混凝土纵向围堰共同形成三期基坑，以保证右岸大坝和厂房干地施工。它有如下特点：
（1）该项目是控制工期的关键性项目，关系到三峡工程2003年能否按期实现通航、蓄水和发电目标。因而，要求该项工程务必按期完成。
（2）水库初期蓄水后，形成124亿m3的大水库。该项工程，从性质上讲为围堰，属临时工程，但实际上相当于规模很大的碾压混凝土挡水坝，其质量不能有任何放松。
（3）工期紧、施工强度高。施工时间只有不到5个月，原计划月浇筑强度为35～38万m3。在狭窄的施工范围内，实现如此高的施工强度，为水电施工所罕见。
（4）由于是临时工程，对今后工程的正常运行有影响，因此施工时必须考虑今后拆除要求。这无疑将增加了施工的难度。
为了满足上述要求，必须在设计和施工等各个方面有所突破，为快速施工及质量保证创造最有利的条件。
2 设计简述
三期碾压混凝土围堰为全断面碾压混凝土结构，上游面4 m为防渗层，底宽107 m，围堰轴线全长为580 m，不设纵缝，只在上游面每隔40 m，设永久横缝，在永久横缝中间设诱导缝，这样除局部地方外，可以全断面摊铺碾压，为快速施工创造最有利的条件。
简化了混凝土的标号。原设计共有两个不同级别的混凝土，施工过程中根据实际情况改为单一级配的混凝土。
上游面防渗层采用加浆混凝土，即在碾压混凝土中加入水泥浆，使之变成为类似常态混凝土，增强混凝土防渗性能。
廊道的存在会影响施工进度，经过反复论证，将上层廊道与爆破拆除廊道合并，这样突破了规范规定的上下层廊道之间的距离为20～30 m的规定，因而上下层之间排水孔的施工必须非常谨慎。
3 配合比设计
配合比设计原则是在满足强度要求的前提下，尽可能少用水泥，多掺用粉煤灰。施工中采用三级配90 d龄期150号的混凝土，抗渗标号为50号，抗冻标号为8。选用525#中热水泥、一级粉煤灰、花岗岩人工骨料。经过室内和现场生产性试验，在掺JG-3或ZB-1A高效减水剂的情况下，确定的施工配合比的用水量为83 kg/m3,水泥用量为75 kg/m3。
4 施工
由于工期紧，决定采用全断面通仓碾压方案，参照国内外施工经验及施工机械的情况，并经现场试验，最终选择压实层厚30 cm，连续上升的方案。
4.1 混凝土摊铺方式
的仓面面积达19 000 m2，按照压实层厚30 cm，层间间歇6h的要求，入仓强度必须达到950 m3/h。针对如此高强度的要求，方案比较时研究了通仓平层连续铺筑上升和通仓斜层铺筑上升两种方式。经过施工过程仿真分析，平层铺筑法在拌和系统供料强度能保证的情况下，有利于高强度快速施工。故选用了平层铺筑上升方式。可比通仓斜铺筑缩短1.5个月。
4.2 碾压混凝土运输入仓方式及设备配置
不分纵缝，可以限度地简化仓面，但仓面面积达到19 000 m2，施工上如果要做到连续上升，按层厚30 cm，层间间歇6 h计算，小时强度要求达到50 m3。因此，如何保证混凝土的连续高强度的供应，选择什么样的入仓方式及相应的设备配置对于保证工程进度及质量至关重要。
要满足这一要求，首先要在初凝时间上取得突破。根据施工规范要求：混凝土从拌和加水到碾压完毕的历时不宜超过2 h，美国甚至规定该历时为45 min。经过室内及现场反复试验，最后确定掺用JG3或ZB-1A高效减水外加剂，使初凝时间延长为20～23 h。
RCC入仓方式根据该围堰施工场地狭窄、道路难布置、施工工期紧等特点，经过综合比较，考虑到在土石方填量最小、上部施工方案来得及衔接的情况下，选用碾压混凝土围堰高程90 m以下全部以自卸汽车直接入仓，高程90～115 m以自卸汽车为主、塔（顶）带机为辅入仓，高程115 m以上以塔带机为主、仓内汽车转料为辅的方案。
汽车入仓关键问题有三：一是入仓之前必须把汽车冲洗干净，绝对不允许污物入仓；二是入仓口的倒换和碾压过渡的处理；三是仓内的行使路线、指挥、卸料等各个环节必须经过严格规划，以便使整个施工组织有序进行。
4.3 混凝土拌和系统配置
结合后面大坝和厂房施工，共布置两个系统，4座自落式拌和楼（2座4×4.5 m3，2座4×3 m3），可以满足1000 m3/h的供应要求。一个系统直接由汽车接料运至仓内，另一个系统先由皮带机运到堰后一转料平台，然后由自卸汽车转运入仓，缩短汽车运距约1.5 km。
仓内设备配置，共配备16台BW-202AD和DD-110型号的振动碾，13台不同型号的平仓机和推土机。采用先静压2遍，再有振碾压8遍。防渗层压实度按98%控制，其它部位要求到达97%。
4.4 道路布置
根据地形条件、入仓强度等因素，共布置有5条道路，随着仓面的升高，道路逐渐减少。高程90 m以下围堰下游两侧各布置1条道路，高程90～115 m仅在右侧布置1条道路，高程115 m以上取消道路。入仓道路采取全断面填筑，下部填方量大、路面宽的部位布置多条车道，道路半幅填筑上升，每次上升60 cm，半幅车辆通行，互相交替随堰体上升逐渐抬高。入仓口路面宽度始终保证在20～24 m。在距入仓口前30 m范围填干净碎石脱水路面，上铺钢栏栅。
4.5 塔（顶）带机布置
堰体浇至高程90 m后，塔带机开始投入使用。两台塔带机布置在下游侧，可覆盖大部分仓面范围并浇至堰顶。根据三峡二期工程经验，塔带机采用“1楼1线1机”方式，即1台塔带机配1条供料线，直接连接到右岸高程150 m拌和系统，该拌和系统任意1个楼均可向两台塔带机供料，方便灵活，保证率高。
4.6 模板选择
模板对施工影响巨大。要做到连续不间歇上升，要求模板拆装速度快、稳定性好，拆装时对仓面干扰小。经研究，围堰迎水面选用国内外广泛应用的悬臂翻升钢模板，立模面积4.44万m2。背水面采用台阶预制混凝土模板及台阶组合钢模板，预制块长2 m、宽1 m、高0.6 m，立模面积2.9万m2。
4.7 廊道快速施工
围堰设有两层廊道，分别为高程40 m的基础廊道和高程107.5 m的爆破廊道。廊道均采用混凝土预制件，宽2.5 m，顶高3 m，每节长1 m。为了不影响正常施工进度，采取预埋\\\\[360槽钢形成安装槽，并且不拆除。混凝土浇筑至廊道底板后立即用汽车吊进行预制廊道吊装。廊道就位后，两侧对称浇筑混凝土，离边线50 cm范围内浇筑改性混凝土，防止碾压机械挤压致使廊道变形。一个20 m长的堰块用时约3 h，未影响层间的直接铺筑，满足了快速施工的要求。
5 施工过程中的主要质量控制措施
5.1 防渗层的工艺措施
围堰迎水侧4 m宽设置防渗层，采用二级配碾压混凝土，其中上游侧50 cm宽度范围内加净浆成为变态混凝土，并掺水泥基渗透防水剂。
防渗层层面铺洒净浆，并及时覆盖、平仓和压实混凝土。上游侧50 cm宽度范围内改性混凝土采取挖槽掺洒加浆，并振捣密实，对挖槽的深度与宽度、净浆比重、加浆量和振捣方式进行严格控制，混凝土摊铺后30 min内挖槽、洒浆完毕，洒浆10 min后开始振捣，并在30 min内振捣完毕。
改性混凝土与碾压混凝土结合部位搭接宽度按不小于20 cm控制，采用先碾压混凝土、后改性混凝土的顺序施工，结合部位要求认真振捣后再补碾。
5.2 碾压混凝土VC值的控制
三峡三期碾压混凝土围堰VC规定为1～8 s，可以说对下限没有严格规定，以不陷碾为原则。实际施工过程中通常情况下按3 s左右控制，阴雨天气按4～6 s控制。通过现场施工发现，VC值低不仅砂浆丰富，可碾性好，压实度容易满足要求，而且对防止骨料分离起到重要的作用。
5.3 塔带机运输碾压混凝土的质量保证措施
塔带机可以实现从拌和楼至仓面直接布料，关键是如何防止骨料分离。采取的主要措施有：优化混凝土配合比、适当增加胶凝材料，配合比见表1。供料线运输时保证送料连续、均匀、适量，控制卸料方式、卸料高度和料堆高度。布料与平仓交叉作业，布料在已摊平但未碾压的层面上，减少骨料分离效果明显。对小范围的骨料分离，辅以人工分散集中骨料。
6 围堰拆除设计
由于该围堰只是临时挡水发电，待右岸电站发电时，必须将堰体上部25 m高度范围内拆除。
主要研究深孔梯段爆破拆除、洞室爆破倾倒拆除和洞室爆破滑移拆除三种方案。
经综合比较，选用了洞室爆破倾倒拆除方案，预埋药室均采用预制构件，汽车运至仓内、吊车安装到位，通过精心组织，未影响围堰高强度连续上升。
该围堰于2002年12月16日开始浇筑，2003年4月16日浇至堰顶，施工历时4个月。施工过程中，2003年元月达到48万m3的浇筑纪录，日强度2.1万m3，月上升27 m，连续上升高度57.5 m。钻孔取芯及进水后的观测情况表明，施工质量优良，这一关键性项目在施工技术上已经取得了重大突破。
但是，围堰运行半年多后，在两个高程出现了几乎横贯全长的水平裂缝。经过对施工记录、内部观测资料进行分析，结合仿真计算，确定了裂缝的主要成因。上部高程107.5 m处的裂缝，由于该处设有爆破拆除廊道，廊道前浇筑的是常态混凝土，其上、下、后面均为碾压混凝土，裂缝出现在常态与碾压两种混凝土交接面处，很明显是由于两种混凝土的不同性能引起的；下部高程88 m处的裂缝，施工过程中由于下雨，中间停歇了一段时间，致使覆盖时间达到14 h左右，恢复浇筑采用洒净浆的方式；同时，内部观测资料显示，运行半年后内部温度仍在温度34.5℃，而此时上游江水温度仅为8℃左右。
通过对裂缝成因分析，提醒我们在以后碾压混凝土施工中应注意如下问题：
（1）设计中尽量不要出现常态与碾压混凝土混合的问题，必须采用常态混凝土时，可考虑采用改性混凝土。
（2）碾压混凝土连续上升对施工进度有利，但是，如何解决温度问题，应引起高度重视。
（3）对出现间歇时间过长，但又没有超过初凝时间的层面，采用洒净浆恢复浇筑的处理方式应在试验的基础上确定。