大坝加高混凝土施工技术研究综述

2015-12-11周厚贵

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2015年5期

周厚贵

(1．中国能源建设集团有限公司，北京 100029;2．河海大学水利水电学院，江苏南京 210098)

水利水电大坝的加高建设中，以混凝土坝最具广泛性和代表性．各种类型的大坝中或多或少包含有混凝土材料和结构，因此，在大坝加高建设中，又以混凝土施工最为典型，最具复杂性和代表性，技术内容也最丰富［1］．本文在相关研究与实践的基础上，对国内外大坝加高混凝土施工技术的研究情况进行归纳总结，对大坝加高混凝土施工技术进行综述．

1 国外大坝加高及混凝土施工研究现状

1．1 国外大坝加高工程情况

国外大坝加高有着悠久的历史，早在1900 年以前，国外就对一些大坝进行了加高，如西班牙的阿尔曼萨坝、意大利的邦达尔多坝、澳大利亚的帕拉马塔坝、瑞士的大狄克逊坝、美国的罗斯坝(Ross)等．20世纪初期，随着筑坝技术的发展，埃及的阿斯旺坝、美国的斯伯丁水坝(Lake Spaulding)等都实施了大坝加高．1920—1930 年期间，随着大坝加高技术日趋完善，西班牙对阿里盖斯坝(Ariguis)、西恩弗斯坝(Cienfuens)进行了加高，美国也对俄克拉荷马坝进行了加高，同时埃及对阿斯旺大坝又进行了一次加高．1930 年后，大坝加高的优越性进一步显现出来，世界上许多国家已开始将大坝加高作为一种经济实用的筑坝方式．国外混凝土坝加高工程情况(加高高度大于10 m)［2］见表1．

表1 国外混凝土坝加高工程情况(加高高度大于10 m)

续表

1．2 国外大坝加高典型工程的混凝土施工技术的研究情况

国外的大坝加高工程建设起步较早，加高的坝型较为广泛，加高的形式多样，加高的高度较大，针对加高工程建设的技术研究也较为系统和全面．国外的加高工程中，较为典型的大坝有古里大坝、罗斯福大坝、圣地亚哥碾压混凝土坝、圣文森特大坝等．国外大坝加高技术研究主要集中于新老混凝土材料的适应性、老混凝土表面的处理、结合面处理、坝基处理、混凝土温控、枢纽运行期施工方案等方面．国外典型加高工程中混凝土施工技术的相关研究情况如下．

1．2．1 古里大坝(委内瑞拉)

在古里大坝的加高工程设计中，对老坝体上浇筑新混凝土难题进行了重点研究，其中的2 个重点问题分别为新老混凝土弹性性质的差别以及新老混凝土结构内不同温度对坝体结构的影响［3］．从对古里大坝加高工程施工难点的研究中得到的主要结论有:①新老混凝土之间施工缝的主应力方向与施工缝方向几乎平行，新老混凝土结合面剪应力值很小，作用于施工缝的应力也较小;②一期工程混凝土的弹性模量已经稳定，是二期工程混凝土约15 a 以后的弹性模量的1．2 倍，可以不考虑随时间变化的一期工程混凝土与二期工程混凝土弹性性质的差别引起的基础约束应力;③通过混凝土搅拌前骨料预冷和混凝土浇筑后降温措施，可以将混凝土的温度控制在许可的范围内．

1．2．2 罗斯福大坝(美国)

在罗斯福大坝加高工程中，针对新老混凝土结合的相关问题开展了研究，如新老混凝土结合面的应力分布、老坝体下游面的石灰岩基岩上浇筑新混凝土、坝体应力分析、坝体排水、温度控制、混凝土配合比设计、基础开挖设计、坝基整体变形与局部变形分析、不稳定岩石楔体稳定性分析等［4］．从以上研究中得出的结论主要有:①在没有采取其他额外措施对新老坝体结合面进行整形与加固的情况下，加高坝体混凝土与老坝体下游面的台阶状石灰石块之间可以达到足够的黏结强度，通过高压水(气)喷射方式冲洗老坝体下游面可以达到足够的黏结强度;②通过合理的坝段划分与浇筑施工，加高后坝体应力分布达到甚至超过了老坝体的水平;③通过增加火山灰硅酸盐水泥的含量，达到了混凝土需要的黏结强度，满足了混凝土最终的强度要求和防裂性能．

1．2．3 莫瓦桑坝(瑞士)

莫瓦桑坝在实施加高前以及加高施工期间，针对加高工程实际，开展了较细致的技术研究，并制定了应对措施，提出了如下技术要点［5］:①结合面处理．凿除老坝坝顶混凝土和一定深度的坝体混凝土;用高压水冲洗结合面并保持湿润的混凝土表面;在浇筑混凝土之前，铺5 cm 厚的砂浆，在现场做不同配合比的砂浆试验，得出最合理的砂浆配合比，每1 m3砂浆用600 kg 普通硅酸盐水泥，在铺完砂浆层后应在1 h 内浇筑上部混凝土．②混凝土浇筑．混凝土浇筑分块宽18 m，水泥用量250 kg/m3，不进行预冷处理;混凝土浇筑层高2．7 m，分5 次浇筑，每次厚度为50 ～60 cm;混凝土浇筑层表面要凿毛、清洗和洒水;在浇筑下一层混凝土之前铺设3 cm 厚的砂浆，水泥用量600 kg/m3． ③垂直接缝．靠近上下游面设置止水带，并与老坝垂直止水相连接;在交通洞周围设止水带;在坝块接缝处设置球形抗剪键．④施工质量控制．严格控制结合面，用高压水精细化冲洗，上下游坝面结合面必须采用锯齿状开挖，使混凝土不剥落，形成可靠的结合面．

2 国内大坝加高及混凝土施工研究现状

2．1 国内大坝加高工程情况

在20 世纪80 年代以前，由于技术落后、经验不足和经济实力的局限性，我国的坝工建设大多采用当地材料，故以土石坝居多，混凝土坝较少．其中有近1/3 的土石坝，只保持着较低的设计洪水位，不满足更新后的防洪标准．之后考虑到坝体失事会给国家和人民带来巨大的损害，这才相继采取措施，对部分土石坝进行了加高加固处理．20 世纪80 年代以后，随着国家对水电能源及水资源的巨大需求以及科学技术的进步，混凝土坝已十分普遍．而且在着手建筑一批新的高坝的同时，又对一批老重力坝进行了加高，如大连市郊的英那河大坝、湖北丹江口大坝等．国内混凝土坝和砌石坝部分大坝加高情况见表2．

表2 国内混凝土坝和砌石坝部分大坝加高情况

2．2 国内大坝加高典型工程的研究情况

2．2．1 南水北调中线丹江口水库大坝加高工程

南水北调中线水源工程的初期工程于1973 年建成，丹江口大坝加高工程中坝顶加高14．6 m．虽然我国有大坝加高工程先例，但如此规模和复杂的大坝加高工程还是首次实施，施工中的很多问题都需要在实践中研究、探讨．对混凝土坝加高施工关键技术的研究包括［6－7］:①无损伤高精度混凝土控制拆除施工技术研究［8－9］;②通过在新老混凝土结合面新增人工键槽［10］、界面密合剂［11］的研究，以及对新浇混凝土性能的增强和智能化温控技术［12－13］的应用，以期实现新老混凝土之间良好的结合，从而有效保证坝体结构整体功能的良好发挥与稳定运行;③实施新浇混凝土原材料和配合比的优化研究，以提高其极限拉伸值、耐久性、抗渗性和抗裂能力，大大减少混凝土水化热温升，延缓水化热发散速率，有效防止混凝土裂缝的产生;④研究并创建基于VR 的混凝土坝加高施工管理与决策平台［14－15］，并通过在大坝加高工程的施工模拟、施工优化、施工管理中的应用，以大幅度提高现场管理效率与科学决策水平．

2．2．2 英那河水库大坝加高工程

英那河水库(中型)始建于1972 年，坝型为浆砌石重力坝，最大坝高28 m，坝长276 m．为了满足大连城市供水的需要，大坝于2001 年5 月进行了扩建，扩建工程是在原有大坝上加高培厚．扩建后挡水坝坝顶高程为83．1 m，比原坝增高15．1 m;溢流堰顶高程72． 6 m，比原坝增高13． 6 m;坝底扩宽11．12 m，即由原坝25．54 m 扩至36．66 m．具体研究内容如下［16］．

1)原坝体浆砌石拆除研究．通过对钢钎、电镐、切割、爆破等多种拆除方法的研究和试验，得到各部位拆除的最佳方法、应用时机及应用条件．

2)大坝微膨胀混凝土研究．根据大坝稳定仿真演算结果，在溢流坝段扩建坝体与老坝体间需设置2 m 宽的宽槽后浇块，开展混凝土配合比优化及微膨胀混凝土的浇筑工艺研究．

3)老坝体缝面及裂缝处理研究．研究老坝面横缝和老坝面裂缝处理方法，以便全面修复加高施工部位的老坝体结构缝面及缺陷．

4)新老坝体间止水、排水系统施工研究．新老坝体间的止水分水平止水和垂直止水，均布设于原坝面混凝土心墙处．通过开展水平止水重新埋设安装、垂直止水的异种材料接续工艺、排水系统新型盲沟铺设工艺的试验与研究，以得出高效、便捷的施工方法和流程，保证新老坝体止水、排水体系的正常运行．

5)新老坝面连接技术研究．针对新老混凝土结合的重点难题，系统开展新老坝接触面老坝体表面翻新、界面加筋锚固、新老混凝土结合面胶合材料、新浇混凝土原材料及配合比优选等专题研究，以便选定并采取综合工程措施使大坝加高新老混凝土结合达到最好效果．

2．2．3 木浪河水库大坝扩建加高工程

木浪河水库工程始建于1992 年，1999 年5 月建成，是一座以灌溉、供水为主，兼有发电等综合功能的中型水库．大坝设计为细石混凝土砌块石双曲拱坝，坝高69．4 m，坝顶弧长124．5 m，顶厚3．0 m，底厚7．8 m，厚高比0．11，属于薄拱坝．为了满足供水需求，2010 年对木浪河水库大坝扩建加高，加高后最大坝高为87．1 m．大坝加高施工要求在不能放空水库及不影响库内火车站及铁路等建筑物安全的前提条件下进行．因此，针对工程建设中的一些重大技术问题开展了如下研究［17－18］．

1)大坝加高的坝型研究．通过对原坝基础等各项分析，对加高坝平面布置、体型设计、运行条件、施工条件的优化研究，以确定大坝加高的最优坝型．

2)建基面与坝肩开挖研究．工程扩建施工中，为了不影响老坝体和周边建筑物，通过研究控制爆破技术、基础固结技术、抗滑锚固技术等，为加高大坝施工提供一套安全、环保的技术方案．

3)新老混凝土结合研究．通过对老混凝土表面处理、坝体原材料比选、坝体砌石C15 混凝土的设计、结合面锚固、坝体接缝灌浆处理等的研究与创新，以利于新老混凝土结合紧密、外观协调，共同发挥新的作用．

2．2．4 长江三峡三期碾压混凝土围堰工程

三峡三期碾压混凝土围堰工程为3 级临时挡水建筑物，平行于三峡大坝布置．该围堰分2 阶段实施．第1 阶段于1997 年3 月底完成，工程包括右岸一期纵向围堰堰内段(已浇至140 m 高程)、三期碾压混凝土围堰河床高程50 m 以下段、三期碾压混凝土围堰岸坡2#—5#坝段(已浇至140 m 高程)，三期围堰于2002 年12 月开始浇筑．第2 阶段施工内容即为河床段高程50 m 到堰顶140 m 段，总长380 m，工程量110 万m3，上升总高度为90 m．在长江三峡三期碾压混凝土围堰工程施工中，为保证新老混凝土的良好结合，开展了以下多项技术研究［19］．

1)通过研究和试验论证，采用老混凝土面深度加糙、涂刷新型界面密合剂等工程措施，以提高层间结合性能，增强抗渗、抗剪等能力，保证新老混凝土的结合效果．

2)通过新浇碾压混凝土进行原材料选配、配合比设计优化、综合温控防裂措施研究等，以提高碾压混凝土的可碾性和新老混凝土结合面的压实质量．

3)开展基于VR 的施工管理与决策平台等技术的应用研究，采用先进的现场施工调度和施工管理技术，保证加高工程施工全面有序的推进，进而提高大坝加高的施工质量．

3 大坝加高混凝土施工技术现状的总结归纳

在大坝加高工程建设的研究与实践中，许多相关学者、工程设计人员和工程技术人员针对大坝加高工程施工中的各项技术问题，从理论角度和工程实践角度开展了大量的研究，为进一步建立大坝加高工程施工的理论体系和技术系统奠定了基础．现将上述研究现状归纳为如下几个专题．

3．1 老混凝土体拆除

在大坝加高工程施工过程中，由于老坝体混凝土老化或者坝体结构需改进，需要拆除现有坝体上的混凝土，即老混凝土体的拆除．该拆除作业在施工安全、保留部分混凝土性能控制、拆除体尺寸控制等方面比常规的混凝土拆除施工要严格得多，是大坝加高工程施工中的重难点技术问题之一．

随着相邻学科与领域的相关方法和技术的发展，并经过国内外工程实践的逐步积累，已逐步建立了老混凝土体拆除施工技术体系构架．该体系主要包括控制爆破拆除方法、人工拆除方法、机械拆除方法、静裂拆除方法以及这几种方法的组合拆除方法．这些拆除方法各有其优缺点和相应的适用条件，有些方法已经不能解决大坝加高工程施工中各种老混凝土体的拆除问题．因此，在大坝加高工程施工中，很有必要创造新的、更有效的老混凝土体的拆除方法和技术．

3．2 老混凝土面处理

老混凝土面是大坝加高施工中新浇混凝土的基础，在新浇混凝土之前需要对老混凝土面做相应处理，主要为打毛作业，其处理质量是影响新老混凝土结合的关键因素之一．

老混凝土面的处理目的在于增加其表面的粗糙度，增强与新混凝土之间的结合．目前，老混凝土面的打毛方法分为物理方法和化学方法两大类．物理方法又分为喷射处理和机械处理2 种方法．喷射处理方法包括:高压水射法、喷砂(丸)法、喷蒸气法、真空喷砂法、喷烧法等．机械处理方法包括:钢刷划毛法、人工凿毛法、气锤凿毛法、机械切削法．化学方法主要为酸浸蚀法．

喷丸(砂)法、高压水射法［20］处理粘结面具有效率高、不损伤周围老混凝土的特性，可获得较高的黏结强度．人工打毛法、钢刷刷毛法具有施工简便、成本低廉的特点，但是易损伤周围的老混凝土，处理效果不及上述方法．另外，喷蒸气法、真空喷砂法、喷烧法、气锤凿毛法、机械切削法及酸浸蚀法也用来处理粘结面．粘结面粗糙度越大，新老混凝土黏结强度越高．但是也有试验表明，过大的粗糙度并不能获得较高的黏结剪切强度．因此，在工程实践中，需要根据实际情况并通过系统试验研究选择一种高效、低成本且利于新老混凝土结合的老混凝土面处理方法，甚至是包括改变表面外形在内的革命性处理方法．

3．3 新老混凝土结合

新老混凝土结合是大坝加高混凝土工程施工的核心环节，是决定加高后大坝性能优劣的关键因素，也是大坝加高施工的重点与难点．国内外针对新老混凝土结合开展的研究最为广泛．相关的研究工作主要从老混凝土面处理、新老混凝土结合面粘结以及新浇混凝土的性能控制等方面进行．

在老混凝土面的处理方面，采取对老混凝土面加糙处理等措施，可以相应改善混凝土结合面之间的受力状态，促进新老混凝土之间的联合受力，以利于新老坝体的协调运行．在新老混凝土结合面黏结方面，通过锚筋(锚杆)以及采用新老混凝土结合界面剂等方式，能够加强新老混凝土结合．在新浇混凝土的性能控制方面，通过优化新浇混凝土的配合比参数，有利于实现从老混凝土到新混凝土的平顺衔接．然而在这3 个方面，还需要从根本上加以创新，以适应重大加高工程项目建设的要求．

3．4 新混凝土浇筑

与新建大坝不同，在大坝加高工程中，老混凝土已经达到一定龄期，其弹性模量等物理力学参数与新浇混凝土之间存在很大差别，为保证新老混凝土之间的有效结合，需要调整新浇混凝土的性能．

相关研究工作主要从配合比参数优化、温控与防裂、施工时段选择等方面展开．通过优化新浇混凝土配合比，提出并研制过渡区混凝土，实现从老混凝土到新混凝土的性能过渡．新老混凝土结合受老混凝土约束较大，新浇混凝土产生的温度应力易在结合区产生突变和集中，所以新老混凝土结合施工对新浇混凝土采取增强温控措施显得尤为重要．相关研究提出了建立综合性的新浇混凝土温控技术体系，可实现新浇混凝土温度应力的有效控制．在新浇混凝土的施工时段选择方面，一方面需要考虑坝前水位对下游面新浇混凝土的影响，另一方面还要考虑外界气温对新浇混凝土的影响，综合这2 个方面的因素后，再优化选择新浇混凝土的浇筑施工时段．

3．5 加高施工与枢纽运行关系的处理

通常情况下，大坝加高施工期间，现有水电枢纽及其相关设施仍在运行，继续发挥其全部功能或主要功能，大坝加高施工与现有枢纽运行之间在空间、时间、资源等方面存在一定的冲突和矛盾，两者之间需要进行协调，既保证枢纽的正常运行及其各项功能的发挥，又确保加高施工的工程质量和工程进度等目标的实现．

关于该问题的研究主要从以下3 个方面进行．①为确保新浇混凝土的质量以及与老坝体混凝土的良好结合，从坝体应力分析出发，协调好水库上游水位与坝体下游面混凝土浇筑的关系，使得下游面混凝土在浇筑完成后的一段时间内处于良好的受力状态．②施工布置与枢纽防洪、发电等的协调，包括坝顶泄洪用门机与混凝土浇筑运输设备在时间与空间上的协调，主要通过分期施工的方式来实现．即非汛期的坝顶等空间位置主要用于加高施工，汛期则把关系到防洪安全的空间用于枢纽运行． ③针对土石坝及土石方工程施工的需要，从厂区交通、防汛道路运行等方面的需要出发，对土石方工程的进度、土石坝填筑的高程控制进行系统的研究和严格的控制，实现土石坝浇筑施工不影响防汛的理想效果．

4 大坝加高混凝土施工技术述评和展望

4．1 老混凝土拆除技术

大坝加高的混凝土施工部位准备，必须具备两个基本前提:一是根据加高设计的要求，对大坝基础进行相应的增强处理，以满足加高后新坝体安全运行的要求;二是按照结构设计的要求，实施老混凝土拆除，为新浇混凝土提供浇筑部位．

大坝加高施工中的老混凝土拆除，具有量大、面广、精度要求高、损伤保护严格等特点，其施工条件和技术要求与通常情况下的混凝土拆除施工有着较大的区别，可以认为大坝加高的老混凝土拆除是完全意义上的控制拆除;并且，为了保证拆除质量和安全，需要占据较长的延续时间．因此，如何在保证拆除精度和安全的前提下，提高拆除效率，加快拆除进度，这就要从施工技术的角度来加以解决．混凝土的拆除方法多达数十种，其中控制拆除方法也超过20种，但最为基本的方法主要有4 类，即人工拆除、机械拆除、静裂拆除和爆破拆除．也可将4 类方法中的几种加以组合应用．

在大坝加高的混凝土控制拆除施工中，边界条件千差万别，施工环境各不相同，有的甚至苛刻到完全无法实施拆除作业．因此，一方面，需要熟练掌握现有拆除技术，并针对所拆除对象的实际情况，灵活集成运用，以满足施工各项技术要求;另一方面，需要在现有拆除技术的基础上，加以改进创新，形成更优的拆除方法，以满足拆除施工的更高要求;第三方面，在所有拆除方法均不能满足的情况下，自主研发全新的拆除施工方法或施工设备，以满足混凝土拆除的个性化需求．

4．2 新老混凝土结合技术

新老混凝土结合是大坝加高工程施工中的关键问题和核心技术环节，新老混凝土结合的效果对于大坝加高后坝体的稳定性和预期功能的发挥起着决定性作用．新老混凝土结合效果达到理想的水平时，加高后的坝体将作为一个整体共同抵抗各种荷载，保证坝体安全．反之，如果新老混凝土结合状态不符合相关要求，新老混凝土结合面部分或全部开裂，则将严重影响加高后坝体功能的正常发挥，甚至导致毁灭性的灾难，如水库蓄水位达不到预期高度、坝体结合面严重渗水等．

为此，需要建立系统、全面的新老混凝土结合施工技术．可以从以下3 个方面着手:首先，需要改变结合面老混凝土的外形结构特征，如增设人工键槽，以实现加高后坝体的联合受力和良好的应力状态;其次，需要调整新浇混凝土的性能特征，以便实现与老混凝土性能的良好匹配，并且需要做好新浇混凝土的温控防裂工作;最后，需要建立从老混凝土到新浇混凝土的平顺过渡和衔接，如在新老混凝土之间增设界面混凝土以及通过植筋等结构措施增加新老混凝土之间的结合效果．

在这3 个方面的新老混凝土结合施工技术中，需要借鉴已有的工程技术研究成果，并针对大坝加高工程的实际情况做必要的创新和改善．如通过相关的理论研究、科学试验和工程实践，提出新增人工键槽施工技术、新老混凝土结合界面剂、新浇混凝土的性能控制技术．

4．3 新浇混凝土施工技术

老混凝土的物理力学性质已趋稳定，为保证结合效果，需要调整新浇混凝土的性能特征，以实现良好的匹配．新浇混凝土施工技术主要包括以下几个技术环节．

1)设置界面混凝土．运用大坝加高混凝土与老坝体混凝土适配原理，将关注重点进一步缩小到过渡区混凝土的界面范围，把该范围的新混凝土设计成超缓凝、后期强度增长迅速的界面混凝土，以解决由于新老混凝土性能差异导致变形不协调而开裂的问题．

2)新浇混凝土配合比优化设计．从设计标准、水泥类型与性能参数、外加剂、掺和料类型、配合比参数等方面着手进行科学优化，以混凝土性能相适配为原则设计，通过系统的设计和试验，优化提出有利于与老混凝土结合的新浇混凝土原材料和配合比参数．该参数下的新浇混凝土具有理想的极限拉伸值、耐久性、抗渗性和抗裂能力，可较大程度减少混凝土水化热温升，延缓水化热发散速率，有效保障新老混凝土的结合．

3)新浇混凝土温控防裂．建立并采用智能化综合温控技术将新浇混凝土温度控制在最优状态．在原材料温控技术、运输过程温控技术、仓面温控技术及最优浇筑时段的选择等温控技术的基础上，遵循混凝土散热和通水冷却过程规律，按照不同部位的不同温度，动态调整冷却水的水温、流量、流速，将混凝土温度控制在最优状态，创新研究混凝土个性化通水冷却技术、冷却通水智能控制技术．这些技术不仅能有效地减少或防止新浇混凝土出现裂缝，而且也能增进新老混凝土的结合．