水利

第3讲:重力坝设计与施工

水利水电工程管理与实务

同学们好,第3讲讲重力坝设计与施工,这是水利水电实务考试中每年必考的核心考点。重力坝结构特点与施工技术对应大纲SL0102+SL0103,历年案例分值约15到20分,基本每年出一道具案例题,考查内容涉及重力坝的工作原理、稳定与应力分析、构造要求、施工技术和质量控制。这一讲内容多、数据密、坑点多,必须系统梳理、重点突破。本讲重点掌握重力坝的工作原理与受力特点、抗滑稳定分析与应力计算方法、坝体构造与分

同学们好,第3讲讲重力坝设计与施工,这是水利水电实务考试中每年必考的核心考点。重力坝结构特点与施工技术对应大纲SL0102+SL0103,历年案例分值约15到20分,基本每年出一道具案例题,考查内容涉及重力坝的工作原理、稳定与应力分析、构造要求、施工技术和质量控制。这一讲内容多、数据密、坑点多,必须系统梳理、重点突破。本讲重点掌握重力坝的工作原理与受力特点、抗滑稳定分析与应力计算方法、坝体构造与分缝止水要求、混凝土温控防裂措施、坝基灌浆处理要点。

先说第一块,重力坝的工作原理与结构特点。

重力坝是水利水电工程中最基本、最常见的坝型之一。它的工作原理可以用一句话概括:利用坝体自重产生的抗滑力来抵抗上游水压力,维持坝体稳定。注意这里的关键——重力坝主要依靠自身重力维持稳定,不利用或很少利用坝体上游面的水重。这一点和拱坝完全不同,拱坝是利用拱的作用把水压力传递到两岸岩体,而重力坝就是"以体重取胜",靠自己庞大的身躯和自重把水挡住。

重力坝的特点要从优缺点两方面来掌握。优点方面:对地形地质条件适应性强,可以建在宽阔河谷,不像拱坝需要狭窄的V形河谷和坚硬的两岸岩体;结构简单,施工方便,便于机械化施工;泄洪和导流容易布置,可以在坝顶设溢流段,也可以设坝身泄水孔洞。缺点方面:坝体应力较低,材料强度未充分利用,混凝土抗压强度远大于坝体实际承受的应力,造成材料浪费;体积大,水泥用量多,温控问题突出,大体积混凝土的水化热散热困难,容易产生温度裂缝。

重力坝按坝高分为三类:高坝大于70m,中坝30到70m,低坝小于30m。这个分类标准考试经常以选择题形式出现,要注意和高土石坝的分类标准是一致的。

重力坝承受的荷载比较多,必须逐一记住。包括:自重(坝体混凝土自重,是最主要的抗滑力来源)、静水压力(上游水压力,是主要的不利荷载)、动水压力(水流溢流或通过泄水孔时产生的冲击力)、扬压力(包括浮托力和渗透压力两部分)、泥沙压力(上游淤积泥沙的侧压力)、浪压力(风浪对坝面的作用力)、冰压力(北方寒冷地区冰层膨胀或静冰压力对坝面的作用力)、地震荷载(地震时产生的惯性力和动水压力)、温度荷载(坝体温度变化引起的热胀冷缩效应)。

其中扬压力是重力坝设计的关键荷载,必须重点理解。扬压力由两部分组成:浮托力由下游水位产生,方向竖直向上,大小等于下游水深乘以水的重度再乘以计算面积,浮托力无法消除只能尽量减小;渗透压力由上下游水头差产生,水从上游渗透到下游的过程中对坝基和坝体产生的向上压力,渗透压力可以通过防渗帷幕和排水系统来减小。帷幕灌浆形成的防渗帷幕可以截断渗透通道,排水孔可以排出渗水,两者配合可显著减小扬压力,提高坝体抗滑稳定性。这也是为什么重力坝都要设防渗帷幕和排水系统的原因。

挖坑点:重力坝利用了上游面水重来维持稳定,错,重力坝不利用或很少利用水重,靠的是自重;重力坝对地形地质条件要求很高,只能建在狭窄河谷,错,重力坝适应性强,宽阔河谷也能建;扬压力只有渗透压力一种,浮托力可以消除,错,扬压力包括浮托力和渗透压力,浮托力由下游水位产生无法消除;扬压力对坝体稳定有利,错,扬压力方向向上,减小坝体有效重量,对抗滑稳定不利;重力坝体积大是因为需要利用材料强度,错,恰恰是因为材料强度未充分利用才需要做大体积。自重挡水靠体重,扬压不利向上顶;帷幕排水减扬压,浮托渗透要分清。

第二块说重力坝的稳定与应力分析,这是考试计算题和案例分析的重点。

抗滑稳定分析是重力坝设计中最基本的内容。沿坝基面的抗滑稳定是最重要的,因为坝体可能沿着坝基面滑动。抗滑稳定计算有两种公式。

第一种是抗剪断公式:K'=(f'ΣW+c'A)/ΣP。其中K'为抗滑稳定安全系数,f'为抗剪断摩擦系数,ΣW为作用在坝基面上所有竖向力之和(包括自重、水重等,向上为正向下为负,扬压力要减去),c'为坝基面混凝土与基岩之间的凝聚力(抗剪断凝聚力),A为坝基面积,ΣP为作用在坝体上所有水平力之和(主要是上游水压力)。这个公式同时考虑了摩擦力和凝聚力,是比较合理的计算方法。

第二种是纯摩公式:K=fΣW/ΣP。其中f为抗滑摩擦系数,不考虑凝聚力,偏于安全。纯摩公式计算结果比抗剪断公式偏小,即安全系数较低,设计时更保守。

两种公式的选用:对于大型工程和初步设计阶段,宜用抗剪断公式;对于中小型工程或基岩面存在不利软弱夹层时,可用纯摩公式。注意公式中ΣW的计算要特别注意正负号,向下的力取正(自重、上游水重),向上的力取负(扬压力、下游水浮力)。

坝基面应力计算是另一个重点。坝基面应力按材料力学公式计算:σ=ΣW/A±ΣM/W。其中ΣW为竖向力之和,A为坝基面积,ΣM为对坝基面形心的力矩之和,W为坝基面截面抵抗矩(对于矩形截面W=b²/6,b为坝底宽度)。坝基面上游端(坝踵)应力取负号得最小值σmin,下游端(坝趾)应力取正号得最大值σmax。

应力控制标准有两条:第一,坝踵不出现拉应力,即σmin≥0。这是因为混凝土抗拉强度很低,出现拉应力容易开裂,裂缝发展可能影响坝体整体稳定。第二,坝趾压应力不超过地基容许承载力,即σmax≤[σ]。这是为了保证地基不被压坏。两条标准缺一不可。

改善坝踵应力的措施是考试改错题的常见内容。主要有三种方法:第一,上游面做成折坡或倾斜,即在坝体上部将上游面做成倒坡(向下游倾斜),这样可以利用上游面以上的水重来增加竖向力,改善坝踵应力状态;第二,设置宽缝或空腹,宽缝重力坝在坝体内设置宽阔的缝隙,减小坝底扬压力面积,从而减小扬压力对坝踵的不利影响;第三,设置防渗帷幕和排水系统,帷幕设在靠近上游面处,排水孔在帷幕下游侧,有效减小渗透压力,改善坝踵和坝趾的应力分布。

影响抗滑稳定的主要因素有三个:扬压力大小(帷幕排水效果越好,扬压力越小,抗滑稳定越有利)、坝基面抗剪参数(f'和c'越大越安全,取决于基岩性质和施工质量)、荷载组合(不同工况下荷载组合不同,校核洪水+地震等最不利组合安全系数要求可降低)。

挖坑点:抗剪断公式中ΣW不包括扬压力,错,ΣW是所有竖向力之和,扬压力向上为负必须包含;纯摩公式考虑了凝聚力更安全,错,纯摩公式不考虑凝聚力,偏保守更安全;坝踵允许出现少量拉应力,错,原则上不允许出现拉应力,混凝土抗拉能力太弱;应力计算中截面抵抗矩W=b²/6,有人记成b/6或bh²/6要注意截面形状;安全系数计算时水平力只算静水压力忽略泥沙压力和浪压力,考试要看题目给的条件,给了就必须算进去。抗剪断公式f西格马W加c撇A,除以西格马P要记牢;坝踵不拉坝趾不压,应力控制两条标准不能少。

第三块讲重力坝的构造,这部分知识点密集,考试以改错题和填空题为主。

先说坝顶构造。坝顶宽度:无交通要求时一般3到5m,有交通要求时要满足公路标准,通常不小于5m。防浪墙设在坝顶上游侧,高度一般为1.0到1.2m,用以阻挡风浪翻越坝顶。防浪墙与坝体要可靠连接,防浪墙本身要有足够的强度和稳定性。坝顶设栏杆是为了安全,栏杆高度一般1.0到1.2m。

上游面构造要点。坝面上部可以做成垂直的或略向下游倾斜(即倒坡),倒坡的目的是利用坝面上方的水重增加竖向力,改善坝踵应力。下部可以设折坡,即在某个高程将上游面由垂直改为倾斜,折坡点一般在二分之一到三分之二坝高处。折坡角度不宜大于1比0.3(即水平0.3对应竖直1),折坡太陡对利用水重效果有限,折坡太平则增加坝体方量不经济。

坝体排水是重要构造。排水管设在防渗层后侧(下游侧),管距2到3m,管径15到25cm。排水管至上游面的距离有严格要求:不小于坝高的十分之一且不小于3m。排水管的作用是排出通过防渗层渗透过来的少量渗水,降低坝体内部渗透压力。排水管要通畅,定期检查和清理。

防渗层设置在坝体上游面。防渗层厚度一般为坝体厚度的十分之一,混凝土抗渗等级不低于W8。防渗层的作用是阻止库水渗入坝体,减小渗透压力和扬压力,保护坝体混凝土不受水的侵蚀。防渗层混凝土的抗渗等级要根据水头大小确定,水头越大要求越高。

廊道系统是重力坝内部的重要通道。基础灌浆廊道设在坝体底部靠近上游面处,距坝基面不小于5m,廊道断面尺寸一般为宽1.5到2.5m、高2.5到3.5m,用于进行帷幕灌浆和固结灌浆施工。检查和排水廊道沿坝高方向每隔15到30m设一层,用于检查坝体内部情况、汇集和排出渗水。廊道之间用竖井连通,形成完整的廊道系统。廊道布置要兼顾灌浆施工和检查排水的需要,同时要尽量减少对坝体强度的削弱。

分缝是重力坝施工中的关键构造措施。分缝分三种:横缝、纵缝和施工缝。

横缝是垂直于坝轴线方向的缝,将坝体分成若干坝段,缝间距一般为15到20m。横缝分为永久缝和临时缝。永久缝不设键槽不灌浆,允许各坝段独立变形,适用于地基条件较差的情况。设键槽和灌浆系统的横缝,后期通过灌浆使相邻坝段连成整体,适用于地基条件较好的情况。键槽的作用是增加缝面的抗剪能力,灌浆系统(包括进浆管、出浆管、排浆管)的作用是将水泥浆注入缝面使相邻坝段结合成整体。

纵缝是平行于坝轴线方向的缝,大型重力坝由于坝体很宽,一次浇筑整个坝段不现实(混凝土方量太大、温控困难),需要设纵缝将坝段分成若干坝块分块浇筑,后期通过接缝灌浆使各坝块连成整体。纵缝的布置方式有直缝、斜缝和错缝,斜缝大致平行于主压应力方向,缝面剪应力较小。

施工缝是水平缝,即每一层混凝土浇筑之间的接缝。层面处理是施工质量的关键。施工缝处理要点:凿毛(将表面浮浆凿除露出石子)、冲毛(用高压水冲去浮渣)、铺砂浆(浇筑上层混凝土前铺一层2到3cm厚的水泥砂浆),确保上下层混凝土结合良好。

止水是防止水通过接缝渗透的构造措施。横缝止水一般设置铜片止水加橡胶止水带加沥青井的组合止水系统。重要工程设两道止水,即在靠近上游面设第一道止水(铜片止水),在坝体内部设第二道止水(橡胶止水带),两道止水之间设沥青井用于加热密封。铜片止水耐腐蚀、使用寿命长,是第一道防线;橡胶止水带有弹性适应变形能力强,是辅助防线;沥青井可以通过加热使沥青流动填补缝隙,起密封作用。

挖坑点:排水管至上游面距离不小于坝高1/10且不小于3m,有人只记1/10不记3m下限;防浪墙高度1.0到1.2m不是1.5m,不要和栏杆高度混淆;横缝间距15到20m不是30到40m,间距太大会增加温度应力;基础灌浆廊道距坝基面不小于5m不是3m;纵缝灌浆在坝体温度达到稳定温度后进行,不是浇筑完成后立即灌浆;施工缝不处理就直接浇筑上层混凝土,导致层间结合不良形成薄弱面;止水只设一道,重要工程必须设两道;折坡点位置不在1/2到2/3坝高处而是设在了更低位置,不能有效利用水重。排水三米十分一,防浪墙高一米二;横缝十五到二十,两道止水不遗漏。

第四块讲重力坝施工技术,这是案例题出题的重灾区,尤其是温控防裂措施几乎年年涉及。

先说混凝土拌合。重力坝混凝土必须使用低热硅酸盐水泥或中热水泥,这是从源头上控制水化热的基本措施。掺加粉煤灰替代15%到35%的水泥用量,粉煤灰的水化热远低于水泥,可以显著降低混凝土的温升,同时还改善混凝土的和易性和后期强度。水胶比一般控制在0.45到0.55之间,水胶比太大会降低混凝土强度和耐久性,太小则和易性差影响浇筑质量。

混凝土运输方式要根据坝型和施工条件选择。塔带机适用于大型坝,集运输和浇筑于一体,效率高;缆机适用于高坝峡谷地形,跨越能力强;门机配合皮带机适用于中低坝,覆盖范围广;自卸汽车配合塔吊适用于场地开阔的中低坝工程。运输过程中要防止混凝土离析和坍落度损失。

混凝土浇筑有几个关键控制要点。

分层浇筑方面,层厚一般为30到50cm,取决于振捣器的有效作用深度。浇筑方式有通仓浇筑和柱状浇筑两种。通仓浇筑是整个坝段一次浇满不设纵缝,整体性好但温控难度大;柱状浇筑是设纵缝分块浇筑,温控相对容易但需后期灌浆整体化。

浇筑温度控制是重中之重。基础约束区即基础面上0到0.2倍坝宽范围内的混凝土,浇筑温度要严格控制,一般不超过12到14摄氏度。这是因为基础约束区受基岩约束最大,温度变化引起的拉应力最大,最容易产生裂缝。夏季施工时需要采取预冷骨料和加冰拌合的措施来降低混凝土出机口温度。预冷骨料可以通过风冷、水冷或真空冷却等方式,一般可降低出机口温度7到10摄氏度;加冰拌合是用片冰或冰屑代替部分拌合水,冰融化吸热进一步降低温度。

层面处理要点。浇筑间歇时间不能超过混凝土的初凝时间。如果超过初凝时间,下层混凝土已经凝结硬化,必须按施工缝处理:凿毛、冲毛、铺砂浆后才能浇筑上层混凝土。初凝时间一般通过试验确定,通常在3到6小时之间(取决于水泥品种和温度条件)。层面处理不当是重力坝施工中最常见的质量隐患之一。

振捣要求:使用插入式振捣器,插入间距不超过振捣器有效半径的1.5倍,确保每个部位都能被振捣到;插入下层混凝土5cm左右,使上下层混凝土结合良好;振捣时间以表面泛浆且不冒大气泡为准,一般为20到30秒。要做到不过振、不漏振。过振会导致粗骨料下沉砂浆上浮造成离析,漏振会导致混凝土不密实出现蜂窝麻面。

重点讲温控防裂,这是重力坝施工的核心问题也是考试的高频考点。

温控措施分三个层面。第一是降低出机口温度:预冷骨料和加冰拌合,可降低出机口温度7到10摄氏度。第二是表面保温养护:浇筑完成后及时覆盖保温材料(如草袋、棉被、泡沫板等),防止混凝土表面散热过快,控制混凝土内外温差不超过25摄氏度。内外温差过大时,内部热膨胀受到外部冷收缩的约束,内部产生压应力外部产生拉应力,当外部拉应力超过混凝土抗拉强度时就会产生表面裂缝。第三是通水冷却:在混凝土内部埋设冷却水管,分两期通水。一期通水在浇筑后尽快开始,目的是加速散热、降低最高温升,一般降温3到5摄氏度;二期通水在混凝土达到最高温度后进行,目的是将混凝土温度冷却到稳定温度(即坝体运行期的平均温度),为接缝灌浆创造条件。

温度控制标准有三条必须记住:混凝土内外温差不超过25摄氏度,上下层温差不超过15摄氏度,降温速率不超过1.5摄氏度每天。这三条是施工过程中的"红线",任何一条超标都可能导致温度裂缝。

温控分区也是重要概念。基础约束区(基础面上0到0.2倍坝宽范围)是最关键的区域,受基岩约束最大,温控要求最严格;离缝区(基础约束区以上到自由区之间)受约束程度中等,一般温控;自由区(坝体上部远离基础的部分)几乎不受约束,可以自然散热,温控要求最低。

接缝灌浆方面。纵缝灌浆必须在坝体温度达到稳定温度后进行。稳定温度是指坝体在运行期的平均温度,低于灌浆温度。灌浆温度一般控制在5到10摄氏度。灌浆压力一般为0.2到0.4MPa,压力太大会顶开坝块造成变形,太小则浆液不能充分填充缝面。灌浆要自下而上进行,先灌底部确保密实。

挖坑点:高坝用普通硅酸盐水泥而不是低热或中热水泥,水化热过大是温控失败的根源;粉煤灰替代率超过35%影响早期强度,低于15%温控效果不明显;基础约束区浇筑温度超过14摄氏度,夏季不预冷骨料不加冰拌合;层面间歇超过初凝时间不按施工缝处理就直接浇筑;通水冷却只有一期没有二期,二期通水不可省略;混凝土内外温差超过25摄氏度不采取保温措施;降温速率超过1.5摄氏度每天不控制;纵缝灌浆在坝体温度未降到稳定温度就进行,灌浆后降温缝面会重新张开;振捣棒插入间距超过有效半径1.5倍导致漏振。低热掺灰控温升,基础约束十二度;内外二十五上下十五,降温速率一点五度每昼夜。

第五块讲重力坝的质量控制与检测。

原材料检测方面:水泥每批检验,同一厂家、同一品种、同一批号不超过200t为一批,每批检验强度、安定性、凝结时间等指标;粉煤灰以连续供应的相同等级不超过200t为一批,检验细度、需水量比、烧失量、含水率等指标;骨料按批量检验,包括颗粒级配、含泥量、泥块含量、针片状含量、坚固性、碱活性等。原材料不合格严禁使用,这是质量控制的源头。

混凝土检测方面:坍落度每盘检测,确保和易性满足要求;抗压强度试件每100立方米混凝土至少取1组(每组3个试件),标准养护28天后测试,评定混凝土强度是否满足设计要求;抗渗等级按设计要求检验,一般重力坝混凝土抗渗等级不低于W8。强度评定方法有统计法和非统计法,大体积混凝土宜用统计法。

坝体质量检测方法主要有三种:钻孔取芯是从坝体钻取混凝土芯样,直接观察混凝土密实性、骨料分布和层间结合情况,并在实验室测试芯样强度和抗渗性能;压水试验是在钻孔中施加一定压力的水,测定渗水量来评价坝体和坝基的防渗效果,透水率越小防渗效果越好;超声波检测是利用超声波在混凝土中传播的速度和衰减特性来检查混凝土内部缺陷(如空洞、裂缝、不密实区等),属于无损检测。

坝基处理是重力坝施工的重要环节,直接关系到坝体安全。

帷幕灌浆的目的是减小渗透压力和扬压力。帷幕灌浆孔一般布置在基础灌浆廊道内,孔距一般为1.5到3m,灌浆分序加密进行(分三序或更多,先灌序孔再灌次序孔最后灌加密孔)。帷幕深度一般为坝高的三分之一到二分之一,对于高坝和地质条件较差的坝基应适当加深。帷幕灌浆压力要根据覆盖层厚度和基岩条件确定,不宜过大以免抬动坝基岩体。帷幕灌浆要分序加密、由稀到浓、逐级升压。

固结灌浆的目的是提高基岩的整体性和承载力,减小坝基变形。固结灌浆孔距一般为3到4m,布置方式有梅花形和矩形两种。固结灌浆深度一般5到8m,根据地质条件确定。固结灌浆可以在坝基开挖完成后、浇筑基础混凝土之前进行,也可以在基础灌浆廊道内进行。

坝基开挖要求清除风化层至新鲜或微新鲜岩面。新鲜岩面是指未受风化影响的完整岩体,微新鲜岩面是指轻微风化但岩体结构基本完整的岩面。坝基面不能有大面积的泥化夹层、软弱结构面等不利地质构造。开挖后坝基面要平整,起伏差不超过设计允许值。

挖坑点:水泥批量超过200t未重新检验;混凝土坍落度不是每盘检测而是抽检,错,坍落度必须每盘检测;抗压强度取样频率不足100立方米一组;帷幕灌浆孔距3到4m与固结灌浆孔距搞混了,帷幕1.5到3m、固结3到4m;帷幕灌浆不分序直接灌注,必须分序加密;帷幕深度超过坝高的二分之一过深造成浪费,或者不足三分之一防渗效果不够;固结灌浆在帷幕灌浆之后进行,顺序反了,一般先固结后帷幕;坝基开挖到强风化层就停止,必须到新鲜或微新鲜岩面;压水试验和注水试验混淆,坝基检测用的是压水试验。帷幕一点五到三,固结三到四要分清;新鲜岩面是底线,分序加密不能乱。

来看第一道案例题。

某水利枢纽工程主要建筑物包括一座混凝土重力坝,坝高65m,坝顶长度280m。施工单位在施工过程中发生以下事件:

事件一:混凝土拌合采用普通硅酸盐水泥,为加快施工进度未掺加粉煤灰。夏季施工时混凝土出机口温度为22摄氏度,施工单位未采取预冷措施。浇筑后混凝土内部最高温度达到68摄氏度,表面温度30摄氏度。

事件二:基础约束区混凝土浇筑时,施工人员控制浇筑层厚为60cm,使用有效半径50cm的插入式振捣器,振捣器插入间距为80cm,每点振捣时间10秒。

事件三:纵缝灌浆在坝体浇筑完成后第30天进行,此时坝体内部温度为25摄氏度。灌浆压力0.6MPa,自下而上分段灌浆。

事件四:帷幕灌浆施工时,孔距4m,采用一次灌注法不分序施工,灌浆压力0.5MPa。

问题一:指出事件一中的不当之处并改正,计算混凝土内外温差并判断是否满足要求。

解答:事件一中有以下不当之处。第一,采用普通硅酸盐水泥不妥。改正:重力坝大体积混凝土应使用低热硅酸盐水泥或中热水泥,以降低水化热。第二,未掺加粉煤灰不妥。改正:应掺加粉煤灰替代15%到35%的水泥用量,以降低水化热、改善和易性。第三,夏季施工未采取预冷措施不妥。改正:基础约束区浇筑温度一般不超过12到14摄氏度,夏季应采取预冷骨料和加冰拌合措施降低出机口温度。第四,浇筑后未采取表面保温措施不妥,混凝土表面温度仅30摄氏度说明内外温差大。改正:浇筑后应及时覆盖保温材料进行表面保温养护。

混凝土内外温差计算:内部最高温度68摄氏度减去表面温度30摄氏度等于38摄氏度。规范要求内外温差不超过25摄氏度,38摄氏度远大于25摄氏度,不满足要求,存在严重的温度裂缝风险。

问题二:指出事件二中的不当之处并改正。

解答:事件二中有以下不当之处。第一,浇筑层厚60cm不妥。改正:浇筑层厚一般为30到50cm,60cm过厚,振捣器无法有效振捣下层混凝土。第二,振捣器插入间距80cm不妥。改正:插入间距不应超过振捣器有效半径的1.5倍,即不超过50乘以1.5等于75cm,80cm超过了要求。第三,每点振捣时间10秒不妥。改正:振捣时间以表面泛浆且不冒大气泡为准,一般为20到30秒,10秒过短属于漏振,混凝土不能充分密实。另外,事件二中未提及插入下层混凝土的情况。改正:振捣器应插入下层混凝土5cm左右,确保上下层结合良好。

问题三:指出事件三中的不当之处并改正。

解答:事件三中有以下不当之处。第一,坝体浇筑完成后第30天进行纵缝灌浆不妥。改正:纵缝灌浆必须在坝体温度达到稳定温度后进行,稳定温度一般低于灌浆温度,浇筑后30天混凝土温度尚未降到稳定温度。第二,坝体内部温度25摄氏度时灌浆不妥。改正:灌浆温度一般控制在5到10摄氏度,25摄氏度远高于灌浆温度要求,灌浆后温度继续下降会导致缝面重新张开。第三,灌浆压力0.6MPa不妥。改正:灌浆压力一般为0.2到0.4MPa,0.6MPa过大,可能顶开坝块造成坝体变形。

问题四:指出事件四中的不当之处并改正,并说明帷幕灌浆施工要点。

解答:事件四中有以下不当之处。第一,孔距4m不妥。改正:帷幕灌浆孔距一般为1.5到3m,4m过大,不能形成有效的防渗帷幕。第二,一次灌注法不分序施工不妥。改正:帷幕灌浆应分序加密进行,一般分三序施工(先灌序孔、再灌次序孔、最后灌加密孔),以保证帷幕的连续性和密实性。第三,灌浆压力0.5MPa不妥。改正:帷幕灌浆压力要根据覆盖层厚度和地质条件确定,一般不宜过大以免抬动基岩,应通过现场试验确定合理压力值。

帷幕灌浆施工要点如下。第一,钻孔:在基础灌浆廊道内钻孔,孔距1.5到3m,孔深一般为坝高的三分之一到二分之一。第二,分序加密:分三序施工,先灌一序孔(间距较大),再灌二序孔(加密),最后灌三序孔(进一步加密),逐步缩小孔距形成连续帷幕。第三,冲洗和压水试验:灌浆前对钻孔进行冲洗清除孔内岩粉和杂物,并进行简易压水试验了解岩体透水率。第四,灌浆:灌浆材料一般为纯水泥浆,水灰比由稀到浓逐级变换(如5比1、3比1、2比1、1比1、0.5比1等),灌浆压力由小到大逐级升高。第五,灌浆结束标准:在设计灌浆压力下,注入率不大于1升每分钟,继续灌注30分钟即可结束。第六,封孔:灌浆结束后用浓浆或水泥砂浆封填密实。

再来看第二道案例题。

某中型水利枢纽工程拟建设一座混凝土重力坝,坝高45m,坝底宽度36m。坝址区基岩为花岗岩,地表有强风化层厚约5到8m,以下为弱风化层和新鲜岩体。设计采用帷幕灌浆和固结灌浆相结合的坝基处理方案。设计文件要求:帷幕灌浆布置在基础灌浆廊道内,帷幕深度为坝高的三分之一即15m;固结灌浆孔距3到4m,孔深6m;防渗层厚度为坝体厚度的十分之一;基础灌浆廊道距坝基面5m。施工单位在施工中发生以下事件:

事件一:坝基开挖至弱风化层顶部后即停止开挖,施工单位认为弱风化层岩体整体性尚可,满足坝基承载力要求。监理工程师发现后要求继续开挖。

事件二:固结灌浆施工完成后进行帷幕灌浆施工。帷幕灌浆孔距2m,分两序施工,灌浆压力0.8MPa。灌浆过程中发现坝基面出现轻微抬动变形,施工单位调大灌浆压力继续施工。

事件三:坝体混凝土浇筑至基础约束区时,施工单位为赶工期在高温季节连续浇筑,混凝土出机口温度26摄氏度,未采取预冷措施。浇筑后表面仅覆盖单层草袋养护,混凝土内部最高温度72摄氏度,表面温度35摄氏度。拆模后发现坝踵部位出现竖向裂缝。

问题一:事件一中监理工程师要求继续开挖是否正确?说明理由。

解答:正确。根据设计和规范要求,重力坝坝基必须清除风化层至新鲜或微新鲜岩面。事件一中开挖至弱风化层顶部即停止,弱风化层以下仍有弱风化层岩体未清除,不满足坝基开挖要求。弱风化层岩体虽然整体性较好,但其强度和变形特性与新鲜岩体存在较大差异,长期在水荷载作用下可能发生不均匀变形,影响坝体稳定。必须继续开挖至新鲜或微新鲜岩面。

问题二:指出事件二中帷幕灌浆施工的不当之处并改正。

解答:事件二中有以下不当之处。第一,固结灌浆完成后进行帷幕灌浆施工,施工顺序不当。改正:一般应先进行固结灌浆提高基岩整体性和承载力,然后进行帷幕灌浆,但帷幕灌浆应在基础混凝土浇筑后在灌浆廊道内进行,且帷幕灌浆与固结灌浆的施工时间安排应合理。此处固结灌浆在帷幕灌浆之前进行总体顺序可以,但需注意固结灌浆完成后要待浆液凝结达到一定强度后再进行帷幕灌浆。第二,帷幕灌浆压力0.8MPa过大。改正:灌浆压力过大导致坝基面出现抬动变形,应降低灌浆压力至合理范围(一般0.2到0.4MPa或通过现场试验确定),并加强抬动观测。第三,发现抬动变形后调大灌浆压力继续施工,这是严重错误。改正:发现坝基面出现抬动变形应立即停止灌浆或降低灌浆压力,查明原因后再恢复施工,必要时调整灌浆参数。抬动变形说明灌浆压力超过了上覆岩体和混凝土的重力约束,继续增大压力可能导致坝基破坏。

问题三:指出事件三中的不当之处并改正,分析坝踵部位竖向裂缝产生的原因。

解答:事件三中有以下不当之处。第一,高温季节未采取预冷措施不妥。改正:基础约束区混凝土浇筑温度一般不超过12到14摄氏度,高温季节必须采用预冷骨料和加冰拌合措施降低出机口温度。第二,出机口温度26摄氏度不满足要求。改正:基础约束区浇筑温度应控制在12到14摄氏度以下。第三,表面仅覆盖单层草袋养护不够。改正:应根据保温计算确定保温材料种类和厚度,确保混凝土内外温差不超过25摄氏度。

坝踵部位竖向裂缝产生的原因分析如下。混凝土内外温差为72减35等于37摄氏度,远超25摄氏度的控制标准。由于内外温差过大,混凝土内部温度高膨胀受到外部低温区的约束,外部产生较大拉应力。基础约束区受基岩约束最大,温度引起的拉应力最为集中,当拉应力超过混凝土抗拉强度时,便在坝踵部位产生竖向裂缝。同时,高温季节出机口温度高导致混凝土最高温度偏高,加大了降温幅度和温度应力,进一步加剧了裂缝的产生和发展。

这一讲最后帮大家串一遍。重力坝靠自重抗滑,不利用水重;按坝高分为高坝大于70m、中坝30到70m、低坝小于30m。扬压力是重力坝的关键荷载,包括浮托力(下游水位产生,无法消除)和渗透压力(上下游水头差产生,可通过帷幕排水减小)。抗滑稳定分析两套公式:抗剪断公式K'等于f'ΣW加c'A除以ΣP,纯摩公式K等于fΣW除以ΣP。应力控制两条线:坝踵不拉σmin大于等于0,坝趾不压σmax小于等于容许承载力。

构造方面,坝顶宽3到5m,防浪墙1.0到1.2m,排水管距上游面不小于坝高十分之一且不小于3m,防渗层为坝厚十分之一且抗渗W8以上,基础灌浆廊道距坝基面不小于5m。横缝间距15到20m,止水两道(铜片加橡胶加沥青井)。

施工技术方面,低热水泥或中热水泥加粉煤灰15%到35%,基础约束区浇筑温度不超过12到14摄氏度,预冷骨料加冰拌合降温7到10摄氏度。层厚30到50cm,振捣间距不超过有效半径1.5倍,插入下层5cm,振捣20到30秒。温控三红线:内外温差25摄氏度、上下层温差15摄氏度、降温速率1.5摄氏度每天。通水冷却分两期,纵缝灌浆在稳定温度5到10摄氏度进行。

质量检测方面,水泥200t一批、粉煤灰200t一批、坍落度每盘检测、强度每100立方米一组。帷幕灌浆孔距1.5到3m、分序加密、深度坝高三分之一到二分之一;固结灌浆孔距3到4m、孔深5到8m;坝基开挖至新鲜或微新鲜岩面。

水利实务案例20讲第3讲就讲到这里。重力坝每年必考一道案例题,分值15到20分,温控措施和坝基处理是最容易出改错题的考点,构造参数和施工数据是选择题和填空题的重点。各模块的挖坑点和口诀要反复记忆,案例题要动手写完整答案。下一讲讲拱坝与土石坝,大家预习准备。祝同学们学习顺利!