松月碾压混凝土坝加高关键技术研究
夏世法，鲁一晖，岳跃真，张家宏
（中国水利水电科学研究院 北京 100038）
摘要：松月工程地处严寒地区，大坝一期为碾压混凝土重力坝，二期坝体加高采用贴坡式加高、加厚的方式。寒冷地区碾压混凝土浇筑施工具有不同于其他地区的特点和规律，寒冷地区碾压混凝土坝的加高国内外尚无先例，因此，必须对大坝加高过程中所涉及的关键问题进行深入研究。针对松月工程的实际情况，本文就大坝加高的断面设计、材料分区、新老坝体结合面的结构型式、仿真应力分析和温度控制防裂等关键问题进行研究，研究的成果将用于松月碾压混凝土坝的加高工程中，并可供其他类似工程参考借鉴。
关键词：碾压混凝土坝 大坝加高 新老坝体结合面 稳定分析 仿真分析 温控 防裂
1 概述
松月水库一期大坝坝高28.6m，坝顶高程555.60m，大坝加高后的坝顶高程568.20m，大坝加高12.6m。大坝按分期建设设计和施工，在一期施工中已经为二期加高准备好地基基础和防渗帷幕，且相对于一期坝高，二期加高的高度较大，因此，宜采用重力式进行加高，即大坝加高后仍为重力坝。委内瑞拉的古力坝自然条件优越，其年平均气温为27℃，温度年内变化较小，新老结合面受气温变化影响较小。日本的几个混凝土坝加高工程的年平均气温为15℃左右，与我国的丹江口水库［1］坝址区的气候条件相仿。松月水库坝址区多年平均气温4.8℃，属严寒地区，温度年内变化较大。因此，松月水库碾压混凝土的加高结构必须适应地处严寒地区的特点。
寒冷地区碾压混凝土坝具有不同于其他地区的特点和规律，寒冷地区碾压混凝土坝的加高国内外尚无先例，因此，必须对大坝加高过程中所涉及的关键问题进行深入研究。针对贴坡式加高、加厚的方式，与大坝加高有关的关键问题包括：①施工期和运行期加高坝体的应力和变形；②二期混凝土的温度控制防裂；③材料配合比优选；④新老混凝土结合面的应力分析和结构型式；⑤上游面防渗措施；⑥排水和止水的设计等。本文主要介绍大坝加高的断面设计、材料分区、新老坝体结合面的结构型式等。
2 大坝的材料分区
松月水库一期大坝混凝土分区为：上游为2m防渗常态混凝土，内部为碾压混凝土，混凝土标号为R28100，顶部为常态混凝土，下游外部为预制混凝土护坡。大坝加高后的断面和混凝土分区如图1所示。
老坝主体为碾压混凝土，设计标号为R28100。此次加高下游面仍采用碾压混凝土，设计的强度等级为C9015。采用碾压混凝土施工有下列优点：①采用设计强度等级为C9015的碾压混凝土，加高后坝体的均质性较好，刚度相差较小，有利于改善坝体的受力状态；②碾压混凝土施工快捷，配合比中胶凝材料含量低，混凝土的水化热温升小，从而可降低新老混凝土之间的温差，减小对老坝上游面应力的影响；③在保持新老坝体间相等温差的情况下可简化温控措施。
在下游面0.5m范围内采用变态混凝土，一方面方便施工，另一方面通过提高胶凝材料含量提高混凝土的耐久性和抗冻性。
在下游贴坡的顶部和老坝的顶部采用常态混凝土，设计强度等级为C2820。C2820的抗渗等级为W6，抗冻标号为F200，均可满足上游面混凝土防渗和抗冻的要求。
因碾压混凝土单方造价低于常态混凝土，且施工方便，因此，在可能的情况下，尽量扩大碾压混凝土的使用范围。据此原则，大坝的分区如图1所示。
图1 大坝混凝土的材料分区
3 新老坝体结合面的结构型式选择
采用重力式加高重力坝，要求加高的坝体能与老坝体结合良好，联合受力。但在大坝加高二期混凝土浇筑时，老坝体混凝土已经浇筑多年，坝体温度充分冷却，基本随外界温度的变化而变化，并且混凝土因龄期长而刚度较大。加高坝体混凝土浇筑时，由于水化热的作用，新浇混凝土温度升高，从而在新老坝体混凝土间形成温差。温差的大小取决于新浇混凝土的材料性能、当地的气候条件、浇筑的季节和温控的措施。新老坝体间存在的温差对新老坝体间的变形和应力影响较大。老坝体约束新坝体混凝土的变形，能引起坝后贴坡的混凝土出现开裂，破坏坝体的整体性，新浇混凝土的收缩变形在老坝体上游面产生较大的拉应力，恶化了老坝的应力状态。因此采取重力式加高的关键问题是：①减小施工期新老坝体间的相互影响，保证新老坝体混凝土的应力状态均满足要求；②保证运行期新老坝体间结合良好，坝体为一均质体，共同承载。
为了解决大坝加高施工期间新老坝体间的变形和应力的相互影响问题，在以往的工程实践中采用的方式有如下四种：
（1）在老坝体下游面直接浇筑混凝土，使新老坝体间形成一整体结构。施工时优化混凝土配合比，降低混凝土水化热温升，采取严格的温控措施，减小新老坝体间的温差，使得新老混凝土的拉应力均在允许范围之内。
（2）施工时在新老坝体间留下缝隙或宽缝，浇筑新混凝土，待新混凝土的温度降至一定值后，再回填缝隙，使新老坝体结合为一个整体。莫杜拉期坝（Mullardoch Dam）高35.7m，为上游面垂直的重力坝，加高6.1m，施工时在新老混凝土间形成一个高0.9m、宽5.6m的宽槽，这些肋条上放置其内含有润滑油的油纸，以降低老混凝土对新混凝土降温收缩时的约束。新混凝土浇筑后5个月用预压骨料混凝土回填。
（3）在新混凝土内设置铅直的收缩缝，便于自由收缩，等新混凝土充分冷却后，再进行接缝灌浆。例如大狄克逊坝［2］是在新浇混凝土中预留铅直的宽缝，混凝土冷却后再在宽缝内回填混凝土。
（4）Loskop等坝采用一种新的加高方式［3］，大坝高42m，上游面直立，加高9m，新老坝体的结合面自下往上分为下、中、上三段。在下段，新混凝土直接浇筑在老混凝土上，在新混凝土浇筑前，老混凝土需进行凿毛处理，使新老混凝土结合好；至少1个月以后才能开始中段混凝土的浇筑，中段混凝土浇筑时，老坝面保持光滑，其上涂刷防粘液，该段吸收新浇混凝土的收缩变形；6个月后采取与下端相仿的方式浇筑上段混凝土。在Loskop Dam，中部的缝长约为整个接缝面的1/2。中段接缝不灌浆，但为了防止渗漏在缝内形成渗压，在缝内设置了排水系统，将缝内的渗水收集并排入排水廊道。用同样的方法还加高了Nahoon Dam，该坝最大高度29m，加高10.7m。
针对丹江口工程加高后新老混凝土结合面的应力和开裂的研究成果［1］表明在大坝运行过程中，由于外界气温的变化和老坝面加高前后的温度变化，新老混凝土结合面局部存在拉应力，拉应力超过1.0MPa的面积不到总结合面的10%，大于0.6MPa的面积小于结合面的30%，由此可见，结合面会被部分拉开，但大部分会处于结合状态。
新老坝体的结合面接近于坝体的主应力方向，沿结合面的剪应力主要由温度作用所引起。结合面传力的性能与结合面的构造关系较大，若结合面能保持大面积的结合良好，就可保证必需的传力和联合承载。
松月水库的外界气温变化远大于丹江口水库，因此新老混凝土结合面受外界气温的影响也将比丹江口工程大，预计在新老混凝土结合面上将存在更大的拉应力。根据松月工程的实际情况，新老混凝土结合可采用下列两种结构型式：
（1）方案一。将老坝体预制混凝土块护坡拆除，将下游坝面修理成台阶形，类似键槽，在老坝下游垂直面结合处凿毛，设置锚筋和灌浆系统（重复灌浆），在水平结合面进行凿毛，凿毛深度5～10cm，视坝顶混凝土质量而定，铺设水泥砂浆，确保新老混凝土结合良好，如图2所示。
该方案的优点是下游面拆除预制混凝土护坡形成类似键槽的形状，可保证结合面较好的传力，即使受外界温度的影响，结合面较大面积出现张开，键槽的结合型式仍可保证较好的传力。丹江口工程试验段的试验成果证明了键槽传力的效果。缺点是老坝面预制混凝土块的拆除比较困难，工作量较大，增加造价。
（2）方案二。保留原下游坝面预制混凝土护坡，将整个结合面分为下、中、上三部分，将结合面下部（高程528.00～537.00m）约9m高度范围内的混凝土进行凿毛，设置锚筋，铺设水泥砂浆，使新老混凝土结合良好；结合面中部（高程537.00～547.90m）设置成滑动缝，即保持下游坝面光滑，在其上涂刷防粘液，使其能沿坝坡方向较自由的变形，该部分吸收新浇混凝土在施工期的温度变形，减小在老坝上游面产生的拉应力，同时该部分亦可以缓解运行期温度作用对老坝的影响；结合面的上部和水平结合面必须结合良好，在老坝下游垂直部分的结合面上要凿毛、打锚筋，设置灌浆系统，在水平接缝面，凿毛深度5～10cm，视坝顶混凝土质量而定，铺设水泥砂浆，确保新老混凝土结合良好。待中段混凝土充分冷却后，再浇注上段混凝土，如图3所示。该方案的优点是避免拆除老坝面预制混凝土护坡，结合面的处理简单，节省工期，施工期间混凝土的温控措施可简化。
图2 大坝加高新老混凝土结合面的结构型式1
图3 大坝加高新老混凝土结合面的结构型式2
综合考虑方案一和方案二的优缺点及经济性，选择方案二作为松月大坝加高新老坝体结合面的结构型式。考虑加高过程的仿真计算分析结果表明：采用滑动缝的结合面型式应力状态更好。
4 大坝加高后的稳定和应力分析计算［4］
在混凝土重力坝的加高过程中，若在施工期放空水库，则大坝的受力和变形与一次施工相似，可以参照常规混凝土重力坝的设计，不用增加下游面的坡度。但水库大坝的加高主要是目前的功能不能满足要求，加高是为了更好地利用水资源。为了维持目前的功能，加高施工期间放空水库一般情况下是不可行的，最多将库水位降至死水位，另外放空水库也会造成很大的经济损失。在蓄水情况下加高老坝，加高前的荷载只靠老坝承受，加高后增加的荷载则由加高坝整体承受，加高坝体部分的承载效率小于原坝体混凝土。因此，加高坝需要比常规坝更大的断面，其断面取决于新老坝体的荷载分配比例及施工时的水位。
4.1 材料力学方法的稳定计算
大坝加高的稳定分析涉及分级加载的问题，即二期混凝土对一期坝体应力场的影响问题。二期应力的计算考虑实际施工情况，一般水库水位必须在二期工程完成、新旧混凝土结合成整体后才提高，所以库水位提高所产生的水压力及扬压力等将作用在全断面上。二期混凝土重量所引起的应力与施工方式相关。稳定计算的坝体断面如图4所示。
图4 稳定计算断面示意图
稳定计算采用分级加载的方式，根据松月工程的实际情况，分级加载如图5所示。施工水位为537.00m，原坝体在水压力、坝体自重以及扬压力作用下产生应力场；当坝体浇注到高程547.88m时，水库蓄水至551.80m，此时，增加的坝体自重、水压力和扬压力作为二级载荷施加在整个坝基面，产生的应力场与原坝体应力场进行叠加形成新的应力场；然后，坝体浇注至设计高程568.20m，库水位达到设计水位565.92m。此时，再次增加的坝体自重、水压力以及扬压力作为三级载荷施加在整个坝基面，产生的应力场与二级加载的应力场进行叠加，形成最终的应力场。
图5 分级加载的示意图
其计算结果为：基地上游面最大应力为53kPa，下游面最大应力为504kPa，均为压应力。合力作用点位于坝基面的中间1/3范围内，满足要求。因此，松月大坝加高后如图4所示的断面满足稳定要求。
4.2 有限元方法的稳定计算
有限元方法计算坝体稳定，能够较好地模拟坝体加高的施工过程，其结果能够较真实地反映工程实际情况。荷载分级施加的情况与材料力学法相同。
根据规范，按有限元法计算坝体的应力，控制标准为坝基上游面拉应力区的范围小于坝底宽度的7%，或坝踵至帷幕中心线的距离。针对松月工程，加高后坝基上游面拉应力区的范围应小于2.49m。
考虑分级加载的有限元计算结果如图6所示，坝踵竖向拉应力为0.327MPa，拉应力的范围为0.51m。计算结果同样表明断面满足要求。
图6 工况坝体竖向应力分布图（单位：Pa）
5 仿真分析与温度控制［5］
大坝加高所引起的问题主要是坝体温度场的变化，坝体温度场的变化为坝体加高后施工期的温度场与准稳定温度场之差。准稳定温度场取决于当地的气候条件、水库的特性，而施工期的温度场则与大坝加高时施工的时间、施工的速度、分缝的情况、施工中的温控措施及水库蓄水的时间和过程等都密切相关。坝体加高加大断面后，由于分期加载及新老坝体间的弹性模量不同，自重、水压等荷载作用下的应力也与按材料力学法计算结果不同。所有这些均表明只有进行加高过程的仿真应力分析，才能揭示坝体的真实应力状态，从而制定出合理的防裂措施，保证坝体的安全。
针对松月水库碾压混凝土坝加高开展的仿真计算，考虑加高混凝土的施工过程，混凝土材料性能随龄期的变化，外界温度的变化以及水荷载、扬压力和自重荷载等的分期施加。
大坝加高采用贴坡式加高，即采用给原来老坝进行“穿衣戴帽”的方式，结合面的方式如前所述。浇筑分3年完成，每年施工时段为4月底—10月中旬。第一年浇筑到高程540.00m，第二年浇筑到高程555.60m，与老坝坝顶齐平，第三年浇筑到新坝坝顶高程568.20m。
新浇混凝土共分28层，每层厚度1.5m左右，自重荷载随浇筑过程逐层施加；水荷载、扬压力分3次施加，第一次加载时间为1d，加载水位达到死水位539.00m，第二次加载时间为154d，加载水位达到一期正常蓄水位551.60m，第三次加载时间为917d，即全部混凝土浇筑完后半个月，加载水位达到二期正常蓄水位565.90m。
仿真计算时共划分了5589个结点，10768个单元，仿真计算开始的时间为5月1号，因此，以老坝4月底的准稳定温度场作为计算开始的初始温度场。
在模拟第二种新老坝体结合面时，在滑动缝处设置了节理单元，即该处的单元只能承受垂直缝面的压应力和小于抗剪强度的剪应力。因此，该工况下的仿真应力分析为非线性分析。
针对松月工程的实际情况，考虑新老坝体两种结合面的型式，共进行了10个方案的分析计算。温控防裂的措施主要是适当降低混凝土的浇筑温度和适时适当地采取表面保温的措施。根据计算结果经综合比较，根据确定的施工计划，满足温控防裂的施工方案为：每年4—10月浇筑混凝土，混凝土采用自然入仓的方式浇筑，在气温最高的7—8月采用水管冷却降低混凝土的最高温度，冷却水管可采用高密度聚乙烯管，冷却水管采取1.5m×1.5m的梅花型布置，冷却水管长200m、内径28mm、外径32mm，冷却时通水方向每天倒换一次，通水流量为0.9L/s，采用河水进行冷却，冷却时间为20d。在每年的10月中旬停止浇筑混凝土后，采用5cm的聚苯泡沫塑料板或具有同等保温效果的保温材料进行保温，计算结果如图7所示。
计算分析表明碾压混凝土的最高温度为27.3℃，基础温差≤13℃，越冬停歇面采用5cm的聚苯板保温后，上下层温差≤11℃，混凝土内外温差≤20℃。
针对两种新老坝体结合面的计算结果表明：在结合面中间设置滑动缝型式，可使一部分新浇混凝土的收缩变形被吸收掉，对于改善上游坝面、下游坝面的拉应力效果是很显著的，但设置滑动缝后，结合面下部靠近滑动缝的局部部位（长约0.5～1.0m）拉应力变大，在施工过程中需要对此部位结合面进行加强处理。另外，计算结果表明：是否对滑动缝进行灌浆封堵，对坝体应力影响不大。
地处严寒地区的松月碾压混凝土重力坝，根据防止温度应力裂缝所确定的横缝间距为11.2m。
图7 仿真应力计算的第一主应力分布图（自然入仓+水管冷却+保温）（0.1MPa）
6 结语
松月水库大坝加高工程按照分期建设设计和施工，二期加高的高度相对较大，采用重力式进行加高较适宜。经分析计算和研究，得到以下结论：
（1）对于选定的设计断面，采用材料力学和有限元两种方法进行稳定计算分析，结果均能够满足规范的要求。
（2）大坝加高后的材料分区为：下游面仍采用碾压混凝土，设计的强度等级为C9015，在下游面0.5m范围内采用变态混凝土。一方面方便施工，另一方面通过提高胶凝材料含量提高混凝土的耐久性和抗冻性。在下游贴坡的顶部和老坝的顶部采用常态混凝土，设计强度等级为C2820。
（3）建议两种新老混凝土结合面的型式，方案Ⅰ将老坝体预制混凝土块护坡拆除，将下游坝面修理成台阶形，类似键槽，在老坝下游垂直面结合处凿毛，设置锚筋和灌浆系统（重复灌浆），在水平结合面进行凿毛；方案Ⅱ保留原下游坝面预制混凝土护坡，将整个结合面分为下、中、上三部分，将结合面下部新老混凝土良好结合；结合面中部设置成滑动缝，待中段混凝土充分冷却后，再浇注上段混凝土。方案Ⅱ可有效节省投资，且坝体应力较有利，应优先采用。
（4）大坝混凝土可行的浇筑方案和温控标准。在目前设计拟定的施工进度下，大坝混凝土的平均浇筑速度为0.86m/10d，大坝上升速度较慢，通过层面散热效果较好。混凝土浇筑时可自然入仓，或采取简单易行的措施降低浇筑温度。在7月、8月浇筑的混凝土，采用埋设水管进行冷却，冷却水管布置为1.5m×1.5m的梅花型，冷却水管长200m，内径28mm、外径32mm，冷却时通水方向每天倒换一次，通水流量为0.9L/s，采用河水冷却，冷却时间20d。
控制上下层温差Δ≤11.0℃，冬季停歇面采用厚5cm的聚苯板保温。
表面保温的控制标准为：在每年10月混凝土浇筑停止后，在下游面和水平越冬面采用厚5cm的聚苯板进行保温，采取这样的保温措施可防止混凝土出现较大的内外温差和上下层温差。
（5）新老混凝土两种结合面型式的计算表明：在结合面中间设置滑动缝型式，可使一部分新浇混凝土的收缩变形被吸收掉，对于改善上游坝面、下游坝面的拉应力效果是很显著的。
参考文献
［1］张国新，朱伯芳.重力坝加高的温度应力问题［J］.水利学报，2003（5）：11-15.
［2］朱诗鳌.狄克逊坝与大狄克逊坝［J］.湖北水力发电，2005（4）：74-77.
［3］朱伯芳.大体积混凝土温度应力和温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1999.