1.2　水工混凝土施工技术发展

水工混凝土工程技术伴随着工程建设的需要和科学技术的发展而不断进步。进入21世纪以来，随着三峡水利枢纽工程、拉西瓦水电站、小湾水电站、溪洛渡水电站和向家坝水电站、锦屏水电站等一批大型、超大型水利水电工程的建设，在混凝土的运输、浇筑、养护及表面保护、施工缝处理及温控防裂等方面发展成熟了一批新型工艺和技术。

1.2.1　混凝土原材料

（1）胶凝材料。水工混凝土的特点决定了所用的水泥必须具有较低的水化热，较好地耐侵蚀性和体积稳定性。常用的水泥以中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥为主，水泥等级有42.5级和52.5级；有硫酸盐侵蚀的部位，应用抗硫酸盐水泥和铁铝酸盐水泥，也可用中、低热水泥；有溶出侵蚀部位应用矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥。

随着水利水电工程技术的发展，对水泥的性能提出了更高的要求。低热硅酸盐水泥是新发展起来的一种高性能水泥，该水泥具有低热、高强、高耐久性、干缩率低、体积稳定性好的特点，应用前景广阔。

（2）骨料。在混凝土中砂石骨料是最主要的原材料，骨料的好坏直接影响混凝土的性能。骨料分为天然骨料和人工骨料两类。天然骨料外形圆滑、质地坚硬、生产费用低，但岩石种类多、级配分布不均匀，可能含有有害成分。人工骨料岩种单一、级配控制方便、表面粗糙、与水泥黏结性好，目前已被广泛采用；但孔隙率和比表面积较大、生产费用高。

（3）外加剂。随着混凝土外加剂技术的发展，品种越来越多，性能越来越好，技术也越来越成熟，外加剂已成为现代混凝土不可缺少的重要组成部分之一。在混凝土中掺外加剂，已被认为是节约水泥用量、节省能耗、提高混凝土强度、改善性能，特别是提高混凝土抗裂性和耐久性等方面的有效措施，它能够保证混凝土在不利的搅拌、输送、浇筑、养护条件下仍有所需的浇筑质量，满足混凝土在施工过程中的一些特殊要求。因此，在混凝土中必须掺外加剂已成行业规定。目前，常用的外加剂有：引气剂、普通减水剂、缓凝减水剂、引气减水剂、高效减水剂、缓凝高效减水剂、缓凝剂、泵送剂等。

减水剂的发展经历了三代产品：第一代以木质素磺酸盐为代表的普通减水剂；第二代以萘磺酸盐缩合物为代表的高效减水剂；第三代以聚羧酸系为代表的高效减水剂。减水剂的产品性能也从单一的减水作用发展到集减水、保坍、减缩等作用于一身的综合性减水剂。另外，减水剂品种不断增加的同时，混凝土外加剂的家族也不断壮大，早强剂、缓凝剂、速凝剂、引气剂、阻锈剂、膨胀剂、防水剂、泵送剂、养护剂、脱模剂，以及各种复合型外加剂相继出现，为高性能混凝土技术发展打下了坚实的基础。

（4）掺合料。掺合料为水工混凝土中不可缺少的组分，混凝土中掺入掺合料后，可以降低水化热，抑制碱骨料反应，节约水泥，降低成本，综合效益十分显著。大、中型水利水电工程已普遍掺用掺合料，其品种有粉煤灰、矿渣粉、磷渣粉、硅粉、石灰石粉、火山灰等。目前，混凝土中掺入粉煤灰、抗冲磨部位掺入硅粉已大量采用，高炉矿渣微粉已开始应用，也有选用其他品种掺合料的，如漫湾水电站工程掺用凝灰岩粉，大朝山水电站工程掺用磷渣粉加凝灰岩粉，景洪水电站工程掺用的双掺料中一半是石灰石粉，龙江水电站工程采用火山灰等。因此，将石灰石粉和火山灰列入掺和料品种。选用何种掺和料，应遵循就近取材、技术可靠、经济合理的原则。为改善混凝土抗裂性能，也可掺入钢纤维、化学纤维、天然纤维等材料。目前，应用最广泛是钢纤维混凝土、玻璃纤维混凝土和丙烯纤维混凝土。纤维混凝土对于限制在外力作用下混凝土裂缝的扩展，与普通混凝土相比，具有抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好、韧性提高幅度大等优点，可以克服普通混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、性脆等缺点。溪洛渡水电站工程大坝混凝土中掺加的是聚乙烯醇改性纤维，一般称“PVA纤维”。

1.2.2　混凝土运输

（1）混凝土运输计算机综合监控。在多品种混凝土同时运输的情形下，需要对其正确识别，传统的方法是在车辆的前部显著位置设置标志，然而这种方法易于出错。为解决这一问题，在三峡水利枢纽工程中开发研制了混凝土生产运送浇筑计算机综合监控系统，实现了混凝土施工过程的实时监控、动态调整和优化调度。针对混凝土浇筑的复杂状况，对施工方案和施工计划进行科学的选择和安排，突破了传统的经验判断模式，成功开发了混凝土浇筑施工计算机模拟系统。从而保证了三峡水利枢纽二期工程大坝混凝土施工的顺利实施，极大地提高了施工管理水平和工程施工质量，实现了工程建设优质、高效、低耗的目标。

（2）混凝土水平和垂直运输一体化。皮带机以连续运输为特征，具有较高的生产效率。随着塔带机（顶带机）和胎带机在三峡水利枢纽、龙滩水电站、溪洛渡水电站、向家坝水电站、锦屏水电站等水电工程的应用，混凝土水平运输和垂直运输已经合二为一，使混凝土运输方式发生了重大变革。塔带机具有浇筑连续、生产效率高、可实现混凝土浇筑工厂化生产的特点。以三峡水利枢纽工程为例，在二期工程中共布置4台塔带机、2台顶带机，单台设计生产能力为300m3/h，由于三峡水利枢纽工程大坝仓面混凝土分区复杂，钢筋较多，实际平均生产率为150m3/h，高峰时达200m3/h以上。特别是成功创立了塔带机浇筑四级配和1个仓号多品种混凝土同时浇筑工法，解决了运输过程中的骨料分离、砂浆损失、卡料、温度回升以及运行可靠性偏低等技术问题，为实现大坝混凝土优质快速施工发挥了关键性作用。

（3）陡坡与垂直运输新技术。①负压（真空）溜槽。在江垭、普定等诸多水利水电工程中采用了负压（真空）溜槽作为垂直运输手段。负压（真空）溜槽采用真空负压挟裹混凝土，能自动控制混凝土下卸速度，结构简单，使用方便，运行噪音小，无污染，制造成本低，适用于坡度为1∶0.75～1∶1陡面运输。②MY－BOX溜管。在三峡水利枢纽工程永久船闸竖井混凝土浇筑中，采用了具有二次搅拌功能的垂直连续式运输设备MYBOX。该设备为日本前田公司的专利产品，混凝土料在MY－BOX内自上而下自由下落，每经过1节就会增加2倍次的混合，当经过n节，即增加2n倍次的混合，能有效避免混凝土垂直运输中的离析，使用方便，既解决了洞井施工干扰矛盾，又保证了浇筑质量，缩短了工期。

（4）大型混凝土垂直运输设备。混凝土浇筑施工方案与施工设备是密不可分的，在大中型混凝土坝的施工组织设计中，混凝土浇筑施工方案主要指混凝土垂直运输设备和水平运输设备的选择和布置。随着水利水电施工的发展和机械制造技术的提高，混凝土浇筑施工设备正向着大型化、高效化发展。

1）大型缆机。缆机具有跨距大、效率高、工作范围大的特点，是适合于在较狭窄河谷上浇筑大坝混凝土的主要起重机。缆机按两岸塔架布置型式和运动方式分为：固定式缆机、摆塔式缆机、平移式缆机、辐射式缆机、索轨式缆机等几种基本机型。另外还派生出H形与M形缆机、斜平移缆机、辐射双弧移缆机、摆塔辐射式缆机等多种机型。

三峡水利枢纽工程中首次在国内安装使用了世界上最为先进的摆塔式缆机。每台缆机主塔高152m，跨度1416m，承载索直径106mm，正常运行时，单台缆机靠左右摆动能覆盖施工面50m，钓钩扬程215m，最大载重量25t。

小湾水电站共布置6台30t平移式缆机作为大坝混凝土主要浇筑入仓手段，采取“双层双平”的布置方式。2007年创造了缆机日吊运大坝混凝土11330m3、月吊运222357m3和年吊运248.67万m3的国内高拱坝缆机日、月、年吊运混凝土最多的新纪录。

2）大型门（塔）机。在水利水电工程中采用的门（塔）机具有拆卸及安装快、起重量大的特点。当门（塔）机用于浇筑混凝土时，各机构运行速度快，施工高峰期每小时可达12～15个工作循环。

门（塔）机主要适用于河床宽、混凝土工程量大、浇筑强度高、工期长的大坝和厂房工程。

在三峡水利枢纽工程中，使用了MQ2000型门机用于混凝土浇筑，其工作幅度达71m（起重量20t），提升高度100m，一台门机月调运混凝土达15000m3，还设计研制了MQ6000型专用门机用于金属结构的安装。

3）混凝土塔带（顶）机。塔（顶）带机是将塔式起重机和胶带机有机结合而成的一种大坝混凝土浇筑设备，将混凝土水平运输、垂直运输及仓面布料的功能融为一体，适应于连续高强度混凝土施工。

三峡水利枢纽工程使用的ROTECTC－2400型塔带机由塔身、起吊臂和皮带机三部分组成。

三峡水利枢纽工程使用的MD2200型顶带机，主要由POTA塔机、布料皮带和皮带供料线组成。塔机覆盖半径80m，最大起重量60t；布料皮带附着在塔机上，分为2节，可±25°俯仰，工作幅度105m；塔机、布料皮带和皮带供料线均可根据浇筑高度的要求进行顶升。

4）混凝土胎带机。胎带机（即车载液压伸缩节胶带机）可用来浇筑建筑高度不大的导墙、护坦、闸室底板大坝和厂房基础等部位。

三峡水利枢纽工程中使用的CC2200型胎带机，主要有机身、给料输送皮带和伸缩式皮带输送机3部分组成。水平伸缩距离可达61m，可＋30°～－15°俯仰和360°旋转。混凝土先由自卸车卸入受料机，再由给料输送皮带运至伸缩式皮带输送机，最后到达作业仓面。

5）三级配混凝土输送泵。某些特殊工程部位，因受到场地条件、结构特性、施工环境、施工进度等因素的影响，需要采用混凝土泵输送混凝土至仓号浇筑。采用二级配混凝土泵输送，允许最大骨料粒径为40mm，混凝土坍落度在10cm以上。二级配混凝土胶凝材料用量比较高，经济效率低；混凝土水化热比较大，温度控制难。因此，水利水电工程施工中迫切需要大级配的混凝土输送泵。

在百色水利枢纽工程大坝消力池（混凝土量约24万m3）等部位的施工中，采用了混凝土输送泵输送三级配混凝土，取得了较好的效果，这是国内水电行业首次使用。该泵为HBT120A型，主要技术性能参数为：输送管径260mm，输出压力10.5MPa，输送量120m3/h，最大输送距离水平400m，垂直100m，最大骨料粒径卵石80mm，碎石70mm，自重12t，最大拖行速度15km/h，混凝土坍落度8～10cm。

1.2.3　仓面设备

在水工常态混凝土施工中，常用的仓面设备有平仓机、振捣机、高压水冲毛机、仓面吊、仓面喷雾机等，俗称仓面“五小机”。随着技术不断进步，对混凝土浇筑质量的要求越来越高，许多新的混凝土仓面设备如混凝土抹面机、提浆机等不断研制出来，并得到广泛使用。

在三峡水利枢纽、二滩水电站等许多大型水电工程的大仓位混凝土浇筑中，平仓采用了专用平仓铲，主振捣设备已采用带有多个振捣棒头的振捣机，这对加快浇筑进度、保障浇筑质量起到了积极的作用。

高压水冲毛是一项高效、经济的缝面处理技术。采用冲毛机冲毛时，其冲毛压力为20～50MPa。冲毛时间以收仓后24～36h为宜，冲毛以每平方米延时0.75～1.25min效果最佳。

仓面吊主要用于辅助仓内模板、钢筋安装等工作。仓面吊体积小、自重轻、运转灵活，可适应于全仓位作业。

仓面喷雾机在浇筑仓面上空形成一道雾化屏障，以隔离仓外气温进而形成小气候的温控设施。在夏季混凝土浇筑中，采用仓面喷雾，其仓内小气候温度要比仓外气温降低4～6℃，温控效果十分明显。

1.2.4　混凝土浇筑仓面工艺设计

混凝土浇筑仓面工艺设计直接关系到混凝土浇筑的质量。在三峡水利枢纽工程的施工中，对每一个仓号都进行仓面工艺设计。三峡水利枢纽工程的混凝土浇筑实践证明：混凝土仓面工艺设计是保证混凝土浇筑质量的重要措施，对结构复杂、混凝土强度等级、级配切换频繁的高强度混凝土工程施工，进行仓面工艺设计十分必要。仓面工艺设计应进行仓面特性分析，明确混凝土质量技术要求，选择科学的施工工艺，合理配置仓面资源，制定技术质量保证措施。

1.2.5　保温保压浇筑蜗壳二期混凝土技术

蜗壳二期混凝土为水电站厂房混凝土最关键和最难浇的部位。三峡水利枢纽工程左岸水电站厂房采用对蜗壳充水保温保压模拟运转状态浇筑二期混凝土技术。充水保压浇筑蜗壳外围二期混凝土的过程，是把钢蜗壳假设成一个密封的压力容器，人工模拟蜗壳在运行水头作用下机理，利用钢蜗壳的温度变形和保压水头的膨胀作用，充水加压使蜗壳预先膨胀，维持一定的内水压力浇筑外围混凝土，待全部浇完后放水卸压。卸压后蜗壳收缩，与混凝土之间将产生一定的间隙，此间隙即为蜗壳在运行水头作用下膨胀所需间隙。

1.2.6　混凝土养护与表面保护技术

（1）混凝土养护。混凝土浇筑完毕后，应保持适当的温度和足够的湿度，对混凝土进行养护。混凝土养护的目的，一是创造有利条件，使水泥充分水化，加速混凝土硬化；二是防止混凝土成型后因暴晒、风吹、干燥等自然因素影响，出现不正常的收缩、裂缝等现象。

（2）混凝土表面保护。夏季高温季节混凝土表面养护；冬季低温季节混凝土表面保温；冬季低温季节长间歇混凝土表面浇筑特殊混凝土，并埋设限裂钢筋等一系列综合性防列措施。主要目的是对大体积混凝土表面进行保护，提高混凝土表面抗裂性能，避免因混凝土内外温差过大（包括气温骤降冲击）而产生裂缝。如在三峡水利枢纽工程中，采用聚乙烯塑料保温被（厚度2～3cm）对施工期的混凝土进行临时保温；采用外贴聚苯乙烯板并刷防水涂料对大坝上下游永久外露面进行保温；采用喷涂厚2cm聚氨酯对进水孔周边等体形不规则边角部位进行保温，取得了较好的效果。

1.2.7　混凝土施工缝处理工艺

混凝土施工缝是坝体的薄弱环节，为使新、老混凝土结合良好，保证建筑物的整体性，在新混凝土浇筑前，必须对老混凝土表面的水泥膜（又称乳皮）清除干净，并使其表面新鲜整洁、呈有石子半露的麻面，以利于新老混凝土的紧密结合。对于要进行接缝灌浆的缝面可不凿毛，只需冲洗干净即可。目前，混凝土施工缝处理方法主要有：风砂枪喷毛、高压水冲毛、刷毛机刷毛、化学处理剂刷毛、风镐凿毛或人工凿毛等。

在水工混凝土中，为保证浇筑层面新老混凝土的紧密结合，在混凝土浇筑前仓面上需铺设厚2～3cm水泥砂浆。近年来，在浇筑层面处理方法上，出现了施工缝面采用二级配富浆混凝土代替传统的铺设砂浆的工艺，取得了良好的效果。

1.2.8　混凝土温控防裂技术及工艺

在保证大体积混凝土原材料质量的前提下，导致混凝土产生裂缝的主要原因是混凝土温度梯度形成的应力和自身收缩形成的体积变形的双重作用。为了有效防止裂缝，在三峡、拉西瓦、小湾等水电站工程实践中，从混凝土施工技术和混凝土工艺层面研究，摸索出了一整套全过程综合措施防止混凝土产生裂缝的温控防裂技术，对防止混凝土裂缝产生起了决定性的作用。

如在三峡水利枢纽工程的温控防裂方面采用缩小水胶比、增加粉煤灰掺量，选择低发热量水泥，优化混凝土配合比，选用品质优良的高效减水剂，采用二次风冷骨料技术、加片冰及冷水拌和混凝土工艺生产7℃混凝土，在皮带机及运输车辆上设置遮阳设施，仓内喷雾降温，浇筑仓面混凝土顶部覆盖保温材料，通冷水冷却混凝土，混凝土表面保温，流水养护等一整套综合温控技术措施，从而保证了混凝土的质量。

小湾水电站高拱坝高强度等级混凝土的温控防裂施工中，采用了低热微膨胀水泥，高掺优质粉煤灰，混凝土骨料二次风冷技术生产7℃混凝土，平铺法浇筑，及时覆盖保温被，仓面喷雾，一期、中期、二期通水冷却控制温升曲线，控制沿高程方向的温度梯度，上下游面贴苯板保温等温控综合技术，取得了良好的效果。

在向家坝水电站消力池底板和边墙抗冲磨高强度等级混凝土部位采用低热硅酸盐水泥，使混凝土最高温度下降6～9℃，解决了高强度等级混凝土产生温度裂缝问题。

1.2.9　冬季混凝土施工技术

为了保证了在高寒地区冬季施工正常进行。通过在拉西瓦水电站（地处青藏高原，多年平均气温7.3℃、极端最低气温－23.8℃）总结出了一套混凝土冬季施工技术，解决了冬季混凝土施工方面的难题。采取的主要措施有以下几点：

（1）采用预热骨料和热水拌制混凝土，使混凝土出机口温度达到12～15℃。

（2）混凝土从拌和楼到浇筑仓面的运输中，对自卸车箱体侧面贴橡塑海绵保温，顶口安装滑动式保温篷布；搅拌车箱体采用帆布包裹保温卷材保温；混凝土吊罐四周用橡塑海绵保温，以确保混凝土入仓温度不低于8℃。

（3）采用综合蓄热法进行混凝土浇筑，即在仓号模板周边部位搭设保温棚，棚内用暖风机升温；仓号中间部位采用工程电热保温毯进行升温。

（4）仓号浇筑过程中，揭开保温被浇筑混凝土，浇筑完毕的每一胚层及时覆盖新型防水保温被保温。

（5）对于上下游永久坝面外挂厚5cm聚苯乙烯挤塑板进行永久保温；大坝横缝等非永久暴露面外挂两层厚2cm聚氯乙烯卷材保温。