1 综述

1.1 水工混凝土工程发展

我国水力资源十分丰富，蕴藏量约6.94亿kW，其中技术可开发量5.42亿kW，截至2013年年底，我国水电总装机已达2.8亿kW，占全国电力装机的23%，水电年发电量8963亿kW·h，占全国总发电量的17%。水电作为我国当前最大的可再生能源，为我国能源电力结构调整、温室气体减排、气候环境改善做出了重大贡献。

纵观水工混凝土工程建设的发展历程，新中国成立之后，通过中、小型水利设施的建设，使水工混凝土技术逐步完善。20世纪80年代以后，我国的水利水电工程建设事业取得突飞猛进的发展，建设体制不断完善，大型设备、先进技术广泛采用，水电建设在国民经济快速发展的推动下，进入了一个前所未有的高速发展时期。进入21世纪后，水工混凝土工程施工领域在新技术、新工艺、新材料、新设备等方面都取得了突破性进展，形成了一系列能够满足特大型复杂建筑结构快速施工要求的施工技术和工艺。

水工混凝土建筑物经常性或周期性受水作用，所采用的混凝土要求具有良好的耐久性和抗渗透性。高寒地区，特别是在水位变动区域，混凝土要求具有较高的抗冻性；受侵蚀性水浸润时，混凝土要求具有良好的耐蚀性；大体积混凝土，为防止温度裂缝的出现，要求拌制混凝土的水泥具有低热性和低收缩性；受高速水流冲刷的结构，要求混凝土具有抗冲刷、耐磨及抗空蚀性等特性。为满足不同水工建筑物的施工要求，水工混凝土在不断发展创新，施工工艺不断提高和更新。

我国水工混凝土工程建设发展迅速，20世纪80年代末建成了凤滩、白山、龙羊峡、东江、紧水滩等5座100m以上混凝土拱坝，90年代修建了东风、隔河岩、李家峡、二滩等一批双曲混凝土高拱坝。2000年后，三峡水利枢纽工程成为世界上最大的水利枢纽工程。其后小湾、溪洛渡、拉西瓦、锦屏一级等一批特高拱坝相继建成并投入使用，标志着中国水工混凝土施工技术已跨入世界先进行列。

水工混凝土施工技术发展主要体现在以下几个方面。

（1）原材料及配合比优化。耐久性和强度是混凝土性能持续研究的课题，通过工程技术人员不断的实验和研究，在不同的工程环境下通过改变混凝土配合比，以及配合比中原材料组成，达到满足不同工程混凝土性能和便于工程施工的要求。混凝土的耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、抗侵蚀性、耐磨性、混凝土的碳化（中性化）、碱骨料反应等。近年来，通过试验并应用新的水泥、外加剂和掺合料，使混凝土耐久性得到最大限度的提高。比如：配合比中采用缩小水胶比增加粉煤灰掺量，提高混凝土的耐久性；采用有补偿混凝土收缩性能的中热大坝水泥、高镁中热水泥和添加氧化镁（MgO）等技术措施，可以减少混凝土收缩变形，减少混凝土裂缝；在水工混凝土拌制中掺入具有减水、缓凝及增加耐久性的外加剂，如聚羧酸、萘系减水剂等，可改善混凝土拌和物的和易性并提高耐久性；采用拌和物中掺加钢纤维、聚丙烯纤维（PP）、聚乙烯醇纤维（PVA）、聚丙烯腈纤维（PAN），以及木质素纤维和无机玄武岩纤维等，可以提高混凝土的抗裂性及抗磨性；在大体积混凝土和抗冲磨混凝土中采用低热硅酸盐水泥，来提高混凝土综合抗裂能力；在粉煤灰资源比较紧缺的区域，采用磷渣粉、水淬铁（锰铁）矿渣+石灰石粉、火山灰等掺合料来代替粉煤灰。

（2）施工设备与仓面机具。随着混凝土工程建设快速发展，各种先进的施工设备不断的研发并投入使用，根据不同工程的施工特点，混凝土浇筑采用缆机、门塔机和带式运输为主的综合施工设备群，尤其在大型混凝土工程中缆机得到广泛应用。目前，普遍以30t起重量的缆机为主，更高吨位的缆机正在研发中。水工混凝土常用设备发展方向如下：①节能、高效、自动化及高模块化拌和系统；②大容量、机动灵活入仓运输设备；③系列仓内配套设备；④温控设备，如：全封闭、智能化制冷设备。

（3）温控及防裂。混凝土温控防裂的措施主要有：选择优质原材料、优化混凝土配合比、控制混凝土出机口温度和浇筑温度、通水冷却、表面保温和养护等。

高温季节综合采用低热微膨胀水泥、高掺优质粉煤灰，混凝土骨料二次风冷、加冰、加制冷水拌和等技术生产低温混凝土，平铺法浇筑混凝土，及时覆盖保温被，仓面喷雾技术，初期、中期、后期通水冷却控制温升曲线，控制沿高程方向的温度梯度，上下游坝面粘贴苯板等温控措施。

寒区低温季节采用低热微膨胀水泥、高掺优质粉煤灰，加热水、斜面分层法浇筑混凝土，及时覆盖保温被、仓内封闭加热及蓄热、控制温升曲线、控制沿高程方向的温度梯度、上下游坝面粘贴苯板等温控措施。

（4）施工方法与工艺。近年我国在水工混凝土施工方面所取得成就包括：混凝土施工过程模拟仿真技术、双高掺高标号高性能大浇筑层施工技术、基础强约束区温控防裂技术与工艺、快速过孔口工艺、低温混凝土及仓内保温施工工艺、HDPE冷却水管的应用、接缝灌浆系统及全年快速接缝灌浆等关键技术，已达到提高混凝土施工质量、简化施工工艺、降低施工成本、促进混凝土坝快速施工的目的。

1）水平、垂直输送一体化。混凝土浇筑可采取以塔带机及供料线连续浇筑为主的综合施工技术。以塔带机及供料线为主，辅以高架门机、港机、塔机和缆机的综合施工方案。从传统常规的吊罐浇筑改变为混凝土生产、运输、浇筑一条龙连续生产工艺。以塔带机及供料线为主的浇筑系统，由各混凝土拌和楼通过皮带机将混凝土输送至塔带机直接入仓，集水平和垂直运输于一体，减少混凝土从生产至浇筑之间流通环节，降低混凝土的自然温升，减少混凝土的不必要的浪费，加快混凝土施工。如小湾水电站采用6台缆机（3台高缆+3台低缆）覆盖了全部混凝土浇筑区域，简化了运输流程，提高了施工效率，缩短了建设工期，经济效益显著。

2）仓面作业全套机械化。在水工常态混凝土的施工中，常用的仓面设备有平仓机、振捣机、高压水冲毛机、仓面吊、喷雾机等，俗称仓面“五小机”、随着技术的进步，以及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、提浆机等不断被研制出来，并得到广泛使用。在三峡、二滩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。

3）工艺流程不断优化。如采用高掺粉煤灰技术，不仅提高了大坝混凝土各项强度指标及抗渗性、耐久性和可施工性，还可减少胶凝材料用量、降低混凝土绝热温升，并可节约投资；采用HDPE 冷却水管的应用，不仅简化了冷却水管的运输和铺设工艺、提高施工效率、降低施工成本，而且还可缩短大坝混凝土浇筑进度；采用全年快速接缝灌浆技术，可简化缝灌浆工艺、加快接缝关键进度，保证大坝混凝土快速上升；采用施工过程模拟仿真技术，不仅可优化大坝混凝土施工进度，而且还可施工过程中进行实时控制和科学预测，保证大坝混凝土浇筑更加科学合理施工技术日趋成熟。还在预埋件的施工工艺、大升层（3m）混凝土浇筑、二次振捣工艺、层间结合处理、混凝土温控、养护等方面均取得了进展。

（5）施工规划与管理。

1）施工设计与规划。施工设计与规划主要包括方案设计、布置设计、进度设计、仓面设计等。

2）规范化管理技术。为提高混凝土建设工程管理水平，促使建设工程项目管理科学化、规范化、制度化、标准化和国际化。坚持自主创新、以人为本和科学发展，全面实现项目经理责任制，不断改进和提高项目混凝土施工管理水平，实现可持续发展。如：三峡水利枢纽主体工程混凝土总量达2800万m³，其中大坝混凝土约2000万m³。大坝混凝土施工是三峡水利枢纽工程能否按照总进度的要求达到计划目标的关键。根据总进度安排，其年最高浇筑量要达到500万m³，月最高要达到40万m³，日最高应达到2万m³以上。经过对施工手段的多方案比较分析，在充分论证的基础上，决定选用以塔式皮带机连续输送浇筑为主，辅以大型门塔机和缆机的综合施工方案。

为保证塔带机浇筑混凝土一条龙正常运行，需建立一个组织严密、运行高效、信息反馈及时的仓面组织管理系统，主要包括综合协调、浇筑、操作等系统：①综合协调系统：对混凝土一条龙施工提供技术、质量、安全、机电设备保障，确定拌和楼、浇筑手段及开仓时间，协调浇筑过程中出现各种矛盾，组织处理突发事情；②浇筑系统（仓面指挥）：仓面指挥由浇筑队长担任，负责浇筑仓面的组织指挥，对仓位的要料、下料、平仓振捣、温控、排水等负责，确保混凝土浇筑质量；③操作系统：由调度室负责组织、协调，确保各操作系统正常运行，拌制合格的混凝土，并使混凝土准确、快速入仓。

3）数字化施工。数字化施工技术将信息技术与仿真技术相结合，以工程施工全过程实时监控为入手，达到解决质量控制难题的设想，创造性地提出并开发了填筑碾压质量实时监控技术、坝料上坝运输过程实时监控技术、大坝施工信息实时采集技术、网络环境下的数字大坝集成技术。用GPS卫星、GSM网络、GPRS定位、计算机集成及网络系统等，替代原有的人工控制手段，使工程施工的全过程质量实现实时、在线、自动、高精度的监控。无论是不同种类坝料的运输、装卸，还是坝面碾压机械的行进速度、激振状态、填筑施工仓面的碾压遍数、铺填厚度，都可通过这个系统实现全面、实时、自动、高精度监控。该项创新的一大特点就是施工质量的高标准控制，很少甚至无需返工，工期也相应缩短。

开发研制混凝土生产、运送、浇筑计算机综合监控系统，实现混凝土施工全过程的实时监控、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合理安排，突破传统的经验判断模式，成功地开发混凝土施工计算机技术。