第1章 绪论
1.1 全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术特点和优势
混凝土拱坝结构断面尺寸一般较大，属大体积混凝土结构。从结构受力特点来讲，拱坝属超静定结构，不仅坝基受到约束，在两侧坝肩同样受到约束，结构受力较为复杂。同时，混凝土拱坝通常是不配钢筋的，一般主要在坝身孔洞附近配置少量钢筋，与其巨大的断面相比，其断面的配筋率是极低的。在钢筋混凝土结构中，拉应力主要由钢筋承担，混凝土只承受压应力；在混凝土拱坝中，由于未设置钢筋，拉应力只能依靠混凝土本身来承受。而混凝土是脆性材料，抗拉强度较小，只有抗压强度的1/10左右；拉伸变形能力也较小，短期加载时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×10-4，长期加载时的极限拉伸变形只有（1.2～2.0）×10-4。
拱坝无论在施工期还是运行期，均置于大气环境中，其表面与空气或水接触，受水泥水化热、大气温度、日照、水温等影响，坝体温度实际上始终处于变化的过程中。坝体的温度场与当地的气候条件、施工过程、材料特性及运行条件等多种因素有密切关系。
混凝土拱坝开始浇筑后，由于水泥的水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量较小、徐变较大，升温引起的压应力不大，但在日后温度逐渐降低时，弹性模量较大、徐变较小，降温将会引起较大的拉应力。同时，混凝土冷却过程中，表面温度较低，内部温度较高，如果再遭受寒潮的影响，将使得结构内部温度呈高度非线性分布，表面的温度收缩变形将受到内部的约束，使得表面出现拉应力，而内部出现压应力。如果施工期或者运行期由于温度作用产生的坝体温度应力较大，则可能超过引起坝体裂缝。
混凝土拱坝的裂缝是工程界非常关心的问题，也是长期以来没有解决的问题。拱坝的裂缝会破坏坝体的整体性，对坝的安全性造成不利影响。一般拱坝的裂缝多数是由于坝体混凝土水化升温后的温降收缩受到约束而产生。传统的解决方法是减小约束、降低温差和提高混凝土的抗裂性能。长期的实践证明，传统的方法对减少裂缝是有效的，但存在施工复杂、工期长的问题，不利于工程尽早发挥效益。氧化镁混凝土筑坝技术将传统的通过控制混凝土温度的措施转化为通过控制大坝混凝土自身变形的措施，从而达到控制混凝土开裂的目的。该技术可以使传统混凝土坝的温控措施大部分甚至全部取消，实现经济、快速的筑坝效果。
氧化镁混凝土筑坝技术主要起源于国内工程实践，是国内外筑坝技术的重大创新和突破。其主要技术特点可归纳如下：
（1）基本理论。利用氧化镁（MgO）独特的延迟性微膨胀变形来补偿混凝土坝的收缩和温度变形，以防止产生裂缝。最理想的膨胀发生时间应在水化热的最高温升之后、在混凝土有显著降温之前。换句话说，就是通过延迟性微膨胀造成一种预压应力来抵消混凝土冷却收缩时产生的拉应力。
（2）防裂原理。传统的混凝土坝裂缝控制方法，是采取多种温控措施来控制筑坝过程的温差，使混凝土温度产生的拉应力控制在允许的范围内，以达到防裂的目的。而外掺氧化镁混凝土筑坝，则是通过控制大坝混凝土的体积变形，以达到大坝防裂的目的。
（3）实现方法。氧化镁混凝土筑坝技术是通过在生产大坝混凝土时加入适量的、特制的轻烧氧化镁来实现的。这个掺量在满足压蒸安定性的前提下，使混凝土尽可能达到温控设计的膨胀量。通过外掺氧化镁和优选水泥品种，并加强大坝表面保温，可以得到比较理想的自生体积膨胀变形过程线。
（4）施工技术。传统筑拱坝施工方法包含分缝分块、柱状薄层浇筑、封拱灌浆等，施工工艺十分繁杂，各种工序干扰大，温控费用昂贵（通常为工程总投资的4%～6%），很难做到快速施工。氧化镁筑拱坝施工方法不分横缝或设少量诱导缝，以释放过大、超标的拉应力，同时分层通仓浇筑、以台阶法连续滚动推进，不埋冷却水管，可全天候施工，极大地加快了施工速度。氧化镁筑坝方案与常规筑坝大体相同，主要施工设备基本一致，无需增加专用施工机械设备，一般多采用垂直与水平运输合二为一的施工方案。其关注重点是，施工中必须严格控制外掺氧化镁的均匀性、准确的拌和时间及稳定的坍落度。
（5）使用条件。基本要求是外掺氧化镁后的水泥强度等级不降低，压蒸安定性合格。有约束条件的工程部位均可使用该技术。在全国各地全面推广使用还应满足温度应力应变补偿条件。
（6）自变特性，氧化镁混凝土自生体积膨胀变形具有延迟性和长期稳定性，即主要膨胀量均发生在水化热最高温升之后、混凝土显著的降温收缩之前，其后期的膨胀变形逐渐趋于长期稳定状态，不会发生无限膨胀。另外，温度对自变量的影响较大，不同温度下的自生变形量的最终稳定值各异。此外，混凝土膨胀量的大小与氧化镁的特性及掺量、混合材种类与掺量及配合比组成等诸多因素有关。
碾压混凝土筑坝技术也是现代筑坝新技术之一，施工速度较快，但需要专门的碾压机械设备，对于薄拱坝或倒悬度大的拱坝来说其适应性稍差。然而，采用全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术建拱坝也可以达到较快的速度。与碾压混凝土筑坝技术相比，该技术对中小型拱坝（坝体方量小于20万m3）适应性更强。在碾压混凝土中外掺氧化镁，能做到夏季继续施工，进一步加快施工速度，放宽允许浇筑温度，增大诱导缝间距，改善混凝土质量，提高坝体抗渗能力，增强坝体的耐久性能。
全坝外掺氧化镁混凝土拱坝技术是指从改善混凝土性能入手进行研发的一种崭新的实用技术，该技术是集材料、结构设计、施工为一体的综合技术，包含了混凝土材料的热学、力学和变形性能、混凝土温度应力补偿设计、氧化镁混凝土施工控制、坝体原型观测等方面的内容。