埋石混凝土在重力壩設(shè)計(jì)施工中的應(yīng)用

鐘常砝

摘要：文山州已建中小型電站數(shù)十座，其中首部攔河壩采用新型埋石混凝土建造的有十余座。由于采用新的埋石混凝土配比及施工方法，在工程建設(shè)中取得了較大的工程效益和施工效益。本文主要總結(jié)采用新型埋石混凝土建造重力壩與用純混凝土建造重力壩在壩體設(shè)計(jì)、壩體溫控、建筑造價(jià)及施工進(jìn)度等方面的利弊關(guān)系。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計(jì)；重力壩；埋石混凝土；造價(jià)；溫控；施工進(jìn)度

一、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩的區(qū)別

重力壩是依靠自重克服外力以保持穩(wěn)定的一種常規(guī)壩型。采用埋石混凝土建造的重力壩與用純混凝土建造的重力壩在體型設(shè)計(jì)方面沒有較大的差別，差別在于壩體澆筑材料的使用。一般混凝土重力壩是壩體全部采用純混凝土建造，而埋石混凝土重力壩是在壩體內(nèi)部本應(yīng)采用混凝土澆筑的，用一定數(shù)量的塊石替換混凝土，從而減少混凝土的澆筑用量，達(dá)到節(jié)省投資的目的。埋石混凝土的埋石量一般性規(guī)定不超過25%，其施工概念是在混凝土入倉后，再把塊石投放到混凝土內(nèi)。本文中的埋石混凝土，恰與反之，是先把塊石堆放好，再澆筑混凝土，通過振搗，讓混凝土填充滿塊石之間的空隙。根據(jù)文山州已建成投入使用的十余座埋石混凝土重力壩的施工統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，埋石放量可達(dá)37%～45%，節(jié)省混凝土用量明顯。采用埋石混凝土建造重力壩主要有三大優(yōu)點(diǎn)：一是大壩造價(jià)顯著降低；二是壩體溫度應(yīng)力容易控制；三是施工進(jìn)度加快。

需要說明的是在重力壩的以下部位，一是大壩的迎水面1.5～2m、下游壩面1.5m，由于考慮防滲及壩面平整度要求，一般不建議使用埋石混凝土。二是壩體上開孔的取、泄水建筑物孔口周邊需設(shè)置鋼筋的部位；三是壩基底部2.0m及兩壩肩岸坡接觸帶1.5m厚度范圍內(nèi)不建議使用埋石混凝土。

二、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩1m3澆筑材料用量造價(jià)比較

根據(jù)已建成投入使用的十余座重力壩的現(xiàn)場樣品澆筑材料用量統(tǒng)計(jì)分析，樣品中塊石顆徑400～600mm，不均勻系數(shù)15，采用較大的不均勻系數(shù)使上壩的塊石堆砌體形成不連續(xù)級配，增大塊石之間的空隙率，便于混凝土填充，保證澆筑的混凝土與塊石之間緊密膠結(jié)。埋石混凝土使用的水泥為42.5級，塊石、碎石、砂均為新鮮灰?guī)r料加工而成，材料工地價(jià)：水泥400元/t，塊石50元/m3，碎石60元/m3，砂65元/m3，兩種壩型1m3壩體成品的材料用量、造價(jià)比較如下表：

序號 材料名稱 埋石混凝土 混凝土 節(jié)省

1 水泥（kg） 184 307 123

2 碎石（m3） 0.5 0.84 0.34

3 砂（m3） 0.33 0.55 0.2

4 塊石（m3） 0.45 —0.45

5 造價(jià)（元） 147.55 208.95 61.4

根據(jù)試驗(yàn)資料，塊石顆徑越小，混凝土的消耗量就越大。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證，塊石顆徑400～600mm時(shí)，混凝土在塊石之間的填充度最優(yōu)。根據(jù)上表的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用埋石混凝土建造重力壩與用純混凝土建造重力壩1m3壩體成品的材料價(jià)節(jié)省61.4元，如以50m壩高測算，壩體澆筑量10萬m3，單材料費(fèi)就可節(jié)省投資600萬元左右，故用埋石混凝土建造重力壩與用純混凝土建造重力壩在節(jié)省工程造價(jià)方面有較大優(yōu)勢。

三、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩結(jié)構(gòu)方面的比較

首先需要明確的一個(gè)問題是重力壩是依靠自重克服外力以保持穩(wěn)定的一種擋水建筑物，自重決定壩體穩(wěn)定。也就是說在壩體體型尺寸一定的情況下，自重越大，其穩(wěn)定性越好。一般性C20混凝土的比重為2.4t/m3，而埋石混凝土由于加入較多的塊石，新鮮、完整的灰?guī)r塊石料比重一般在2.6～2.7t/m3之間，這部分塊石在混凝土內(nèi)形成結(jié)核狀，澆筑填充密實(shí)的埋石混凝土單方重量相對要比純混凝土略重。故在大壩體型尺寸已定的條件下，埋石混凝土單方自重略重于純混凝土，相應(yīng)的穩(wěn)定性略好。

四、埋石混凝土重力壩的施工方法

埋石混凝土與普通混凝土的施工方法存在同異性，同性是混凝土均由拌和站拌制，混凝土運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)送入倉，然后平倉振搗澆筑。異性是本文中的埋石混凝土澆筑方法是先用由卸汽車將石料場開采沖洗干凈的達(dá)到上壩要求的石料直接運(yùn)輸?shù)綁误w澆筑倉面（塊石的最大粒徑不大于600mm）。施工順序是先擺放塊石，再澆混凝土，以前的埋石混凝土施工順序是先混凝土入倉，再把塊石投入混凝土內(nèi)。塊石料的入倉采用自卸汽車后退法鋪料，由于自卸汽車下料后在澆筑倉面形成一個(gè)個(gè)高低不平的堆砌體，需要對塊石進(jìn)行平倉。平倉方法采用挖掘機(jī)平倉，平倉時(shí)將塊徑較大的置于底部，塊徑小的置于上部，澆筑倉面的塊石堆砌體厚度一般不超過800mm，一個(gè)澆筑層厚度不超過1200mm。塊石平倉結(jié)束后即進(jìn)行混凝土澆筑，由于澆筑倉面鋪滿的是塊石堆砌體，一般輪胎式運(yùn)輸設(shè)備不易在倉面行走，故混凝土的輸送設(shè)備采用混凝土輸送泵運(yùn)送。混凝土直接從拌和站用管道連接輸送泵，管道出口置于壩面澆筑倉上，人工把持噴槍頭將混凝土噴射到塊石倉面上，混凝土在塊石倉面上的堆積厚度500～600mm為宜。當(dāng)混凝土鋪到一定倉面后，即進(jìn)行混凝土的振搗，澆筑方法是用插入式振搗器沿塊石周邊振搗，現(xiàn)場檢驗(yàn)方法是振搗器定位振搗1分半鐘，直至混凝土填充滿塊石之間的空隙不再流淌、下沉為止。采用混凝土輸送泵運(yùn)送混凝土，可防止輪胎式運(yùn)輸設(shè)備在行走過程中粘接的土、渣顆進(jìn)入澆筑倉面，影響壩體質(zhì)量，同時(shí)也加快了澆筑進(jìn)度。

一個(gè)澆筑層施工結(jié)束后即進(jìn)入混凝土養(yǎng)護(hù)期，由于塊石的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)均較混凝土小，故養(yǎng)護(hù)期4～5天左右即可施工上一層，而純混凝土至少要7天以上才能澆筑上一層。

在進(jìn)行下一個(gè)澆筑層的施工時(shí)，必須對原澆筑層面進(jìn)行清掃，并用水泵沖洗干凈，防止雜質(zhì)留在倉面，影響上下兩層的膠結(jié)。從兩種壩型兩個(gè)新老接觸層的取樣檢測，用埋石混凝土建造的上下兩個(gè)接觸層，基本未發(fā)現(xiàn)有冷縫或者溫度應(yīng)力縫，而純混凝土澆筑的上下兩個(gè)接觸層面，局部存在冷縫現(xiàn)象。分析原因是埋石混凝土的上一個(gè)澆筑層，由于塊石的作用，倉面存在不平整現(xiàn)象，其局部凸起的部位恰巧被新一層混凝土填充整平，因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)澆筑層之間的塊石，若粘連在一起，其下部一般會出現(xiàn)空隙，新澆筑的混凝土一般會將該空隙填滿，故未發(fā)現(xiàn)有冷縫的原因。從新老兩個(gè)接觸層面分析，采用埋石混凝土建造的要比純混凝土建造的層間接觸略好。

五、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩的溫度應(yīng)力控制比較

混凝土在澆筑過程中及以后會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，溫度控制不好會在壩體內(nèi)部及表面形成裂縫，影響壩體蓄水和大壩自身的結(jié)構(gòu)安全，故在壩體設(shè)計(jì)中需要設(shè)置溫控設(shè)施來解決溫度應(yīng)力造成的不利影響。而用埋石混凝土建造的重力壩，由于建筑材料用量及塊石在堆放過程中形成的空隙關(guān)系，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力相對要小得多，壩體出現(xiàn)溫度裂縫的機(jī)率也較小。

混凝土在澆筑后由于水泥的作用，自身會產(chǎn)生水化熱，再加上外部溫度的變化影響，水泥用量越多，產(chǎn)生的水化熱就越多，以至產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就越大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象要先從建筑材料的使用量來分析，根據(jù)上表的試驗(yàn)資料，采用埋石混凝土建造的重力壩，每1m3壩體成品的水泥用量為184kg，而純混凝土則需要307kg，在同一成品體積下，由于埋石混凝土比純混凝土少用水泥123kg，相應(yīng)由水泥產(chǎn)生的水化熱要減少1/3左右。故在許多純混凝土重力壩施工中，壩體內(nèi)部及表面，由于溫度控制措施問題，造成的溫度應(yīng)力縫比比皆是。而用埋石混凝土建造的重力壩，由于水泥用量減少，在同體積情況下產(chǎn)生的溫度熱效應(yīng)就小，再加上塊石的導(dǎo)熱系數(shù)與熱擴(kuò)散系數(shù)均較混凝土小，在入倉前及澆筑后產(chǎn)生的熱效應(yīng)變化不大，故由自身產(chǎn)生的溫度應(yīng)力相對要小得多。其次從材料的澆筑關(guān)系分析，純混凝土重力壩由于整個(gè)壩體均為等性材料，其材料的熱擴(kuò)散系數(shù)是均勻的，也就是說混凝土從內(nèi)部到外部的熱擴(kuò)散相應(yīng)呈直線關(guān)系，但由于受外部溫度變化的影響，外部材料受陽光照射，快速升溫，混凝土的熱擴(kuò)散加劇，而內(nèi)部受外部溫度影響相對表面弱，混凝土熱擴(kuò)散沿順自身特性自然釋放。由于在外部溫度影響下，造成混凝土內(nèi)外熱擴(kuò)散效應(yīng)發(fā)生改變，不呈直線關(guān)系，故溫度應(yīng)力縫由此產(chǎn)生。埋石混凝土建造的重力壩，為什么會比純混凝土建造的重力壩溫度裂縫少，主要原因有以下幾點(diǎn)：1、水泥用量少。2、塊石在入倉堆放過程中塊與塊之間的搭接堆砌關(guān)系，形成較大的空隙率，這些空隙后來由混凝土填充，但由于澆筑振搗關(guān)系，或多或少會存在一些空隙，這些空隙能儲存一定量的熱能，不容易形成集中釋放。3、塊石在混凝土內(nèi)形成結(jié)核，由于塊石的導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)與混凝土的不一致，混凝土熱擴(kuò)散過程中受塊石的阻礙，熱擴(kuò)散不形成直線關(guān)系，故形成的溫度應(yīng)力縫要比純混凝土的少。由于以上因素，所以在埋石混凝土重力壩設(shè)計(jì)中溫控設(shè)施要少，從而節(jié)省工程投資。

六、埋石混凝土施工進(jìn)度與純混凝土施工進(jìn)度比較

首先從一個(gè)澆筑層來分析筑壩材料的進(jìn)度關(guān)系，用埋石混凝土建造的重力壩，其施工順序是先擺放塊石，再澆混凝土。塊石是由自卸汽車直接運(yùn)送到施工工作面堆砌而成，在同厚度同倉面條件下，塊石的鋪滿速度要比純混凝土的澆滿速度快得多，原因是大量的塊石作壩體骨架，縮短了混凝土拌合、運(yùn)輸、澆筑時(shí)間。經(jīng)過多個(gè)工程的施工實(shí)踐比較，如以1000m2的澆筑倉面，1200mm厚的澆筑層計(jì)算，用埋石混凝土建造的重力壩要比純混凝土建造的重力壩施工工期要提前3～4天（中間包括立模時(shí)間）。另外從混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間分析，由于埋石混凝土的水泥用量少，熱效應(yīng)發(fā)生的衰變周期短，再加上混凝土內(nèi)部塊石的強(qiáng)度不會隨時(shí)間而改變，從試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，若以28天混凝土到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度比較，埋石混凝土只需24～25天即可到達(dá)該強(qiáng)度指標(biāo)。由于強(qiáng)度提前達(dá)標(biāo)，故其后續(xù)的施工進(jìn)度相應(yīng)提前。經(jīng)過數(shù)個(gè)工程的施工實(shí)踐驗(yàn)證，用埋石混凝土建造的重力壩要比純混凝土建造的重力壩施工總工期要提前2～3個(gè)月，個(gè)別工程提前完工時(shí)間可達(dá)6個(gè)以上，工期短較明顯，進(jìn)度效益較突出。

七、結(jié)語

用埋石混凝土建造的重力壩雖然比用純混凝土建造的重力壩在工程造價(jià)、施工進(jìn)度、溫控方面有許多優(yōu)于性，但埋石混凝土在施工時(shí)的質(zhì)量控制卻不易檢測，以至個(gè)別工程到大壩蓄水后才發(fā)現(xiàn)壩背坡出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，最后采取壩體霹靂灌漿方式解決。原因是現(xiàn)場檢驗(yàn)方法是振搗器定位振搗1分半鐘，直至混凝土填充滿塊石之間的空隙不再流淌、下沉為止。該方法是由現(xiàn)場澆筑人員確定，當(dāng)遇到塊徑較大的碎石，一旦堵塞混凝土填充運(yùn)行通道，塊石下部的空隙就不易填滿，從而不能保證埋石混凝土的整體質(zhì)量，也為大壩的整體質(zhì)量留下隱患。

對于埋石混凝土的設(shè)計(jì)施工與使用,我們還需要進(jìn)行深入的研究分析以提高埋石混凝土的作用?