復(fù)合土工膜堆石壩擠壓邊墻 混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工新技術(shù)

中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司

摘要：老撾南歐江六級水電站樞紐大壩采用復(fù)合土工膜面板，壩高88米，全部采用復(fù)合土工膜鋪裝，為國際之最高；同時大壩采用軟巖占比80%以上筑壩，此兩項(xiàng)特點(diǎn)在國際上尚屬首次。復(fù)合土工膜安裝在混凝土擠壓邊墻之上，區(qū)別傳統(tǒng)混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻，本文重點(diǎn)闡述復(fù)合土工膜面板堆石壩中擠壓邊墻設(shè)計(jì)思路、混凝土配合比設(shè)計(jì)及成型工藝。

一、工程簡介

南歐江六級水電站復(fù)合土工膜面板堆石壩，壩高88米、壩頂長度362m、頂寬10m。壩體總填筑方量為193萬m3，其中軟巖填筑方量為157萬m3，占比高達(dá)81%，為國際第一（目前國內(nèi)外面板堆石壩軟巖填筑比例最高為73.4%，填筑母巖強(qiáng)度均高于南歐江六級電站板巖料）。大壩上游采用意大利Carpi公司的防滲體系設(shè)計(jì)，采用裸露的復(fù)合土工材料（PVC，聚氯乙烯）安裝方案，復(fù)合土工布錨固帶錨固于擠壓邊墻，復(fù)合土工膜材料采用SIBELON專利產(chǎn)品和施工技術(shù)，該材料由聚氯乙烯材質(zhì)復(fù)合土工膜焊接于無紡反濾土工布上組合而成。

二、復(fù)合土工膜堆石壩結(jié)構(gòu)及組成

大壩墊層料上游采用擠壓式混凝土邊墻技術(shù)，邊墻外側(cè)坡比1：1.6，大壩填料主要分區(qū)由：排水體料3D，主堆石料3B1、3B2，次堆石料3C，過渡料3A，墊層料2A，特殊墊層料2B，復(fù)合土工膜防滲體系，上游覆蓋粘土1A，蓋重1B，下游干砌石P組成。

三、Carpi公司擠壓邊墻設(shè)計(jì)理念

1. 擠壓邊墻混凝土為防滲體系的綜合載體

國內(nèi)水電行業(yè)混凝土面板堆石壩中擠壓邊墻為成熟的上游固坡技術(shù)，并被普遍推廣，我國已有90多座面板堆石壩所采用。本工程中的擠壓邊墻混凝土作為Carpi公司防滲體系復(fù)合土工膜施工的基礎(chǔ)面，不僅是墊層料上游固坡技術(shù)，而且發(fā)揮著防滲體系復(fù)合土工膜自身重量的承載體作用，是支撐穩(wěn)固土工膜的基礎(chǔ)，Carpi公司認(rèn)為擠壓邊墻為復(fù)合土工膜面板堆石壩的重要結(jié)構(gòu)形體，同時混凝土能夠自由排水，不會對土工膜內(nèi)側(cè)產(chǎn)生揚(yáng)壓力，進(jìn)而有助于防滲系統(tǒng)更好地發(fā)揮功效，并延長其使用壽命。

2.擠壓邊墻結(jié)構(gòu)形式對比

本工程中擠壓邊墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式與國內(nèi)擠壓邊墻有差異，擠壓邊墻底部為三角楔形體（寬30cm，深10cm如圖2），與下層形成相互咬扣結(jié)構(gòu)，從而使擠壓邊墻形成復(fù)合土工膜的基礎(chǔ)錨固整體，防止由于大壩蓄水后變形使得局部擠壓邊墻突出而破壞土工膜，同時避免層間摩擦力不夠?qū)е峦凉つふw脫落。結(jié)構(gòu)形式對比見圖2所示。

Carpi公司設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 國內(nèi)行業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖2 結(jié)構(gòu)形式對比圖

3.Carpi公司擠壓邊墻混凝土性能指標(biāo)

Carpi公司要求擠壓邊墻為多孔性混凝土，其排水能力與砂率有關(guān)，基本上含少量砂，為提高和易性，需要確定出滿足滲透指標(biāo)要求最小的砂率，與國內(nèi)行業(yè)擠壓邊墻混凝土性能指標(biāo)對比見表1。

表1 Carpi公司與國內(nèi)行業(yè)擠壓邊墻混凝土性能指標(biāo)對比表

項(xiàng) 目Carpi公司要求國內(nèi)行業(yè)要求備注

抗壓強(qiáng)度（MPa）8～10≤528天齡期

滲透系數(shù)（cm/s）>5×10-310-2～10-428天齡期

干密度（g/cm3）/>2.028天齡期

四、擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)

1.確定設(shè)計(jì)思路

基于以上Carpi公司設(shè)計(jì)理念，本工程擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)不同于鋼筋混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻混凝土。滲透系數(shù)與抗壓強(qiáng)度為矛盾共同體，使得兩者達(dá)到統(tǒng)一是本次配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在既要滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，控制孔隙率來保證滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，如何找到兩者的結(jié)合點(diǎn)，成為本次混凝土配合比設(shè)計(jì)難題。

以DL/T5422-2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》以及DL/T5297-2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范》為參考，做了大量嘗試性工作，經(jīng)過認(rèn)真思考和討論確定出設(shè)計(jì)思路：首先以滲透系數(shù)為基準(zhǔn)，確定出最優(yōu)砂率（<5mm含量）滿足滲透系數(shù)要求，然后確定滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的膠材用量及水灰比，再經(jīng)過不斷的調(diào)整砂率、膠材用量、粗骨料粒徑，直至達(dá)到設(shè)計(jì)雙重指標(biāo)要求。

2.試驗(yàn)過程對比驗(yàn)證

2.1原材料優(yōu)選

依據(jù)DL/T5422-2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)范要求，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為0～5mm水洗人工砂，石粉含量控制在6～18%，粗骨料5～20mm碎石、5～10mm碎石，含泥量控制<7%，液態(tài)速凝劑摻量0～4%。對采用5～10mm碎石及速凝劑摻量方面做了大膽的嘗試。

2.2試驗(yàn)組合及數(shù)據(jù)分析

參照規(guī)范DL/T5422-2009擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上進(jìn)行了5個量級砂率試驗(yàn)組合分別為：15%、20%、25%、30%、35%、4個水灰比試驗(yàn)組合分別為：0.30、0.36、0.40、0.45；考慮到速凝劑不同摻量對混凝土強(qiáng)度增長的影響，試驗(yàn)組合分別：0%、2%、4%。考慮擠壓機(jī)對混凝土配合比較敏感，較干的混凝土擠壓摩擦力大，行進(jìn)速度慢，能獲得較為密實(shí)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，相反較濕的混凝土擠壓行進(jìn)速度快，因此擠壓混凝土配合比按一級配干硬性混凝土設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)容重為2100kg/m3，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析見表2、表3。

表2 試驗(yàn)組合及數(shù)據(jù)對比分析表

序號水灰比砂率每方混凝土材料用量kg/m3抗壓強(qiáng)度

（MPa）滲透系數(shù)（cm/s）

水水泥砂小石5-20mm速凝劑7天28天

10.4525902004281282103.04.5/

20.3625902504151245103.94.7/

30.3025903004021208103.64.41.5×10-1

表3 試驗(yàn)組合及數(shù)據(jù)對比分析表

序號水灰比砂率（%）每方混凝土材料用量（kg/m3）抗壓強(qiáng)度（MPa）滲透系數(shù)（cm/s）

水水泥砂小石5-10mm速凝劑7天28天

10.4035120300584108507.69.41.0×10-3

20.40 120300584108566.78.4

30.40 1203005841085128.09.0

40.4030120300504117607.012.22.4×10-3

50.40 120300504117667.311.5

60.40 1203005041176126.78.8

70.4025120300420126008.310.61.0×10-2

80.40 120300420126068.29.5

90.40 1203004201260124.010.9

100.4020120300336134409.19.12.6×10-2

110.40 120300336134463.97.9

120.40 1203003361344125.06.4

130.4015120300252142804.25.53.3×10-2

140.40 120300252142868.912.3

150.40 12030025214281210.65.5

通過以上試驗(yàn)組合分析得出：

①當(dāng)砂率為25%，接近臨界值，如果繼續(xù)增加砂率，滲透系數(shù)將不能滿足>5×10-3要求。②水灰比確定為0.40±0.02，單方混凝土用水量控制120±5kg，混凝土強(qiáng)度滿足8～10MPa要求。③速凝劑摻量為2%時較為合理，繼續(xù)增大速凝劑摻量，混凝土強(qiáng)度有降低的趨勢。④改用5～10mm小米石，使得成型試塊及抗壓強(qiáng)度塊體差異性減小，內(nèi)部顆粒分散均勻且顆粒之間填充致密，有利于提高混凝土密度和強(qiáng)度。

2.3試驗(yàn)結(jié)論

推薦現(xiàn)場施工基準(zhǔn)配合比見表4。

表4 擠壓邊墻混凝土推薦施工配合比

編號水膠比砂率（%）速凝劑

摻量（%）單位材料用量（kg/m3）容重（kg/m3）

水水泥砂小石

（5～10）mm速凝劑KD-5

ZHP-240.40252120300420126062100

五、擠壓邊墻成型驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定出擠壓邊墻混凝土推薦施工配合比表4中的單方混凝土用量，拌合站采用電子稱量機(jī)械拌合，拌合物采用6立方米混凝土罐車運(yùn)輸至施工作業(yè)面，現(xiàn)場成型擠壓邊墻。對成型后的實(shí)體進(jìn)行檢測和取樣復(fù)測，試驗(yàn)復(fù)測成果見表5。

表5 擠壓邊墻成型試驗(yàn)復(fù)測成果表

項(xiàng) 目實(shí)測點(diǎn)1實(shí)測點(diǎn)2備注

28天齡期

抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度8～10（MPa）9.89.1現(xiàn)場取樣室內(nèi)成型

滲透系數(shù)

（cm/s）>5×10-38.9×10-31.1×10-2現(xiàn)場取樣室內(nèi)成型

密度（t/m3）ρ=2.1（t/m3）2.122.09規(guī)范參考值

含水率（%）/5.55.0/

表5數(shù)據(jù)顯示：成型后的擠壓邊墻現(xiàn)場實(shí)測密度與室內(nèi)配合比基本一致，偏差控制在設(shè)計(jì)值2100±50kg/m3；現(xiàn)場取樣成型抗壓強(qiáng)度及滲透試件，28天齡期抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。通過現(xiàn)場成型試驗(yàn)驗(yàn)證，檢測成果與室內(nèi)推薦配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，成型擠壓邊墻實(shí)體混凝土無倒塌，滿足施工及Carpi公司設(shè)計(jì)要求。

六、擠壓墻的施工現(xiàn)狀

從混凝土本身采用的技術(shù)和常規(guī)的技術(shù)比較，本工程擠壓邊墻混凝土施工特點(diǎn)是三角楔形體的施工，其余相同。截止目前擠壓墻已經(jīng)施工完成80多層，成型尺寸、實(shí)體質(zhì)量狀況可控，依據(jù)DL/T5422-2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)范要求，試驗(yàn)檢測成果見表6。

表6 擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)成果表

項(xiàng) 目試驗(yàn)組數(shù)實(shí)測

最大值實(shí)測

最小值平均值備注

28天齡期

抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度8～10（MPa）1311.89.19.9

滲透系數(shù)（cm/s）>5×10-346.7×10-22.2×10-23.7×10-2

密度（t/m3）ρ=2.1（t/m3）132.162.112.14

含水率（%）/135.34.85.0

七、總結(jié)

意大利Carpi公司在擠壓邊墻設(shè)計(jì)理念區(qū)別傳統(tǒng)混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻，是具有較高的抗壓強(qiáng)度，并且能夠自由排水功能，以消除對土工膜內(nèi)側(cè)產(chǎn)生揚(yáng)壓力的綜合承重載體，在復(fù)合土工膜面板堆石壩安全運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化將是施工成型過程的重要依據(jù)，嚴(yán)格施工工藝和加強(qiáng)過程質(zhì)量控制將是達(dá)到意大利Carpi公司擠壓邊墻設(shè)計(jì)理念的保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》 DL/T5422-2009，2009年12月。

[2]《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范》 DL/T5297-2013，2013年12月。

[3]《老撾南歐江六級水電站施工詳圖設(shè)計(jì)階段混凝土施工技術(shù)要求》昆明勘測設(shè)計(jì)研究院，2013年1月。