富漿膠結(jié)砂礫石防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝及質(zhì)量控制方法

紀(jì)杰杰，李洪濤，高 尚，華天波，姚 強(qiáng)，陳 新

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

膠結(jié)砂礫石(CSG)壩是一種結(jié)合混凝土壩和土石壩各自優(yōu)點(diǎn)，使簡(jiǎn)易處理的砂礫石骨料與少量膠結(jié)材料拌合，形成位于土石壩散粒體和混凝土壩固結(jié)體之間的一種過(guò)渡性連續(xù)體材料，采用“宜材適構(gòu)”的筑壩理念，集材料、設(shè)計(jì)及施工合理化于一體的新型筑壩技術(shù)[1,2]。

1970年，J.M.Raphael[3,4]首次提出CSG壩筑壩思想；20世紀(jì)90年代，日本壩工界提出梯形CSG壩筑壩技術(shù)體系，并分別于1992年與1999年建成Nagashima壩上游圍堰和永久性工程N(yùn)agashima水庫(kù)攔砂壩[5-7]；國(guó)內(nèi)學(xué)者林一山、賈金生、何蘊(yùn)龍等[8-13]人基于國(guó)外關(guān)于Hardfill壩和CSG壩的經(jīng)驗(yàn)，先后豐富和發(fā)展了CSG筑壩理念和技術(shù)。

由于膠結(jié)砂礫石的膠結(jié)材料用量較少，耐久性指標(biāo)較低[14]。對(duì)中小型工程，如果采用常規(guī)混凝土面板或變態(tài)混凝土作為壩體防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)則必須布置骨料加工設(shè)備，導(dǎo)致施工成本很難控制。因此，結(jié)合膠結(jié)砂礫石壩“宜材適構(gòu)”的筑壩理念，通過(guò)在膠結(jié)砂礫石中增加膠結(jié)材料用量，形成富漿膠結(jié)砂礫石作為壩體的防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)，充分利用現(xiàn)場(chǎng)材料解決該問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)富漿膠結(jié)砂礫石用于CSG壩永久性防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)的研究尚存空缺[15,16]。

1 工程概況

順江堰引水樞紐工程位于四川省都江堰灌區(qū)新津縣，主要由溢流壩、泄洪閘、進(jìn)水閘、上下游護(hù)堤組成，攔河壩采用閘壩方案，左岸布置270 m長(zhǎng)溢流壩，壩高4 m，右岸布置3孔泄洪沖砂閘和兩孔進(jìn)水閘。溢流壩頂部為WES曲線型實(shí)用堰，壩芯采用C10膠結(jié)砂礫石，方量27 130 m3?；A(chǔ)墊層和上游面層采用C20富漿膠結(jié)砂礫石，方量12 212 m3。壩體剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 順江堰溢流壩壩體剖面圖Fig.1 Overflow dam body section of Shunjiang weir

2 富漿膠結(jié)砂礫石防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)施工工藝

2.1 總體施工工藝

總體施工工藝包括骨料生產(chǎn)、拌和、運(yùn)輸、倉(cāng)面作業(yè)等主要環(huán)節(jié)。借鑒變態(tài)混凝土施工經(jīng)驗(yàn)，前期現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用膠結(jié)砂礫石專用拌和系統(tǒng)拌制富漿干硬性膠結(jié)砂礫石，在倉(cāng)面進(jìn)行加漿變態(tài)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，膠結(jié)砂礫石在皮帶機(jī)出口及成品出料倉(cāng)內(nèi)有明顯的骨料離析現(xiàn)象。此外，富漿干硬性膠結(jié)砂礫石在倉(cāng)面卸料后，采用加漿振搗的方式進(jìn)行施工，漿液分布不均勻，不能很好地浸入膠結(jié)砂礫石下部，導(dǎo)致下部振搗困難且不利于層面結(jié)合，拆模后出現(xiàn)蜂窩麻面。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)改進(jìn)，采用專用拌和系統(tǒng)拌制出符合配比的干硬性C20富漿膠結(jié)砂礫石，經(jīng)自卸汽車運(yùn)輸至倉(cāng)面附近，卸入倉(cāng)前料斗并按一定比例加入水泥漿液，用反鏟挖掘機(jī)充分拌和均勻后挖裝入倉(cāng)，這樣可充分解決骨料離析及施工中出現(xiàn)的蜂窩麻面問(wèn)題，故墊層及上游防滲保護(hù)層采用加漿拌合富漿膠結(jié)砂礫石的施工工藝進(jìn)行施工。總體施工工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 富漿膠結(jié)砂礫石防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)總體施工工藝流程Fig.2 Rich-slurry CSG overall construction process flow of seepage prevention and protection structure

2.2 骨料生產(chǎn)工藝

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，C20富漿膠結(jié)砂礫石作為墊層及上游防滲保護(hù)結(jié)構(gòu)，承擔(dān)壩體的防滲作用，施工方式主要是振搗施工，因此為了提高可振搗性及富漿膠結(jié)砂礫石的密實(shí)性，骨料最大粒徑為80 mm。砂礫石骨料生產(chǎn)及儲(chǔ)備流程見(jiàn)圖3。

圖3 富漿膠結(jié)砂礫石骨料生產(chǎn)及儲(chǔ)備流程Fig.3 Rich-slurry CSG aggregate production and storage process

2.3 拌和工藝

2.3.1 專用拌合設(shè)備及工作原理

在對(duì)膠結(jié)砂礫石拌和設(shè)備缺乏深入研究的條件下，順江堰膠結(jié)砂礫石壩作為一個(gè)新型技術(shù)推廣的試驗(yàn)壩，采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院和中國(guó)大壩協(xié)會(huì)主導(dǎo)研發(fā)的連續(xù)式專用攪拌機(jī)進(jìn)行拌制，即JLB200型膠結(jié)砂礫石拌和設(shè)備[17]。設(shè)備具體工作流程如圖4所示。

圖4 富漿膠結(jié)砂礫石專用拌和設(shè)備工藝流程Fig.4 Process flow of special mixing equipment for rich-slurry CSG

2.3.2 拌和工藝

(1)初次拌和。C20富漿膠結(jié)砂礫石的拌和工藝為：首先利用專用拌和設(shè)備拌制符合C20富漿膠結(jié)砂礫石配合比的干硬性膠結(jié)砂礫石，其配合比見(jiàn)表1，其工藝如圖4所示。

表1 富漿膠結(jié)砂礫石現(xiàn)場(chǎng)初次拌合配合比Tab.1 Local first mixture ratio of rich-slurry CSG

注：?jiǎn)挝挥盟扛鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)VC值試驗(yàn)滿足(2～5S)確定。

(2)二次拌和。富漿干硬性膠結(jié)砂礫石經(jīng)自卸汽車運(yùn)輸至倉(cāng)面附近，卸入倉(cāng)前料斗內(nèi)(尺寸為5 m×4 m×0.8 m)，用一臺(tái)JCZ500自落式攪拌機(jī)按照一定配比配制水泥漿液加入料斗內(nèi)，二次拌合配比見(jiàn)表2，然后用反鏟在料斗中將富漿膠結(jié)砂礫石攪拌均勻得到C20富漿膠結(jié)砂礫石，現(xiàn)場(chǎng)施工方式及流程如圖5和圖6所示。

表2 富漿膠結(jié)砂礫石現(xiàn)場(chǎng)二次拌合配合比Tab.2 Local second mixture ratio of rich-slurry CSG

注：加漿量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)塌落度試驗(yàn)滿足(5～12 cm)確定。

圖5 富漿膠結(jié)砂礫石二次拌和方式Fig.5 Second mixing method of rich-slurry CSG

圖6 富漿膠結(jié)砂礫石二次拌和工藝流程Fig.6 Second mixing process flow of rich-slurry CSG

2.4 運(yùn)輸入倉(cāng)工藝

富漿膠結(jié)砂礫石運(yùn)輸要求運(yùn)輸過(guò)程中膠結(jié)砂礫石不初凝、不離析、無(wú)過(guò)大溫度變化，能夠保證膠結(jié)砂礫石入倉(cāng)溫度要求。本工程采用汽車運(yùn)輸方案。初次拌合料用自卸汽車接料時(shí)，采用兩點(diǎn)式或三點(diǎn)式接料，汽車進(jìn)入接料區(qū)域后，先讓汽車前半部分接料，接近1/2或1/3時(shí)，然后向前開(kāi)行讓車廂后半部分完成余下部分的接料。這樣可使汽車中堆料均勻分布不致高低錯(cuò)落程度過(guò)大，以盡量減少在運(yùn)輸過(guò)程中的骨料離析。

2.5 倉(cāng)面施工工藝

2.5.1 層面處理工藝

富漿膠結(jié)砂礫石層面鋪筑超過(guò)允許時(shí)間及處理方法按表3進(jìn)行處理[18]。

2.5.2 墊層施工工藝

墊層區(qū)采用平澆法施工，層厚50 cm左右，通倉(cāng)連續(xù)澆筑，采用轉(zhuǎn)載機(jī)、反鏟等將石料推平，人工輔助平倉(cāng)，振搗時(shí)采用Φ100插入式振搗器，振搗時(shí)間30～40 s。

2.5.3 防滲保護(hù)層施工工藝

根據(jù)壩體自身特點(diǎn)及施工需要，上游防滲保護(hù)層C20富漿膠結(jié)砂礫石采用了兩種澆筑方式。

(1)與壩體同層上升。為保證工程施工質(zhì)量，施工中采用保護(hù)層富漿膠結(jié)砂礫石與壩體膠結(jié)砂礫石同步上升。在碾壓C10壩體膠結(jié)砂礫石的同時(shí)，進(jìn)行C20富漿膠結(jié)砂礫石的入倉(cāng)澆筑，二者澆筑層厚與碾壓層厚相同。在振搗過(guò)程中，特別注意結(jié)合部位的施工質(zhì)量，用高頻振搗器從富漿膠結(jié)砂礫石的一側(cè)向變態(tài)膠結(jié)砂礫石方向振搗，同時(shí)插入下層富漿膠結(jié)砂礫石5 cm。具體施工工藝流程見(jiàn)圖7。

(2)與壩體不同層上升。由于富漿膠結(jié)砂礫石與膠結(jié)砂礫石同層上升對(duì)施工工期產(chǎn)生一定干擾，為加快施工進(jìn)度，因此，部分壩段根據(jù)實(shí)際情況采用不同層上升的施工方法，即首先碾壓壩體膠結(jié)砂礫石，然后進(jìn)行保護(hù)層富漿膠結(jié)砂礫石施工。在壩體上游面設(shè)立兩道模板，首先對(duì)碾壓膠結(jié)砂礫石區(qū)域上游面立模進(jìn)行碾壓施工，上游靠近模板的位置采用變態(tài)改性的方式施工，待此區(qū)域上升若干層后，拆除模板同時(shí)對(duì)富漿上游側(cè)安裝模板進(jìn)行富漿膠結(jié)砂礫石的澆筑。富漿膠結(jié)砂礫石澆筑到與碾壓膠結(jié)砂礫石同高程之后，再進(jìn)行碾壓膠結(jié)砂礫石的施工，如此循環(huán)。具體施工工藝流程見(jiàn)圖8。

表3 富漿膠結(jié)砂礫石層面間隔處理方法Tab.3 Level processing methods of rich-slurry CSG

注：抗剪強(qiáng)度試件由芯樣或預(yù)埋試驗(yàn)?zāi)＞咧谱鳌?/p>

圖7 壩體同層上升施工工藝流程Fig.7 The process flow of the construction of the same layer of the dam body

圖8 壩體不同層上升施工工藝流程Fig.8 The process flow of construction of different layers of dam body

3 富漿膠結(jié)砂礫石質(zhì)量控制方法

3.1 質(zhì)量控制指標(biāo)

富漿膠結(jié)砂礫石的質(zhì)量控制具體體現(xiàn)在三個(gè)核心環(huán)節(jié)，包括材料質(zhì)量控制、拌和質(zhì)量控制、倉(cāng)面質(zhì)量控制。富漿膠結(jié)砂礫石核心環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制具體指標(biāo)如表4～表6所示，表中對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究和歸納。在施工現(xiàn)場(chǎng)，倉(cāng)面質(zhì)量控制主要針對(duì)富漿膠結(jié)砂礫石的骨料離析情況進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制方法

除控制原材料、拌合以及振搗施工過(guò)程，還分別對(duì)各倉(cāng)次進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，目的主要是控制澆筑的富漿膠結(jié)砂礫石材料的強(qiáng)度，具體檢測(cè)結(jié)果如表7所示，并繪制富漿膠結(jié)砂礫石的強(qiáng)度質(zhì)量控制圖，如圖9所示。根據(jù)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，可動(dòng)態(tài)掌握質(zhì)量狀態(tài)，判斷其生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，并采取措施，防止不合格生產(chǎn)。

從表7及圖9可知，二次拌和富漿膠結(jié)砂礫石的28 d強(qiáng)度均大于實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)齡期的配制強(qiáng)度，強(qiáng)度值均在抗壓強(qiáng)度中心線的上方，表明其實(shí)際質(zhì)量均高于控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，強(qiáng)度均有富余。

對(duì)本工程而言，由于其為國(guó)內(nèi)首座永久性膠結(jié)砂礫石壩，對(duì)富漿膠結(jié)砂礫石的施工無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可循。因此在實(shí)際施工中，從工程安全的角度出發(fā)，提高了質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，各材料的用量除采用實(shí)驗(yàn)室確定的配合比之外，還進(jìn)行了壩外二次加漿拌和作業(yè)，增加膠結(jié)材料用量，以保證其施工質(zhì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)首座膠結(jié)砂礫石永久性工程的富漿膠結(jié)砂礫石施工工藝和質(zhì)量控制開(kāi)展研究，立足工程實(shí)際，采用試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用相結(jié)合的方法，取得了以下成果和結(jié)論。

(1)結(jié)合順江堰膠結(jié)砂礫石壩的實(shí)際工程施工，采用天然砂礫石開(kāi)挖料作為膠結(jié)砂礫石的骨料，只需利用簡(jiǎn)單條篩剔除超徑石料即可，相對(duì)于混凝土骨料生產(chǎn)中龐大的骨料破碎篩分系統(tǒng)而言成本低廉。

表4 富漿膠結(jié)砂礫石原材料檢測(cè)方法Tab.4 Testing methods for raw materials of rich-slurry CSG

表5 富漿膠結(jié)砂礫石配料稱量的允許偏差Tab.5 Allowable deviation of weighing of rich-slurry CSG

表6 富漿膠結(jié)砂礫石拌合物質(zhì)量的檢測(cè)項(xiàng)目及頻次Tab.6 Testing items and frequency of the quality of the mixture of rich-slurry CSG

(2)富漿膠結(jié)砂礫石采用專用拌和系統(tǒng)拌制出符合配比的干硬性富漿膠結(jié)砂礫石，運(yùn)輸卸入倉(cāng)前料斗內(nèi)并按一定比例加入水泥漿液，采用反鏟充分拌和均勻后挖裝入倉(cāng)，可以充分解決富漿膠結(jié)砂礫石運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致的骨料離析問(wèn)題，以及倉(cāng)面直接加漿施工導(dǎo)致的蜂窩麻面問(wèn)題。

(3)富漿膠結(jié)砂礫石的質(zhì)量控制中比較重要的三個(gè)環(huán)節(jié)是材料質(zhì)量控制、拌和質(zhì)量控制、倉(cāng)面質(zhì)量控制，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都將影響工程質(zhì)量，特別是砂礫石級(jí)配和含水率以及倉(cāng)面二次拌合的檢測(cè)與控制是保證富漿膠結(jié)砂礫石強(qiáng)度的前提，施工過(guò)程應(yīng)繪制相應(yīng)的質(zhì)量控制圖。

表7 實(shí)際施工過(guò)程中富漿膠結(jié)砂礫石強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Strength test results of rich-slurry CSG in the actual construction process

圖9 現(xiàn)場(chǎng)二次拌合強(qiáng)度質(zhì)量控制圖Fig.9 Quality control of local second mixing strength

(4)作為國(guó)內(nèi)首座膠結(jié)砂礫石永久性工程，由于對(duì)富漿膠結(jié)砂礫石的強(qiáng)度特性缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，采用實(shí)驗(yàn)室確定的配合比和現(xiàn)場(chǎng)二次加漿拌和施工工藝，現(xiàn)場(chǎng)富漿膠結(jié)砂礫石的28 d強(qiáng)度均大于實(shí)驗(yàn)室相應(yīng)齡期的平均強(qiáng)度，工程安全和施工質(zhì)量能夠得到保障。

□