高寒地區(qū)堆石混凝土重力壩技術(shù)研究

祁永吉，徐 婷

（青海省水利技術(shù)評審中心，青海西寧，810001）

0 引言

堆石混凝土技術(shù)是先將滿足一定粒徑要求的塊石（或卵石）自然堆滿倉面，然后在堆石體表面澆筑滿足特殊要求的自密實(shí)性能混凝土，無需振搗僅依靠其自重充填堆石體的空隙，形成完整密實(shí)的混凝土。近年來已應(yīng)用于國內(nèi)外許多工程中，特別是在壩工中應(yīng)用廣泛。滿坪水庫工程應(yīng)用該技術(shù)在青海省尚屬首創(chuàng)，因此，為進(jìn)一步推廣使用，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究顯得尤為迫切和必要。

1 工程概況

滿坪水庫位于青海省民和縣滿坪鎮(zhèn)前河溝上游小峽門溝口處，水庫壩址坐標(biāo)為北緯36°01'25"，東經(jīng)102°43'08"，工程區(qū)距民和縣城67 km。滿坪水庫工程任務(wù)以人畜飲水和灌溉為主，兼顧防洪和改善河道生態(tài)環(huán)境，解決滿坪鎮(zhèn)、前河鄉(xiāng)和甘溝鄉(xiāng)三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共3.5萬人口和4.77萬頭（只）牲畜飲水，解決約3.42 km2土地的灌溉用水問題。滿坪水庫總庫容108.4萬m3，其中死庫容4.79萬m3，興利庫容98.2萬m3，防洪庫容5.41萬m3，死水位2 489.68 m,正常蓄水位2 538 m，設(shè)計(jì)洪水位2 539.08 m，校核洪水位2 539.35 m。滿坪水庫屬Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物4級，次要建筑物5級。水庫大壩的防洪標(biāo)準(zhǔn)采用重現(xiàn)期50年設(shè)計(jì)（洪峰流量50 m3/s），重現(xiàn)期200年校核（洪峰流量68.3 m3/s）。工程主要建筑物由非溢流壩、溢流壩、放水管和導(dǎo)流底孔四大部分組成。大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高77 m，壩軸線長130 m，溢流壩段長17 m。

滿坪水庫堆石混凝土重力壩壩體混凝土共分五個(gè)區(qū)。Ⅰ區(qū)為鋼筋混凝土防滲面板，混凝土采用C20W8F200自密實(shí)混凝土；Ⅱ區(qū)為壩基墊層，采用C20W6F150常態(tài)混凝土；Ⅲ區(qū)為壩體內(nèi)部，采用C20W6F150堆石混凝土；Ⅳ區(qū)為溢流面，采用HFC30W6F200混凝土。防滲面板厚0.6～1.0 m。大壩平面布置和典型壩段剖面圖見圖1～3。

2 自密實(shí)堆石混凝土技術(shù)研究

2.1 自密實(shí)堆石混凝土原材料選擇

2.1.1 堆石料

圖1 大壩總平面布置圖（單位：高程、樁號以m計(jì)，其余以cm計(jì)）Fig.1 General layout plan of dam(unit:elevation and stake number in meter,rest in centimeter)

圖2 非溢流壩段橫斷面圖（單位：高程以m計(jì)，其余以cm計(jì)）Fig.2 Cross section of non overflow dam section(unit:elevation in meter,rest in centimeter)

圖3 溢流壩段橫斷面圖（單位：高程以m計(jì)，其余以cm計(jì)）Fig.3 Cross section of overflow dam section(unit:elevation in meter,rest in centimeter)

滿坪水庫大壩堆石料采用壩軸線上游左岸100 m處料場，巖性主要為花斑巖，爆破開挖后就近堆放，采用高壓水槍進(jìn)行沖洗后入倉。塊石料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 塊石料原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表Table 1 Parameters of technical indexes for raw rock quality of block stone

2.1.2 水泥

根據(jù)SL 678-2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定，用于自密實(shí)混凝土的水泥宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，工程選用P.O42.5散裝普通硅酸鹽水泥，其性能經(jīng)檢測滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.3 粉煤灰

根據(jù)SL 678-2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定，用于自密實(shí)混凝土的粉煤灰應(yīng)符合GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅰ級或Ⅱ級粉煤灰的技術(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)。工程選用Ⅱ級粉煤灰。

2.1.4 骨料

骨料選用石料場開采料初篩后的棄料和壩基開挖料棄料部分，采用人工破碎制砂。骨料品質(zhì)除應(yīng)符合SL 677-2014《水工混凝土施工規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定外，自密實(shí)性能混凝土使用的骨料最大粒徑不超過20 mm，針片狀顆粒含量不超過8%。

2.1.5 外加劑

根據(jù)GB/T 8076-2008《混凝土外加劑》中的相關(guān)規(guī)定，工程選用某廠家生產(chǎn)的HSNG-T自密實(shí)混凝土專用外加劑，性能可滿足要求。依據(jù)SL 678-2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)自密實(shí)砂漿試驗(yàn)，經(jīng)檢測，外加劑與膠凝材料適應(yīng)性良好，可用于配置自密實(shí)混凝土。標(biāo)準(zhǔn)自密實(shí)砂漿檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)自密實(shí)砂漿檢測數(shù)據(jù)表Table 2 Test data of standard self-compacting mortar

2.1.6 拌和用水

拌和用水采用工地現(xiàn)場天然的小峽溝河水，其水質(zhì)良好，可用于拌制自密實(shí)混凝土。

2.2 自密實(shí)堆石混凝土配合比

滿坪水庫大壩自密實(shí)堆石混凝土設(shè)計(jì)要求為C20W8F200。自密實(shí)性能混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)流程及目的包括：（1）凈漿試驗(yàn)，選取不同型號外加劑同水泥、粉煤灰進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，以確定與該工程膠凝材料相適應(yīng)的外加劑型號；（2）砂漿試驗(yàn)，選取不同水膠比、砂率、粉煤灰摻量進(jìn)行試驗(yàn)，以確定合理水膠比、砂率及粉煤灰摻量；（3）混凝土試驗(yàn)，調(diào)整單方石子用量及外加劑用量，得到自密實(shí)混凝土的基準(zhǔn)配合比；（4）配合比優(yōu)化試驗(yàn)，調(diào)整配比參數(shù)，得到更經(jīng)濟(jì)適用的優(yōu)化配合比。自密實(shí)堆石混凝土試驗(yàn)配合比結(jié)果見表3，在施工中根據(jù)滿坪水庫施工現(xiàn)場實(shí)際條件做了適當(dāng)調(diào)整，如表4所示。

表3 自密實(shí)堆石混凝土配合比（單位：kg/m3）Table 3 Mix ratio of self-compacting rockfill concrete(unit:kg/m3)

2.3 自密實(shí)堆石混凝土施工

堆石混凝土技術(shù)施工工藝簡單，主要有倉面處理、模板施工、堆石的選取與入倉、自密實(shí)混凝土施工和堆石混凝土養(yǎng)護(hù)等5道工序。在堆石入倉能力和混凝土生產(chǎn)能力有保證的情況下，可連續(xù)循環(huán)施工，大大提升混凝土的施工速度。自密實(shí)堆石混凝土施工流程見圖4。

圖4 自密實(shí)堆石混凝土施工流程示意圖Fig.4 Construction process of self-compacting rockfill concrete

2.3.1 倉面處理

堆石混凝土倉面按部位不同，可分為基巖面、普通層面和封頂面。澆筑倉面必須保證清潔，不應(yīng)有積水、碎渣等，層面上的混凝土乳皮、由于泌水造成的低強(qiáng)混凝土以及嵌入表面的松動堆石必須予以清除?；鶐r面應(yīng)澆筑1.0～1.5 m厚的混凝土墊層。同時(shí)，為保證堆石混凝土與常態(tài)混凝土層間結(jié)合效果，對常態(tài)混凝土表面進(jìn)行鑿毛，鑿毛深度達(dá)到一定要求后再進(jìn)行下道工序。普通層面堆石混凝土收倉時(shí)，自密實(shí)混凝土澆筑面要低于堆石面，使露在層面之外的塊石在上下層之間起到齒合作用，加強(qiáng)層面結(jié)合，提高抗剪強(qiáng)度。另外，堆石混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5 MPa后，方可進(jìn)行下一倉面的準(zhǔn)備工作。

2.3.2 模板施工

模板設(shè)計(jì)、制作和使用符合DL/T 5110-2015《水利水電工程模板施工規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。滿坪水庫堆石混凝土施工模板為懸臂模板，采用2.2 m（寬）×3 m（高）和2.8 m（寬）×3 m（高）兩種結(jié)構(gòu)型式。這種模板面積、重量都比較大，需要有專門的起重設(shè)備進(jìn)行吊放，通常采用腳手架固定定滑輪、吊車和索道進(jìn)行吊放，固定后的懸臂模板具有施工效率高、牢固性、密封性和抗變形性能好等優(yōu)點(diǎn)。其施工工藝為：模板預(yù)拼裝→懸臂鋼模板的吊裝→預(yù)埋螺栓和錐套安裝→調(diào)整模板傾斜度→模板間連接螺絲安裝→下一塊模板安裝。

表4 自密實(shí)堆石混凝土配合比調(diào)整結(jié)果Table 4 Result of mix ratio adjustment of self-compacting rockfill concrete

2.3.3 堆石選取與入倉

（1）堆石選取。堆石混凝土施工中需確保料源充足，以滿足堆石入倉的進(jìn)度，從而保證堆石混凝土施工進(jìn)度。另外，入倉堆石料還應(yīng)該滿足一定的粒徑（不小于300 mm）和清潔程度（含泥量低于0.5%）要求，對不合格的堆石料要進(jìn)行預(yù)處理。工程施工前在堆石料場對石料進(jìn)行預(yù)存堆放、篩分、裝運(yùn)和清洗等工序處理，保證堆石料新鮮完整、質(zhì)地堅(jiān)硬、無剝落層和裂紋，并滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（2）堆石入倉。采用自卸汽車通過上壩公路直接入倉方式，塊石由自卸汽車從堆石料粗篩系統(tǒng)直接運(yùn)輸至澆筑倉面堆放，輔以反鏟挖掘機(jī)進(jìn)行局部倒運(yùn)和平倉。每倉堆石厚度控制在2.0 m以內(nèi)，堆石孔隙率在40%～45%之間。

2.3.4 自密實(shí)混凝土施工

（1）自密實(shí)混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸。根據(jù)滿坪水庫大壩自密實(shí)堆石混凝土施工組織安排，拌和樓設(shè)在大壩下游50 m的場地開闊處，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)進(jìn)行拌和，并適當(dāng)延長攪拌時(shí)間以確保新拌自密實(shí)混凝土的均勻性。其投料順序?yàn)椋合韧度牍橇虾头蹌└砂瑁S后加入水和外加劑，拌和時(shí)間不小于90s。在攪拌機(jī)出料口下安裝混凝土輸送泵，將拌和料卸入泵內(nèi)，通過管道泵送入倉。

（2）自密實(shí)混凝土澆筑。滿坪水庫大壩自密實(shí)混凝土采用泵送方式入倉，澆筑點(diǎn)均勻布置（間距不超過3 m）,在澆筑過程中遵循單向、逐點(diǎn)、連續(xù)澆筑的原則，避免出現(xiàn)冷縫，每個(gè)澆筑點(diǎn)澆滿后方可移動至下一澆筑點(diǎn)澆筑，澆筑點(diǎn)不重復(fù)使用。澆筑速度應(yīng)均勻，不宜過快，保證自密實(shí)混凝土均勻完全填充堆石體的空隙。同時(shí)，需控制自密實(shí)混凝土澆筑高度低于堆石面50～15 mm，以保證堆石混凝土的層間粘結(jié)強(qiáng)度。

2.3.5 自密實(shí)堆石混凝土養(yǎng)護(hù)

滿坪水庫所在地區(qū)屬高原半干旱大陸性氣候，高海拔、干燥和寒冷是其最突出的氣候特征。在施工過程中，堆石入倉前應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)對底層堆石混凝土倉面進(jìn)行鑿毛和清洗，對于松動的石塊予以清除。每倉自密實(shí)混凝土澆筑完畢后，在光照強(qiáng)烈或大風(fēng)干燥時(shí)，采取噴灑水霧或篷布覆蓋的措施，有效保持倉面濕潤不發(fā)白。溫度較低時(shí)，可用養(yǎng)護(hù)墊子覆蓋，防止凍結(jié)。養(yǎng)護(hù)完成后即可連續(xù)循環(huán)施工。

2.3.6 自密實(shí)堆石混凝土缺陷處理

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)方案，自密實(shí)混凝土采用泵送時(shí)應(yīng)保證澆筑的連續(xù)性，不得中斷。如因故中斷4 h以上時(shí)，應(yīng)首先澆筑同配合比的自密實(shí)砂漿，使其完全覆蓋堆石體內(nèi)已喪失流動性的混凝土表面，然后再澆筑自密實(shí)混凝土。對已經(jīng)硬化的內(nèi)部缺陷，采取本體補(bǔ)強(qiáng)的方式處理，補(bǔ)強(qiáng)處理一般以灌漿為主，灌漿材料一般為水泥和化學(xué)材料。立模澆筑的自密實(shí)堆石混凝土缺陷應(yīng)在拆模后24 h內(nèi)修補(bǔ)完成。

2.4 自密實(shí)堆石混凝土質(zhì)量控制

原材料質(zhì)量控制是自密實(shí)堆石混凝土重力壩質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各種原材料質(zhì)量必須滿足設(shè)計(jì)要求。拌和中定期對拌和物的均勻性、拌和時(shí)間和稱量衡器的精度進(jìn)行檢驗(yàn)；檢查核實(shí)各種合格的原材料的配料稱量；定期檢測自密實(shí)堆石混凝土的坍落度、擴(kuò)展度、V漏斗通過時(shí)間。如果發(fā)現(xiàn)某項(xiàng)指標(biāo)不合格，立即采取補(bǔ)救措施保證施工質(zhì)量。自密實(shí)堆石混凝土達(dá)到規(guī)范要求的齡期后，現(xiàn)場進(jìn)行鉆孔取芯，檢測混凝土的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能、抗凍性能等技術(shù)指標(biāo)。

目前，滿坪水庫堆石混凝土重力壩砌筑高程達(dá)2 475 m，從現(xiàn)場檢測結(jié)果看，各項(xiàng)檢測結(jié)果均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量控制效果較好。堆石混凝土芯樣抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果見表5，試坑法檢測堆石混凝土澆筑質(zhì)量結(jié)果見表6。混凝土芯樣最低強(qiáng)度為23.1MPa，超過工程C20的設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)。試坑檢測平均容重2.53t/m3，孔隙率0.5%，滿足設(shè)計(jì)容重大于2.40t/m3、孔隙率小于1%的要求。

該工程總工期為30個(gè)月，計(jì)劃于2019年10月完工。

表5 堆石混凝土抗壓試驗(yàn)結(jié)果表Table 5 Compression test results of rockfill concrete

表6 堆石混凝土試坑法檢測結(jié)果表Table 6 Test results of rockfill concrete using pit sampling method

3 結(jié)語

自密實(shí)堆石混凝土重力壩具有就地取材、水泥用量少、絕熱溫升小、綜合單價(jià)低、施工速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。從滿坪水庫大壩自密實(shí)堆石混凝土施工來看，自密實(shí)混凝土在堆石體中具有良好的流動性，能夠很好地填充堆石體的空隙，其密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性能等各項(xiàng)指標(biāo)均能得到保證。這一新技術(shù)、新工藝在青海首次用于水庫大壩的施工。實(shí)踐證明，該技術(shù)能夠縮短工期，并最大限度降低工程成本。此技術(shù)相對于傳統(tǒng)施工技術(shù)具有一定優(yōu)勢，應(yīng)更大范圍推廣此項(xiàng)技術(shù)。

目前還有兩個(gè)亟待解決的問題：（1）需研究出高效經(jīng)濟(jì)的新型減水劑，能滿足工程建設(shè)大量需求，并顯著降低工程成本；（2）針對各種工程條件要有相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)規(guī)定，降低自密實(shí)混凝土在施工過程中的技術(shù)難度。希望在有條件的情況下大力推廣使用該技術(shù)，并不斷研究、總結(jié)和創(chuàng)新。 ■