堆石混凝土系列技術(shù)在西部水電工程中的應(yīng)用

金 峰，周 虎，李玲玉，黃杜若

（1.清華大學水利水電工程系，北京市 100084；2.北京華石納固科技有限公司，北京市 100085）

1 堆石混凝土系列技術(shù)發(fā)展簡介

20世紀80年代后期，日本東京大學崗村教授研制了自密實混凝土[1-2]。由于自密實混凝土施工簡便，迅速在日本、北美和歐洲等發(fā)達國家的土木工程建設(shè)中得到推廣應(yīng)用，近年來，我國的自密實混凝土應(yīng)用范圍也不斷拓展，在高層建筑、高鐵、橋梁等領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用。自密實混凝土硬化后性能與普通振搗混凝土類似，但新拌自密實混凝土的工作性能明顯優(yōu)于普通振搗混凝土，具有很高的流動性，同時具有良好的抗離析性能。新拌混凝土黏度提高有利于抗離析，但過高黏度會影響流動性，自密實混凝土的原材料、配合比及施工管理水平要求較高。另外，自密實混凝土需要較多漿體，水泥用量高，因而，水化溫升高，收縮大，材料成本較高，并不適合大體積混凝土施工。

2003年，我國清華大學基于自密實混凝土技術(shù)，研發(fā)了堆石混凝土技術(shù)[3]：首先在澆筑倉內(nèi)自然堆積大于300mm粒徑的大塊石，層厚一般為1～3m，然后在堆石頂面澆筑具有比普通自密實混凝土澆筑性能要求更高的高自密實性能混凝 土（high-performance self-compacting concrete，HSCC），依靠自流充填堆石空隙，形成完整密實的大體積混凝土（見圖 1）。

圖1 堆石混凝土澆筑示意圖Figure 1 Casting sketch of RFC

堆石混凝土綜合了自密實混凝土和漿砌石的優(yōu)點，充分利用大量塊石，大幅減少水泥用量，可以提高混凝土密度，降低水化熱，減少收縮，從而取消振搗或碾壓工序與冷卻水管等溫控措施。施工工藝的簡化顯著降低了設(shè)備要求和人工投入，加快施工進度，降低建設(shè)成本，是一種環(huán)境友好的新型筑壩技術(shù)。

2005年，在北京某地，建造了世界上第一座堆石混凝土小壩，壩高14.5m。2006年，河南寶泉抽水蓄能電站上庫副壩開始應(yīng)用堆石混凝土。2009年，山西清峪水庫重力壩全面采用堆石混凝土建造，壩高達到42.6m，堆石混凝土方量約3.98萬m3。隨著堆石混凝土筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展，澆筑方量逐年上升（見圖2），截至2020年底，據(jù)不完全統(tǒng)計，新建、在建堆石混凝土大壩已有114座，其中重力壩104座，拱壩10座，最大壩高90m。多座壩高超過100m的堆石混凝土大壩正在設(shè)計論證，巴基斯坦、布隆迪等國家也在準備建設(shè)堆石混凝土壩。

圖2 堆石混凝土澆筑方量逐年增長（單位：萬m3）Figure 2 Casting volume of RFC （unit：104 m3）

基于已有工程經(jīng)驗，水利部、國家能源局相繼頒布的行業(yè)技術(shù)標準有《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導則》[4]《堆石混凝土筑壩技術(shù)導則》[5]和《水電水利工程堆石混凝土施工規(guī)范》[6]；貴州省還針對堆石混凝土拱壩頒布了地方標準《堆石混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范》[7]；國際大壩委員會堆石混凝土壩技術(shù)公報[8]也將在近期發(fā)布。

在堆石混凝土技術(shù)研發(fā)過程中，清華大學針對混凝土自密實性能開展了深入研究[9]，并在此基礎(chǔ)上，相繼研發(fā)了水下自護混凝土和自流控制灌漿技術(shù)。

水下自護混凝土采用了與傳統(tǒng)的水下不分散混凝土不同的工作原理，它通過向準備澆筑混凝土的水體中添加水溶性高分子聚合物水下保護劑（underwater protective agent，UPA），將水體改性為極低濃度的水溶性高分子聚合物溶液（約100ppm①ppm表示百萬分之一。），從而抑制混凝土拌合物中的水泥向水體中分散，避免水下混凝土離析；然后向水體中澆筑自密實混凝土，實現(xiàn)混凝土的水下清澈澆筑[10]。實際施工實踐表明，水下自護混凝土不僅可以應(yīng)用于靜水，也可應(yīng)用于低流速水體；不僅可以應(yīng)用于淡水，也可應(yīng)用于海洋；不僅可以應(yīng)用于設(shè)置模板的封閉水體，也可以應(yīng)用于開放水體，還可以在渾水中澆筑。圖3演示試驗說明了普通混凝土、摻加絮凝劑的不分散混凝土與水下自護混凝土三種技術(shù)的區(qū)別，試驗時利用漏斗將配合比相同的新拌砂漿直接投入燒杯里的水體，可以清楚地觀察到砂漿拌合物在水體中的澆筑情況。其中，（a）為沒有添加絮凝劑的普通砂漿；（b）為添加了絮凝劑的水下不分散砂漿；（c）為沒有添加絮凝劑的普通砂漿投入到100ppm水下保護劑溶液的情況?？梢郧宄乜吹叫跄齽┠軌蚋纳扑喾肿拥姆稚?，但不能完全避免水泥分子進入水體，而水下保護劑能夠完全防止水泥分子的分散，澆筑過程中水體保持完全清晰。

圖3 不同技術(shù)砂漿水下澆筑對比演示試驗Figure 3 Demonstration test for different underwater concrete technologies

自流控制灌漿技術(shù)則是基于自密實混凝土技術(shù)，根據(jù)灌漿對象的裂隙或孔隙特征，采用自密實水泥（粉煤灰）漿、砂漿或混凝土，利用其自密實性能，進行無壓力灌漿。灌漿過程中，依靠對漿體自密實性能控制，實現(xiàn)對灌漿范圍的控制。

下面簡要介紹上述技術(shù)在西部水電工程中的應(yīng)用。

2 堆石混凝土壩技術(shù)

2.1 佰佳水電站工程

佰佳水電站位于陜西省安康市鎮(zhèn)坪縣境內(nèi)，正常蓄水位787m高程，死水位770m高程，總庫容2285萬m3，總裝機容量4.98萬kW，屬于Ⅲ等中型工程。主壩采用堆石混凝土雙曲拱壩，壩頂高程789m，最大壩高69m，壩頂厚度5m，外弧長200.89m，是已建成的最高堆石混凝土拱壩。另外，貴州寶源堆石混凝土拱壩，壩高89.5m，已通過設(shè)計審查，近期將開工建設(shè)。

佰佳堆石混凝土拱壩于2013年1月開始混凝土澆筑，電站于2015年11月開始發(fā)電，累計澆筑堆石混凝土方量約10萬m3，澆筑過程及完建照片見圖4。根據(jù)工程測算，堆石混凝土綜合單價（考慮節(jié)約的溫控費用）節(jié)省約140元/m3，還利用壩基開挖的棄石料5萬m3作為堆石料，節(jié)約成本約350萬元，佰佳水電站提前3個月蓄水發(fā)電，新增銷售額約為1260萬元，佰佳水電站采用堆石混凝土的綜合經(jīng)濟效益約3010萬元。

圖4 佰佳水電站堆石混凝土澆筑過程Figure 4 Casting process of RFC in Baijia hydropower station

2.2 沙坪二級水電站工程

沙坪二級水電站位于四川省樂山市峨邊彝族自治縣和金口河區(qū)境內(nèi)，是大渡河中游22個規(guī)劃梯級中第20個梯級沙坪梯級的第二級，上接沙坪一級水電站，下鄰已建龔嘴水電站，為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐主要由泄洪閘、魚道、右岸擋水壩段、河床式廠房等建筑物組成?；炷灵l壩壩頂高程557.0m，最大壩高63.0m，閘壩基礎(chǔ)采用堆石混凝土，首次在大中型水電站主體工程中應(yīng)用堆石混凝土。2014年5月，開始堆石混凝土澆筑，8月24日完成堆石混凝土澆筑，方量約3萬m3，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益185.06萬元，還節(jié)約工期3個月。

圖5 沙坪二級水電站閘壩基礎(chǔ)堆石混凝土施工Figure 5 RFC construction in Shaping-Ⅱhydropower station

2.3 溪源水庫工程

溪源水庫工程位于福建省永安市，是一座灌溉為主兼有供水等綜合效益的水利樞紐工程，水庫正常蓄水位428m，總庫容1510萬m3，為Ⅲ等中型水庫。工程主要由攔河壩、引水系統(tǒng)等建筑組成。攔河壩為堆石混凝土重力壩，壩高77m，壩頂寬度7m，壩底寬度63m，壩頂長339m。工程項目于2016年5月27日開工，2020年12月28日大壩主體全面完工，是福建省首座完工的堆石混凝土高壩工程。

圖6 溪源水庫堆石混凝土重力壩全景圖Figure 6 Photo of Xiyuan RFC gravity dam

3 水下自護混凝土技術(shù)

3.1 野三河水電站工程壩肩溶洞封堵

野三河水電站位于湖北省恩施土家族苗族自治州，始建于2008年，為Ⅲ等中型工程。電站建于巖溶地區(qū)，地質(zhì)情況復雜，巖體內(nèi)溶腔發(fā)育，右岸山體夾雜薄層頁巖。2010年4月，在水庫蓄水過程中，頁巖夾層被水壓擊穿，與發(fā)育溶腔連通，在右岸山體壩頂以下約70m處形成滲漏通道，全長200m，溶腔最大直徑約2m，并逐步發(fā)展成涌水通道，出口流量最大為3～5m3/s，年損失發(fā)電量約2000萬kWh。相繼采用常規(guī)灌漿、水下不分散混凝土等技術(shù)進行封堵，均因溶腔內(nèi)流量、流速較大，封堵材料注入口過小，無法在水中有效固結(jié)實現(xiàn)封堵（見圖 7）。

圖7 野三河水電站滲漏部位Figure 7 Seepage in Yesanhe hydropower station

2012年，根據(jù)專家意見和工程前期封堵情況，決定采用水下自護混凝土技術(shù)作為水下溶腔封堵的技術(shù)方案，以期利用自密實混凝土高流動性、超強填充性能和高抗沖散能力，并利用水下保護劑提供的高抗分散能力，適當降低溶腔流速，直接從壩頂鉆孔灌注水下保護劑和自密實混凝土，實現(xiàn)有效封堵（見圖8）。

圖8 澆筑方案示意圖 （單位：m）Figure 8 Sketch of casting （unit：m）

在前期工作基礎(chǔ)上，2013年1月，在適當降低水位（水深約30m）的條件下，實施封堵（見圖9）。封堵后對封堵區(qū)域進行鉆孔取芯，表明水下自護混凝土在水下未發(fā)生分散，與溶腔形成了有效的黏結(jié)，芯樣完整、光滑密實，具有高強度，封堵取得圓滿成功（見圖10）。

圖9 施工過程照片F(xiàn)igure 9 Photo of construction process

圖10 封堵后滲漏部位圖Figure 10 Seepage after SPUC completed

3.2 龍背灣水電站工程

龍背灣水電站位于湖北省十堰市官渡河中上游，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位520.00m，死水位485.00m，總庫容8.3億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫，是官渡河的龍頭水電站。龍背灣水電站大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高158.3m，壩頂長度465m，泄洪設(shè)施為開敞式溢洪道3孔，設(shè)計泄洪流量6440m3/s。

2017年，在泄洪后檢查中發(fā)現(xiàn)溢洪道至放空洞出口擋墻下方出現(xiàn)約60m長貼坡混凝土淘刷、沖毀現(xiàn)象（見圖11）。為確保貼坡混凝土上擋墻、山體安全，根據(jù)《龍背灣水電站溢洪道出口水毀部分修復方案專題咨詢會》意見，采用C30水下混凝土恢復原貼坡鋼筋混凝土。

淘刷部位處于水下，必須采用水下混凝土澆筑?？紤]到溢洪道下游貼坡混凝土被淘刷、沖毀，處于懸空狀態(tài)，如果在混凝土貼坡上鉆孔，鉆孔過程中的震動和機械自重極易導致貼坡混凝土塌陷，出于安全考慮和保證混凝土澆筑質(zhì)量，采用了水下自護混凝土技術(shù)。由于水下自護混凝土具有優(yōu)良的自密實性能和水下澆筑性能，修補方案取消了橫向分倉模板，為避免分層澆筑造成的層面缺陷，采用全倉連續(xù)澆筑、一次成型的方案，根據(jù)不同位置，采用了不同澆筑方案（見圖 12）。

圖12 現(xiàn)場澆筑方案示意圖Figure 12 Casting sketch

實際施工時，首先對水下保護劑進行稀釋，投入模板內(nèi)水體，然后開始進行混凝土水下澆筑。2018年7月9日上午9時58分開倉，7月12日中午12時30分收倉，全程歷史75h（4天3夜無間斷），水毀面板和兩邊仍存板塊下脫空區(qū)域合計一倉，共澆筑水下混凝土約880m3。龍背灣水電站溢洪道修補完成后，恢復正常運行。

圖13 澆筑過程及澆筑完成后照片F(xiàn)igure 13 Photos of casting and completed

4 自流控制灌漿技術(shù)

4.1 斜卡水電站工程

斜卡水電站位于四川省甘孜州九龍縣境內(nèi)，是九龍河左岸支流踏卡河“一庫兩級”規(guī)劃開發(fā)方案中的龍頭水庫電站，電站裝機容量130MW，多年平均發(fā)電量5.21億kWh，水庫總庫容8485萬m3，具有季調(diào)節(jié)能力。斜卡電站首部樞紐由攔河大壩、放空（導流）和溢洪洞等泄水建筑物組成。攔河大壩為混凝土面板堆石壩，水庫正常蓄水位3165.00m，校核洪水位3165.10m，壩頂高程3168.00m，最大壩高110.0m，壩頂長度550m。

斜卡水電站地質(zhì)條件復雜，壩址巖層裂隙發(fā)育貫通，且裂隙節(jié)理走向復雜，壩區(qū)地下水豐富，存在孔隙潛水和基巖裂隙水（見圖14）。在帷幕灌漿時，直接采用水泥灌漿，因裂隙貫通導致漿液流失，難以固結(jié)封堵裂隙，灌漿不易達到設(shè)計壓力，需反復鉆灌和待凝，不僅施工復雜，耗漿量大，且灌漿試驗證明難以滿足設(shè)計要求。而采用膏狀漿液及其他灌漿方式，施工復雜，設(shè)備要求高，綜合成本較高。為了解決灌漿材料在大裂隙中的灌注距離控制和地下水環(huán)境中灌漿材料離析等問題，2010年，中國電建水電七局基礎(chǔ)分局與清華大學合作開展了自流控制灌漿現(xiàn)場試驗研究。自流控制灌漿技術(shù)具有自流灌漿無壓力、在不同尺寸裂隙下流動填充性可調(diào)節(jié)、水下不分散、綜合成本低等特點，經(jīng)濟高效地解決了斜卡水電站巖基大裂隙的封堵難題。實際施工時，僅需針對不同裂隙情況，制備相應(yīng)性能的自密實砂漿，運輸至裝料漏斗，在無壓狀態(tài)下依靠重力，從漏斗經(jīng)溜管緩慢流入灌漿孔孔口進行灌漿（見圖15）。

圖14 基礎(chǔ)巖體裂隙Figure 14 Discontinuities in rock foundation

圖15 自流控制灌漿施工Figure 15 Construction of SCG

2011年5月開始，斜卡水電站正式使用自流可控灌漿技術(shù)處理巖基裂隙，截至2013年8月28日的灌漿總量達27.21萬m，灌注5219.65m3自流可控灌漿砂漿。對已灌漿區(qū)域進行鉆孔取芯、孔內(nèi)電視、壓水試驗及超聲波檢測等方式進行質(zhì)量檢測，表明灌入的砂漿與巖層結(jié)合緊密，灌漿質(zhì)量符合設(shè)計要求。斜卡水電站經(jīng)多年運行，防滲帷幕質(zhì)量優(yōu)良，證明自流控制灌漿處理技術(shù)是非常成功的。

4.2 石堡子水庫工程

石堡子水庫位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣安口鎮(zhèn)境內(nèi)，為華亭煤業(yè)集團有限責任公司煤制甲醇公司供水水庫，總庫容710萬m3，為Ⅳ等?。?）型工程，水庫正常蓄水位1423.90m。主壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長185.3m，壩頂寬6m，最大壩高43.91m。水庫工程大壩于2007年6月28日正式開工，2009年9月30日完工。2014年8月，南京水科院組織專家對石堡子水庫進行大壩安全檢測，鑒定為“三類壩”，鑒定結(jié)果顯示大壩壩體防滲面板出現(xiàn)裂縫且底部脫空明顯，止水損壞，壩體滲漏量大；壩體填筑質(zhì)量差、變形過大，防滲體系破壞，大壩存在嚴重病險（見圖16），建議進行除險加固處理。中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院與清華大學合作，開展了利用自流控制灌漿技術(shù)進行堆石壩加固的相關(guān)研究，針對堆石壩體孔隙率較高，采取壩體鉆孔進行自流控制灌漿，以提高壩體密實度，增強大壩模量，控制大壩變形。

圖16 大壩壩頂變形及開裂照片F(xiàn)igure 16 Deformation and cracking at dam crest

在大壩1422m高程設(shè)置灌漿平臺，布置充填灌漿孔和檢查孔。在灌漿孔中下花管，通過花管進行灌漿，在灌漿過程中需要考慮壩體孔隙尺度，根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗確定的參數(shù)選擇不同流動性的灌漿材料，孔隙尺度由小至大應(yīng)分別選擇超高流動性、高流動性和低流動性灌漿料進行灌漿，以確保自密實砂漿在孔隙中的通過充填能力（見圖17）。

圖17 大壩自流可控灌漿施工Figure 17 Construction of SGC in dam

2017年12月17日開始鉆孔，2018年1月14日鉆孔結(jié)束，2018年1月15日灌漿結(jié)束，共完成灌漿孔478個，總進尺17476m，完成檢查孔14個，總進尺495.3m，完成灌漿24956t，平均單耗1.43t/m。對壩體灌漿質(zhì)量進行了鉆孔檢測，采用孔內(nèi)電視和深層核子密度儀，孔內(nèi)電視檢測孔隙率平均值為19.6%，深層核子密度儀檢測孔隙率平均值為20.2%，全部達到設(shè)計提出的小于23%孔隙率要求，與加固前壩體28%孔隙率相比，石堡子水庫面板堆石壩的安全性得到顯著加強，自流可控灌漿技術(shù)進行除險加固，很好地滿足了工程需求，并較好地控制了工程投資。

5 結(jié)束語

堆石混凝土系列技術(shù)的研發(fā)和工程應(yīng)用證明，堆石混凝土、水下自護混凝土和自流控制灌漿等創(chuàng)新技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢，質(zhì)量優(yōu)良，工藝簡單，環(huán)境友好，豐富的研究成果和寶貴的工程應(yīng)用經(jīng)驗為堆石混凝土系列技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)，這些基于堆石混凝土技術(shù)的系列新技術(shù)必將為我國和“一帶一路”國家的水利水電工程建設(shè)發(fā)揮更大作用。