埋石混凝土在水利水電工程實踐中的應(yīng)用

余侃柱，閆洋洋

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000;2.中國葛洲壩集團(tuán)第一工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

埋石混凝土廣泛應(yīng)用于水利水電工程大體積水工混凝土(斷面最小尺度大于2.0m以上，水化熱引起的內(nèi)部溫度與外界氣溫之差預(yù)計超過25℃的混凝土)、重力壩、拱壩、擋土墻、邊坡、閘、船塢、港口、堤防工程，使用強度等級為C15、C20、C25，俗稱“金包銀”[1]設(shè)計。一般低-中壩、邊坡?lián)鯄Α⒌谭啦捎肅15，高壩或強度等級要求較高時采用C20、C25，埋石率一般為20%，有些工程埋石率達(dá)30%～40%。埋石料就近取材，充分利用開挖地基、壩基、隧洞、邊坡過程中微風(fēng)化、新鮮棄渣料挑選，開挖棄渣量和質(zhì)量指標(biāo)不能滿足要求時購買成品埋石料。埋石混凝土應(yīng)用于水利水電工程大體積水工混凝土設(shè)計強度等級及抗?jié)B要求較低、配筋較少的區(qū)域，可優(yōu)化混凝土配合比，節(jié)省混凝土水泥用量的20%～35%及混凝土骨料、粉煤灰、膠凝材料的用量，減少混凝土中水泥水化引起的溫度變化和收縮導(dǎo)致有害裂縫，簡化溫控防裂措施，埋石強度高于同強度等級混凝土，密度高于混凝土，適應(yīng)環(huán)境廣，抗凍性能優(yōu)良，提高了混凝土的耐久性。分壩段、分倉、分層澆筑可減少一次性大倉面混凝土澆筑量、改進(jìn)施工工藝方法、縮短施工工期、改善混凝土性能、提高混凝土施工質(zhì)量、降低工程投資、保證設(shè)計混凝土強度等級和耐久性。

SL 319—2018《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》、NB/T 35026—2014《混凝土重力壩設(shè)計規(guī)范》中沒有包含埋石混凝土重力壩設(shè)計技術(shù)要求，SL 282—2018《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》、DL/T 5346—2006《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》中沒有包含埋石混凝土拱壩設(shè)計技術(shù)要求，SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中無埋石技術(shù)要求，SL 251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》、NB/T 10235—2019《水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》中有堆石壩原巖技術(shù)質(zhì)量控制指標(biāo)，但無埋石質(zhì)量技術(shù)要求。埋石混凝土雖然在水利水電工程大體積水工混凝土中應(yīng)用范圍較廣泛、施工技術(shù)難度不大，但目前無發(fā)布的設(shè)計、施工、檢測、評定規(guī)范及規(guī)程，工程實踐中仍是參照堆石混凝土等相關(guān)規(guī)范、規(guī)程開展。

本文結(jié)合水利水電工程建設(shè)實例，深入研究埋石混凝土在水利水電工程大體積水工混凝土設(shè)計、施工中的應(yīng)用，為提高埋石混凝土的應(yīng)用范圍及制定相關(guān)規(guī)范、規(guī)程提供參考，實現(xiàn)綠色節(jié)能環(huán)保，推動埋石混凝土及埋石混凝土筑壩技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展和創(chuàng)新提升。

1 工程實例

已建成和正在建設(shè)的埋石混凝土重力壩、埋石混凝土拱壩、埋石混凝土護(hù)坡、埋石混凝土擋土墻、埋石混凝土堤防典型工程實例見表1，表1中僅統(tǒng)計了埋石混凝土重力壩、拱壩壩高為中-高壩，壩高小于30m低壩，已建成運行和正在建設(shè)埋石混凝土重力壩、拱壩因建設(shè)數(shù)量較多而未列舉，有些項目因公開文獻(xiàn)較少未收入表內(nèi)。

表1 埋石混凝土工程實例統(tǒng)計表

許顏軍等進(jìn)行了埋石混凝土試驗研究，表明埋石混凝土強度等級滿足設(shè)計要求，其它性能優(yōu)于普通混凝土[2]。從壩基地質(zhì)條件、當(dāng)?shù)刂尾牧?、壩型、施工技術(shù)難易程度、投資、工期等綜合比選，設(shè)計埋石混凝土重力壩壩體優(yōu)于其他壩型[3-10]。有關(guān)文獻(xiàn)對埋石混凝土在雙曲拱壩壩體開展研究[11-13]。孫江岷等試驗研究了埋石混凝土護(hù)坡在東北嚴(yán)寒地帶土石壩水庫護(hù)坡優(yōu)點和工程實例，表明在防凍脹方面較其它材料性能優(yōu)越[14-16]。王東等總結(jié)了埋石混凝土在廠房擋墻的實例[17]。石強等對埋石混凝土水利大壩施工及質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)[18]。這些研究成果和工程實踐經(jīng)驗對埋石混凝土設(shè)計、施工和建設(shè)有重要參考意義。雖然已建成了不少埋石混凝土壩體和其他工程，但公開文獻(xiàn)較少，國內(nèi)從理論體系研究到指導(dǎo)工程設(shè)計、施工的規(guī)范和規(guī)程也較少，因此深入總結(jié)研究工程實例，提升埋石混凝土應(yīng)用范圍和設(shè)計、施工質(zhì)量十分必要。

2 埋石混凝土在水利水電工程設(shè)計中的技術(shù)要求

2.1 埋石混凝土重力壩及埋石混凝土拱壩壩體設(shè)計要求

埋石混凝土重力壩、埋石混凝土拱壩總體布置、壩體結(jié)構(gòu)、壩體斷面、壩基處理、安全監(jiān)測技術(shù)方面按SL 319—2018、NB/T 35026—2014、SL 282—2018、DL/T 5346—2006、SL 678—2014等規(guī)范、規(guī)程的要求執(zhí)行。埋石混凝土重力壩及埋石混凝土拱壩與混凝土實體重力壩的區(qū)別在于大體積壩體結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計強度等級及抗?jié)B要求較低、應(yīng)力變化小、配筋較少的區(qū)域可由埋石混凝土代替實體混凝土；配筋較多、壩體混凝土強度等級變化較多、厚度或?qū)挾容^小部位，施工過程綁扎鋼筋和安裝模板影響埋石進(jìn)入倉面，澆筑振搗難度大，容易形成不密實、空洞、架空現(xiàn)象，質(zhì)量控制、溫控難度較大。壩體上下游面、閘門、鎮(zhèn)墩、閥門、取水井、進(jìn)水口、泄水孔、灌漿排水廊道、吊物孔、集水井、埋件、止水銅片及止水帶、壩體底部基巖面、壩頂，拱壩的墊座、推力墩、重力墩、翼壩附近的建筑物設(shè)計鋼筋混凝土C40、C30、C25、C20與埋石混凝土需要不小于2m的間距，老混凝土面及分縫面需不小于0.5m的間距，壩體中間部位澆筑埋石混凝土C15、C20、C25，埋石混凝土的區(qū)域，混凝土配合比與原設(shè)計強度等級相同，壩體斷面形成“金包銀”型式。

2.2 埋石混凝土擋土墻及堤防設(shè)計要求

擋土墻設(shè)計按SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》、堤防設(shè)計按GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》要求執(zhí)行?；炷僚浜媳扰c原設(shè)計強度等級相同，埋石混凝土應(yīng)用區(qū)塊與埋石混凝土重力壩、拱壩壩體基本相同，不再贅述。

2.3 埋石混凝土邊坡設(shè)計要求

邊坡設(shè)計按SL 386—2019《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》、DL/T 5353—2006《水電水利工程邊坡設(shè)計規(guī)范》要求執(zhí)行，主要應(yīng)用于開挖邊坡、土石壩邊坡、廠房區(qū)邊坡、渠道防護(hù)邊坡、公路邊坡、填筑區(qū)邊坡等。根據(jù)邊坡設(shè)計厚度和空間大小，選用C15、C20埋石混凝土，在東北和西北地區(qū)邊坡的防護(hù)工程中，抵抗凍脹性能優(yōu)于普通混凝土。

3 埋石料技術(shù)要求

埋石與堆石僅一字之差，但對重力壩、拱壩筑壩材料來講，原材料巖石飽和抗壓強度及軟化系數(shù)指標(biāo)沒有區(qū)別，壩體設(shè)計、施工、質(zhì)量控制與評定標(biāo)準(zhǔn)有相近似之處，也有較大的差別。為充分節(jié)約資源，體現(xiàn)“宜材適構(gòu)”筑壩理念，埋石混凝土壩可大量減少混凝土用量，有利于混凝土溫度裂縫控制，降低工程投資、工期。目前國內(nèi)修建埋石混凝土壩越來越多，尤其在西南地區(qū)建造了較多的埋石混凝土重力壩及拱壩，而埋石混凝土筑壩埋石料的規(guī)范、規(guī)程還沒有發(fā)布，在設(shè)計壩體填筑材料時仍參照SL 678—2014中的堆石技術(shù)要求。根據(jù)工程實踐、試驗及有關(guān)研究，現(xiàn)將埋石混凝土重力壩與堆石壩原巖質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)對比情況列于表2，建議埋石料質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)按表2所列項目進(jìn)行質(zhì)量控制。

埋石天然原巖應(yīng)為新鮮、完整巖石、質(zhì)地堅硬，中硬、硬巖，微風(fēng)化、新鮮，埋石混凝土C15、C20的埋石飽和抗壓強度大于30MPa，埋石混凝土C25及高壩的埋石飽和抗壓強度大于40MPa，如花崗巖、閃長巖、灰?guī)r、長石砂巖類等，埋石入倉前表面濕潤。埋石形狀為不規(guī)則四面-六面塊狀為宜，無尖角和板狀突出，不得使用板狀、片狀、長條狀，無剝落層和裂紋，灰?guī)r應(yīng)無溶蝕小溶洞和溶蝕裂隙，用高壓水槍、高壓清洗機(jī)沖洗干凈，表面無污垢和泥質(zhì)，粒徑不宜小于0.3m，最大粒徑不應(yīng)超過結(jié)構(gòu)斷面最小邊長的1/4，粒徑一般宜為0.3～0.5m。粒徑較大時，埋石率不能提高，埋石入倉容易架空，混凝土澆筑和振搗難度較大。飽和抗壓強度、軟化系數(shù)為主控項目指標(biāo)，盡量充分利用邊坡、壩基、洞室等建筑物開挖棄渣料挑揀，在開挖料技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)不滿足要求時購買或開采埋石料源。

4 埋石混凝土施工技術(shù)要求

埋石粒徑宜為0.3～0.5m，超徑需用液壓破碎錘解爆修整。選定合格埋石料用旋轉(zhuǎn)式高壓水槍、高壓清洗機(jī)把每個表面沖洗干凈，沒有泥質(zhì)、巖粉、巖渣，堆放在料場指定場地，埋石通過自卸汽車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)運至倉面附近，不能再被泥質(zhì)和巖粉污染，在埋石混凝土澆筑倉面需要時，保持塊體表面濕潤使得混凝土與埋石的粘結(jié)牢固。澆筑時用裝載機(jī)、塔吊運至倉面附近。埋石入倉前表面濕潤，裝入鋼絲籠、鋼絲網(wǎng)、料斗，通過塔機(jī)、吊車吊入倉面設(shè)計圖紙埋石部位，用挖掘機(jī)、抓斗機(jī)移動平倉埋石部位，大截面朝下，小截面超上，人工及機(jī)械進(jìn)行微調(diào)位置。按技術(shù)要求埋石率調(diào)整埋石水平間距，上、下埋石間距，振搗使其沉入混凝土。

埋石混凝土區(qū)周邊高強度等級混凝土或鋼筋混凝土、細(xì)部結(jié)構(gòu)，需要放線安裝模板(網(wǎng))分區(qū)、分倉，先澆筑高強度等級混凝土，再澆筑大體積埋石混凝土，也可同時澆筑埋石混凝土和埋石周邊混凝土，不同強度等級混凝土倉面基本同時澆筑、同時上升。

埋石混凝土每次澆筑層一般控制在1.5～3.0m，同一壩段、同一高程通倉澆筑，倉號內(nèi)混凝土均勻上升。

施工時按混凝土配合比，檢測混凝土坍落度。混凝土用布料機(jī)、泵送、塔機(jī)吊罐運送入倉，應(yīng)先鋪一層厚度0.5m混凝土再放一層埋石，采用直徑100mm振搗棒或混凝土振動器振搗密實至埋石沉入混凝土中，不得先擺埋石再澆混凝土。埋石鋪放應(yīng)分布均勻，石塊間距不小于0.1m，離開模板距離應(yīng)大于0.15m，埋石上下之間不得疊置，應(yīng)有0.1m以上的間距，最終埋石頂面應(yīng)有不小于0.1m厚的純混凝土覆蓋層，如此循環(huán)至倉面澆筑完成，確保每塊埋石周邊均被混凝土包裹，不得有疊置、架空現(xiàn)象，收倉和養(yǎng)護(hù)按普通混凝土措施進(jìn)行。

5 埋石混凝土質(zhì)量檢測檢驗要點

5.1 埋石料

埋石料應(yīng)在選定料場開采或購買，當(dāng)使用工程開挖棄渣料挑選時應(yīng)論證評價，質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)滿足表2項目時允許使用，否則不能使用。

檢驗方法以定性外觀質(zhì)量判別與儀器測試相結(jié)合。應(yīng)對主控項目的每塊入倉埋石粒徑、含泥量、表觀質(zhì)量逐一進(jìn)行檢查。料源巖性沒有變化，主控項目埋石質(zhì)地，包括飽和抗壓強度、凍融損失率、干密度、硫酸鹽及硫化物含量、軟化系數(shù)、最大吸水率、含泥量、堿活性應(yīng)至少進(jìn)行1組檢驗，需用儀器測試，一般每20000t檢驗1次。一般項目埋石間距、埋石率以觀察、量測相結(jié)合，全部檢驗。

5.2 埋石率

埋石率是單位體積埋石混凝土中埋石所占據(jù)的體積比(%)。埋石率=埋石量/(埋石量+混凝土量)。埋石率是施工控制過程的難點?？刂坡袢雮}內(nèi)埋石率，防止埋石架空、疊置、空洞等質(zhì)量缺陷。沒有具體標(biāo)準(zhǔn)，由于埋石形狀不規(guī)則，體積很難精確計量，只能根據(jù)埋石混凝土澆筑倉面體積反算預(yù)估埋石量體積。公式如下：

V=g/ρ

(1)

式中，V—埋石體積，m3；g—埋石質(zhì)量，kg；ρ—巖石密度，kg·m-3。

埋石質(zhì)量通過地磅稱量，埋石密度試驗值一般變化不大，可近似計算入倉埋石率。埋石率根據(jù)設(shè)計圖紙的要求，一般為20%～35%，不能隨意增大。埋石率超過55%接近漿砌石、堆石混凝土。最合理和最優(yōu)埋石率有待工程實踐和試驗研究進(jìn)一步論證。

5.3 溫控

埋石混凝土溫控按SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、NB/T 35092—2017《混凝土壩溫度控制設(shè)計規(guī)范》要求執(zhí)行，一般情況下按常態(tài)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和表面保護(hù)，無需增加溫控措施。當(dāng)埋石混凝土倉內(nèi)溫度與外界氣溫之差超過25℃或設(shè)計圖紙有特殊要求時采取有效溫控措施。

6 施工質(zhì)量評定與驗收

SL 176—2019《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗與評定規(guī)程》、SL 223—2008《水利水電建設(shè)工程驗收規(guī)程》、SL 632—2012《水利水電工程單元工程施工質(zhì)量驗收評定標(biāo)準(zhǔn)-混凝土工程》、DL/T 5210.1—2021《電力建設(shè)施工質(zhì)量驗收規(guī)程第1部分：土建工程》、《水利水電工程水工建筑物外觀質(zhì)量評定表》(例表)中沒有埋石混凝土評定標(biāo)準(zhǔn)，具體工程項目應(yīng)參照這些規(guī)程制定相應(yīng)的埋石混凝土澆筑施工質(zhì)量評定標(biāo)準(zhǔn)，報項目質(zhì)量監(jiān)督站批復(fù)后執(zhí)行。

澆筑倉面混凝土按試件評價。埋石混凝土抽檢采用無損傷回彈法、超聲回彈綜合法檢測，必要時選用鉆孔取芯、智能鉆孔彩色電視、超聲橫波3維成像、鉆孔聲波、聲波層析成像(CT)、地質(zhì)雷達(dá)，判斷澆筑混凝土內(nèi)空洞、架空、裂縫、離析等缺陷的位置及程度，作為質(zhì)量評定的依據(jù)。

7 結(jié)語

通過埋石混凝土典型工程實例，深入研究了埋石混凝土在水利水電工程大體積水工混凝土中的應(yīng)用。隨著水利水電工程物聯(lián)網(wǎng)、智慧水利、數(shù)字孿生技術(shù)、生態(tài)水利、精準(zhǔn)水利、綠色智能、BIM大量運用到工程建設(shè)的全過程，更需要高度融合和攻關(guān)研究高壩埋石混凝土重力壩及拱壩，以及其它大體積埋石混凝土的應(yīng)用，發(fā)布從設(shè)計、施工、檢測、評定、驗收、管理、運行對應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程，使工程全過程建設(shè)中嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程，提升質(zhì)量、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境，綠色節(jié)能環(huán)保，提高埋石混凝土應(yīng)用空間，推動埋石混凝土技術(shù)創(chuàng)新。