東莊水利樞紐圍堰選型研究

王民俠

(陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001)

東莊水庫(kù)是陜西省內(nèi)在建庫(kù)容最大、壩高最高的水庫(kù)，壩型為混凝土雙曲拱壩，最大壩高230 m，電站裝機(jī)11 萬(wàn)kW，施工總工期95 個(gè)月，估算總投資154.34 億元。為給拱壩施工創(chuàng)造條件，布置上游圍堰配合右岸導(dǎo)流洞攔導(dǎo)洪水，圍堰施工處于關(guān)鍵線路，經(jīng)綜合比選后采用了膠結(jié)石渣料圍堰型式。2022 年2 月15 日～5 月3 日完成堰體填筑，用時(shí)2.5 個(gè)月，比計(jì)劃工期提前1 個(gè)月，平均月上升22 m，僅次于國(guó)內(nèi)已建大華僑水電站膠結(jié)人工砂石圍堰28 m/月的上升高度，位列國(guó)內(nèi)第二，節(jié)省工期28%。經(jīng)施工驗(yàn)證圍堰堰型的選擇和設(shè)計(jì)是合適的，為東莊拱壩提前施工奠定了良好基礎(chǔ)。

1 項(xiàng)目概況

東莊水利樞紐[1]上游圍堰為施工期擋水建筑物，根據(jù)保護(hù)對(duì)象、失事后果、使用年限和臨時(shí)建筑物規(guī)模確定其級(jí)別。水庫(kù)總庫(kù)容32.76 億m，為Ⅰ等大(1)型工程，上游圍堰保護(hù)的拱壩為1 級(jí)建筑物;工程下游為峽谷河道，人煙稀少，無(wú)城鎮(zhèn)和工礦企業(yè)，圍堰失事后淹沒(méi)基坑，對(duì)總工期及第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電造成較大經(jīng)濟(jì)損失;圍堰使用年限為2.5 年;圍堰高度大于50 m;圍堰總庫(kù)容2582 萬(wàn)m3，介于0.1 億m3～1 億m3之間。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[1](SL 252-2017)第4.8.1 條規(guī)定，按高度圍堰應(yīng)為3 級(jí)建筑物，按其余指標(biāo)均為4 級(jí)建筑物。第4.8.2 條規(guī)定，“列為3 級(jí)臨時(shí)性水工建筑物時(shí)，符合該級(jí)別規(guī)定的指標(biāo)不得少于兩項(xiàng)?！本C合考慮4.8.1 條和4.8.2 條，圍堰級(jí)別確定為4 級(jí)。防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇洪水，洪峰流量為5300 m3/s。

2 堰體選型

堰址距拱壩開(kāi)挖邊線距離較近，不具備布置均質(zhì)土圍堰和面板堆石圍堰條件，經(jīng)前期方案比選，碾壓混凝土圍堰造價(jià)較高本次不列入比較。該工程開(kāi)挖灰?guī)r石渣較多，骨料可就地取材，依據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[3](SL 678-2014)，為體現(xiàn)“宜材適構(gòu)、宜構(gòu)適材”的設(shè)計(jì)理念，減少骨料加工和運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)為推廣筑壩新技術(shù)的應(yīng)用，圍堰填筑材料在膠結(jié)顆粒料中的膠結(jié)石渣料和堆石混凝土之間進(jìn)行選擇。兩種新材料均具有低碳環(huán)保、低水化熱(溫控簡(jiǎn)單)、工藝簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉、施工快速的優(yōu)點(diǎn)，膠結(jié)石渣料筑壩技術(shù)在陜西省內(nèi)尚無(wú)工程應(yīng)用實(shí)例，堆石混凝土壩陜西省目前應(yīng)用于安康佰佳水電站、太白石溝水庫(kù)、鎮(zhèn)安抽水蓄能電站、東莊二道壩等四座水庫(kù)。

2.1 膠結(jié)顆粒料

膠結(jié)顆粒料是一種介于散粒土石料和混凝土之間的新型材料，利用膠凝材料將顆粒膠結(jié)形成具有一定強(qiáng)度的材料，一般包括膠凝砂礫石(因本工程砂礫石缺乏，采用膠結(jié)石渣)、堆石混凝土等。

2.2 膠結(jié)石渣料

膠結(jié)石渣料是采用少量膠凝材料膠結(jié)石渣，骨料粒徑一般不大于150 mm。本工程棄渣一次破碎后全級(jí)配直接利用，經(jīng)摻砂拌和、攤鋪、振動(dòng)碾壓形成具有一定強(qiáng)度的材料，抗壓強(qiáng)度等級(jí)一般按180 d 齡期C4～C10 選用，材料性能能充分發(fā)揮，可避免超強(qiáng)造成浪費(fèi)，具有安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的目的。主要以自重維持穩(wěn)定，將防滲、防凍和保護(hù)等部分與主體分開(kāi)，主體承壓為主，但抗拉強(qiáng)度較低應(yīng)避免結(jié)構(gòu)受拉。

2.3 堆石混凝土

利用高自密實(shí)混凝土自重填注堆石空隙，無(wú)需振搗即可形成完整、密實(shí)、具有設(shè)計(jì)強(qiáng)度的大體積混凝土。堆石體積比一般為40%～50%，最高可達(dá)55%～60%，抗壓強(qiáng)度等級(jí)90 d齡期為C10～C35。堆石料利用300 mm 以上的塊石料，堆石厚度可控制在1.5 m ～2 m 左右。

3 圍堰斷面設(shè)計(jì)

3.1 膠結(jié)石渣料圍堰

堰頂高程639.2 m，堰頂寬7.0 m，由于基礎(chǔ)受力較為均衡，對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)度要求較低，最大堰高55.2 m，最大底寬62.2 m，堰頂639.2 m～634.2 m 之間采用矩形斷面，以下上游坡比1∶0.5，下游坡比1∶0.6。本工程圍堰完建期有迎汛可能，抗壓強(qiáng)度等級(jí)按28 d 齡期考慮，使用期2.5 年，可不考慮防凍要求。堰體材料共分為三區(qū):上游防滲層及堰基為Ⅰ區(qū)，采用C2810 W6 富漿膠結(jié)料;堰體內(nèi)部為Ⅱ區(qū)，采用C284 W2 膠結(jié)料;堰頂及下游防護(hù)層、堰基為Ⅲ區(qū)，采用C2810 W2 富漿膠結(jié)料。在防滲層及保護(hù)層每15 m～20 m 設(shè)一道伸縮縫，堰體內(nèi)部不設(shè)縫，膠結(jié)石渣料總方量6.7 萬(wàn)m3。堰體設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖1，堰基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算[4]成果見(jiàn)表1。材料分區(qū)見(jiàn)表3。

圖1 膠結(jié)石渣料堰體斷面

表1 膠結(jié)石渣料堰基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

3.2 堆石混凝土圍堰

堰頂高程639.2 m，堰頂寬7.0 m，由于基礎(chǔ)受力不均衡，對(duì)基礎(chǔ)強(qiáng)度要求較高，最大堰高56.2 m，最大底寬48.0 m，上游面直立，下游堰頂639.2 m～634.2 m 之間直立，以下坡比1∶0.8。堰體共分為四區(qū):上游防滲層為Ⅰ區(qū)，采用C2815W6自密實(shí)混凝土;堰體內(nèi)部為Ⅱ區(qū)，采用C2815W6 堆石混凝土;頂部為Ⅲ區(qū)，采用C20W4 常態(tài)混凝土;堰基為Ⅳ區(qū)，采用C20W6 常態(tài)混凝土。堰體每15 m～20 m 設(shè)一道伸縮縫，表面配置溫度鋼筋，堰體總方量約5.4 萬(wàn)m3。堰體設(shè)計(jì)斷面見(jiàn)圖2，堰基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果見(jiàn)表2，材料分區(qū)見(jiàn)表3。

表2 堆石混凝土堰基抗滑穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算成果表

表3 膠結(jié)石渣及堆石混凝土圍堰材料分區(qū)表

圖2 堆石混凝土堰體斷面

4 施工條件分析

4.1 原材料

就近取用開(kāi)挖灰?guī)r石渣，膠結(jié)石渣料圍堰將渣料破碎為150 mm 以下作為骨料，砂率25%;堆石混凝土篩除300 mm以下渣料作為骨料，骨料最大粒徑按小于結(jié)構(gòu)最小邊長(zhǎng)1/4控制。

4.2 配合比

膠結(jié)石渣料需繪制骨料級(jí)配包絡(luò)線，從而得出最粗級(jí)配、最細(xì)級(jí)配及平均級(jí)配，為帶級(jí)配，平均級(jí)配強(qiáng)度最小值需滿足配制強(qiáng)度要求，最細(xì)級(jí)配最小值不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度。膠凝材料用量不低于80 kg/m3，其中水泥用量不低于32 kg/m3。拌和物出機(jī)口工作度VC值在 2 s～25 s。水科院試驗(yàn)室推薦配合比[5]見(jiàn)表4。

堆石混凝土所用高自密實(shí)性能混凝土配合比為單一級(jí)配，坍落度260 mm～280 mm，坍落擴(kuò)展度650 mm～750 mm，V型漏斗通過(guò)時(shí)間7 s～25 s，自密實(shí)性能穩(wěn)定性≥1 h。參考云南彝良縣松林水庫(kù)工程(壩高90 m，堆石巖性為灰?guī)r)，膠凝材料用量170 kg，C15 堆石混凝土配合比見(jiàn)表5。

從表4、表5 可以看出，膠結(jié)石渣料膠凝材料用量約為堆石混凝土的47%，故堰體內(nèi)部材料水化熱更低，無(wú)需設(shè)置橫縫，材料單價(jià)較堆石混凝土低35%左右。

表4 C4 W2 膠結(jié)石渣料配合比

表5 C15 W6 堆石混凝土配合比

4.3 施工拌和

膠結(jié)石渣采用大產(chǎn)量、高效率的連續(xù)式拌和設(shè)備，拌和能力可達(dá)200 m3/h;堆石混凝土中自密實(shí)混凝土采用常規(guī)拌和設(shè)備，堆石料須對(duì)施工工藝進(jìn)行控制，以避免大骨料集中。

4.4 堰體填筑

膠結(jié)石渣料采用分層攤鋪連續(xù)碾壓而成，最大厚度不超過(guò) 700 mm;堆石混凝土無(wú)需碾壓，利用自密實(shí)混凝土自重填充堆石空隙，層高1.5 m～2 m，每層完成后需有層間間歇等強(qiáng)時(shí)間。

4.5 施工工期

膠結(jié)石渣料圍堰參考大華僑圍堰28 m/月的上升速度，設(shè)計(jì)時(shí)按16 m/月安排工期，計(jì)劃工期3.5 月，實(shí)際工期2.5 個(gè)月，平均月升22 m，月填筑2.7 萬(wàn)m3。

堆石混凝土參考烏東德水電站圍堰(國(guó)內(nèi)目前最快)每月11.2 m 的上升速度，計(jì)算工期為5 個(gè)月。

5 圍堰選型分析

對(duì)膠結(jié)石渣料和堆石混凝土兩種圍堰型式進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表6。

表6 圍堰型式比較表

續(xù)表6

從圍堰設(shè)計(jì)斷面來(lái)看，膠結(jié)石渣料斷面面積略大，但堰基要求低，堰高較小，基礎(chǔ)及邊坡開(kāi)挖量少，受力較均勻;從溫控及分縫來(lái)看，膠結(jié)石渣料膠凝材料用量少53%，溫控更簡(jiǎn)單;從原材料及配合比來(lái)看，用作圍堰的膠結(jié)石渣料可將骨料最大粒徑放寬至300 mm 以下，超徑料經(jīng)破碎后可作為骨料應(yīng)用，能最大限度減少棄渣，對(duì)骨料級(jí)配要求較低;從材料強(qiáng)度來(lái)看，膠結(jié)石渣料強(qiáng)度能得到充分發(fā)揮，避免超強(qiáng)造成浪費(fèi);從拌和設(shè)備上看，膠結(jié)石渣料需專用拌和設(shè)備連續(xù)拌和，生產(chǎn)能力可達(dá)200 m3/h，但需購(gòu)置150 余萬(wàn)元專用拌和設(shè)備。為簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，圍堰工程也常采用挖掘機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拌和后入倉(cāng)，由于本工程施工場(chǎng)地狹窄布置困難，同時(shí)考慮到施工工期緊、圍堰高度超過(guò)50 m，對(duì)工程質(zhì)量要求較高，采用了專用拌和設(shè)備;從澆筑施工來(lái)看，膠結(jié)石渣料可連續(xù)碾壓施工，不設(shè)層間縫，堆石混凝土無(wú)需碾壓，但需設(shè)置層間縫;從工期看，膠結(jié)石渣料填筑期計(jì)劃3.5 個(gè)月，實(shí)際2.5 個(gè)月，比堆石混凝土節(jié)約工期50%;從堰體工程量看，堆石混凝土可減少19%工程量;從工程直接費(fèi)看，兩種材料均具有投資較省的優(yōu)勢(shì)，膠結(jié)石渣料因膠凝材料用量少，投資少255 萬(wàn)元，可節(jié)省13%投資;從運(yùn)用前景來(lái)看，隨著智慧水利、3 D 大壩打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，膠結(jié)石渣料具有更好的發(fā)展前景。

綜上所述，膠結(jié)石渣料圍堰具有工期更短、投資更省、膠凝材料用量更少、溫控更簡(jiǎn)單，不配置鋼筋、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，故推薦采用膠結(jié)石渣料填筑圍堰，膠結(jié)石渣料圍堰平面布置見(jiàn)圖3。

圖3 膠結(jié)石渣料圍堰平面布置圖

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)國(guó)內(nèi)圍堰工程施工情況，膠結(jié)石渣最大粒徑可放寬至300 mm 以下，可采用挖掘機(jī)簡(jiǎn)單拌和后直接入倉(cāng)碾壓，往往不采用專門拌和設(shè)備。本工程由于施工場(chǎng)地狹窄布置困難，工期緊、堰高超過(guò)50 m，對(duì)質(zhì)量控制嚴(yán)格，采用了專用連續(xù)拌和設(shè)備，該設(shè)備要求采用150 mm 以下骨料。

膠結(jié)石渣料填筑圍堰，可充分利用工程開(kāi)挖棄渣，國(guó)內(nèi)目前已有軟巖作為骨料的先例，對(duì)砂率、含泥量等指標(biāo)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可適當(dāng)放寬，盡可能減少骨料制備環(huán)節(jié)，具有就近取料、減少棄渣、施工快速、投資節(jié)省、環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)，從東莊圍堰使用情況看，膠凝材料選用80 kg 時(shí)，28 d 齡期C4W2 膠結(jié)料強(qiáng)度可達(dá)到7 MPa 左右，180 d 齡期還有較大地增長(zhǎng)空間，尚有進(jìn)一步研究減少砂率和膠凝材料用量的可能性。

基于智慧水利的技術(shù)發(fā)展，可采用中央人工智能系統(tǒng)進(jìn)行控制，各施工車輛采用無(wú)人駕駛技術(shù)，使用3 D 打印大壩技術(shù)后，膠結(jié)石渣料(砂礫石)筑壩技術(shù)將具有更好的應(yīng)用前景。