提高自密實堆石混凝土中塊石比例的研究與應(yīng)用

諶 益

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概 述

大湖坪水庫位于安化縣東坪鎮(zhèn)大湖村境內(nèi)的資水支流槎溪上，主壩壩址距離安化縣城25km，安化縣有G55高速、G207國道、S308省道經(jīng)過，從安化縣城有水泥道路經(jīng)過主壩右岸、引水壩右岸等，對外交通較方便。

大湖坪水庫是一座以供水、灌溉為主的水利工程。壩址以上控制流域面積 16.3km2，水庫正常蓄水位310m，相應(yīng)水庫庫容697萬m3。工程為Ⅳ等小(1)型工程，包括主壩、引水壩、引水隧洞和上壩公路等，主壩的建筑物級別為4 級。

主壩采用自密實堆石混凝土重力壩，由河床溢流壩段以及左、右岸非溢流壩段組成，壩軸線在平面上布置成折線型，壩軸線總長度233.0m。壩頂寬6.0m，壩頂高程311.8m，壩基建基面高程250.0m，最大設(shè)計壩高61.8m。泄洪建筑物選用帶閘門控制的開敞式壩身表孔，堰型為WES堰，溢流孔口尺寸采用1孔7m×4m(寬×高)。壩式進(jìn)水口布置在右岸5#擋水壩段，設(shè)置3層進(jìn)水口，進(jìn)水口尺寸1m×1.2m(寬×高)，進(jìn)口后設(shè)置 2.0m×2.0m 的進(jìn)口連接豎井，后接壓力管道。

引水壩為混凝土重力壩，壩頂高程 325.0m，壩頂寬 3.0m，最大壩高 5.1m，壩頂長度 15.35m。從左至右依次布置結(jié)合沖沙孔的左岸擋水壩(沖砂閘段)、帶底格欄柵及過水廊道的溢流壩(溢流取水壩段)和右岸擋水壩(引水閘段)。為方便施工期沖砂孔兼做導(dǎo)流孔，在溢流壩至沖砂孔之間設(shè)置一條橫縫，共將壩體分為2部分。

表1 壩體混凝土等級分區(qū)表

工程常態(tài)混凝土約22243m3，自密實堆石混凝土總量約97935m3。塊石所占比例理論為55%，混凝土所占比例理論為45%[1]。通過合理選擇塊石堆放方案和支模技術(shù)對加快施工進(jìn)度和降低施工成本有非常重要的意義。

2 現(xiàn)行塊石堆放和支模技術(shù)概況

現(xiàn)行堆石堆放一般采用“倒退法”，由里向外進(jìn)行布倉，通過布置在倉面內(nèi)的挖掘機(jī)平倉，模板、預(yù)埋件、結(jié)構(gòu)較小的等部位采用人工輔助堆碼。

現(xiàn)行模板加固采取內(nèi)拉的方式，接近已澆筑倉面的下部，采取拉絲焊接在預(yù)埋的鋼筋上進(jìn)行加固。

3 原塊石堆放和支模技術(shù)存在的問題

采用傳統(tǒng)的堆石堆放技術(shù)，在塊石碼放過程中臨邊塊石受其他塊石撞擊，導(dǎo)致臨邊塊石需要二次碼放，請臨邊塊石需要放坡才能滿足其臨邊穩(wěn)定性，從而降低塊石比例，提高自密實混凝土比例，無形中增加施工成本。

采用傳統(tǒng)的支模方式，為保證模板穩(wěn)定性傳統(tǒng)拉絲上下兩排拉絲全部作用在下層混凝土上，拉絲與模板的夾角一般在30°～60°之間，采用大型鋼模板上排拉絲與模板的距離超過1m，一般自密實堆石混凝土壩防滲面板厚度為1m，因此導(dǎo)致上排拉絲嚴(yán)重影響塊石的排放。從而降低塊石比例，提高自密實混凝土比例，無形中增加施工成本。

4 塊石堆放和支模技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)與實施

4.1 塊石堆放優(yōu)化改進(jìn)與實施

自密實堆石混凝土所用的堆石料宜使用新鮮、完整、質(zhì)地堅硬、不易風(fēng)化、不易崩解的石料。其飽和抗壓強(qiáng)度宜滿足下表的規(guī)定。不能滿足表2要求的堆石料必須經(jīng)過現(xiàn)場試驗論證方可使用。

表2 堆石料的飽和抗壓強(qiáng)度要求

堆石料的粒徑≥300mm，堆石料的粒徑≤結(jié)構(gòu)斷面最小邊長的1/8-1/4，且不宜超過澆筑層高

堆石料采用1.6m3挖掘機(jī)裝車，20t自卸汽車運輸入倉。在自密實堆石混凝土倉面上游側(cè)距壩軸線3m的位置設(shè)5m寬的主道路，確保自卸汽車能夠?qū)⒍咽线\至與壩軸線平行的各處位置。

堆石入倉采用“倒退法”，由里向外進(jìn)行布倉，通過布置在倉面內(nèi)的挖掘機(jī)平倉，模板、預(yù)埋件、結(jié)構(gòu)較小的等部位采取人工輔助堆碼。

堆石料處理場地沖洗干凈后的堆石料由自卸車直接運至倉面，入倉道路前端進(jìn)入倉面的路段，鋪設(shè)9m長、30cm厚的碎石墊層，入倉前對輪胎進(jìn)行沖洗，待沖洗干凈后方可入倉進(jìn)行堆石卸料，避免自卸車輪胎上的泥土帶入倉內(nèi)。

在堆石混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa前，無特殊原因，不在其上部進(jìn)行倉面準(zhǔn)備工作。如有特殊原因需作業(yè)的，是作業(yè)類型，采取鋪設(shè)竹夾板、鋼板等措施，防止混凝土被壓碎。

用于運輸塊石的自卸汽車自重約17t，6個輪胎，單個輪胎寬度156cm，接地面積可根據(jù)經(jīng)驗近似于以寬度為短邊的長方形，取正方形進(jìn)行計算。單胎寬度×接地長度×輪胎數(shù)量進(jìn)行估算=156×156×6=146016mm2=0.146m2。貨箱尺寸5.2m×2.3m×1.2m，雙溪口料場塊石料表觀密度2.69t/m3，塊石裝車松散系數(shù)按常規(guī)的1.5取值，運輸車輛滿載時的重量=17t+(5.2m×2.3m×1.2m×2.69t/m3)/1.5=42.74t，滿載時對地面的壓強(qiáng)=(42.74t×1000kg/t×9.8N/kg)/0.146m2=286616N/m2=2.86MPa[2]?？紤]車輛輪胎轉(zhuǎn)向、局部不平等因素影響，控制倉面混凝土在強(qiáng)度≥5.0MPa時方可進(jìn)行塊石料入倉作業(yè)。經(jīng)咨詢其他類似項目技術(shù)人員及專利方技術(shù)人員，一般在自密實堆石混凝土澆筑完成24小時后，塊石車輛可以進(jìn)入倉面作業(yè)，該時間參數(shù)可以通過現(xiàn)場試驗確定。

由于自密實堆石混凝土采取的是“后退法”澆筑，因此只有每澆筑層的最后一倉會存在澆筑完成后，因需要準(zhǔn)備下一個倉塊石料而需要通車的情況。

用于堆碼塊石的兩臺三一245挖掘機(jī)，最大重量22.6t，履帶接地長度3.9m，寬度0.6m，接地比壓45KPa=0.045MPa<2.5MPa，即當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa時，挖掘機(jī)可進(jìn)入倉面作業(yè)，但需注意轉(zhuǎn)向時履帶對混凝土面的破壞，造成損壞的，必須清理干凈，開裂的部分鑿除。)堆石入倉采用“控制卸料點”的方式堆石。配備挖掘機(jī)進(jìn)行平倉。

自密實堆石混凝土最大典型倉面40m(寬)×40.7m(長)，參照其他項目類似經(jīng)驗，選取每15m-18m×8m-10m尺寸布置一個卸料點倉面卸料點控制：由于堆石料卸料時容易產(chǎn)生石渣，通過減少卸料點，保證大部分區(qū)域堆石質(zhì)量，且集中清理卸料點附近的石渣，降低卸料點附近的質(zhì)量風(fēng)險。

大湖坪水庫項目塊石碼放是重點是靠近模板位置塊石的碼放，由于模板邊一米為自密實混凝土防滲墻，不存在塊石，在塊石碼放是盡量采用規(guī)則性好，尺寸大的塊石，此舉有利于塊石臨邊穩(wěn)定性，其一在2.4m高的塊石碼放過程中尺寸大的塊石不需要放坡，增加塊石比例，其二同等的塊石尺寸大的塊石質(zhì)量重，在中間塊石擺放過程中抗沖擊能力更強(qiáng)，受其他塊石撞擊影響小。

4.2 支模技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)與實施

本項目自密實堆石混凝土采用普通摸板，鋼模板的拼接接縫密封，縫隙≤1mm。在堆石過程中，模板拉條周邊采用人工平倉，堆石后對模板進(jìn)行校正。澆筑過程中，安排專職人員檢查、維護(hù)、調(diào)整模板的位置和形態(tài)，防止變位、漏漿。

采取“壓一裝一”的方式，即已澆筑倉面的模板不拆除，直接在上部增加一道模板，該方法優(yōu)點在于模板安裝進(jìn)度較塊、難度較低、加固較為簡便，缺點在于模板備料要多。

上游側(cè)模板主要是直立的模板，根據(jù)擬定澆筑層高度2.4m，且結(jié)合現(xiàn)場實際主要采用3.0m×2.4m大型鋼模板，在澆筑高度處進(jìn)行彈線，保證澆筑高程和水平度。

模板加固采取內(nèi)拉的方式，接近已澆筑倉面的下部，采取拉絲焊接在預(yù)埋的鋼筋上進(jìn)行加固。上部采用在堆碼穩(wěn)固的大石料上，采用電錘鉆孔、安裝鋼筋，用于拉絲的加固。

傳統(tǒng)拉絲上下兩排拉絲全部作用在下層混凝土上，為保證模板穩(wěn)定性，拉絲與模板一般在30～45°之間，上排拉絲與模板的距離超過1米，導(dǎo)致上排拉絲嚴(yán)重影響塊石的排放，本項目模板上排拉絲直接拉在大塊石上，在大塊石上進(jìn)行鉆孔植筋，幾乎可以消除拉絲對塊石擺放的影響，增加塊石堆放比例。

4.3 拉絲穩(wěn)定性計算

1)拉筋選用：

豎梁主要承受混凝土側(cè)壓力，混凝土最大澆筑高度為2.4m，側(cè)壓力取為F=28.8kN/ m2，有效壓頭高度h=0.96m；傾倒和振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的水平荷載設(shè)計值Q=γ2q1=1.4*4=5.6kN/m2[3]

2)豎梁受力計算：

豎梁按最大間距1m布置；F1=0.5*1*1*28.8=14.4kN

F2=4*1*28.8=115.2kN

豎梁側(cè)面的合力為：F合 =F1+F2=129.6kN

F合 =129.6kN共有4個埋件拉筋承擔(dān)。

其中單個埋件最大拉力為：F=129.6/4=32.4kN

根據(jù)拉絲與受力方向夾角約為30°，由此計算得拉絲內(nèi)力=32.4kN/(cos30°)=32.4kN/0.866=37.41kN。

根據(jù)HPB300級圓鋼抗拉強(qiáng)度設(shè)計值270N/mm2，由此計算的各規(guī)格鋼筋的容許拉應(yīng)力見表3：

表3 容許拉應(yīng)力表

考慮2倍的安全系數(shù)，上排拉絲選用φ20鋼筋，能滿足模板穩(wěn)定的要求[4]。

3)頂部埋件錨固強(qiáng)度驗算：

對于彎鉤φ20螺紋鋼筋，其錨固強(qiáng)度的計算，只考慮埋入混凝土的鋼筋表面與混凝土的黏結(jié)力，不考慮螺栓端部的彎鉤在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的錨固作用[5]。

錨固長度400mm

錨固強(qiáng)度：F=πdhτb=3.14x20x400x2.5

=62.8kN> F錨=32.4kN 符合要求

其中：F錨為錨固力，作用于預(yù)埋鋼筋的軸向拔出力，N；d為預(yù)埋鋼筋直徑，mm；h為預(yù)埋鋼筋在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的錨固深度，mm；τb為混凝土與預(yù)埋鋼筋表面的黏結(jié)強(qiáng)度，N/mm2。

4)拉絲塊石要求：

根據(jù)第二點計算，只要塊石能承受32.4kN的側(cè)壓力就可以保證塊石的穩(wěn)定性。

F=U*N=u*m*g

m≥F/Ug=32400/(0.8*9.8)=4132.7KG

根據(jù)《ACI318-2017結(jié)構(gòu)混凝土建筑規(guī)范要求》U取0.8。

考慮2倍的安全系數(shù)，當(dāng)塊石質(zhì)量超過8.3t時，可以作為拉絲的錨固點。

4.4 堆石碼放應(yīng)用存在的問題、解決措施及建議

通過項目塊石碼放的研究與在大湖坪項目的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)存在以下問題，并提出解決措施及建議。

1)錨固上排拉絲的大塊石摩擦系數(shù)是關(guān)鍵，在碼放過程中必須保證大塊石與下部結(jié)構(gòu)足夠的接觸面積，以保證大塊石的穩(wěn)定性。

2)由于局部位置塊石碼放不方便，挖機(jī)靈活度不夠，可以采用抓石器進(jìn)行補充。

5 結(jié) 語

據(jù)統(tǒng)計截至2021年，堆石混凝土壩已建84座，在建35座，最高重力壩90m，最高拱壩69m，已完成澆筑堆石混凝土澆筑550萬m3，針對堆石混凝土快石入倉和支模施工控制難點、要點較多，采用尺寸大的塊石進(jìn)行碼邊和錨固上排拉絲，塊石比例比傳統(tǒng)碼放方式提高2%左右，塊石比例達(dá)到57%，明顯提高的塊石碼放比例，由于碼邊塊石尺寸大、塊石質(zhì)量重，在中間塊石擺放過程中抗沖擊能力更強(qiáng)，受其他塊石撞擊影響小，整體碼放速度也有提升，加塊施工進(jìn)度。