堆石混凝土堤防材料綜合單價(jià)敏感性分析

楊 凱， 陳 昊， 周 虎， 呂 鳳， 陳 宇

(1.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830046；2.四川省水利科學(xué)研究院，四川 成都 610072； 3.清華大學(xué)，北京 100084；4.四川衡信建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610073)

0 引 言

堆石混凝土是一種基于自密實(shí)混凝土[1]和預(yù)填骨料混凝土[2-3]而發(fā)明的一種大體積混凝土技術(shù)，利用自密實(shí)混凝土高流動(dòng)抗分離的性能，借鑒已廣泛應(yīng)用的壓漿混凝土施工方式，提出一種新的混凝土施工方式[4]。自2005年首個(gè)堆石混凝土工程應(yīng)用后，共建設(shè)有高于15 m的堆石混凝土壩126座，其中已建成95座和在建31座，其中堆石混凝土重力壩115座、拱壩11座[5]。在堆石混凝土拱壩施工中，可以取消振搗或碾壓，通水冷卻，取消分縫，極大簡(jiǎn)化了混凝土拱壩施工程序[6]。堆石混凝土具有較好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)效益，其工藝簡(jiǎn)單、施工方便、成本較低。[7-9]

鑒于堆石混凝土技術(shù)的優(yōu)越性，除了在大壩中應(yīng)用外，也有在中小工程中的推廣應(yīng)用，如三明市臺(tái)江防洪堤段水毀修復(fù)工程和梅州大堤南堤除險(xiǎn)加固達(dá)標(biāo)工程[10-11]等。目前，四川省不僅在少量且具備大體積試驗(yàn)性條件的新建堤防工程中推廣堆石混凝土技術(shù)，還對(duì)常規(guī)大壩堆石混凝土施工的差異性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究。

1 白河防洪治理工程

九寨溝縣白河防洪治理工程(二期)建設(shè)治理范圍包括白河和白水江。該工程屬四等工程，主要建筑物級(jí)別為Ⅳ級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水，總投資6 800萬(wàn)元。在工程范圍白水江薛家壩村段(白左4+511.24～白左4+932.86)設(shè)計(jì)堆石混凝土衡重式堤防科研試驗(yàn)段，堤防頂寬0.5 m，擋墻材料采用F200C25堆石混凝土，迎水面坡比1∶0.1，上墻背水面坡比1∶0.3，衡重臺(tái)寬1.5 m，下墻背水面坡比1∶0.5，基礎(chǔ)墻前設(shè)置0.6 m寬0.8 m高墻趾。

2 高自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

(1)水泥：選用文縣祁連山水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，密度3 100 kg/m3；

(2)粉煤灰：采用F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，密度2 200 kg/m3；

(3)細(xì)骨料：人工砂，對(duì)砂取樣并進(jìn)行基本性能檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括篩分析、石粉含量、表觀密度等，檢測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)程要求，砂的表觀密度2 700 kg/m3；

(4)粗骨料：人工粗骨料選用5～20 mm碎石，對(duì)石子取樣進(jìn)行基本性能檢測(cè)，檢測(cè)項(xiàng)目包括含泥量、表觀密度、針片狀含量等，檢測(cè)指標(biāo)均滿足規(guī)程要求。石子的表觀密度2 680 kg/m3；

(5)外加劑：外加劑采用北京華石納固科技有限公司生產(chǎn)的HSNG-T堆石混凝土專用外加劑，密度1 030 kg/m3；

(6)拌和用水：采用自來(lái)水。

混凝土試驗(yàn)用強(qiáng)制式混凝土攪拌機(jī)。

2.2 高自密實(shí)性能混凝土配合比

配合比計(jì)算采用絕對(duì)體積法，在體積配合比的基礎(chǔ)上，通過(guò)嘗試調(diào)整水膠比以及調(diào)整水泥摻量、改善石子體積用量、提高砂率以及砂中微粒含量系數(shù)等，外加劑用量根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果微調(diào)，從而在滿足強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的條件下盡量減少粉體材料尤其是水泥用量，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。通過(guò)多組砂漿試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出45%砂率為最優(yōu)砂率。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)確定得出高自密實(shí)混凝土配合比及部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。

表1 高自密實(shí)性能混凝土配合比及部分試驗(yàn)數(shù)據(jù) /kg·m-3

3 堆石混凝土堤防施工

3.1 堆石料選擇

堆石料應(yīng)選用新鮮、完整、質(zhì)地堅(jiān)硬的塊石料，粒徑不宜小于300 mm，飽和抗壓強(qiáng)度不小于20 MPa，含泥量應(yīng)不大于0.5%。

該工程開(kāi)挖料均為碎卵礫石土層，根據(jù)勘察及實(shí)驗(yàn)可知，大卵石(塊石)含量約占14%左右，巖質(zhì)為砂巖及灰?guī)r等，其巖質(zhì)堅(jiān)硬，質(zhì)量較好，滿足塊石料質(zhì)量要求。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，碎石、卵石強(qiáng)度較高，成分主要為微～中風(fēng)化砂巖、灰?guī)r，板巖，從室內(nèi)試驗(yàn)資料可知，其飽和抗壓強(qiáng)度大于20 MPa，可作為塊石料場(chǎng)使用。開(kāi)挖大卵石室內(nèi)巖石物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)挖大卵石室內(nèi)巖石物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)成果

開(kāi)挖及清淤料內(nèi)篩選出滿足技術(shù)要求的大卵石。工程區(qū)域河道內(nèi)大卵石常年被水流沖刷，含泥量較低，表面幾乎不含泥。無(wú)需設(shè)置專用清洗平臺(tái)，僅需要利用挖掘機(jī)在選取大卵石或大卵石上車(chē)運(yùn)輸前，用河道內(nèi)水沖洗表面一次即可。

3.2 堆石料入倉(cāng)

由于堤防工程與河底相對(duì)高度及倉(cāng)面較小，達(dá)不到自卸汽車(chē)直接入倉(cāng)的條件。該工程采取堆石料運(yùn)輸至倉(cāng)面附近，用挖掘機(jī)入倉(cāng)，并以人工輔助堆碼。因此，汽車(chē)輪胎上的泥土和泥水不會(huì)帶入堆石倉(cāng)面。將粒徑較大的堆石置于倉(cāng)面的中下部，粒徑較小的堆石置于倉(cāng)面的中上部。

3.3 模板制作和安裝

該工程采用木模板，由于內(nèi)拉加固模板會(huì)帶給堆石入倉(cāng)工序之間造成相互影響而提升堆石率，所以，在試驗(yàn)段將內(nèi)拉加固改為全部外撐加固。

3.4 高自密實(shí)混凝土澆筑

堤防工程一般為線性工程，且倉(cāng)面較大壩工程小，該工程采用與常規(guī)的混凝土罐車(chē)運(yùn)輸與溜槽入倉(cāng)相結(jié)合的方式進(jìn)行高自密實(shí)混凝土澆筑。

4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

4.1 堆石混凝土材料綜合單價(jià)的組成

堆石混凝土在堤防工程中的利用，特別是在具有大卵石的山區(qū)河道工程中，可以與河道疏浚及堤防土石方開(kāi)挖相結(jié)合，篩選利用開(kāi)挖料中的大卵石。具有節(jié)約混凝土用量、降低工程造價(jià)、減少碳排放等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。該工程堆石混凝土堤防施工與普通混凝土堤防施工工藝無(wú)較大差異，主要差異在于增加了堆石入倉(cāng)及材料區(qū)別。將堆石料選取、清洗、入倉(cāng)等綜合考慮進(jìn)堆石料單價(jià)，故經(jīng)濟(jì)性對(duì)比主要考慮兩者間的材料價(jià)格對(duì)比。

堆石混凝土材料綜合單價(jià)

=(1-平均堆石率)×高自密實(shí)混凝土材料綜合單價(jià)+堆石料材料單價(jià)

=(1-平均堆石率)×(∑單項(xiàng)材料單價(jià)×該項(xiàng)用量)+堆石料材料單價(jià)

式中 高自密實(shí)混凝土材料綜合單價(jià)=∑單項(xiàng)材料單價(jià)×該項(xiàng)用量；堆石料材料單價(jià)=采挖+運(yùn)輸+清洗+入倉(cāng) 。

4.2 堆石混凝土材料綜合單價(jià)計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

結(jié)合本工程材料采購(gòu)價(jià)格及普通混凝土與高自密實(shí)混凝土配合比，計(jì)算其單價(jià)。普通混凝土材料綜合單價(jià)分析、高自密實(shí)混凝土材料綜合單價(jià)分析和堆石混凝土材料綜合單價(jià)分析分別見(jiàn)表3～5。

表3 普通混凝土材料綜合單價(jià)分析表

表4 高自密實(shí)混凝土材料綜合單價(jià)分析表

表5 堆石混凝土材料綜合單價(jià)分析表

在本工程中，每方堆石混凝土(高自密實(shí)混凝土+堆石料)中平均堆石率約53.5%，即節(jié)省了53.5%高自密實(shí)混凝土材料，價(jià)格減半，由282.13 元/m3減至131.19 元/m3，堆石料入倉(cāng)成本約為60 元/m3，每方堆石混凝土材料價(jià)格為191.19 元/m3，減少投資92.2 元/m3，與普通混凝土材料單元價(jià)格283.39 元/m3相比，每方混凝土節(jié)約投資32.5%。

5 堆石混凝土材料綜合單價(jià)單因素敏感性分析

5.1 分析因素的選取

從堆石混凝土施工工藝流程及配合比組成分析影響堆石混凝土材料綜合單價(jià)的因素，選取水泥用量、粉煤灰用量、細(xì)集料用量、粗集料用量、外加劑用量和堆石率6項(xiàng)用量因素，并進(jìn)行堆石混凝土材料綜合單價(jià)的單因素敏感性分析。

5.2 單因素敏感性分析

令各因素的變動(dòng)范圍分別取原估值的±20%、±15%、±10%、±5%、0，并基于本工程堆石混凝土的高自密實(shí)混凝土的配合比、材料價(jià)格、堆石率及堆石入倉(cāng)單價(jià)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算變化后的堆石混凝土材料綜合單價(jià)，控制當(dāng)單項(xiàng)分析因素變動(dòng)時(shí)，其余因素不變。本研究?jī)H討論分析堆石混凝土材料綜合單價(jià)變化，為以降低堆石混凝土材料綜合單價(jià)為目的的配合比優(yōu)化提供一種參考思路。材料單價(jià)單因素敏感性分析計(jì)算和材料用量單因素敏感性分析計(jì)算分別見(jiàn)表6、7。

表6 材料單價(jià)單因素敏感性分析計(jì)算表 元/m3

表7 材料用量單因素敏感性分析計(jì)算表 /kg

根據(jù)公式(1)及表6、7數(shù)據(jù)計(jì)算出各分析因素對(duì)堆石混凝土綜合單價(jià)的敏感性系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 各分析因素對(duì)堆石混凝土材料綜合單價(jià)敏感系數(shù)表

(1)

式中 ΔA/A為評(píng)價(jià)指標(biāo)的變動(dòng)比率；ΔF/F為不確定因素的變化率。若AAF>0，則表示評(píng)價(jià)指標(biāo)與不確定性因素同方向變化；若SAF<0，則表示評(píng)價(jià)指標(biāo)與不確定性因素反方向變化；若|SAF|越大，則表明評(píng)價(jià)指標(biāo)A對(duì)于不確定性因素F越敏感；反之，則不敏感。敏感是指標(biāo)變化相同幅度，對(duì)材料綜合單價(jià)影響程度大。

經(jīng)過(guò)對(duì)堆石混凝土材料綜合單價(jià)敏感度分析，分析指標(biāo)敏感度排序?yàn)槎咽?堆石料單價(jià)>水泥單價(jià)>水泥用量>粉煤灰單價(jià)>粉煤灰用量>外加劑單價(jià)>外加劑用量>細(xì)集料單價(jià)>細(xì)集料用量>粗集料單價(jià)>粗集料用量。從表8中可以得出堆石率的|SAF|最大，是影響堆石混凝土材料綜合單價(jià)的最重要的因素，即提升堆石率大幅度降低堆石混凝土材料綜合單價(jià)。降低堆石料單價(jià)、降低水泥單價(jià)、水泥用量等可以較好的降低堆石混凝土材料綜合單價(jià)。

6 結(jié) 語(yǔ)

堆石混凝土技術(shù)適用于大體積混凝土，在堤防工程中使用具有節(jié)約投資、減少碳排放和工效顯著等優(yōu)點(diǎn)。

(1)在本工程中，下部基礎(chǔ)底至衡重臺(tái)區(qū)域大體積混凝土澆筑，應(yīng)用堆石混凝土優(yōu)點(diǎn)較明顯。對(duì)于重力式堤防具有借鑒意義。堆石混凝土技術(shù)在山區(qū)河道等具有大卵石的河道中應(yīng)用，堆石料可以結(jié)合河道疏浚及土石方開(kāi)挖進(jìn)行撿選，材料來(lái)源具有較大優(yōu)勢(shì)。

(2)堆石混凝土在堤防工程中的應(yīng)用，雖然經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性不如堆石混凝土在大壩工程中的應(yīng)用，但仍能較明顯地降低單價(jià)。由于堤防工程的應(yīng)用面較廣，堆石混凝土技術(shù)在堤防工程中應(yīng)用具有較顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

(3)堆石混凝土在堤防工程中，施工工藝流程較普通，混凝土僅在堆石入倉(cāng)工序上有一定差異，其技術(shù)難度較在大壩工程中明顯降低，在推廣使用過(guò)程中有較大的優(yōu)勢(shì)。

(4)通過(guò)對(duì)堆石混凝土材料組成因素進(jìn)行單因素分析，可以得到因素的敏感度排序，為以降低堆石混凝土材料綜合單價(jià)為目的的配合比優(yōu)化等提供一種參考思路；降低堆石混凝土材料綜合單價(jià)首先應(yīng)從提升堆石率，降低堆石入倉(cāng)單價(jià)考慮優(yōu)化施工措施，再?gòu)囊苑勖夯姨娲嘤昧康确矫鎯?yōu)化配合比。

(5)堆石混凝土技術(shù)在堤防工程中的創(chuàng)新應(yīng)用，擴(kuò)大了堆石混凝土技術(shù)的應(yīng)用范圍，對(duì)于堤防工程材料敏感性分析，堆石料單價(jià)是最重要影響因素，53.5%的堆石率尚存在挖掘潛力，堆石混凝土有進(jìn)一步節(jié)省材料綜合單價(jià)的空間。

通過(guò)對(duì)工程試驗(yàn)的分析，也發(fā)現(xiàn)一些不足，如衡重墻堤防上墻部位，由于倉(cāng)面尺寸太小，機(jī)械利用率不高，主要靠人工進(jìn)行堆石，其快速施工受到一定影響。后期課題組將進(jìn)一步研發(fā)施工機(jī)械，模板作業(yè)改進(jìn)，以期提高作業(yè)工效，為今后堆石混凝土技術(shù)在堤防工程中的應(yīng)用提供借鑒。