吉牛水電站堆石混凝土擋水大壩的設(shè)計與應(yīng)用

張 榮 貴， 曾 勇

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

吉牛水電站位于四川省丹巴縣境內(nèi)的革什扎河上，是革什扎河水電規(guī)劃一庫四級方案中的第四個梯級，為低閘引水式電站。水庫正常蓄水位高程2 378 m，總庫容197.5萬m3，具有日調(diào)節(jié)性能。電站裝機2臺，總裝機容量240 MW，為單一發(fā)電工程，無灌溉、防洪等要求。

電站首部樞紐建筑物從右至左依次布置右岸擋水壩段、2孔泄洪閘、1孔沖沙閘、左岸取水口及擋水壩段，閘壩軸線全長198.43 m。閘壩建筑物均建于覆蓋層上，閘頂高程為2 380 m，最大閘高23 m，基礎(chǔ)采用混凝土防滲墻防滲，最大深度約47.5 m，閘壩下設(shè)有振沖碎石樁以增加地基承載力。

近年來，堆石混凝土技術(shù)由于具有低碳環(huán)保、低水化熱、工藝簡便、造價低廉、施工速度快等特點，開始在小型水庫大壩、副壩、圍堰、明渠、擋墻和沉井等建筑物中應(yīng)用，但在大中型水電工程主要建筑物中，尤其是大壩等擋水建筑物中應(yīng)用較少。吉牛水電站右岸擋水壩段在設(shè)計中采用了該技術(shù)，進行了大膽的工程實踐，將有利于該技術(shù)的總結(jié)和推廣。

2 堆石混凝土技術(shù)

堆石混凝土(Rock Filled Concrete，簡稱RFC)是在自密實混凝土( Self-Compacting Concrete ，簡稱SCC)[1]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種大體積混凝土技術(shù)。該技術(shù)充分利用了自密實混凝土高流動、抗分離性能好以及自流動的特點，在粒徑較大的塊石內(nèi)隨機充填自密實混凝土，形成完整、密實、有較高強度的混凝土堆石體。

配制自密實混凝土的原理是通過外加劑、膠結(jié)材料和粗細(xì)骨料的選擇與配合比設(shè)計，使混凝土流動性增大，可以使混凝土自動流動，同時又具有足夠的塑性粘度，可令骨料懸浮于水泥漿中而不出現(xiàn)離析和泌水問題。自密實混凝土能自由流淌并充分填充模板內(nèi)的空間，形成密實且均勻的膠凝結(jié)構(gòu)。

堆石混凝土由于其獨特的施工工藝使得其較常規(guī)混凝土具有很多顯著的工程和經(jīng)濟優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：①堆石混凝土大量使用堆石，從而減少了膠凝材料的用量，簡化了施工工藝，降低了混凝土綜合成本；②堆石混凝土降低了水泥用量，水化溫升小，可以簡化甚至取消溫控措施。一般情況下，C20 等級堆石混凝土中的水泥含量不超過80 kg/m3，絕熱溫升不超過15℃；③堆石混凝土工藝簡便，施工快速，可大幅度提高施工效率，縮短工期；④堆石混凝土是由相互搭接的堆石骨架和用于膠結(jié)堆石的專用自密實混凝土構(gòu)成。堆石骨架在提高材料抗壓、抗剪強度，抑制干縮變形，提高結(jié)構(gòu)體積穩(wěn)定性等方面都具有一定的優(yōu)勢。

但目前堆石混凝土技術(shù)仍存在一些工程上需要解決的問題，如：①自密實混凝土對材料和配合比的要求較高，對水泥、粉煤灰、減水劑、水的稱量都有嚴(yán)格的誤差要求，在大規(guī)模施工時，質(zhì)量不易控制；②堆石料的入倉方式主要有兩種：一是具備交通道路時，采用自卸汽車直接將堆石運至倉面自然堆積；二是在不具備交通道路時，設(shè)置塔機、卷揚機等垂直起重設(shè)備，配合吊斗或鋼筋籠裝運堆石，對于高度不高的施工部位也可使用挖掘機或裝載機直接將石料堆放入倉。入倉方式困難是制約堆石混凝土施工效率的一個主要因素，特別是在模板、止水帶、大壩分縫等部位附近0.5～ 1 m 的位置需要人工堆石入倉，以避免機械施工對這些部位的損傷，施工效率更低；③堆石混凝土的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在大體積無筋混凝土工程部分，而對于布置有鋼筋的混凝土部位，堆石混凝土的大規(guī)?？焖偈┕な芟蓿悦苁交炷僚c鋼筋的結(jié)合性能需要更多的試驗與工程實踐進行驗證；④部分堆石混凝土已建工程出現(xiàn)了層面滲水現(xiàn)象，表明堆石混凝土層面是其薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計與施工中應(yīng)該重點加以注意。

目前，應(yīng)用堆石混凝土技術(shù)的工程主要有河南保全抽水蓄能電站工程上庫副壩和沖溝回填、四川向家壩水電站工程圍堰沉井、山西清峪水庫大壩、山西恒山水庫除險加固工程、山西圍灘水電站工程大壩、洋莊防洪堤工程、西藏藏木水電站工程擋土墻和消力池底部回填、四川枕頭壩水電站導(dǎo)流明渠進口巖埂缺口和混凝土圍堰上游側(cè)裹頭與巖埂間缺口部位。堆石混凝土技術(shù)在水電工程擋水大壩等主體建筑中應(yīng)用較少，因此，該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用，特別是在高壩大體積混凝土中的應(yīng)用還需進行更多的研究和工程實踐。

3 堆石混凝土擋水壩設(shè)計

吉牛水電站右岸9#、10#、11#擋水壩段全長66.71 m，上游壩坡坡比為1∶0.4，下游壩坡坡比為1∶0.7，頂寬7.5 m，底寬24.2 m。

右岸擋水壩段全部建在覆蓋層上，覆蓋層最大厚度約80.8 m。由于覆蓋層各層均具有中等或強透水性，設(shè)計采用懸掛式混凝土防滲墻防滲，防滲墻深度為47.5 m，厚度為0.8 m。為增強地基承載能力并防止覆蓋層中沙層液化和減少地基不均勻沉降，對地基采用振沖碎石樁措施進行了加固處理。

為了解決吉牛水電站工程建設(shè)中工期緊張的問題，加快施工進度，節(jié)約投資，在吉牛水電站右岸9#、10#、11#擋水壩段中采用了堆石混凝土?？紤]到堆石混凝土密實性在大規(guī)模施工中不確定因素較多，可能出現(xiàn)滲水；同時，考慮到大壩迎水面部分區(qū)域布置有鋼筋，橫縫兩側(cè)布置有止水，因此大壩迎水面和橫縫兩側(cè)1 m 范圍內(nèi)不進行堆石，而直接采用C20自密實混凝土澆筑，以保證迎水面有足夠的防滲性能，保證混凝土與鋼筋緊密結(jié)合，減少鋼筋施工受堆石混凝土的影響，防止因堆石混凝土施工而破壞止水。壩體頂部和壩體下游側(cè)由于有電纜溝、模板架立鋼筋等的影響，為方便施工，也采用厚度為1 m的C20自密實混凝土澆筑。由于基礎(chǔ)面上防滲墻需要與壩體采用止水緊密結(jié)合，且基礎(chǔ)面上如出現(xiàn)貫穿的混凝土滲漏通道極易造成地基滲透破壞而難以補救，為安全起見，大壩下部1.5 m采用C20常態(tài)混凝土。除此以外，全部采用C20堆石混凝土。

右岸9#、10#、11#擋水壩堆石混凝土量共計為12 553 m3，自密式混凝土和常態(tài)混凝土5 647 m3，堆石混凝土使用比例為69%?；炷练謪^(qū)設(shè)計情況見圖1。

圖1 混凝土分區(qū)設(shè)計斷面圖

4 堆石混凝土施工

(1)堆石料。

右岸擋水壩段采用的堆石料主要為河床卵石和開挖料，飽和抗壓強度(Rb)不小于50 MPa。要求最小粒徑不小于30 cm，最大粒徑以運輸、入倉方便為限，一般不大于1 m。施工時，少量堆石最小粒徑小于30 cm，但大于20 cm，少量堆石最大粒徑達(dá)1.5 m左右。由于石塊粒徑大小不一，為了保證堆石質(zhì)量，在現(xiàn)場使用鋼格篩對堆石料進行了篩分。鋼格篩的使用提高了堆石效率，保證了堆石質(zhì)量。為了保證堆石料的含泥量滿足要求，現(xiàn)場專門建立了沖洗站對堆石進行沖洗，沖洗后的堆石料滿足含泥量要求。

(2)堆石入倉方式。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在不同的高程采用兩種堆石方法。第一種方式是在大壩下部高程2 366 m以下時，采用自卸車?yán)M倉，挖機倒運。這種堆石辦法簡單、有效，有很強的實用性，且堆石施工速度快；第二種是在大壩高程2 366 m以上時，采用挖機裝籃，汽車履帶吊吊石入倉并輔以人工實施。此方法對于現(xiàn)場有很好的適用性，但明顯降低了施工效率。堆石混凝土施工面貌見圖2。

圖2 堆石混凝土施工面貌

(3)澆筑層厚。

為保證自密實混凝土在不采用振搗手段的情況下填實堆石體，設(shè)計要求堆石層厚度為1.2～ 1.5 m。部分壩段倉面堆石粒徑不達(dá)標(biāo)的主要問題是粒徑太小，隨后采取了降低堆石層厚度的方法，保證了自密實混凝土充填密實。

(4)自密實混凝土的入倉方式。

現(xiàn)場自密實混凝土在拌合站生產(chǎn)，而后由罐車運送至壩前，根據(jù)現(xiàn)場情況使用挖機輔助入倉或者泵送入倉。

(5)層面處理。

每一倉的澆筑頂面留有塊石棱角，塊石棱角的高度高于自密實混凝土頂面5 ～ 20 cm，以便與下一倉的粘結(jié)。倉面上的混凝土乳皮、表層裂縫、由于泌水造成的低強混凝土(砂漿)以及嵌入表面的松動堆石均要求清除并進行鑿毛處理?，F(xiàn)場鑿毛采用水泵沖毛和人工鑿毛兩種方式，根據(jù)倉面情況選擇合適的鑿毛方法，鑿毛效果滿足要求。

施工工藝流程見圖3。

圖3 施工工藝流程圖

5 試驗與檢測

5.1 自密實混凝土配合比試驗

根據(jù)吉牛水電站擋水壩工程要求，所設(shè)計的自密實混凝土配合比應(yīng)滿足C20W4F150要求。經(jīng)室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試拌，吉牛水電站使用的自密實混凝土最終的理論配合比見表1，性能測試結(jié)果見表2，工作性能保持紀(jì)錄見表3。根據(jù)性能檢測結(jié)果，配合比能夠滿足設(shè)計強度和工作性能的要求。

表1 專用自密實混凝土配合比表 /kg·m-3

表2 專用自密實混凝土性能測試結(jié)果表

表3 工作性能保持紀(jì)錄表

5.2 堆石混凝土質(zhì)量檢測

為全面了解堆石混凝土質(zhì)量，吉牛水電站工程進行了力學(xué)性能試驗、溫控、密實度、抗?jié)B性等檢測，各項檢驗指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，混凝土外觀無明顯缺陷。堆石混凝土28 d抗壓強度平均值為26.8 MPa，強度較高。水化溫升檢測結(jié)果表明堆石混凝土水化熱低，水化溫升小。以9#壩段高程2 366.2 m處溫控數(shù)據(jù)為例，該部位最高溫升溫度為33.21℃，最大水化溫升為8.63℃，該倉具體測溫數(shù)據(jù)見圖4。

6 結(jié) 語

堆石混凝土施工技術(shù)作為一種全新的大體積混凝土施工技術(shù)，由于其自身顯著的特點和優(yōu)勢，目前已開始在工程中推廣應(yīng)用。但在水電工程擋水大壩等主要建筑物中應(yīng)用較少，缺少工程實踐經(jīng)驗，從而制約了該技術(shù)的進一步推廣。吉牛水電站采用該技術(shù)進行右岸擋水大壩設(shè)計，縮短了施工工期，節(jié)約了工程投資。施工過程中進行了

圖4 9#壩段高程2 366.2 m處溫控數(shù)據(jù)示意圖

大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，采用了多種措施控制工程質(zhì)量，積累了在擋水大壩中應(yīng)用堆石混凝土技術(shù)的經(jīng)驗，對推廣堆石混凝土技術(shù)具有重要的意義。