武都水庫復(fù)雜巖溶地層中混凝土配合比設(shè)計(jì)淺析

石 峰，婁旭峰，張家俊

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

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武都水庫復(fù)雜巖溶地層中混凝土配合比設(shè)計(jì)淺析

石 峰，婁旭峰，張家俊

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

武都水庫巖溶系統(tǒng)處理工程，主要包括對溶蝕帶、落水洞以及溶蝕洞穴等的處理。為保證在復(fù)雜地層中混凝土的施工質(zhì)量，混凝土配合比設(shè)計(jì)尤為重要，既要充分考慮泵送混凝土能滿足強(qiáng)度需求，又要滿足長距離泵送和復(fù)雜性入倉混凝土的需要。為此，本文對武都水庫混凝土配合比設(shè)計(jì)作了詳細(xì)闡述和分析。

武都水庫 巖溶系統(tǒng) 基礎(chǔ)處理工程 配合比設(shè)計(jì)

1 工程概況

四川武都水庫左右岸基礎(chǔ)處理工程，位于四川省江油市武都鎮(zhèn)上游約4km，是涪江上的一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水、改善環(huán)境、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的龍頭水庫，總庫容5.72億m3，樞紐主要建筑物有碾壓混凝土重力壩和壩后式廠房等。

樞紐總體布置從左岸至右岸依次為：左岸非溢流壩段12段(1#～12#壩段)長293m，廠房壩段3段(13#～15#壩段)長55m，表孔底孔壩段3段(16#～18#壩段)長70m，右岸非溢流壩段12段(19#～30#壩段)長309m，總共30個(gè)壩段?；緣纹拭娴纳嫌螇纹聻榇咕€，下游壩坡1∶0.75，泄流壩段基本剖面下游壩坡1∶0.8。

壩后式廠房位于河床左岸，裝機(jī)3×50MW，平面尺寸為29.24m×50.23m(長×寬)，建基面高程為557.161m，最大高度約45m。

左右岸基礎(chǔ)處理工程包括：灌漿平洞、帷幕灌漿、排水孔、壩基固結(jié)(接觸)灌漿和斷層處理、排水系統(tǒng)工程、巖溶系統(tǒng)處理等工作內(nèi)容。工程設(shè)計(jì)在左右岸設(shè)有2～3層灌漿平洞，壩體內(nèi)設(shè)3層廊道與灌漿平洞連接。本工程的帷幕灌漿主要在灌漿平洞、壩體廊道及地表進(jìn)行施工；壩基主要采用固結(jié)和接觸灌漿處理，對于斷層等軟弱部位采用混凝土塞表層封閉后再通過深孔固結(jié)灌漿加強(qiáng)地基，壩基混凝土與巖石之間采用接觸灌漿處理。巖溶系統(tǒng)處理主要包括溶蝕帶、落水洞以及溶洞洞穴等，主要通過施工支洞及灌漿平洞創(chuàng)造作業(yè)面，采用清、堵、灌、排、導(dǎo)等方式進(jìn)行處理。

本合同段混凝土工程主要包括施工支洞，左、右岸灌漿平洞，交通斜井，排水洞混凝土襯砌，勘探平洞及巖溶系統(tǒng)混凝土回填封堵等?；炷凉こ炭偭考s為18萬m3，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C20和C15兩種。

2 存在問題及配合比設(shè)計(jì)原則

由于武都水庫為我國巖溶地層發(fā)育分布區(qū)，在巖溶發(fā)育地區(qū)修建水庫，嚴(yán)重存在溶蝕滲漏問題。通常水庫滲漏問題可通過防滲帷幕灌漿方式解決，但武都水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，壩基地質(zhì)缺陷明顯且處理技術(shù)難度大。按巖溶工程處理發(fā)育現(xiàn)狀，靠帷幕灌漿僅能解決部分防滲問題，而大部分的巖溶洞穴則需靠人工或機(jī)械追蹤清挖切斷防滲帷幕范圍后回填混凝土解決。同時(shí)，在設(shè)計(jì)壩基應(yīng)力應(yīng)變要求、確保防滲帷幕質(zhì)量的前提下，繼續(xù)優(yōu)化巖溶處理設(shè)計(jì)、調(diào)整施工方案和施工工藝，具有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

為此，本工程混凝土配合比設(shè)計(jì)，堅(jiān)持以下幾個(gè)原則：(1)建立穩(wěn)定骨架所需骨料用量原則；(2)最大限度密度填充原則；(3)混凝土可泵性原則；(4)骨料離析系數(shù)最小原則；(5)最優(yōu)砂率原則；(6)最佳用水量原則；(7)外加劑摻量原則。

以一定數(shù)量的粗骨料(5mm～40mm)形成密布的骨架空間網(wǎng)格，以相當(dāng)數(shù)量的細(xì)骨料(小于5mm)最大限度地填充骨架空隙，以膠凝材料漿體最大限度地填滿粗骨料和細(xì)骨料的間隙，并包裹粗、細(xì)骨料顆粒，形成均勻密實(shí)的混凝土，以滿足強(qiáng)度和耐久性的要求。

泵送混凝土對粗骨料有特殊的要求：如φ125mm輸送管要求可用卵石最大粒徑為40mm，碎石為30mm；φ150mm輸送管要求混凝土所用卵石最大粒徑為50mm，碎石為40mm。同時(shí)，泵送混凝土對粗骨料的級配也十分敏感，主要原因是粗骨料的外形及粒徑大小直接關(guān)系到粗骨料表面積及包裹物對它的附著力，從而影響細(xì)骨料和灰漿的使用量。根據(jù)實(shí)際情況和施工條件，應(yīng)推薦出適合本地區(qū)的施工程序和良好的施工工藝、合適的混凝土澆筑材料及混凝土施工配合比。

混凝土配合比主要技術(shù)指標(biāo)詳見表1。

3 原材料性能

3.1 混凝土用水泥

水泥選用四川雙馬水泥股份有限公司生產(chǎn)的雙馬牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥，取樣地點(diǎn)為雙馬水泥生產(chǎn)廠家，其物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表1 混凝土配合比主要技術(shù)指標(biāo)

表2 水泥物理力學(xué)性能

從表2可看出，以上二組雙馬牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥水泥3d、28d物理力學(xué)性能符合規(guī)范GB175-1999對P·O32.5水泥的要求；第二組水泥28d強(qiáng)度偏高。

3.2 混凝土用細(xì)骨料

細(xì)骨料為河砂，取樣地點(diǎn)為石家中脊料場，試驗(yàn)前過5mm篩。其物理性能檢測見表3。

表3 細(xì)骨料物理性能

從表3檢測結(jié)果可看出，第一組砂為粗砂，第二組為中砂，其余各檢測項(xiàng)目均符合規(guī)范DL/T5144-2001對細(xì)骨料的要求。

3.3 混凝土用粗骨料

混凝土用粗骨料為卵石，分三次取樣，取樣地點(diǎn)為石家中脊料場，試驗(yàn)前分別篩成小石(5mm～20mm)和中石(20mm～40mm)。其物理性能檢測見表4。

表4 混凝土用卵石物理性能

從表4檢測結(jié)果可看出,各檢測項(xiàng)目均符合規(guī)范DL/T5144-2001對粗骨料的要求。

3.4 混凝土用粉煤灰

粉煤灰為四川綿陽市熱電廠生產(chǎn)的粉煤灰，其性能檢測見表5。

表5 粉煤灰檢測結(jié)果

從表5檢測結(jié)果可看出，該粉煤灰所測指標(biāo)達(dá)到Ⅱ級粉煤灰的要求。

3.5 外加劑

緩凝高效泵送劑HJUNF-3A由山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)；膨脹劑為四川三三科技有限公司生產(chǎn)的SS-UEA普通型高效混凝土膨脹劑；早強(qiáng)高效泵送劑HJUNF-3B由山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)。

外加劑檢測結(jié)果分別見表6、表7、表8。

表6 泵送劑檢測結(jié)果

從表6檢測結(jié)果可看出，該泵送劑所測指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表7 早強(qiáng)高效泵送劑檢測結(jié)果

從表7檢測結(jié)果可看出，該早強(qiáng)高效泵送劑所測指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表8 膨脹劑檢測結(jié)果

從表8檢測結(jié)果可看出，該膨脹劑以上所測指標(biāo)滿足規(guī)范JC476-2001的要求。

4 配合比設(shè)計(jì)

鑒于武都水庫巖溶系統(tǒng)的復(fù)雜性，在各個(gè)部位或同個(gè)部位分別采用了不同的混凝土進(jìn)行回填施工。如左岸623m高程壩基5#～6#號壩段，在先期對已清挖的部分落水洞，采用了C15混凝土回填，而在后續(xù)施工中設(shè)計(jì)增加K108堵頭段的C20微膨脹混凝土。所以要求在與堵頭段相關(guān)部位的落水洞、隱伏洞穴和K108溶洞發(fā)育的巖溶支洞，均采用C20微膨脹混凝土回填，堵頭段之外的則采用C15混凝土回填。同時(shí)，在同個(gè)部位分別采用直接泵送入倉、直接溜槽入倉、泵送加溜槽和溜筒入倉等多種復(fù)雜的混凝土入倉方式。所以，該工程在配合比設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工程需要設(shè)計(jì)了多種混凝土種類，有常態(tài)混凝土、泵送混凝土、常態(tài)微膨脹混凝土、泵送微膨脹混凝土、常態(tài)回填混凝土、泵送回填混凝土、早強(qiáng)泵送混凝土、早強(qiáng)泵送微膨脹混凝土等。

在巖溶系統(tǒng)施工中，模板工程量極大，立模模板、架管等使用材料較多，為了方便立模材料的周轉(zhuǎn)，加快施工進(jìn)度。大部分地方采用了早強(qiáng)混凝土回填施工，在泵送混凝土中加入了早強(qiáng)泵送劑的措施。

4.1 混凝土配合比基本參數(shù)選定

4.1.1 石子級配組合的確定

(1)該工程石子級配為二級配為主，極少地方采用一級配混凝土。針對二級配混凝土，主要在試驗(yàn)中考慮施工和易性的要求，常態(tài)混凝土宜選石子級配用為中石∶小石=60∶40，泵送混凝土宜選用石子級配為中石：小石=50∶50；

(2)噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)規(guī)范要求，混合料配合比應(yīng)遵守下列規(guī)定：干法噴射水泥與砂、石重量比宜為1.0∶4.0～1.0∶4.5；濕法噴射水泥與砂、石重量比宜為1.0∶3.5～1.0∶4.0；水灰比宜為0.42～0.50，砂率宜為50%～60%。

4.1.2 混凝土最優(yōu)砂率和用水量的確定

混凝土最優(yōu)砂率能使其拌和物具有良好的和易性和保水性。通過試驗(yàn)確定，常態(tài)混凝土水灰比為0.55時(shí)為39%，水灰比每增減0.05，砂率相應(yīng)增減1%；泵送混凝土水灰比為0.55時(shí)為41%，水灰比每增減0.05，砂率相應(yīng)增減1%。

4.1.3 混凝土用水量的確定

混凝土用水量是在滿足混凝土施工和易性要求的前提下，盡量降低每方混凝土的用水量，它主要受水泥品種、摻和料品種、外加劑的性能，砂石骨料的形狀、級配和砂率等諸多因素的影響。混凝土的用水量經(jīng)過試驗(yàn)確定。

4.1.4 外加劑摻量的確定

通過試驗(yàn)確定，泵送劑的摻量均為0.7%，早強(qiáng)泵送劑的摻量為1.4%，膨脹劑的摻量采用最小摻量10%和中間摻量11%。

4.2 混凝土施工配制強(qiáng)度的確定

為使施工中混凝土強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使混凝土配制強(qiáng)度有一定的富裕度。根據(jù)現(xiàn)行《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程DL/T5330-2005》中“混凝土配制強(qiáng)度的確定”的有關(guān)要求，混凝土配制強(qiáng)度按下式計(jì)算：

fcu，o=fcu，k+tσ

式中：fcu，o——混凝土配制強(qiáng)度(MPa)；

fcu，k——混凝土設(shè)計(jì)齡期立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa)；

t——概率系數(shù)，由給定的保證率P選定；

σ——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差(MPa)。

根據(jù)現(xiàn)場混凝土施工條件和施工水平，保證率按95%考慮，標(biāo)準(zhǔn)差選用4.0。

4.2.1 泵送混凝土和常態(tài)混凝土配合比設(shè)計(jì)

混凝土水灰比選擇0.50、0.55、0.60、0.65，砂率選用37%～42%，假定容重2400kg。

常態(tài)、泵送混凝土采用20%、30%、40%不同摻量的粉煤灰；微膨脹混凝土粉煤灰摻量為20%，在泵送混凝土中，膨脹劑分別以最小摻量10%和中間摻量11%來代替水泥用量，考慮到該工程泵送混凝土用量較大，其余混凝土只做10%的摻量，以這樣的不同摻量來選擇一個(gè)合適的配合比。

4.2.2 據(jù)泵送混凝土規(guī)范要求，應(yīng)測定混凝土坍落度的損失值。所以根據(jù)泵送混凝土拌和物特征，采用不同摻量的泵送劑來檢測其坍落度的損失值。

泵送混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失值見表9。

表9 泵送混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失值

從表9可以看出，在相同氣溫下混凝土外加劑摻0.7%時(shí)坍落度損失大于摻0.8%，所做試驗(yàn)氣溫為15℃，在夏天氣溫較高的情況下宜采用摻0.8%的混凝土，冬天氣溫較低益采用摻0.7%的混凝土，這樣才能保證混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失不是很大，利于泵送混凝土的施工。

4.3 試驗(yàn)檢測結(jié)果

4.3.1 以上微膨脹混凝土配合比，所檢測混凝土抗?jié)B性能和混凝土膨脹率如表10所示。

表10 混凝土抗?jié)B、膨脹性能檢測結(jié)果

由表10可以看出，泵送微膨脹混凝土在膨脹劑摻量為11%時(shí)膨脹率滿足設(shè)計(jì)要求，其余摻量為10%時(shí)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 混凝土推薦配合比

泵送混凝土水膠比大于0.60時(shí)，混凝土的強(qiáng)度下降，同時(shí)容易造成離析，造成堵管。所以水膠比選擇小于0.60，膠凝材料用量不宜低于300kg/m3，砂率宜為35%～45%。

綜上所述，現(xiàn)將推薦施工配合比分列如表11、表12和表13所示。

5 結(jié)語

武都水庫復(fù)雜巖溶地層處理工程中的混凝土配合比設(shè)計(jì)，充分考慮了武都水庫左右岸基礎(chǔ)處理施工現(xiàn)場的具體情況，把泵送混凝土的可泵性和強(qiáng)度放在同一高度加以考慮，通過各系數(shù)的平衡選定，達(dá)到對泵送混凝土的性能控制。水工混凝土建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，高質(zhì)量混凝土的應(yīng)用與日俱增，明確規(guī)定采用泵送混凝土的工程部位會越來越多，因此泵送混凝土配合比設(shè)計(jì)顯得尤為重要。期望通過探討混凝土配合比設(shè)計(jì)，充分認(rèn)識到配合比對泵送混凝土質(zhì)量的重要性。同時(shí)，在后期建設(shè)工程施工中，類似武都水庫基礎(chǔ)處理工程的復(fù)雜巖溶系統(tǒng)工程施工會越來越多，望在今后遇到類似的巖溶處理工程施工中得以借簽，并在應(yīng)用過程中積累更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后能夠設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的配合比打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

表11 常態(tài)混凝土及常態(tài)微膨脹混凝土推薦施工配合比

表12 泵送混凝土及微膨脹泵送混凝土推薦施工配合比

表13 早強(qiáng)泵送混凝土及早強(qiáng)微膨脹泵送混凝土推薦施工配合比

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2095-1809(2015)04-0022-05