粉煤灰在花山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程中的運(yùn)用

李 元

（曲靖灌區(qū)管理局，云南 曲靖 655000）

1 工程概況

花山水庫(kù)位于曲靖市沾益區(qū)花山街道云維集團(tuán)西北部，水庫(kù)距曲靖市35 km，距沾益區(qū)17 km，屬珠江流域，西江水系。該水庫(kù)是一座集農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)、生活供水及防洪調(diào)節(jié)作用為一體的中型水庫(kù)，總庫(kù)容8233萬(wàn)m3。水庫(kù)樞紐工程建筑物有主壩、東副壩、西副壩、溢洪道、高涵、中涵、低涵。主壩原為黏土均質(zhì)壩，擴(kuò)建后為黏土、風(fēng)化料分區(qū)壩，主壩加高7 m，最大壩高33.5 m，壩長(zhǎng)175 m，壩頂寬5 m，壩頂高程為1992.792 m；東副壩為黏土均質(zhì)壩，擴(kuò)建后壩高15.6 m，壩頂長(zhǎng)417 m，壩頂寬5 m，壩頂高程為1992.792 m。

2 主壩防滲方案的選擇

由于主壩壩體、壩基及兩壩肩存在滲漏問題，下游壩腳漏水嚴(yán)重，影響大壩安全，因此需對(duì)壩體、壩基進(jìn)行防滲處理。防滲方案擬定兩種方案進(jìn)行比選。

（1）方案一：壩體C10混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿。該方案壩體采用C10混凝土防滲墻防滲，軸線位于壩軸線上游1 m，防滲墻嵌入巖體深度為1～6 m，防滲墻頂高程1990.79 m（正常蓄水位），墻底最低高程為1954.49 m，防滲墻最大深度為36.3 m，防滲墻厚度為60 cm，兩壩肩帷幕與防滲墻搭接2 m。壩基采用帷幕灌漿防滲，孔距1.5 m，帷幕最大深度為65.4 m，帷幕軸線位于防滲墻軸線上游1 m。

（2）方案二：壩體充填灌漿+壩基帷幕灌漿。根據(jù)鉆孔揭示及觀測(cè)資料相關(guān)性分析，壩體原防滲帷幕存在局部擊穿問題，需進(jìn)行防滲處理，經(jīng)綜合分析并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，大壩壩體防滲處理采用充填灌漿方式，孔距1.5 m，單排孔布置，分為三序孔逐級(jí)加密的方式灌漿，灌漿范圍為壩土段。壩基采用單排帷幕灌漿防滲，孔距1.5 m，帷幕軸線為壩軸線。

本工程為主壩壩體、壩基接觸帶防滲，對(duì)比兩種方案，鑒于充填灌漿防滲性能、可靠性、耐久性較差，防滲效果不及混凝土防滲墻，選擇采用方案一，即壩體C10混凝土防滲墻+壩基帷幕灌漿。

3 防滲墻主要性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

（1）防滲墻混凝土采用黏土混凝土，應(yīng)達(dá)到下列要求。

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C10；滲透系數(shù)不大于10-8；彈性模量不大于1.5×104MPa；坍落度為18～22 cm；擴(kuò)散度為34～40 cm；骨料級(jí)配為二級(jí)配，最大骨料粒徑不大于40 mm，其含泥量不大于1%，飽和面干吸水率不大于1.50%。

（2）坍落度保持15 cm以上的時(shí)間應(yīng)不小于1 h；初凝時(shí)間應(yīng)不小于6 h，終凝時(shí)間不宜大于24 h；混凝土的密度不宜小于2100 kg/m3。

（3）黏土混凝土的膠凝材料用量不宜少于350 kg/m3；水膠比不宜大于0.65，砂率不宜小于36%，黏土摻量不宜大于水泥和黏土總量的25%，水泥采用普通硅酸鹽或硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5 MPa。

（4）選擇黏粒含量大于45%、塑性指數(shù)大于20、含砂量小于5%、二氧化硅與三氧化二鋁的比值為3～4的黏土。黏土質(zhì)量嚴(yán)格按照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2007）執(zhí)行。

4 防滲墻配合比試驗(yàn)

4.1 未添加粉煤灰配合比試驗(yàn)

（1）混凝土基準(zhǔn)配合比（每立方米混凝土原材料用量）如表1所示。

表1 混凝土基準(zhǔn)配合比（每立方米混凝土原材料用量）

（2）根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL/T 352—2020）[1]附錄A中A.4的要求，調(diào)整用水量保持坍落度及擴(kuò)散度滿足設(shè)計(jì)要求，用3個(gè)不同水膠比進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 混凝土試驗(yàn)結(jié)果

表2中3組試配滲透系數(shù)均滿足≤1×10-8的要求，且3組試配抗壓強(qiáng)度最小的一組水膠比為0.67已經(jīng)超過設(shè)計(jì)要求的0.65，該組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為17.0 MPa，大于配置強(qiáng)度要求的13.1 MPa，彈性模量超過了設(shè)計(jì)允許的最大值15 000 MPa。若水膠比選取設(shè)計(jì)上限值0.65，根據(jù)回歸方程計(jì)算出混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為19.4 MPa，滲透系數(shù)為2.0×10-9cm/s，彈模為18 636 MPa，彈模不滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）配合比試驗(yàn)結(jié)果最終沒能完全滿足設(shè)計(jì)要求主要有以下兩個(gè)原因：①對(duì)比以前其他項(xiàng)目，以前很多項(xiàng)目的防滲墻配合比的黏土摻量均達(dá)到了膠凝材料（水泥+煤灰+黏土）用量的35%左右，《水利水電工程混凝土防滲墻施工技術(shù)規(guī)范》（SL 174—2014）[2]規(guī)定的黏土用量比為15%～25%。②材料的變化。前幾年的防滲墻混凝土用水泥多為32.5 MPa級(jí)水泥，而現(xiàn)在使用的是42.5 MPa級(jí)水泥，強(qiáng)度提升了30.7%。隨著水泥強(qiáng)度的提升，導(dǎo)致在本次配合比試驗(yàn)中當(dāng)水膠比為0.65時(shí)，混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為19.4 MPa，而彈性模量的值是和抗壓強(qiáng)度成正比關(guān)系的，最終的試驗(yàn)結(jié)果就是彈性模量不能滿足設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)以上試驗(yàn)結(jié)果和原因分析，采用了添加部分粉煤灰替代水泥的方案重新做試驗(yàn)。

根據(jù)王正輝[3]的研究，當(dāng)水泥摻入5%～40%粉煤灰后的質(zhì)量變化如表3所示。

表3 水泥摻入5%～40%粉煤灰后的質(zhì)量變化

在未摻粉煤灰的配合比報(bào)告中，水膠比為0.65時(shí)對(duì)應(yīng)的混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為19.4 MPa，而理想的強(qiáng)度應(yīng)該是配置強(qiáng)度13.1 MPa，也就是說還需要降低32%的抗壓強(qiáng)度。在王正輝[3]的研究中，當(dāng)粉煤灰摻量為0時(shí)的抗壓強(qiáng)度為44.6 MPa，當(dāng)44.6MPa的抗壓強(qiáng)度降低32%后為30.3 MPa，對(duì)應(yīng)圖表中的粉煤灰替代比例為25%，根據(jù)這一替代比例進(jìn)行配合比試驗(yàn)。

4.2 摻粉煤灰的配合比試驗(yàn)

（1）水泥：試驗(yàn)所用的水泥為云南宏發(fā)集團(tuán)印象水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，通過檢測(cè)該水泥檢測(cè)結(jié)果滿足《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）的要求。

（2）粉煤灰：試驗(yàn)所用的粉煤灰為云南能投曲靖發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)的F類二級(jí)粉煤灰水泥，檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 粉煤灰檢測(cè)結(jié)果

該粉煤灰檢測(cè)結(jié)果滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）的要求。

（3）混凝土基準(zhǔn)配合比（每立方米混凝土原材料用量）表5所示。

表5 混凝土基準(zhǔn)配合比（每立方米混凝土原材料用量）

（4）根據(jù)SL/T 352—2020的附錄A中A.4的要求，調(diào)整用水量保持坍落度及擴(kuò)散度滿足設(shè)計(jì)要求，用3個(gè)不同水膠比進(jìn)行了室內(nèi)配合比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 混凝土試驗(yàn)結(jié)果

（5）混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 混凝土28 d抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系曲線

28 d抗壓強(qiáng)度與水膠比回歸方程如式（1）所示。

（6）混凝土滲透系數(shù)與水膠比關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 混凝土滲透系數(shù)與水膠比關(guān)系曲線

滲透系數(shù)與水膠比回歸方程如式（2）所示。（3）混凝土彈性模量與水膠比關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 混凝土彈性模量與水膠比關(guān)系曲線

混凝土彈性模量與水膠比回歸方程如式（3）所示。

表6中3組試配滲透系數(shù)均滿足≤1×10-8的要求，且3組試配中抗壓強(qiáng)度最小的1組水膠比為0.65，為設(shè)計(jì)允許的最大水膠比，該組混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為14.0 MPa，大于配置強(qiáng)度要求的13.1 MPa，彈性模量為13 279 MPa，小于設(shè)計(jì)允許的最大值15 000 MPa。由于人工砂所檢項(xiàng)目中細(xì)度模數(shù)為2.98，超出規(guī)范推薦的2.4～2.8，故在配合比設(shè)計(jì)中通過增加砂率來改善混凝土的和易性。

5 成果分析

花山水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程主壩防滲墻共26個(gè)槽段，按抽檢比例要求，第三方質(zhì)量檢測(cè)單位共抽檢了10組。

從室內(nèi)試驗(yàn)成果看，防滲墻的抗壓強(qiáng)度均大于10 MPa，彈模在11 800 MPa～14 900 MPa，滲透系數(shù)為（1.0～5.53）×10-9，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從現(xiàn)場(chǎng)取芯樣看，防滲墻混凝土連續(xù)、完整，膠結(jié)良好。

6 結(jié)語(yǔ)

防滲墻是一種修建在松散透水層或土石壩（堰）中起防滲作用的地連續(xù)墻，因其結(jié)構(gòu)可靠、防滲效果好、適應(yīng)各類地層條件、施工簡(jiǎn)便以及造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用?；ㄉ剿畮?kù)除險(xiǎn)加固工程主壩防滲墻配合比試驗(yàn)中，采用粉煤灰替代水泥用量的25%進(jìn)行試驗(yàn)，有效降低了彈性模量，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)證明適當(dāng)?shù)卦诨炷林刑砑臃勖夯铱梢云鸬礁纳苹炷梁鸵仔?、增?qiáng)混凝土抗?jié)B能力、降低水化熱、降低彈性模量的作用，類似工程中可以推廣運(yùn)用。