膠凝砂礫石壩鋪筑工藝試驗(yàn)研究

郭增江

（大同市孤山水庫管理處）

膠凝砂礫石壩鋪筑工藝試驗(yàn)研究

郭增江

（大同市孤山水庫管理處）

以陽高縣守口堡水庫大壩首座膠凝砂礫石壩為試驗(yàn)場地，進(jìn)行了施工工藝試驗(yàn)研究，提出了：細(xì)砂與粗砂料的適宜配比；每層鋪料厚度宜為45 cm，碾壓遍數(shù)為8遍；采用專用拌和系統(tǒng)JGL200和26 t單鋼輪振動碾SSR260設(shè)備；不同齡期抗壓強(qiáng)度間的函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果可為類似工程施工提供科學(xué)依據(jù)。

膠凝砂礫石壩 施工參數(shù) 工料配比 鋪料厚度 碾壓遍數(shù) 守口堡水庫

膠凝砂礫石壩是一種新壩型，可利用河道現(xiàn)有的砂礫石作為筑壩材料進(jìn)行筑壩，體現(xiàn)了“宜材適構(gòu)”的筑壩理念，即可大大降低筑壩工程造價(jià)，又對壩區(qū)周圍的生態(tài)環(huán)境破壞影響較小。庫區(qū)用于筑壩開挖砂礫石后的空間，還可增加有效蓄水庫容。陽高縣守口堡水庫大壩，設(shè)計(jì)壩長354 m，最大壩高61.6 m，作為我國首例正在建設(shè)的膠凝砂礫石壩壩型，將填補(bǔ)該種壩型的空白。為了確保大壩施工質(zhì)量，需對膠凝砂礫石壩在材料選擇、施工方式、質(zhì)量控制等方面進(jìn)行研究，2015年在主體大壩施工前進(jìn)行了鋪筑工藝試驗(yàn)，以試驗(yàn)結(jié)果指導(dǎo)后續(xù)大壩鋪筑施工。

1 膠凝砂礫石壩工藝試驗(yàn)內(nèi)容

因守口堡水庫大壩屬于國內(nèi)首座膠凝砂礫石試驗(yàn)壩，即無工程實(shí)例可供借鑒，又無資料可供參考，參照現(xiàn)有其他壩型的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，需對以下方面內(nèi)容進(jìn)行工藝試驗(yàn)探討：一是膠凝砂礫石料施工配比；二是鋪料厚度、碾壓遍數(shù)與外摻石比例；三是膠凝砂礫石專用拌和系統(tǒng)的拌和質(zhì)量、生產(chǎn)能力及穩(wěn)定性（拌和、運(yùn)輸、平倉、碾壓設(shè)備的配套性）；四是膠凝砂礫石不同齡期抗壓強(qiáng)度函數(shù)關(guān)系。通過試驗(yàn)，分析總結(jié)出工藝參數(shù)，為后續(xù)筑壩施工提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。

2 膠凝砂礫石壩工藝試驗(yàn)采用的依據(jù)

依據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》（SL678-2014）、《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/ T1596-2005）、《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》（SL53-94）、《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL352-2006）、《碾壓式土石壩施工規(guī)范》（DL/T5129-2001）、《水工碾壓混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T5433-2009）及《貧膠渣礫料碾壓混凝土施工導(dǎo)則》（DL/T5253-2011）等技術(shù)規(guī)范，設(shè)計(jì)膠凝砂礫石壩的膠凝砂礫強(qiáng)度C1806要求及相關(guān)技術(shù)條款。設(shè)計(jì)的膠凝砂礫石配合比詳見表1，工藝試驗(yàn)檢測項(xiàng)目見表2。

3 膠凝砂礫石壩現(xiàn)場試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 現(xiàn)場試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1.1 組織機(jī)構(gòu)

設(shè)總負(fù)責(zé)、生產(chǎn)負(fù)責(zé)、試驗(yàn)負(fù)責(zé)各1人，下設(shè)測量組、物資組、施工組、技術(shù)組、試驗(yàn)組和資料組。

3.1.2 施工機(jī)械及試驗(yàn)檢測設(shè)備校驗(yàn)

（1）施工機(jī)械。主要包括：膠凝砂礫石專用拌和系統(tǒng)（JGL200）1臺，15 t自卸汽車4臺，推土機(jī)（SD16）1臺，26 t單鋼輪振動碾（SSR260）1臺，小型振動碾（BW75S）1臺，異型夯板2臺，擠壓邊墻機(jī)（BJYDP40）1臺，小型翻斗車1臺，灑水車（4.8 m3）1輛，測量設(shè)備1套。試驗(yàn)前對膠凝砂礫石專用拌和系統(tǒng)進(jìn)行了稱量精度校準(zhǔn)，對運(yùn)輸、平倉、碾壓等設(shè)備的能力、工況進(jìn)行了檢查和必要的清洗。

（2）試驗(yàn)檢測設(shè)備。主要包括：特制搖篩機(jī)1臺，砂石標(biāo)準(zhǔn)篩1套，圓孔篩（5-150mm）1套，地磅（500kg）2臺，臺稱（10 kg）2臺，電子稱（150 kg）2臺，含水量快速測定儀5臺，凝結(jié)時(shí)間測定儀2臺，維勃稠度儀2臺，試模（150 mm立方體）60組，試模（450 mm立方體）30組，錘式振動器（150 mm3）2臺，錘式振動器（450 mm3）2臺，核子密度儀1臺，套環(huán)（500 mm）6個(gè)，3 t叉車1臺，養(yǎng)護(hù)設(shè)備1套，壓力機(jī)（500 t）1臺，壓力機(jī)（100 t）1臺，壓力機(jī)（200 t）2臺，鐵鍬、撬棍、毛刷、瓷盤、量筒、塑料布等其他用具若干。試驗(yàn)前，主要檢測設(shè)備及器具經(jīng)專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行了鑒定。

表1 膠凝砂礫石配合比

表2 膠凝砂礫石拌和物試驗(yàn)檢測項(xiàng)目

3.1.3 主要原材料

據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料研究所提出的《山西守口堡膠凝砂礫石壩材料試驗(yàn)研究報(bào)告》中的質(zhì)量要求進(jìn)行備料，總量按2 500 m3膠凝砂礫石進(jìn)行準(zhǔn)備，其中水泥125 t，粉煤灰100 t，砂礫石1600m3。

3.2 現(xiàn)場膠凝砂礫石試驗(yàn)性施工

按照膠凝砂礫石拌和、運(yùn)輸、入倉、平倉、碾壓順序進(jìn)行了試驗(yàn)性施工，采用平層連續(xù)鋪筑法，鋪筑層以固定方向逐條帶鋪筑，平倉方向與壩軸線方向平行；中間部位采用SD16型履帶式推土機(jī)進(jìn)行平倉，邊角部位采用小型挖掘機(jī)平倉，并輔以人工攤開集中骨料，防止大骨料分離及滾石傷害。在各試驗(yàn)條帶布置網(wǎng)格測點(diǎn)，并在鋪筑區(qū)外設(shè)置了控制基樁。在各條帶的網(wǎng)格測點(diǎn)上以顏色進(jìn)行標(biāo)記和編號，用水準(zhǔn)儀測量并記錄初始厚度和相對高程。同時(shí)，記錄松鋪厚度、松鋪?zhàn)匀黄履_、大骨料分離情況、平倉速度等。

采用SSR260單鋼輪振動碾進(jìn)行壓實(shí)，碾壓方式采用進(jìn)退錯(cuò)距法。平倉后及時(shí)碾壓，拌和物暴露時(shí)間不超過最長允許歷時(shí)5 h；振動碾行動速度控制在1.0-1.5 km/h；相鄰碾壓帶間搭接寬度0.3-0.4 m，端頭搭接為1.0 m。達(dá)到工藝試驗(yàn)規(guī)定碾壓遍數(shù)后，表層基本泛漿。壓實(shí)后，按前述方法分別測量各網(wǎng)格測點(diǎn)在碾壓前后的相對高程變化，計(jì)算出每一次試驗(yàn)條帶的平均沉降量。記錄碾壓遍數(shù)、壓實(shí)厚度、壓實(shí)自然坡腳、VC值的可碾范圍、拌和物暴露允許時(shí)間、碾壓層表面情況等。

平均沉降量計(jì)算公式為：

平均沉降率計(jì)算公式為：

式中：hi——碾壓前各網(wǎng)格測點(diǎn)的相對高程，m；

n——試驗(yàn)條帶內(nèi)測點(diǎn)數(shù)；

H——試驗(yàn)條帶的平均鋪層厚度，m。

碾壓后及時(shí)養(yǎng)護(hù)。高溫天氣時(shí)，采用噴霧或蓬布覆蓋保持倉面濕潤；低溫天氣時(shí)，采用草簾、養(yǎng)護(hù)墊等覆蓋，防止膠凝砂礫石凍結(jié)。

4 工藝試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)方法分析

采用逐漸收斂法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)為單位用水量、攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)，外摻15%的細(xì)骨料和25%的粗骨料。其原理是：固定其他參數(shù)，變動一個(gè)參數(shù)，通過試驗(yàn)得出該參數(shù)的最優(yōu)值，依次類推得出各參數(shù)的最優(yōu)值，最后采用最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。鑒于守口堡水庫庫區(qū)料場砂礫石砂率偏大，且砂偏細(xì)，所以，采用外摻15%-25%的外摻石來降低砂率，減少用水量，提高膠凝砂礫石強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2、圖3、圖4。

在試驗(yàn)過程中，先固定單位用水量100 kg和110 kg、攤鋪厚度40 cm、45 cm和50 cm，外摻細(xì)骨料15%，外摻粗骨料25%，多種組合分別試驗(yàn)，檢測不同碾壓遍數(shù)的表觀密度和沉降量。由圖1至圖4可以看出，當(dāng)沉降量趨于穩(wěn)定時(shí)的最大表觀密度相對應(yīng)的碾壓遍數(shù)8（2靜6動）即為最佳碾壓遍數(shù)；當(dāng)碾壓遍數(shù)大于8時(shí)，出現(xiàn)翻漿或橡皮鼓和表面骨料分離等現(xiàn)象，表觀密度反而下降；當(dāng)碾壓遍數(shù)小于8時(shí)，沉降量還在增大，測得表觀密度不是最大值，抗?jié)B效果不好。因此，確定碾壓8遍是較為理想的參數(shù)。

圖1 外摻15%細(xì)骨料表觀密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

圖2 外摻25%粗骨料表觀密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

圖3 外摻15%細(xì)骨料沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

圖4 外摻25%粗骨料沉降量與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

表3 膠凝砂礫石不同齡期抗壓強(qiáng)度（C1806）檢測值

再固定碾壓遍數(shù)8（2靜6動），單位用水量100 kg和110 kg兩種組合，分別進(jìn)行試驗(yàn)，得出滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的最佳攤鋪厚度為45 cm。攤鋪厚度大于45 cm時(shí)，下層碾壓不密實(shí)；攤鋪厚度小于45 cm時(shí)，施工效率不高，且層間結(jié)合面較多，滲水通道增多。按《膠凝顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定，碾壓厚度不應(yīng)小于最大石粒徑（15 cm）的3倍，且最大厚度不宜超過70 cm，因此，確定攤鋪厚度45 cm為較理想的參數(shù)。

最后，固定碾壓遍數(shù)8（2靜6動），攤鋪厚度45 cm，得出外摻15%的細(xì)骨料最佳用水量為110 kg，外摻25%的粗骨料最佳用水量為100 kg。用水量大于110 kg時(shí)，出現(xiàn)沾碾現(xiàn)象；用水量小于100 kg時(shí)，出現(xiàn)骨料分離，且VC值大于25 s。

4.2 膠凝砂礫石不同齡期抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

采用150 mm立方體試件進(jìn)行不同齡期（7 d、14 d、28 d、180 d）抗壓強(qiáng)度相關(guān)性試驗(yàn)，得到檢測值共120組（見表3）。

根據(jù)《膠凝顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》中的膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度等級，按180 d齡期、150 mm立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值共分4級，即C1804、C1806、C1808、C18010。從表3的試驗(yàn)檢測值可知，180 d抗壓強(qiáng)度值平均為11.2 MPa和11.5 MPa，滿足C18010最高級及設(shè)計(jì)C1806要求。如按設(shè)計(jì)C1806來判斷強(qiáng)度合不合格，180 d時(shí)間太長，勢必造成實(shí)際施工耗費(fèi)工期過長，費(fèi)用較高不經(jīng)濟(jì)。為此，需總結(jié)出膠凝砂礫石不同齡期抗壓強(qiáng)度相互關(guān)系規(guī)律，以便由7 d、14 d、28 d科學(xué)地推斷出180 d強(qiáng)度去指導(dǎo)施工。通過整理分析膠凝砂礫石不同齡期抗壓強(qiáng)度檢測值，得出了相關(guān)函數(shù)關(guān)系（見表4），這樣既能保證守口堡水庫施工工期，又能為國內(nèi)今后類似工程設(shè)計(jì)及施工提供科學(xué)依據(jù)。

表4 膠凝砂礫石不同齡期抗壓強(qiáng)度相關(guān)函數(shù)關(guān)系

5 結(jié)論與建議

上述工藝試驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮設(shè)計(jì)指標(biāo)、施工效率、經(jīng)濟(jì)投資及施工安排等因素，我們可得出以下結(jié)論與建議，為類似工程提供參考。

5.1 膠凝砂礫石壩施工材料配合比

采用細(xì)砂礫石料時(shí)，適宜的配合比為：水泥50 kg，粉煤灰40 kg，水110 kg，砂礫石1 921 kg，外參石339 kg；采用粗砂礫石料時(shí)，適宜的配合比為：水泥50 kg，粉煤灰40 kg，水100 kg，砂礫石1 732.5 kg，外參石578 kg。

5.2 膠凝砂礫石壩施工鋪料厚度及碾壓次數(shù)

適宜的鋪料厚度為45 cm，碾壓遍數(shù)為8遍，其中靜碾2遍，動碾6遍。

5.3 膠凝砂礫石壩施工拌料設(shè)備與碾壓設(shè)備

膠凝砂礫石壩施工材料拌和，推薦采用專用拌和系統(tǒng)JGL200，拌和質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，生產(chǎn)能力可達(dá)200 m3/h；碾壓設(shè)備推薦采用26 t單鋼輪振動碾SSR260，設(shè)備間配套性較好。

5.4 膠凝砂礫石壩施工不同齡期抗壓強(qiáng)度間關(guān)系

膠凝砂礫石壩施工不同齡期抗壓強(qiáng)度間存在函數(shù)關(guān)系，由7 d、14 d、28 d齡期強(qiáng)度，可推斷出180 d齡期強(qiáng)度，據(jù)此指導(dǎo)施工，可有效控制工期不拖延，投資不突破概算。

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1008-0120（2017）01-0014-04

2016-08-30；

2016-10-29

郭增江（1968-）：男，工程師，副處長；通訊地址：山西省大同市魏都大道云頂雅園B座1310號，037000