色拉龍工程溢流面抗沖耐磨混凝土指標(biāo)分析

張錦燦，鄒仕華

(云南省能源投資集團有限公司,云南 昆明 650228)

1 溢流壩概況

色拉龍工程是一座中型水電站，屬二等大(2)型工程，其溢流壩是樞紐工程的主要建筑物之一，溢流面是溢流壩的重要組成部分。充分研究溢流面抗沖耐磨混凝土澆筑的主要指標(biāo)，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理。[1]色拉龍工程溢流壩段(10#～12#)共3個壩段，各壩段長度分別為23 m、25 m和23 m，最低建基面▽152.00 m，最大壩高67.5 m，壩基底寬59 m，壩頂高程▽219.5 m，上游壩坡▽219.50 m-▽193.50 m為鉛直面，▽193.50 m—▽185.50 m為1 ∶1向內(nèi)傾斜的斜坡，▽185.50 m—▽175.00 m為鉛直面，▽175.00 m—▽164.00 m為1 ∶0.4向外(上游)傾斜的斜坡，▽164.00—▽162.00 m為1 ∶1向外(上游)傾斜的斜坡，▽162.00 m向外(上游)延伸一個6.60 m的平臺，再鉛直面向下，直抵建基面▽152.00 m。共布置4孔14 m×17 m的泄洪表孔，鑲嵌4道直立檢修閘門和4道弧形工作閘門，表孔堰頂▽198.00 m。堰面采用開敞式堰面曲線，頂部向上游懸出5.5 m，原點上游采用1/4橢圓曲線x2/4.022+(1.80-y)2/1.802=1，原點下游接方程為Y=0.052 3X1.85冥曲線。堰面曲線與下游反弧段相接，反弧段半徑25 m，采用挑流消能。[2]閘墩長度36 m，閘墩厚度3 m，表孔溢流壩同時作為排污通道，參與水庫排污。閘墩下游坡面▽219.5 m—▽192.00 m為直立面，▽192.00 m—▽182.00 m為1 ∶1向外(下游)傾斜的斜坡，▽182.00 m向外(下游)延伸一個10.00 m的平臺，再鉛直面向下至▽168.00 m，▽168.00 m—▽166.00 m為1 ∶1向內(nèi)傾斜的斜坡，▽166.00 m以下為直立邊坡，直抵建基面墊層。

溢流壩表孔堰頂▽198.00 m，挑流消能底坎▽172.68 m，水能溢流落差25.32 m。溢流壩溢流面橫剖面弧長70.80 m，溢流面垂直投影至水平面上沿水流方向的水平長度56 m(垂直于壩軸線)。

2 溢流面的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

溢流面的主要結(jié)構(gòu)組成有高標(biāo)號混凝土、Ф25螺紋鋼等。工程量不算大，但價值高，部位重要。[3]溢流面的主要功能是抗沖耐磨，其表面應(yīng)光潔、防止開裂。

溢流面的弧面面積約3 965 m2，表面覆蓋0.5 m厚的抗沖耐磨混凝土C40W6F100(二)(注：C40為混凝土標(biāo)號；齡期為28 d；W6為抗?jié)B0.6 MPa；F100為抗凍100次循環(huán)；二個級配，骨料粒徑5～20 mm,20～40 mm,下同)。溢流面0.5 m表層以下，覆蓋1.5 m厚的C25 W6F100(二)溢流面混凝土。再往下部，在預(yù)留階梯狀的碾壓混凝土上布設(shè)垂直插筋和水平插筋，垂直插筋間排距均為1 m，水平插筋間距1 m，排距0.9 m，插筋伸入臺階與外露的長度均為1.5 m。這些是施工準(zhǔn)備階段的設(shè)計要求。

溢流面屬于溢流壩的重要組成部分，溢流壩的混凝土量144 074 m3，包括常態(tài)混凝土C20、C25、C30、C40和變態(tài)混凝土C18020W6F100(二)、碾壓混凝土C18015W4F50(三)、富膠凝碾壓混凝土C18020W6F100(二)，包含溢流面混凝土在內(nèi)的溢流壩段混凝土型號多達15種，而且彼此單價相差懸殊，最大者與最小者相差700有余，其經(jīng)濟指標(biāo)不容小覷。

色拉龍水電站溢流面抗沖耐磨混凝土設(shè)計技術(shù)指標(biāo)(見表1)，骨料級配試驗結(jié)果(見表2)。

表1 溢流面抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計技術(shù)指標(biāo)

表2 骨料最優(yōu)級配試驗結(jié)果

根據(jù)表2振實容重的試驗結(jié)果，骨料級配最佳比例為，二級配小石 ∶中石=40 ∶60(%)，該級配比例為最佳級配，其振實容重最大，空隙率最小。

溢流面抗沖耐磨混凝土二級配采用小石 ∶中石=40 ∶60(%)，在實際施工過程中根據(jù)施工的不同階段和骨料顆粒級配實際情況予以相應(yīng)的調(diào)整。

3 溢流面的設(shè)計優(yōu)化

設(shè)計優(yōu)化是一個極值的概念，并非“最”，而是“更”，體現(xiàn)在技術(shù)上的更可行，經(jīng)濟上更為合理。為增強溢流面表層混凝土抵抗表孔泄洪時產(chǎn)生脈動壓力的能力，原設(shè)計溢流面表層常態(tài)混凝土的厚度為2 m；同時為節(jié)約工程投資，降低因水泥用量過高導(dǎo)致混凝土開裂的風(fēng)險，溢流面表層采用厚0.5 mC40W6F100(二)混凝土，其下部為厚1.5 mC25W6F100(二)混凝土，并要求兩種混凝土整體澆筑。

但由于溢流面兩種混凝土需整體澆筑，對現(xiàn)場施工工藝要求較高，鑒于現(xiàn)場實際，經(jīng)復(fù)核分析，臨近澆筑前10個月的時候，對溢流面混凝土分區(qū)進行如下調(diào)整。

(1)將原設(shè)計1.5 m厚C25W6F100(二)混凝土0.5 m厚C40W6F100(二)混凝土調(diào)整為1.5 m厚C40W6F100(二)常態(tài)混凝土。先期澆筑的溢流壩碾壓混凝土與溢流面常態(tài)混凝土結(jié)合部位預(yù)留臺階，并且臺階尖角部位進行倒角處理。臺階高度從碾壓混凝土分層厚度0.3 m調(diào)整為1.8 m(臺階高度和寬度，臨近澆筑前1個月以工作聯(lián)系單形式，以施工、監(jiān)理、設(shè)計和業(yè)主代表簽字確認調(diào)整 。固化下來，作為現(xiàn)場實施和后續(xù)結(jié)算依據(jù))，便于現(xiàn)場大模板留足施工平臺，并保證溢流面C40W6F100(二)常態(tài)混凝土厚度不小于1.5 m。溢流面常態(tài)混凝土澆筑前，對下游側(cè)碾壓混凝土密實度進行檢測，密實度不滿足設(shè)計要求者予以鑿除。已澆臺階狀施工縫面在澆筑二期混凝土前按施工縫處理，進行鑿毛處理，清除碾壓混凝土施工縫表面的浮漿、污染物、不密實混凝土、松動骨料，并清洗干凈，保持清潔濕潤，臺階上攤鋪2～3 cm厚的M25水泥砂漿后澆筑常態(tài)混凝土。

(2)取消預(yù)留臺階的水平插筋，調(diào)整垂直插筋的位置，呈梅花分布，水平間距1 m，伸入一期混凝土1.5 m，并與表層鋼筋網(wǎng)焊接。若采用鉆孔埋設(shè)鋼筋，則須采用M25以上強度等級的微膨脹砂漿對豎向造孔進行全孔密實封孔，孔內(nèi)注滿砂漿后再插錨筋，確保全孔密實。

(3)溢流壩10#與11#壩段之間、11#與12#壩段之間溢流面兩道銅止水埋設(shè)位置，分別調(diào)整為距溢流面50 cm和100 cm。

(4)溢流面常態(tài)混凝土中埋設(shè)鐵質(zhì)冷卻水管，管內(nèi)徑34 mm，管壁厚2 mm，管外徑38 mm，按照1.5 m間距，埋深1.0 m，每段300 m以內(nèi)蛇形布置，一般通水時間28 d，根據(jù)溫度監(jiān)測情況適當(dāng)延長。澆筑完成的溢流面做好表面養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不小于90 d?？⒐を炇涨跋?，采用高強度微膨脹砂漿封堵冷卻水管進口和出口。

設(shè)計優(yōu)化的基本原則，體現(xiàn)工程質(zhì)量滿足合同條款約定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)上能夠?qū)嵤?jīng)濟上合理，實現(xiàn)質(zhì)量、技術(shù)和經(jīng)濟方面的綜合極優(yōu)化。

時至澆筑前3個月，迎來了質(zhì)量咨詢和大壩安全鑒定的國內(nèi)頂級權(quán)威專家組，通過他們的巡診把脈，設(shè)計院認為，參考國內(nèi)諸多成功經(jīng)驗，為減少溢流面開裂風(fēng)險，將第一次優(yōu)化的溢流面進行第二次優(yōu)化，將1.5米厚的C40W6F100(二)抗沖耐磨混凝土調(diào)整為1.5米后的C30W6F100(二)抗沖耐磨混凝土。

4 混凝土配制強度分析

混凝土配合比要求滿足混凝土的主要設(shè)計指標(biāo)，混凝土施工強度保證率，均勻性指標(biāo)和施工和易性要求，充分考慮到施工質(zhì)量的不均勻性，導(dǎo)致混凝土強度的波動，為此，混凝土配制強度留有一定的富余度。根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T5330—2015)、《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144—2015)中“配合比選定”的有關(guān)要求，混凝土配制強度按下式計算：

fcu,0=fcu,k+tσ

式中：fcu,0—混凝土的配制強度，MPa；

fcu,k—混凝土設(shè)計齡期的強度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；

t—概率度系數(shù)，當(dāng)保證率為P=95%時，t=1.645；

σ—混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa，其取值參照表3。

根據(jù)色拉龍工程的混凝土原材料、混凝土生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)質(zhì)量控制水平等實際情況，參照《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》(DL/T5330-2015)、《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144—2015)等標(biāo)準(zhǔn)，取其混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)差σ(見表3)?；炷翉姸缺ＷC率P為95%，則概率度系數(shù)t=1.645，混凝土配制強度(見表4)。

表3 混凝土、砂漿強度標(biāo)準(zhǔn)差σ

表4 混凝土配制強度

5 溢流面抗沖耐磨混凝土的骨料分析

色拉龍工程的天然建筑材料有砂巖料場和灰?guī)r料場提供選擇，砂巖分布在壩址周圍3 km范圍以內(nèi)(4#料場)，灰?guī)r分布在距壩區(qū)95 km以外(車邦砂石骨料場)。側(cè)重于經(jīng)濟性考慮，通過比選，砂巖作為非抗沖耐磨混凝土骨料。不過，砂巖料場的致命弱點不得不顧及，比如，砂巖料場中含有無用層的泥質(zhì)粉砂巖需剝離，砂巖骨料中的細骨料可能存在石粉含量高等，嚴格軋制試驗，確定質(zhì)量滿足設(shè)計要求。遠距離采購灰?guī)r，相對少量，節(jié)省投資，以灰?guī)r作為抗沖耐磨混凝土的骨料。

色拉龍工程4#料場砂巖經(jīng)砂石系統(tǒng)破碎加工而成的人工砂及老撾沙灣拿吉省車邦砂石骨料場生產(chǎn)的砂、石骨料。粗骨料按規(guī)范及設(shè)計要求分為：5～20 mm、20～40 mm二級。砂、石骨料物理性能試驗結(jié)果(見表5)，4#料場人工砂顆粒級配曲線(見圖1)、車邦料場人工砂經(jīng)篩除大于5 mm顆粒級配曲線(見圖2)。

表5 4#料場人工砂顆粒級配參數(shù)表

篩余重/g12平均分計篩余/%篩孔尺寸/mm累計篩余/%下限/%上限/%0.00.00.00.01000037.836.937.47.557.5010148.5150.1149.329.92.537.302572.771.672.214.41.2551.8105055.254.755.011.00.6362.8417049.348.949.19.80.31572.6709261.660.861.212.20.1684.88094

圖1 4#料場人工砂顆粒級配曲線

表6車邦料場人工砂經(jīng)篩分>5 mm顆粒級配參數(shù)表

篩余重/g12平均分計篩余/%篩孔尺寸/mm累計篩余/MM下限/%上限/%0.00.00.00.0100000.61.31.00.250.2010126.5129.2127.925.62.525.8025108.3113.1110.722.11.2547.9105082.180.681.416.30.6364.2417061.658.960.312.10.31576.2709236.034.635.37.10.1683.38094

圖2 車邦料場人工砂經(jīng)篩除>5 mm顆粒級配曲線

表6試驗結(jié)果表明，老撾色拉龍一級水電站工程4#料場砂巖經(jīng)砂石系統(tǒng)破碎加工而成的人工砂及老撾沙灣拿吉省車邦砂石骨料場生產(chǎn)的砂、石骨料，所檢的各項指標(biāo)符合規(guī)范及設(shè)計要求。

通過試驗，比選砂巖和灰?guī)r，分別作為抗沖耐磨混凝土骨料的各項技術(shù)指標(biāo)的變化(見表7)，提供現(xiàn)場擇優(yōu)采用，其混凝土配合比(見表8)。[4]

C30W6F100抗沖耐磨混凝土的配合比對照表8的做法，獲得相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場施工，在此省略相關(guān)數(shù)據(jù)。

表7 砂、石骨料物理性能試驗結(jié)果

6 溢流面抗沖耐磨混凝土開裂分析

溢流面混凝土開裂是一種普遍存在的現(xiàn)象，也是施工界和學(xué)術(shù)界長期爭論，無法徹底解決的實際問題，它會影響溢流壩工程的耐久性和實用性。[5]混凝土硬化過程是水泥水化作用的過程,水泥水化伴隨著發(fā)熱的化學(xué)反應(yīng)，水化熱升高混凝土溫度，引起絕熱溫升三四十?dāng)z氏度?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)很小，是不良導(dǎo)體。大體積混凝土內(nèi)部溫度升高，散熱慢，內(nèi)外溫差和溫度梯度過大，脹縮不均，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土抗裂能力時，混凝土就產(chǎn)生裂縫?；炷翝仓跗?，外界溫度驟降，也產(chǎn)生表面裂縫。剛性地基上澆筑混凝土，在降溫過程中，受基礎(chǔ)約束，也會產(chǎn)生拉應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土開裂。[6]

溢流面為橢圓和冥曲線組成的曲面，與之相接的消力底坎為一段圓弧。根據(jù)設(shè)計圖紙，溢流面厚度在1.5～2.8 m，其下層混凝土設(shè)計為臺階狀，臺階的尖角處溢流面混凝土厚度約1.5 m，其他部位厚度約2.8 m，受混凝土水化熱和混凝土自身應(yīng)力作用，容易在臺階尖角處形成應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂縫。

比較國內(nèi)類似的多個水電站溢流面，均存在不同程度的裂縫，都進行化學(xué)灌漿處理，而處理費用高，使電站的外觀質(zhì)量受到影響。因此，分析研究溢流面防裂技術(shù)，解決裂縫問題，不僅可以提高溢流面的施工質(zhì)量，為類似工程提供參考，而且可以大幅度減少后期混凝土缺陷處理費用。

7 溢流面抗沖耐磨混凝土開裂防范修補措施的經(jīng)濟性分析

在建設(shè)過程中，盡量減少開裂現(xiàn)象。既然開裂現(xiàn)象不可避免，那就要分析研究開裂修補措施。一旦出現(xiàn)開裂，先要檢測，通過檢測，確立開裂的具體位置、開裂的成因和開裂程度，再制定具有針對性的修補措施。開裂修補措施很多，常見的有灌注樹脂，柔性封閉，表面封閉，干嵌填法，自閉合，聚合物侵入，灌漿，釘合，黏貼，迭合面層，涂層，等方法。[7]

色拉龍工程溢流面抗沖耐磨混凝土的修補措施首選灌注環(huán)氧樹脂。先進行清基理層，再在底層涂三遍樹脂，鋪貼玻璃絲布，固化、修整，涂罩面樹脂，之后進行兩次蓄水實驗，保護面層。

這些修補過程會產(chǎn)生一定量的環(huán)氧樹脂等原材料費用、人工費用和機械設(shè)備費用，都應(yīng)含在PC單位的施工措施費中，不出現(xiàn)在PC合同清單里。[8]合同清單呈現(xiàn)的是合格產(chǎn)品，合格的單元工程或分部(分項)工程。

8 結(jié) 語

(1)色拉龍一級水電站溢流面抗沖耐磨混凝土，從設(shè)計到施工，從變更到單項投資調(diào)整，總結(jié)了比較寶貴的實踐經(jīng)驗，對今后類似工程具有較好的參考作用。

(2)采用4#料場砂巖經(jīng)砂石系統(tǒng)破碎加工而成的人工砂及沙灣拿吉省車邦砂石骨料場生產(chǎn)的砂、石骨料，作為色拉龍一級水電站溢流面抗沖耐磨混凝土的原材料，其試驗結(jié)果滿足各項指標(biāo)規(guī)范要求和設(shè)計要求。

(3)在施工過程中，必須采取嚴格控制原材料質(zhì)量、水泥用量、澆筑過程、面層保護及養(yǎng)護等應(yīng)對措施，以減少溢流面抗沖耐磨混凝土表面裂縫的出現(xiàn)。

(4)防止溢流面抗沖耐磨混凝土開裂，保溫保濕養(yǎng)護是關(guān)鍵。一旦出現(xiàn)開裂，化灌等的開支將遠超出骨料調(diào)整和養(yǎng)護等發(fā)生的費用。

(5)抗沖耐磨混凝土坍落度為80～120 mm。

(6)抗沖耐磨混凝土宜選用≥42.5強度等級的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水膠比應(yīng)<0.40。

(7)施工時混凝土配合比原材料的品質(zhì)均應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范及設(shè)計文件的要求，在現(xiàn)場拌和過程中，必須保證混凝土配合比原材料的計量準(zhǔn)確。