自密實堆石混凝土在石馬水庫中的應用

江趙平，袁 敏

(恩施州水利水產局,湖北 恩施 445000)

石馬水庫位于湖北省恩施州宣恩縣境內，水庫總庫容65.68萬m3，是一座以村鎮(zhèn)供水及工業(yè)供水為主，兼顧一定防洪等綜合利用的小(Ⅱ)型水庫。樞紐工程的重力壩采用的是自密實堆石混凝土，其自密實堆石混凝土總方量為6.2萬m3，混凝土含量2.79萬m3，堆石含量占55%，工程總投資6095.88萬元。石馬水庫是恩施州境內第一個應用自密實堆石混凝土材料的項目，取得了非常好的效果，具有低水泥用量、低水化熱、機械化施工、縮短工期、降低施工成本、綜合性能穩(wěn)定等方面的優(yōu)勢，同時，應用過程中在設計階段、施工階段、質量控制與檢測等方面存在一些問題，需要在以后的推廣應用中予以解決。

1 自密實堆石混凝土筑壩施工流程

石馬水庫自密實堆石混凝土總填筑方量和混凝土方量，相較于常態(tài)混凝土重力壩，混凝土方量大幅度減少，同時省略了混凝土澆筑的振搗工序，減少和消除了溫控措施[1]，施工工藝相對簡單。由基礎開挖、洞挖、爆破開采的石料均可用作堆石料的來源，優(yōu)先采用汽車運輸直接到倉面，在局部不方便使用汽車運輸的部位，采用塔式起重機運輸。自密實混凝土的生產使用強制式拌合樓，由混凝土輸送泵將混凝土輸送入倉。工程應用表明，自密實堆石混凝土技術從堆石料的開采及運輸入倉、混凝土的攪拌及運輸均可以實現(xiàn)機械化施工，極大地降低了與人為因素密切相關的管理和技術水平對工程質量的影響，同時可大幅度縮短施工工期。

堆石混凝土技術施工工藝簡單，主要有倉面處理、模板施工、堆石的選取與入倉、自密實混凝土施工和堆石混凝土養(yǎng)護共5道程序。其主要流程如下。

(1)倉面處理：需滿足表面清洗干凈無積水等常態(tài)要求。

(2)模板施工：與常態(tài)混凝土的要求基本一致，但更加嚴格，須保證更好的穩(wěn)定性、剛性和密閉性。

(3)堆石的選取與入倉：堆石料所選取的塊石粒徑不應小于300mm，根據堆石的運輸及入倉能力選取盡可能大的塊石；可通過裝載機、挖掘機等設備裝車利用自卸汽車運輸至指定地點。對于含泥土較多的堆石料應增設清洗工序。堆石入倉的最佳方式是采用自卸汽車直接從料場將堆石料運至倉面堆積，自卸汽車無法到達倉面時可以通過塔機等方式將堆石料吊運至倉面內。

(4)自密實混凝土施工：須使用強制式攪拌站或攪拌樓進行生產自密實混凝土。在90min內運抵現(xiàn)場直接澆筑，無須振搗即可密實。自密實混凝土的最佳澆筑方式為泵送澆筑，若施工現(xiàn)場不具備泵送條件，則可考慮其他澆筑方式。

(5)堆石混凝土的養(yǎng)護：與常態(tài)混凝土相同，養(yǎng)護完成且性能檢測合格后即可連續(xù)循環(huán)施工。

自密實堆石混凝土筑壩施工流程如圖1所示。

表1 自密實混凝土與常態(tài)混凝土配合比及材料用量

圖1 自密實堆石混凝土筑壩施工流程示意圖

2 自密實堆石混凝土筑壩技術優(yōu)點

2.1 低水泥用量和低水化熱

自密實堆石混凝土堆石含量達55%，極大地降低了水泥用量，加之自密實混凝土可外摻粉煤灰、礦渣粉、石粉等材料，進一步降低了水泥用量。單位方量自密實混凝土與常態(tài)混凝土材料用量見表1。

由表1可知，石馬水庫采用C20等級自密實堆石混凝土，每砌筑方水泥用量94kg，常態(tài)混凝土水泥用量289kg/m3，節(jié)省水泥67%。水泥用量的減少可大幅度降低水化熱，工程實踐監(jiān)測絕熱溫升不超過20℃，從而極大簡化溫控措施[1]。

2.2 機械化施工縮短工期

自密實堆石混凝土施工工序主要包括堆石料開采運輸入倉和自密實混凝土的攪拌運輸入倉兩道工序[3- 6]，均使用常態(tài)機械設備，具備實現(xiàn)機械化生產的條件，避免了人為的干擾。

通過合理的施工平面布置，兩道工序可以同時進行，在空間與時間上形成兩個獨立的工作系統(tǒng)，互不干擾，成倍的提高了生產效率，同時大幅度降低了設備生產強度。另外，低水泥用量與低水化熱減少了溫控措施，堆石料的利用減少了混凝土生產方量，自密實混凝土免除振搗工序等都為縮短工期提供了強有力的保證。此外，自密實堆石混凝土層面堆石料裸露，增加了層間混凝土的結合面，相較常態(tài)混凝土而言，省去了結合面的人工鑿毛工序，顯著縮短工期。

2.3 降低施工成本

自密實堆石混凝土重力壩和常態(tài)混凝土重力壩大壩工程量和投資對比見表2。

表2 自密實混凝土重力壩與常態(tài)混凝土重力壩大壩部分工程量及投資對比表

由表2可知，石馬水庫常態(tài)混凝土方案大壩部分工程投資3646.70萬元，自密實堆石混凝土方案大壩部分工程投資3171.05萬元，節(jié)省投資475.66萬元，在相同條件下較常態(tài)混凝土成本降低15%，主要通過3個方面實現(xiàn)。

(1)石馬水庫堆石含量占砌筑總方量的55%，減少膠凝材料用量，材料成本較膠凝材料有所降低。

(2)石馬水庫自密實混凝土的含量為砌筑總方量的45%，混凝土攪拌運輸入倉等工序的施工成本更能夠顯著降低。

(3)石混凝土施工機械化程度高，簡化或消除了溫控措施，澆筑過程免去了振搗工序，都可降低施工成本[4- 7]。

2.4 綜合性能穩(wěn)定安全系數高

自密實堆石混凝土由堆石料和自密實混凝土構成。堆石料相互搭接，在結合面裸露形成菱角，增加結合面的咬合力，可以顯著提高結合面抗剪能力、材料抗壓性能和結構體積穩(wěn)定性；而自密實混凝土由于其流動性能、充填性能、抗離析性能良好，在澆筑過程中不離析、不泌水，既保證了自密實混凝土的充填均勻性，又避免了混凝土與骨料膠結面過渡區(qū)薄弱層的產生[8- 9]。

3 自密實堆石混凝土筑壩技術面臨的問題

3.1 設計階段的問題

(1)目前，沒有相關堆石混凝土壩設計規(guī)范，主要依據SL 678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》(以下簡稱導則)開展設計工作，而《導則》中對大壩設計的要求大部分按照已有剛性壩的相關規(guī)范執(zhí)行，設計人員在選擇規(guī)范時存在不一致的問題。石馬水庫設計階段分別選取了SL 25—2006《砌石壩設計規(guī)范》、SL 319—2005《混凝土重力壩設計規(guī)范》為參照依據進行對比分析，設計成果相差較大，僅工程總投資就相差22%。

(2)《導則》對適用范圍、橫縫設置間距、防滲層等的要求相較于剛性壩規(guī)范相差較大，實際設計過程中選取標準不一致，突破規(guī)范要求現(xiàn)象時有發(fā)生，其安全性有待進一步考證。《導則》對堆石混凝土重力壩提出橫縫設置間距宜為20～30m，石馬水庫對《導則》有所突破，重力壩壩體最長壩段分縫長度達到45m；《導則》中堆石混凝土壩防滲層要求壩高小于30m時可采用壩體自身防滲，并對壩體與壩基的連接進行防滲設計，石馬水庫在設計上對規(guī)范建議值也有突破，壩高為56m堆石混凝土重力壩，未單獨設置防滲層，直接利用壩體防滲。

3.2 施工階段的問題

(1)在大壩下部倉面較大區(qū)域采用汽車運輸入倉、挖機平倉，施工速度較快，在大壩上部結構倉面不具備汽車運輸入倉、挖機平倉條件時，堆石主要依靠塔吊入倉、人工平倉，雖然可以減少自密實混凝土用量，但需要大量的人工輔助，施工進度較慢，經濟性不高。

(2)為更好的解決層間結合問題，下層澆筑時堆石應外露，澆筑后倉面基礎不平整，汽車運輸條件較差。石馬水庫堆石入倉首選運輸方式為自卸汽車運輸入倉，為保證運輸條件，在施工時需人工預留汽車通道，澆筑倉面基本無堆石外露，在上層澆筑時需對預留運輸通道進行鑿毛處理，處理工作量偏大。

3.3 質量控制及檢測存在的問題

(1)目前，堆石混凝土對塊石、粉煤灰、水泥等原材料質量要求較高，批次不同需重新校對混凝土配合比。同時堆石混凝土汽車運輸堆石入倉，石料的沖洗質量較難控制，常有碎屑或泥土帶入倉面，汽車運輸時又會發(fā)生壩面工程的破壞和雜物混合料一起進倉的問題，堆石料入倉后若遇雨水沖刷，導致泥漿、石粉在接觸層面上沉積，沉積物處理較困難。

(2)拌合料質量控制難度大，施工現(xiàn)場需要進行水泥、粉煤灰、用水量以及外加劑等數量的現(xiàn)場調整，人為因素較多，致使出現(xiàn)一些混凝土過早離析、坍落度保持時間短、輸送管被堵等問題，還需要進一步完善技術。另外，自密實堆石混凝土壩無成熟的質量檢測和評定標準，現(xiàn)場質量難以控制。

4 結語

針對上述設計階段無規(guī)程規(guī)范、施工階段模板成本高、高倉面堆石料運輸難度大、現(xiàn)場質量控制難、無統(tǒng)一質量檢測與評定標準等問題，急需采取有效措施解決。

4.1 加快行業(yè)技術標準的制定出臺

堆石混凝土作為一種混凝土材料仍應按照混凝土重力壩和拱壩的相關設計規(guī)范進行設計，在大壩布置、壩體結構、泄水建筑物、結構計算、壩體斷面等方面與常態(tài)混凝土保持一致，但在壩體分縫和止水、壩體防滲和排水、溫度控制和細部構造等方面既不等同于混凝土重力壩，不完全符合砌石混凝土重力壩，急需編制水電行業(yè)堆石混凝土筑壩技術設計規(guī)范，并對相應內容做出具體規(guī)定。目前，《堆石混凝土筑壩技術導則》(下稱《導則》)尚在編制審批過程中，在《導則》等行業(yè)規(guī)定正式發(fā)布前，地方水行政主管部門在推廣應用自密實堆石混凝土的過程中應聯(lián)合質量監(jiān)督機構、專利提供方和科研機構制定施工、質量控制、檢測和評定等技術標準，以便在施工過程中控制工程質量，確保工程安全。

4.2 優(yōu)化設計方案和施工組織

隨著澆筑高度的提升，大壩上部結構倉面堆石主要依靠塔吊入倉、人工平倉，需要大量的人工輔助，施工進度較慢，經濟性不高。建議設計單位進行多方案比選：通過大壩下部結構采用自密實堆石混凝土上部結構采用常態(tài)混凝土的方案與全壩高采用自密實堆石混凝土方案進行比較，論證方案的可行性，尋找出經濟合理的自密實堆石混凝土適用壩高，優(yōu)選技術合理和經濟優(yōu)越的方案和結構斷面，為工程建設提供重要的設計技術保障[10]。

為保證運輸條件而預留汽車通道的鑿毛處理工作量大。建議施工單位在施工過程中不斷優(yōu)化施工組織設計方案，合理確定汽車運輸路線，盡量減少汽車運輸通道所占面積，減少鑿毛工作量；同時，積極采取先進施工設備，采用專業(yè)的鑿毛機械，減少人工工作量，加快施工進度。

4.3 強化質量控制體系，加強工程質量檢測

自密實堆石混凝土作為一種新型材料，其質量檢測和評定標準不完善，現(xiàn)場質量控制難度大，參建單位要不斷提升質量意識、完善質量管控機制、落實質量責任。嚴格執(zhí)行施工單位自檢、監(jiān)理單位平行檢測、項目法人抽檢制度。

堆石混凝土的工程質量檢測主要包括3個部分：一是原材料的性能檢測，包括自密實混凝土的原材料和堆石料；二是自密實混凝土的性能檢測；三是堆石混凝土澆筑質量的檢測。其中第一、二部分與傳統(tǒng)混凝土的檢測要求基本一致，而在堆石混凝土的澆筑質量檢測方面則需要借助現(xiàn)有的技術手段進行進一步探索。堆石混凝土的澆筑質量主要包括密實度、堆石混凝土強度和抗?jié)B性能，其中密實度可通過孔內電視、孔內聲波檢測和挖坑法等方法檢測；堆石混凝土澆筑強度工程檢測則需要通過鉆孔取芯對芯樣的抗壓強度進行檢測；堆石混凝土的工程抗?jié)B性能檢測則需要通過鉆孔壓水試驗方法進行檢測。