堆石混凝土筑壩技術(shù)在遵義的推廣應(yīng)用

陳 波，余明陽(yáng)，朱 彬

(遵義市水利工程建設(shè)質(zhì)量安全服務(wù)站，貴州 遵義 563000)

1 概述

堆石混凝土(rock-filled concrete，簡(jiǎn)寫RFC)技術(shù)是2003年由清華大學(xué)金峰教授和安雪暉教授提出的，以自密實(shí)混凝土(self-compacting concrete，簡(jiǎn)寫SCC)技術(shù)為基礎(chǔ)而發(fā)展的一種新型大體積混凝土施工技術(shù)[1]，并于2004年取得國(guó)家發(fā)明專利。

該技術(shù)是建立在自密實(shí)混凝土技術(shù)基礎(chǔ)上，主要利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性、高穩(wěn)定性與抗分離性能好的特點(diǎn)，在大粒徑骨料(最大骨料粒徑可在300mm以上)內(nèi)隨機(jī)充填自密實(shí)混凝土而形成混凝土堆石體的一種新型混凝土技術(shù)[2]。

相比較于普通混凝土，堆石混凝土主要優(yōu)點(diǎn)為：水泥使用量小，絕熱溫升數(shù)值低；造價(jià)低；施工速度快，質(zhì)量有保證；強(qiáng)度高，耐久性好[3]。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，堆石混凝土技術(shù)作為建筑新技術(shù)，近年來(lái)逐漸推廣應(yīng)用于水利工程建設(shè)，特別是壩工建設(shè)中。

2 遵義堆石混凝土壩概況

遵義市是國(guó)內(nèi)堆石混凝土筑壩技術(shù)推廣應(yīng)用較早的地區(qū)之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年至2018年底，全市已開(kāi)工建設(shè)的水庫(kù)工程共50座，其中堆石混凝土壩16座，占比為32.0%；目前，已經(jīng)完建或正在進(jìn)行堆石混凝土澆筑(以下簡(jiǎn)稱“已建、在建”)的堆石混凝土壩有10座，占比為20.0%。

2.1 基本情況分析

開(kāi)工建設(shè)的16座堆石混凝土壩基本情況見(jiàn)表1。

對(duì)表1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得到以下基本結(jié)論：

(1)目前采用堆石混凝土筑壩技術(shù)的水庫(kù)工程以小型水庫(kù)為主14座，占比87.5%，另有中型水庫(kù)2座，占比12.5%；壩型以重力壩為主14座，占比81.3%，另有單曲拱壩1座占比6.2%，雙曲拱壩2座占比12.5%。反映了目前堆石混凝土筑壩技術(shù)作為新興事物，總體上以求穩(wěn)為主，目前已經(jīng)可以成熟應(yīng)用于小型工程規(guī)模的重力壩。打鼓臺(tái)水庫(kù)是貴州省建設(shè)的第一座新建堆石混凝土壩，已建成蓄水運(yùn)行。

(2)最大壩高均為中壩級(jí)別(30～70m)以下，高壩級(jí)別應(yīng)用尚未實(shí)際開(kāi)展。綠塘水庫(kù)大壩為單曲拱壩，工程規(guī)模為中型，是貴州省第一座堆石混凝土拱壩，目前大壩主體土建工程已經(jīng)完成。此外，桐梓縣楊公巖水庫(kù)為小(1)型水庫(kù)，大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高65.5m，接近高壩級(jí)別；目前已經(jīng)獲得初步設(shè)計(jì)批復(fù)，預(yù)計(jì)今年主體工程動(dòng)工，屆時(shí)將對(duì)堆石混凝土高壩級(jí)別應(yīng)用提供進(jìn)一步實(shí)踐支撐。

2.2 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

已建、在建的10座堆石混凝土壩工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

對(duì)表2進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得到以下基本結(jié)論：

(1)大壩建基面(壩基、壩肩)巖性以硬巖(灰?guī)r、個(gè)別項(xiàng)目為砂巖)為主，部分工程為軟巖(頁(yè)巖、泥巖、泥灰?guī)r、粉砂巖)。表明：大壩基礎(chǔ)(壩基、壩肩)宜為硬巖，但不是剛性要求，對(duì)于軟巖基礎(chǔ)通過(guò)針對(duì)性設(shè)計(jì)處理也是可行的。

表1 開(kāi)工建設(shè)堆石混凝土壩基本情況統(tǒng)計(jì)表

表2 已建、在建堆石混凝土壩相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

(2)混凝土骨料、堆石料巖性均為灰?guī)r。一方面是因?yàn)榛規(guī)r硬度大、強(qiáng)度高、破碎加工后骨料較飽滿且粉塵含量容易控制；另一方面，遵義是石灰?guī)r分布較為廣泛地區(qū)，據(jù)統(tǒng)計(jì)石灰?guī)r分布占比65%以上，對(duì)于廣泛推廣使用堆石混凝土筑壩技術(shù)有著得天獨(dú)厚的條件。

(3)自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)齡期、抗壓強(qiáng)度、抗凍和抗?jié)B指標(biāo)均和普通混凝土壩設(shè)計(jì)要求類似，說(shuō)明總體上遵循混凝土壩設(shè)計(jì)的基本要求，特別是設(shè)計(jì)齡期均為90天，反映了降低混凝土早期強(qiáng)度、減少水化熱以降低溫控應(yīng)力、同時(shí)也是減少水泥用量降低投資的需要。自密實(shí)堆石混凝土容重通?？梢赃_(dá)到2500kg/m3以上；各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求，特別是在抗壓、抗剪強(qiáng)度方面有足夠的安全富余系數(shù)[4]。堆石混凝土澆筑可適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土拌制時(shí)間，提高拌合物的質(zhì)量[5]。

(4)壩基(肩)墊層混凝土設(shè)置、防滲結(jié)構(gòu)、壩體結(jié)構(gòu)分縫等設(shè)計(jì)要求不一。其原因主要是目前水利行業(yè)僅發(fā)布了SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》，屬于推薦性標(biāo)準(zhǔn)，且該導(dǎo)則關(guān)于大壩設(shè)計(jì)的大多數(shù)要求是按照剛性壩相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，并未細(xì)化。前述10個(gè)工程分別由3家勘察設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，除了對(duì)于河床壩基均設(shè)置1.0m厚C15或C20普通混凝土墊層外，對(duì)于壩肩混凝土設(shè)置、大壩防滲結(jié)構(gòu)、壩體及防滲層分縫各有其設(shè)計(jì)理念。可以判定壩高40.0m以下的堆石混凝土重力壩，取消壩肩普通混凝土墊層和上游壩面防滲層是可行的，對(duì)于加快工期極為有利；壩高40m以上堆石混凝土重力壩，可考慮加大橫縫寬度甚至在適當(dāng)幅度內(nèi)取消橫縫——打鼓臺(tái)水庫(kù)大壩僅在壩基巖性變化處設(shè)置2道橫縫，通過(guò)埋設(shè)儀器監(jiān)測(cè)壩體堆石混凝土溫升情況，成果表明，壩體堆石混凝土澆筑兩周之內(nèi)，因受水化溫升影響，其溫度達(dá)到最高，然后開(kāi)始緩慢下降，最大溫升值9.2℃，工程建成后全面檢查未發(fā)現(xiàn)裂縫等異常情況，建成蓄水運(yùn)行正常[6]；有研究表明，堆石混凝土水化升溫低的主要原因是大石能夠吸收一部分自密實(shí)混凝土感化產(chǎn)生的水化熱，可以達(dá)到減少大體積混凝土水化熱的目的[7]。茍江水庫(kù)工程為雙曲拱壩，設(shè)計(jì)壩體橫縫6條，實(shí)施至約1/2大壩高度時(shí)減少2條橫縫；綠塘水庫(kù)工程充分利用堆石混凝土水化升溫低的特點(diǎn)，壩體未設(shè)置橫縫，并采用通倉(cāng)澆筑方式。

2.3 主要施工參數(shù)分析

已建、在建的10座堆石混凝土壩工程主要施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3—4。

對(duì)表3、表4進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可得到以下基本結(jié)論：

(1)混凝土以及塊石運(yùn)輸方式與常規(guī)大壩混凝土運(yùn)輸方式總體上相同，但也有所區(qū)別。一方面基于混凝土在添加適量專利外加劑后自身密實(shí)性較好、坍落度較大，部分工程采用溜管垂直運(yùn)輸高度超過(guò)30m時(shí)未采用真空(負(fù)壓)溜槽，僅采用封閉型溜管即可確?；炷敛话l(fā)生離析；另一方面，基于混凝土不需要碾壓或振搗的材料特點(diǎn)，前述工程中有3個(gè)工程采用布料機(jī)入倉(cāng)工藝，提高了澆筑效率和澆筑質(zhì)量。

表3 已建、在建堆石混凝土壩主要施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(1)

表4 已建、在建堆石混凝土壩主要施工參數(shù)統(tǒng)計(jì)表(2)

(2)坍落度、擴(kuò)展坍落度、V型漏斗通過(guò)時(shí)間均屬于混凝土和易性重要指標(biāo)，也是決定工程成敗的關(guān)鍵。前述工程由于氣候條件、水泥、骨料、澆筑分層厚度等情況不一，試驗(yàn)成果有細(xì)微差異，并經(jīng)過(guò)實(shí)踐進(jìn)一步確定適用參數(shù)。總體上，坍落度250～280mm、擴(kuò)展坍落度600～750mm、V型漏斗通過(guò)時(shí)間7～25s。

(3)大壩上下游立面支模型式有9個(gè)工程采用鋼模、1個(gè)工程采用砼預(yù)制塊；其中采用鋼模的項(xiàng)目有5個(gè)工程采用內(nèi)拉鋼模、4個(gè)工程采用懸臂鋼模；總體上與普通混凝土壩類似。重力壩倉(cāng)面大、澆筑量大，機(jī)械化程度高、模板費(fèi)用占比較小、采用內(nèi)拉鋼模、懸臂鋼模較為合適一些；綠塘水庫(kù)工程大壩為拱壩，澆筑量相對(duì)較小，技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，采用砼預(yù)制塊作為大壩上下游立面支模型式(作為永久結(jié)構(gòu)的一部分)，其主要目的：有效控制壩體體型、減少模板投資、不用設(shè)置內(nèi)拉筋以便于堆石和澆筑、避免鋼模板附近膠凝材料聚集導(dǎo)致砼收縮產(chǎn)生表面溫度裂縫。有關(guān)研究成果表明，堆石混凝土壩立面模板形式除采用傳統(tǒng)模板外，也可采用砌石墻或預(yù)制混凝土塊作為模板；模板及其支護(hù)件應(yīng)具有足夠的承載能力、剛度和穩(wěn)定性，能可靠地承受自密實(shí)混凝土的側(cè)壓力以及施工過(guò)程中產(chǎn)生的荷載[8]。前述工程對(duì)此做了有益的嘗試。

(4)最大堆石混凝土(RFC)使用量為石壩河水庫(kù)工程，使用量17.92萬(wàn)m3，澆筑最大強(qiáng)度14000m3/月，計(jì)劃平均澆筑強(qiáng)度12800m3/月，計(jì)劃澆筑工期(含墊層混凝土)16個(gè)月，預(yù)測(cè)澆筑強(qiáng)度偏大難以實(shí)現(xiàn)；最小堆石混凝土使用量為茍江水庫(kù)工程，使用量1.67萬(wàn)m3，澆筑最大強(qiáng)度3300m3/月，計(jì)劃平均澆筑強(qiáng)度2800m3/月，計(jì)劃澆筑工期(含墊層混凝土)12個(gè)月。茅坡水庫(kù)工程堆石混凝土澆量54300m3，澆筑最大強(qiáng)度13800m3/月，平均澆筑強(qiáng)度7880m3/月，工期效益明顯；茍江水庫(kù)工程為雙曲拱壩、體型較薄、澆筑量較小，且設(shè)計(jì)分縫較多，未體現(xiàn)堆石混凝土施工工期優(yōu)勢(shì)。

(5)最大分倉(cāng)寬度29.5～80.0m，單倉(cāng)堆石混凝土最大澆筑強(qiáng)度600～5220m3。綠塘水庫(kù)大壩壩中溢流堰以下壩體采用通倉(cāng)澆筑，最大寬度為80m，遠(yuǎn)超普通混凝土工程分倉(cāng)寬度，大幅度提高了施工效率；茍江水庫(kù)大壩為雙曲拱壩，受體型限制，單倉(cāng)最大RFC澆筑強(qiáng)度600m3；茅坡水庫(kù)大壩為重力壩，而且施工條件較好、機(jī)械化程度高，單倉(cāng)最大RFC澆筑強(qiáng)度5220m3，工效明顯。

(6)澆筑分層厚度在1.28～2.0m之間，其中7個(gè)工程為2.0m，表明2.0m左右為最佳澆筑分層厚度；綠塘水庫(kù)大壩采用混凝土預(yù)制塊作為立面模板，為保證混凝土入倉(cāng)的側(cè)向穩(wěn)定，故分層厚度偏小。

(7)堆石混凝土投標(biāo)單價(jià)240.48～307.00m3元之間，雖然可能存在投標(biāo)策略因素造成的人為偏差，但總體上低于相應(yīng)普通混凝土單價(jià)，從而降低工程建設(shè)投資，這也是其推廣應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)之一。

(8)混凝土在堆石混凝土中的占比45%～55%，單方混凝土水泥使用量135～170kg，單方混凝土使用專利外加劑5.5～7.0kg?；炷琳急戎饕桥c選用的骨料和塊石巖性、質(zhì)量有關(guān)；水泥使用量均低于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的普通混凝土；專利外加劑為聚羧酸系高效減水劑，目前采購(gòu)價(jià)約1萬(wàn)元/t，約占混凝土成品價(jià)格的10%～15%。如果能夠進(jìn)一步減少混凝土占比，則無(wú)論是壩工結(jié)構(gòu)處理、投資還是工期都將更為領(lǐng)先于普通混凝土壩。

2.4 澆筑實(shí)體質(zhì)量檢測(cè)

國(guó)家或行業(yè)層面對(duì)于堆石混凝土壩實(shí)體澆筑質(zhì)量檢測(cè)方法目前沒(méi)有強(qiáng)制性規(guī)定，也沒(méi)有成熟可靠的檢測(cè)手段。行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)——SL 678—2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》建議：堆石混凝土澆筑質(zhì)量通過(guò)孔內(nèi)電視檢測(cè)、孔內(nèi)聲波檢測(cè)、挖坑法等方法綜合評(píng)價(jià)；強(qiáng)度檢驗(yàn)與評(píng)定宜采用鉆孔取芯的方法，芯樣直徑不宜小于200mm[9]?？陀^講，其具體實(shí)踐指導(dǎo)性尚不足以滿足工程質(zhì)量檢測(cè)需要。

遵義目前已建、在建工程主要采取壩體鉆孔進(jìn)行孔內(nèi)壓水試驗(yàn)檢測(cè)透水率和孔內(nèi)聲波檢測(cè)，配合鉆孔取芯進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能檢測(cè)的實(shí)體質(zhì)量檢測(cè)方法。

鑒于堆石混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不是各向同性，鉆孔取芯芯樣的樣本代表性相對(duì)較差，利用芯樣進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能檢測(cè)成果對(duì)于評(píng)判實(shí)體質(zhì)量不具備普遍性；相對(duì)而言，采用壓水試驗(yàn)不僅能反映壩體的防滲質(zhì)量，還能檢查壩體施工縫結(jié)合面的滲透情況，便于發(fā)現(xiàn)較隱蔽的滲徑并及時(shí)處理，確保大壩整體防滲效果滿足設(shè)計(jì)要求[10]。以打鼓臺(tái)水庫(kù)工程為例，于大壩封頂并達(dá)到設(shè)計(jì)齡期后，在壩頂鉆2處￠75孔(孔深均為25m)作孔內(nèi)壓水試驗(yàn)檢測(cè)壩體透水率兼作孔內(nèi)聲波檢測(cè)，并輔以鉆3處￠219孔(孔深20～35m)取芯檢查芯樣抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能。還需要指出的是，對(duì)于雙曲薄拱壩，大壩體型較小，如果在大壩澆筑完成后再進(jìn)行壩頂鉆孔檢測(cè)可能危及大壩結(jié)構(gòu)安全。

如何能夠?qū)ζ鋵?shí)體質(zhì)量進(jìn)行全面、科學(xué)、真實(shí)評(píng)判是極需解決的課題。對(duì)于整個(gè)壩體實(shí)體質(zhì)量，最終還是要依靠建成蓄水以后的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)判定，特別是加強(qiáng)滲流監(jiān)測(cè)是找到質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)的有效方法。

3 存在問(wèn)題

綜上所述，堆石混凝土筑壩技術(shù)作為10多前的一項(xiàng)建筑新技術(shù)，尚存在一些不足，如：設(shè)計(jì)理論體系尚未完全構(gòu)建，相應(yīng)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未出臺(tái)，堆石混凝土使用量少的工程在造價(jià)方面的優(yōu)勢(shì)不明顯，薄拱壩建設(shè)工期優(yōu)勢(shì)未體現(xiàn)，高壩級(jí)別應(yīng)用實(shí)踐處于探索起步階段，實(shí)體質(zhì)量檢測(cè)方法還不成熟等。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)前述堆石混凝土壩工程基本情況、相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、主要施工參數(shù)等的統(tǒng)計(jì)分析研究，相比較于普通混凝土，堆石混凝土在水泥使用量、溫控處理、機(jī)械化程度、減少人為誤差、混凝土強(qiáng)度、節(jié)能減排、建設(shè)工期、工程造價(jià)等諸方面均有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)；僅就目前而言，尤其適用于灰?guī)r及類似硬巖分布廣泛地區(qū)的中低壩建設(shè)。本文相關(guān)研究成果可為類似工程提供參考。

(2)相信在國(guó)家和行業(yè)各級(jí)主管部門的支持下，在專利單位、相關(guān)科研單位、各參建單位的共同努力下，目前存在的不足將逐漸消除，堆石混凝土筑壩技術(shù)將更為成熟可靠，在水利工程建設(shè)中的推廣應(yīng)用前景必將是廣闊、深遠(yuǎn)和革命性的。