膠凝砂礫石過水圍堰填筑材料特性研究

戈雪良，陸采榮，3，張金海，梅國興，劉偉寶，王 珩，楊 虎

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.國家能源水電工程安全與環(huán)境技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 南京 210029；4.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214 )

1 研究背景

20世紀(jì)70年代美國加州大學(xué)伯克利分校Raphael[1]教授最早提出了用水泥膠結(jié)堆石料筑壩的構(gòu)思，認(rèn)為在重力壩和堆石壩之間存在一種最優(yōu)壩型，壩體剖面介于重力壩與堆石壩之間、其填筑材料的性能也介于混凝土與堆石料之間，并稱之為“最優(yōu)重力壩(Optimun gravity dam)”。1992年，Londe將該類型筑壩材料命名為Hard-fill，并指出該筑壩材料應(yīng)采用與其相對應(yīng)的新壩型— FSHD(Faced Symmetrical HardfillDam)，基本剖面應(yīng)為對稱梯形，并在上游設(shè)置防滲面板，該新壩型不僅具有造價低廉、施工便利的特點，而且應(yīng)具有更高的安全性和更好的抗震性能[2]。1993年，希臘建成了世界上第一座膠凝砂礫石壩，Marathia壩(壩高25 m)[3]；2002年，土耳其建設(shè)了目前世界上最高的膠凝砂礫石壩，Cindere壩(壩高107 m)[4]。我國自2004年貴州道塘水庫上游圍堰(高7 m)[5]采用膠凝砂礫石填筑材料以來，已有街面、洪口、功果橋等幾座水電站圍堰采用了膠凝砂礫石筑壩材料[6-7]，該筑壩技術(shù)及相關(guān)基礎(chǔ)科研工作在國內(nèi)取得了較大的發(fā)展[8-10]。

大華橋水電站攔河壩施工導(dǎo)流采用斷流圍堰一次攔斷河流，枯水期圍堰擋水、導(dǎo)流隧洞泄流，汛期基坑和導(dǎo)流隧洞聯(lián)合泄流的導(dǎo)流方式。電站上游圍堰采用膠凝砂礫石(CSG)過水圍堰，圍堰設(shè)計擋水標(biāo)準(zhǔn)采用10月～次年5月枯水時段10年一遇設(shè)計洪水，相應(yīng)洪峰流量為6 950 m3/s，圍堰設(shè)計擋水位1 424.6 m，堰頂高程為1 426.0 m，最大堰高為57.0 m，為我國在大江大河上建造的最高的膠凝砂礫石圍堰工程。該上游圍堰堰體膠凝砂礫石填筑材料的主要設(shè)計指標(biāo)為材料密度>2 400 kg/m3，f′>0.55、C′>0.45 MPa，混凝土強(qiáng)度等級為C283.5，設(shè)計齡期強(qiáng)度保證率80%，骨料最大粒徑250 mm。本文根據(jù)壩址附近河床天然砂礫石骨料及工程開挖料的特點與圍堰材料的設(shè)計要求，對大華橋水電站上游膠凝砂礫石過水圍堰堰體填筑材料的主要配合比參數(shù)、現(xiàn)場碾壓工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。

2 原材料

采用P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥，F(xiàn)類Ⅱ級粉煤灰，JM-Ⅱ高效減水劑，上述原材料均按照相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了品質(zhì)參數(shù)檢驗，檢驗結(jié)果表明：水泥、粉煤灰、減水劑的主要品質(zhì)參數(shù)均滿足各自規(guī)范要求。膠凝砂礫石骨料取自河床天然砂礫料以及工程開挖石渣料，如圖1所示。

圖1 膠凝砂礫石圍堰用天然砂礫料及開挖石渣骨料

對河床天然砂礫料和工程開挖石渣料進(jìn)行了篩分，以掌握骨料的級配、含砂量等基本情況，兩種骨料的篩分結(jié)果如表1所示。

表1 河床天然砂礫料、開挖石渣料篩分結(jié)果

由表1可知，河床天然砂礫料的含砂量為24.47%，80 mm以上特大石含量接近20%、其中>250 mm大顆粒含量達(dá)到了6.3%；開挖石渣料的含砂量為7.09%，80 mm以上特大石含量近30%，兩種骨料在含砂量、特大石含量方面的差異較大；另外，河床天然砂礫料的含泥量檢測結(jié)果表明，含泥量較大接近9%，且不同部位取樣測試結(jié)果的波動較大(3%～9%)。因此膠凝砂礫石材料的配合比參數(shù)需要根據(jù)天然砂礫料、石渣開挖料中含砂量、特大石含量、含泥量、以及現(xiàn)場實際含砂波動等綜合因素進(jìn)行試驗研究。

3 膠凝砂礫石材料配合比控制參數(shù)室內(nèi)試驗研究

大華橋水電站膠凝砂礫石材料最大的特點是利用了壩址區(qū)附近砂礫石及工程開挖棄渣料，使用時不對骨料進(jìn)行清洗及級配調(diào)整。因此，圍堰膠凝砂礫石材料性能因骨料級配、水泥用量、單位用水量的不同而不同，材料性質(zhì)在理論上具有較大的離散性。為了滿足材料性能設(shè)計要求，保障圍堰工程質(zhì)量，在配合比設(shè)計時，需研究提出滿足現(xiàn)場骨料含砂量波動的用水量、水泥用量、水膠比等主要配合比參數(shù)范圍，這與碾壓混凝土材料的配合比設(shè)計具有較大差異。

3.1 全河床天然砂礫料方案

當(dāng)圍堰全部采用河床天然砂礫石料時，在24%砂率，Ⅱ級粉煤灰摻量30%條件下，膠凝砂礫石材料的水膠比、用水量與膠凝砂礫石材料的28 d立方體抗壓強(qiáng)度(150 mm立方體)關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，在24%砂率、30%粉煤灰摻量條件下，水膠比在0.6～1.4之間、單位體積混疑土水用量在87～95 kg范圍內(nèi)，25組膠凝砂礫石材料配合比的28 d抗壓強(qiáng)度在1.1～15.8 MPa之間，其中滿足28 d配制強(qiáng)度的配合比有13組，水膠比范圍為0.6～1.0，單位體積混凝土用水量范圍為87～95 kg。

圖2 全砂礫料方案膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度關(guān)系(現(xiàn)場)(水膠比-單位用水量-28 d)

考慮到現(xiàn)場砂礫料含砂情況波動，試驗設(shè)計了20%、30%、35%三種砂礫料砂率條件，在30%Ⅱ級粉煤灰摻量條件下進(jìn)行了水膠比、用水量、28 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系的試驗研究，并與24%砂率時的配合比參數(shù)、28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了對比，如圖3所示。由圖3可知，天然砂礫料的含砂量在20%～35%范圍波動時，需將膠凝砂礫石的水膠比控制在0.6～0.8范圍、對應(yīng)的單位體積混凝土用水量控制在86～94 kg，膠凝砂礫石材料的28 d抗壓強(qiáng)度能滿足配制強(qiáng)度的要求。

3.2 河床天然砂礫料與開挖石渣料復(fù)合方案

為減少工程棄渣，膠凝砂礫石圍堰考慮將工程開挖石渣與河床天然砂礫料混合使用，作為膠凝砂礫石筑壩材料骨料。天然砂礫料與開挖石渣料的按70∶30進(jìn)行混合，對混合骨料方案含砂量20%～35%范圍、30%粉煤灰摻量條件下，膠凝砂礫石材料的水膠比、砂率、用水量、28 d抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在20%～35%的天然砂礫料與開挖石渣料復(fù)合骨料含砂量范圍內(nèi)，40組膠凝砂礫石材料配合比的28 d抗壓強(qiáng)度在1.5～13.2 MPa之間，其中滿足28 d配制強(qiáng)度的配合比有24組。滿足強(qiáng)度設(shè)計要求的水膠比控制范圍為0.6～0.8，單位體積混凝土用水量控制范圍為87～95 kg。與全砂礫料方案膠凝砂礫石材料配合比參數(shù)相比，同樣滿足28 d抗壓強(qiáng)度設(shè)計要求時，兩種骨料方案的水膠比控制范圍相同，但復(fù)合骨料方案的單位體積混凝土用水量比全砂礫料方案增加了1～2 kg。另外，在同水膠比、同單位用水量條件下，復(fù)合骨料30%的含砂量對應(yīng)的膠凝砂礫石材料具有較高的抗壓強(qiáng)度。

圖3 全砂礫料方案膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度

4 大粒徑膠凝砂礫石材料現(xiàn)場碾壓工藝試驗研究

膠凝砂礫石材料是一種介于混凝土與堆石料之間的新型材料，國內(nèi)已建的幾個圍堰工程基本參照碾壓混凝土的施工工藝進(jìn)行[6-7]。但大華橋水電站過水圍堰膠凝砂礫石材料采用的天然砂礫料最大粒徑達(dá)到250 mm，其碾壓施工工藝需要專門進(jìn)行研究。

現(xiàn)場碾壓工藝試驗采用反鏟進(jìn)行膠凝砂礫石材料拌制，拌制完畢采用自卸汽車運輸入倉，推土機(jī)配合人工進(jìn)行攤鋪、平倉；現(xiàn)場攤鋪厚度分為60、70、80 cm的3個條帶，設(shè)計壓實層厚分別50、60、70 cm；碾壓時采用采用18T單鋼輪振動碾，每個條帶先無振2遍，再有振4、5、6、7遍，采用“挖坑法”對不同碾壓工藝的膠凝砂礫石材料的壓實容重、壓實度進(jìn)行檢測，以確定250 mm大粒徑膠凝砂礫石材料的攤鋪厚度及碾壓遍數(shù)。上倉面碾壓膠凝砂礫石材料拌合物性能的3次抽檢結(jié)果如表2所示、碾壓工藝試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可知，CSG材料入倉時松鋪厚度不同，達(dá)到最佳壓實度的碾壓工藝不同，松鋪60 cm、壓實50 cm時，無振2+有振5可使CSG材料達(dá)到最佳壓實度；松鋪70 cm、壓實60 cm時，無振2+有振5可使CSG材料達(dá)到最佳壓實度；松鋪80 cm、壓實70 cm時，無振2+有振7可使CSG材料達(dá)到最佳壓實度；隨著松鋪厚度的增加，須相應(yīng)增加有振碾壓遍數(shù)，無振碾壓一般2遍即可。綜合不同碾壓工藝條件下膠凝砂礫石的密度、倉面壓實度情況，以及施工效率等因素，對于250 mm大粒徑膠凝砂礫石材料推薦無振碾壓2遍、有振碾壓6遍碾壓工藝，CSG材料松鋪厚度70 cm、設(shè)計壓實厚度60 cm。

圖4 砂礫料、石渣料復(fù)合方案膠凝砂礫石抗壓強(qiáng)度

表2 250 mm大粒徑膠凝砂礫石材料拌合物性能

表3 250 mm大粒徑膠凝砂礫石材料碾壓工藝試驗結(jié)果

注：*處進(jìn)行壓實度檢測時，倉面坑內(nèi)挖出粒徑約30 cm的大骨料，密度及壓實度數(shù)據(jù)偏大。

5 結(jié) 論

(1)大華橋水電站過水圍堰膠凝砂礫石材料配合比參數(shù)根據(jù)骨料含砂量、含泥量波動等情況，試驗提出了水膠比控制范圍、單位體積混凝土用水量控制范圍，以及砂率-水膠比-用水量-抗壓強(qiáng)度之間的內(nèi)在關(guān)系。膠凝砂礫石材料配合比設(shè)計時，在現(xiàn)場天然砂礫石骨料，以及天然砂礫石與開挖石渣料可能的砂率波動范圍內(nèi)，分別對最大水膠比限值、最小單位體積混凝土用水量限值進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保膠凝砂礫石材料28 d抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

(2)對于最大粒徑達(dá)到250 mm的膠凝砂礫石材料，原則上仍可參照碾壓混凝土的施工工藝進(jìn)行澆筑施工，但具體攤鋪厚度、碾壓遍數(shù)等關(guān)鍵工藝參數(shù)則應(yīng)根據(jù)工程實際情況試驗確定。采用倉面容重、倉面壓實度檢測的方法，可對大粒徑膠凝砂礫石材料的碾壓施工質(zhì)量進(jìn)行檢測，取壓實容重大、壓實度高的膠凝砂礫石材料對應(yīng)的碾壓工藝參數(shù)為較優(yōu)參數(shù)。