復(fù)合漿材堆石體技術(shù)與現(xiàn)場探索性試驗(yàn)研究

石 妍，張建峰，李 鋒，林育強(qiáng)

(1.長江科學(xué)院 水利部水工程安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010)

1 研究背景

目前我國興建的堆石壩包括黏土斜墻堆石壩、混凝土面板堆石壩和重力擋墻堆石壩等壩型，其中混凝土面板堆石壩近年來發(fā)展迅速，具有造價低、安全性高和適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。截至2015年底[2]，我國壩高30 m以上混凝土面板堆石壩已建270座，在建約60座，擬建約80座，總數(shù)超過400座，數(shù)量占全球面板堆石壩總數(shù)的一半以上。大壩越建越高、工程規(guī)模越來越大是現(xiàn)代堆石壩的發(fā)展趨勢[3-4]。如已建的混凝土面板堆石壩工程天生橋一級最大壩高178 m、水布埡最大壩高233 m等，在建的雙江口礫石土心墻堆石壩最大壩高達(dá)314 m[5]。

隨著我國金沙江、瀾滄江、雅礱江以及雅魯藏布江等流域的水電開發(fā)，有許多適宜建設(shè)高混凝土面板堆石壩的河谷地形地質(zhì)條件，如古水、馬吉等水電站[6]，規(guī)劃壩高均在250～300 m左右，但是，因不能成熟把握300 m級高面板堆石壩的工程特性、關(guān)鍵技術(shù)和運(yùn)行特點(diǎn)，而可能選用外來運(yùn)輸量大、造價高的混凝土壩或體積大、占用耕地多且不利于環(huán)境和水土保持的黏土心墻堆石壩方案，有的工程在近壩區(qū)甚至沒有可用的防滲土料，這使得水電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)競爭力降低。因此，迫切希望在300 m級高混凝土面板堆石壩筑壩技術(shù)上有所突破。

堆石壩主要采用石渣、卵石、爆破石料等散粒體材料填筑而成。由于散粒體材料顆粒間孔隙率較大，在自重和外荷載作用下，壩體和壩基的壓縮變形較大，過大的沉降量不僅造成壩頂高程不足而影響大壩正常工作，而且過大的不均勻沉降會導(dǎo)致壩體開裂或防滲體結(jié)構(gòu)遭到破壞，形成壩內(nèi)滲水通道而威脅大壩的安全[7]。盡管我國在200 m級堆石壩建設(shè)領(lǐng)域已積累了較為成熟的技術(shù)，但面臨300 m級甚至更高的超高堆石壩建設(shè)目標(biāo)，仍存在多個關(guān)鍵技術(shù)難題，例如超高堆石體的合理分區(qū)、筑壩材料特性對大壩變形特性的影響、超高堆石體的變形特性及安全性、抗震安全性及工程措施等，尤其在深厚覆蓋層基礎(chǔ)上筑壩，難以突破壩高的局限性，成為發(fā)展超高面板堆石壩的技術(shù)瓶頸[8-10]。

為此，鄭守仁院士等提出了適用于超高堆石壩基座的復(fù)合漿材堆石結(jié)構(gòu)的技術(shù)構(gòu)想，通過在隨機(jī)的堆石料中添加流動性高、粘結(jié)性能好的水泥基復(fù)合漿材，將堆石體適宜地固結(jié)在一起，提高基座的壓縮變形模量和堆石壩的整體性。本文開展復(fù)合漿材堆石壩技術(shù)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，從材料、結(jié)構(gòu)及施工方式等角度探索新途徑，以期緩解300 m級超高面板堆石壩面板撓度過大，以及壩體在深厚覆蓋層上面臨不均勻沉降等問題，同時還可以提高壩址棄料利用率，改善施工環(huán)境，降低工程費(fèi)用。

2 設(shè)計(jì)思路及試驗(yàn)準(zhǔn)備

300 m級面板堆石壩筑壩整體示意圖見圖1，其中，100 m壩高以下部位采用復(fù)合漿材堆石結(jié)構(gòu)，作為大壩堅(jiān)固的底座，100 m以上采用常規(guī)面板堆石壩施工手段。復(fù)合漿材堆石結(jié)構(gòu)施工過程示意圖見圖2，首先堆砌開挖料(粒徑在5 mm以上為宜)，然后在堆石料上澆注復(fù)合漿液，利用漿液高流動、抗分離性能以及自流動的特點(diǎn)，隨機(jī)充填堆石料，待漿液面接近堆石料頂面時，采用振動碾進(jìn)行倉面碾壓，增加整體結(jié)構(gòu)密實(shí)度，形成結(jié)構(gòu)相對均勻穩(wěn)固的復(fù)合漿材堆石結(jié)構(gòu)底座。

圖1 300 m級堆石壩筑壩整體示意圖Fig.1 Overall schematic diagram of 300 m levelrockfill dam

圖2 復(fù)合漿材堆石結(jié)構(gòu)施工過程示意圖Fig.2 Construction process of compositeslurry-rockfill dam

試驗(yàn)場地選在某水電站上游圍堰度汛防護(hù)平臺上，整個試驗(yàn)條帶沿線排開，劃分為4個區(qū)域，用于測試對比不同層厚、漿液配比以及碾壓遍數(shù)的方案(具體方案見表1)。每個區(qū)域尺寸(長×寬×高)均為4 m×4 m×1.5 m，條帶四周立模，各試驗(yàn)區(qū)域間采用模板及過渡段進(jìn)行分隔。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)方案Table 1 Field test plan

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)步驟包括場地準(zhǔn)備、漿液配制、分層鋪填石料、分層注漿和機(jī)械碾壓等，現(xiàn)場試驗(yàn)過程照片見圖3。

圖3 現(xiàn)場試驗(yàn)過程照片F(xiàn)ig.3 Photos of field test process

3.1 漿液配制

復(fù)合漿液原材料包括42.5普通硅酸鹽水泥、礦物填料(粉煤灰、石灰石粉及礦渣粉等)、工程用砂及外加劑等，配合比及性能結(jié)果見表2。漿液用水量以流動度200～240 mm為準(zhǔn)控制，流動度測試方法按照GB/T 8077—2012中水泥凈漿流動度規(guī)定進(jìn)行[11]。外加劑的摻量以占膠凝材料(水泥+礦物填料)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，調(diào)凝增黏劑根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的需求調(diào)節(jié)使用。

表2 復(fù)合漿液配合比及性能結(jié)果Table 2 Mix ratio and test results of composite slurry

3.2 分層堆石

堆石料采用某水電站尾水洞開挖料，由自卸汽車運(yùn)至試驗(yàn)現(xiàn)場。在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)，石料分2或3層堆積碾壓，總層厚達(dá)1.5 m，通過機(jī)械及人工平倉，保證堆石體倉面平整。采用進(jìn)占法鋪料，鋪料厚度為壓實(shí)后厚度加上預(yù)壓縮量，初步考慮為鋪厚的5%～10%。

鋪料完成后，選取部分區(qū)域測定堆石體的空隙率，測得平均結(jié)果為26%～30%。最底層的堆石體中，所用洞挖料細(xì)顆粒和石粉含量較多，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)過密無法注漿，因此，第2、3層剔除了5 mm以下的顆粒，且石料最大粒徑控制在層厚2/3以內(nèi)。

3.3 注 漿

復(fù)合漿液在拌合樓拌制完成，由攪拌車運(yùn)至現(xiàn)場，距離約7 km，到達(dá)后澆注漿液至指定試驗(yàn)區(qū)域。在堆石料上方規(guī)劃注漿點(diǎn)，并均勻澆注漿液，注漿量按漿液面至堆石料頂面約10～20 mm來控制。表1中，序號2、3每個0.5 m層厚區(qū)域的注漿量為1.8～2 m3，序號1、4每個0.75 m層厚區(qū)域的注漿量在2.5 m3左右。

注漿過程中，底層堆石的局部致密，影響到漿液(尤其是砂漿)的均勻滲入，而第2、3層堆石中漿液的分散效果較好，且多點(diǎn)注漿方式優(yōu)于單點(diǎn)卸料注漿。根據(jù)環(huán)境溫度及濕度的變化，實(shí)時調(diào)節(jié)調(diào)凝增黏劑的比例，以保證漿液的黏聚性、流動度及合理的凝結(jié)時間。

3.4 碾 壓

每層堆石注漿后，均采用龍工LG520D單鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，額定功率160 kW，激振力400 kN，行駛速度分別設(shè)置為4、5.8、7.3、10.8 km/h。碾壓遍數(shù)按照表1的現(xiàn)場試驗(yàn)方案進(jìn)行。碾壓遵循“先輕后重、先慢后快、先邊后中”的碾壓原則，必要時，在碾壓過程中進(jìn)行補(bǔ)漿。

4 現(xiàn)場檢測及結(jié)果

分別采取地質(zhì)雷達(dá)法和鉆孔取芯法，對硬化后的復(fù)合漿液堆石結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，直觀評價注漿效果和整體性能。

4.1 地質(zhì)雷達(dá)法

4.1.1 布線原則

地質(zhì)雷達(dá)是應(yīng)用脈沖電磁波來探測隱蔽介質(zhì)分布和目標(biāo)物的。當(dāng)探地雷達(dá)發(fā)射天線向被檢測物體發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波時，遇到不同介電特性介質(zhì)就會返回部分能量，接收天線接收反射回波并記錄反射時間。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑/波形將隨所通過的介質(zhì)的電性質(zhì)幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收到波的旅行時間(雙程走時)、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)。當(dāng)發(fā)射和接收天線沿被探測物表面逐點(diǎn)同步移動時，就能得到其內(nèi)部介質(zhì)剖面圖像[12]。

反射測試原理見圖4(a)。圖4(a)中:z代表目標(biāo)體的埋深;x為收發(fā)距;v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度;T和R分別為發(fā)送和接收探頭。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑和波形將隨所通過的介質(zhì)的電性質(zhì)幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收到波的旅行時間(雙程走時)、幅度頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)體的深度、形狀等特征參數(shù)[13 ]。目標(biāo)體的深度值(m)可由下面脈沖波走時公式得出，即

t=4z2+x2/v。

(1)

式中：x在剖面探測中是固定的；v(m·ns-1)可以利用現(xiàn)成數(shù)據(jù)或測定獲得。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)反射測試原理及反射剖面示意圖Fig.4 Test principle of geological radar reflection andreflection profile

當(dāng)發(fā)射和接收天線沿被探測物表面逐點(diǎn)同步移動時，就能得到其內(nèi)部介質(zhì)剖面圖像，地質(zhì)雷達(dá)檢測混凝土質(zhì)量的原理和記錄示意圖見圖4(b)。記錄圖像中呈弧形狀的同相軸為混凝土中不密實(shí)體對電磁波的反射所引起。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)塊的大小，擬定沿垂直于上游圍堰軸線的方向等距布置3條帶狀測試區(qū)域，地質(zhì)雷達(dá)采用頻率為500 MHz的發(fā)射天線，探測深度可達(dá)3 m。地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場測試圖見圖5。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場測試Fig.5 Field test of geological radar

4.1.2 檢測結(jié)果

地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果見圖6。結(jié)果表明，除了個別部位的空隙，堆石結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段整體分布較為密實(shí)，各澆注碾壓層的表層雷達(dá)反射波相對均勻。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)成果Fig.6 Test results of geological radar

圖6中，走線①的區(qū)域2頂部埋深約0.3 m處，以及走線②的區(qū)域3頂部埋深約0.7 m處，雷達(dá)反射波雜亂，存在不密實(shí)現(xiàn)象。這2處不密實(shí)的部位均位于每層堆石體的下部，說明漿液未充分滲透，難以完全填充空隙。同時，凈漿填充效果優(yōu)于砂漿，碾壓層數(shù)和遍數(shù)的增加可提高結(jié)構(gòu)密實(shí)性。從檢測結(jié)果看，對于0.50 m和0.75 m攤鋪層厚的堆石塊，分別振動碾壓6遍和8遍基本能滿足壓實(shí)度的要求。

4.2 鉆孔取芯法

4.2.1 鉆孔原則

根據(jù)CECS 03—2007的相關(guān)規(guī)定[14]，進(jìn)行鉆孔取芯，確定鉆孔直徑100 mm，孔深1.5 m。鉆孔孔向?yàn)殂U錘方向，偏差控制在2°以內(nèi)。鉆孔孔位放樣采用全站儀精確測量，輔以鋼卷尺，進(jìn)行準(zhǔn)確定位，鉆機(jī)就位時保證開孔偏差<5 cm。

深孔鉆進(jìn)時，鉆機(jī)設(shè)地錨，一臺鉆機(jī)在四腳錨固，錨固點(diǎn)4個。鉆機(jī)固定牢固，嚴(yán)禁鉆機(jī)機(jī)臺底面與地面呈“點(diǎn)”接觸狀態(tài)。鉆進(jìn)前，校驗(yàn)鉆機(jī)的立軸，擰緊機(jī)頭螺栓。校準(zhǔn)立軸、鉆桿方向，按要求的孔向?qū)?zhǔn)孔位開孔。采用合適的鉆壓和鉆速，勻速、平穩(wěn)、低速鉆進(jìn)，隨著孔深的增大適時減壓鉆進(jìn)。

通過對芯樣的外觀分析評價注漿堆石結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段的密實(shí)度。根據(jù)CECS 03—2007相關(guān)規(guī)定加工芯樣，并進(jìn)行芯樣抗壓強(qiáng)度檢測。

4.2.2 芯樣描述與測試

基于復(fù)合漿材堆石體的技術(shù)思路，通過漿液將堆石體適宜地固結(jié)在一起，整體提高基座的壓縮變形模量和超高堆石壩的整體性，并不要求形成均勻密實(shí)的混凝土結(jié)構(gòu)，因此，本次鉆芯取樣檢測僅供參考，并不依照常規(guī)混凝土的技術(shù)要求進(jìn)行判定。

現(xiàn)場注漿5個月后進(jìn)行取芯，出現(xiàn)較多的塌孔現(xiàn)象，芯樣獲得率不高，且離散性大，共取芯18孔，每孔深度1.5 m。從鉆取的芯樣看，堆石體中的漿液有整體的填充，但芯樣獲取率較低。相對來說，區(qū)域3和4澆筑的凈漿，結(jié)構(gòu)上部基本膠結(jié)在一起，整體性較好，芯樣表面光滑，但堆石體下部分石渣石粉較多，影響了凈漿的滲透距離。區(qū)域1和2澆筑砂漿，結(jié)構(gòu)基本呈散粒體，說明砂漿的滲透性稍差。此外，分3層澆筑碾壓的效果明顯好于分2層。

將相對完整的芯樣進(jìn)行切割、打磨加工，芯樣試件的高度與直徑之比控制在1.00左右，沿芯樣試件高度的任一直徑與平均直徑相差應(yīng)<2 mm，試件端面的不平整度在100 mm長度內(nèi)<0.1 mm，不垂直度<1°。芯樣抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果見表3，可以看出，芯樣抗壓強(qiáng)度在8.5～15.1 MPa之間，注凈漿區(qū)域的強(qiáng)度結(jié)果為14.2～15.1 MPa，稍高于注砂漿區(qū)域的芯樣抗壓強(qiáng)度，說明漿液在堆石體空隙里起到了一定的填充與膠結(jié)作用。

4.3 實(shí)際過流及汛后檢查情況

當(dāng)年汛期，電站壩址來流量總體偏少，最大來流量Q=12 600 m3/s，試驗(yàn)區(qū)最大表面流速v=1.4 m/s。汛后對原試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了檢查，檢查結(jié)果表明，試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)保持完整，基本無破壞。

表3 復(fù)合漿材堆石結(jié)構(gòu)芯樣抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strengths of core samples ofcomposite slurry-rockfill dam

5 結(jié) 論

(1)面臨300 m級甚至更高的超高堆石壩建設(shè)目標(biāo)，提出了復(fù)合漿材堆石體的技術(shù)思路，作為超高堆石壩的基座，從而提高基座的壓縮變形模量和堆石壩的整體穩(wěn)固性。通過現(xiàn)場探索性試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了復(fù)合漿材堆石體技術(shù)思路的可行性。

(2)堆石平均空隙率為26%～30%，注入的漿液流動度為200～240 mm。對于0.5 m和0.75 m層厚的堆石，分別振動碾壓6遍和8遍基本滿足壓實(shí)度要求。除個別部位，注漿后堆石結(jié)構(gòu)整體分布較為密實(shí)，各碾壓層的雷達(dá)反射波相對均勻，注凈漿區(qū)域的測試結(jié)果優(yōu)于注砂漿區(qū)域。芯樣獲得率不高，抗壓強(qiáng)度在8.5～15.1 MPa之間。實(shí)際過流與汛期后檢查表明試驗(yàn)區(qū)結(jié)構(gòu)完整，穩(wěn)定無破壞。

(3)建議石料去除5 mm以下顆粒，并提前灑水濕潤。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境適時調(diào)整漿液配方，并采用串筒、溜槽等設(shè)備或噴灑方式多點(diǎn)均勻注漿，以提高施工效率及注漿效果。根據(jù)現(xiàn)場堆石粒徑和攤鋪層厚等選擇合適的碾壓設(shè)備及工藝。并針對本技術(shù)思路，探討科學(xué)合理的性能要求、測試方法及指標(biāo)。

(4)通過材料與施工工藝的優(yōu)化，復(fù)合漿材堆石體的技術(shù)思路，有望提高堆石基座的壓縮變形模量、減少超高堆石壩的整體沉降，具有廣闊的工程應(yīng)用前景，以期為300 m級超高堆石壩的建設(shè)提供技術(shù)支撐。