碾壓混凝土壩變態(tài)混凝土自動(dòng)化攪拌加漿設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用

李 榮 果，唐 杰 偉，鄭 祥

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局， 四川 彭山 620860)

1 概 述

變態(tài)混凝土是在已攤鋪碾壓混凝土中摻入水泥漿并施以振搗，硬化性能與常態(tài)混凝土相似，常運(yùn)用于碾壓混凝土壩的上下游面、橫縫止水周邊、廊道周邊、岸坡、泄洪孔周邊等過(guò)渡區(qū)部位，厚度視其功能及設(shè)計(jì)施工具體需要而定[1]。一般認(rèn)為，嚴(yán)格精細(xì)的作業(yè)條件下變態(tài)混凝土能夠有效保證防滲部位的質(zhì)量[2]。此外，這種施工方式能夠精簡(jiǎn)倉(cāng)面管理環(huán)節(jié)，提高施工效率，充分發(fā)揮碾壓混凝土施工通倉(cāng)連續(xù)上升的快速筑壩特點(diǎn)[3～5]。變態(tài)混凝土工藝的核心是加漿方式與振搗過(guò)程的有效控制[6]。現(xiàn)行工藝主要采用人工方式“抽槽加漿”和“平鋪加漿”，存在施工較隨意、加漿范圍不可控等缺陷，導(dǎo)致漿液擴(kuò)散不均繼而振搗不密實(shí)。除此之外，人工加漿方式的漿液消耗量大，既引起施工成本的增加，又容易產(chǎn)生較大的收縮，增大開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。部分碾壓混凝土大壩投入運(yùn)營(yíng)后壩體滲漏嚴(yán)重，與變態(tài)混凝土施工質(zhì)量差不無(wú)關(guān)系。筆者針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種在變態(tài)混凝土加漿過(guò)程實(shí)時(shí)攪拌以提高漿液拌合均勻性的新工藝方法，運(yùn)用EDEM離散元軟件對(duì)漿液在碾壓混凝土中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及均勻性進(jìn)行仿真優(yōu)化，自主研發(fā)出了一套全自動(dòng)加漿設(shè)備。結(jié)合烏龍弄項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用，驗(yàn)證了該裝備及技術(shù)的先進(jìn)性。

2 攪拌加漿工藝仿真研究

攪拌加漿工藝系指在變態(tài)混凝土成孔注漿方法的基礎(chǔ)上引入攪拌過(guò)程，通過(guò)在攪拌軸頭葉片下增設(shè)注漿孔，對(duì)拌合物強(qiáng)制攪動(dòng)并同步注漿。采用該方法加漿具有生產(chǎn)效率高、計(jì)量精確、加漿均勻性好的特點(diǎn)。但如何分析拌合物的攪拌分散效果和加漿均勻效果是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，直接影響到工藝控制參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和合理運(yùn)用。為此，筆者首先采取有限元法對(duì)不同工藝參數(shù)下的攪拌噴漿效果進(jìn)行仿真，以確定合理的攪拌轉(zhuǎn)速和噴漿速率。

EDEM 是世界上第一個(gè)用現(xiàn)代化離散元模型用來(lái)模擬和分析顆粒處理與生產(chǎn)操作的通用CAE軟件，通過(guò)模擬散狀物料加工處理過(guò)程中顆粒體系的行為特征，協(xié)助設(shè)計(jì)人員對(duì)各類散料處理設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和優(yōu)化。采用EDEM軟件建立的混凝土攪拌模型是一種純物理作用模擬，不包含顆粒間的化學(xué)反應(yīng)，顆粒的運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為宏觀的對(duì)流運(yùn)動(dòng)及物料顆粒之間沿滑移面產(chǎn)生的剪切位移運(yùn)動(dòng)[7]，因此，EDEM仿真攪拌加漿過(guò)程能夠較好地反映漿液在干硬性混凝土料中的分布均勻性效果，由此可以合理地設(shè)計(jì)出自動(dòng)化攪拌加漿設(shè)備的功能參數(shù)。

2.1 攪拌軸與顆粒建模

為簡(jiǎn)化計(jì)算和求解過(guò)程，將松散拌合料骨料部分視為包裹良好的類球形骨料顆粒，采用EDEM自帶粒子模型建立球形顆粒模型：混凝土骨料顆粒(直徑20 mm)和微小水泥漿體顆粒(直徑0.2 mm)。攪拌加漿軸模型由UG軟件創(chuàng)建，設(shè)三片攪拌葉片，各攪拌軸葉片之間建立動(dòng)態(tài)隨機(jī)微細(xì)顆粒形成機(jī)制，模擬水泥漿體以離散化微細(xì)顆粒物性態(tài)噴射，每個(gè)漿體顆粒的生成速度設(shè)為2 000～4 000個(gè)/s，等效于注漿流量0.5～1 L/s的實(shí)際工況。

2.2 仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真時(shí)合理確定材料的力學(xué)性質(zhì)是保證仿真結(jié)果的關(guān)鍵因素之一。模擬攪拌時(shí)采用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型。顆粒碰撞過(guò)程中，不考慮熱傳遞和靜電力，只有動(dòng)量和能量之間的相互轉(zhuǎn)化?；炷涟韬衔锏膶傩耘c仿真接觸參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1與表2。

表1 材料屬性參數(shù)表

表2 仿真模型取用參數(shù)表

仿真過(guò)程采用80 cm×80 cm×60 cm的盒子作為邊界，攪拌加漿時(shí)間為5 s，依據(jù)施工工藝參數(shù)需求設(shè)置了五檔轉(zhuǎn)速：0 r/s、0.5 r/s、1 r/s、1.5 r/s、2 r/s，其中轉(zhuǎn)速為0 r/s 的情況視為傳統(tǒng)平面或開(kāi)槽加漿滲透方式。

2.3 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果表明各攪拌轉(zhuǎn)速下加漿過(guò)程均處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，且引入加漿同步攪拌方式能夠有效提高攪拌范圍內(nèi)漿液與混凝土料的均勻性，轉(zhuǎn)速提高能賦予漿液顆粒更高的運(yùn)動(dòng)速率，更有利于漿液的有效擴(kuò)散。但是，過(guò)高的轉(zhuǎn)速和噴射壓力則會(huì)帶來(lái)噴漿沿?cái)嚢栎S均勻分布變差的效果。為此，需要通過(guò)分析漿液在攪拌全過(guò)程的顆粒數(shù)量變化用以評(píng)價(jià)物料混合的穩(wěn)定性。

2.4 物料混合穩(wěn)定性分析

建立長(zhǎng)400 mm、寬400 mm、高350 mm的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小大體上能滿足實(shí)際施工中所要求的水泥漿液擴(kuò)散的有效范圍，且不考慮上浮至表面及下沉至骨料底層的水泥漿液顆粒。利用EDEM提取網(wǎng)格內(nèi)的顆粒數(shù)據(jù)功能，檢測(cè)網(wǎng)格內(nèi)包含水泥漿顆粒數(shù)量隨時(shí)間的變化規(guī)律。不同轉(zhuǎn)速下攪拌加漿仿真時(shí)長(zhǎng)均為5 s，設(shè)計(jì)機(jī)械式攪拌行走速度為20 m/min，每0.1 s記錄一次網(wǎng)格內(nèi)含水泥漿顆粒量并繪制其隨時(shí)間變化圖進(jìn)行分析。當(dāng)攪拌速率大于1.5 r/s后，由于噴濺效應(yīng)，大量的漿液顆粒脫離攪拌加漿區(qū)域，漿液顆粒數(shù)量不穩(wěn)定，這種情況不利于變態(tài)混凝土加漿作業(yè)。因此，基于加漿過(guò)程中物料混合均勻穩(wěn)定性得出下述結(jié)論：在加漿過(guò)程引入攪拌且同步移動(dòng)行走(20～25 m/min)的方法，能顯著改善漿液在混凝土內(nèi)的分布狀況，且攪拌速度1 r/s時(shí)效果最優(yōu)。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于1 r/s時(shí)，水泥漿液在碾壓混凝土骨料內(nèi)部的擴(kuò)散均勻性差，且達(dá)到注漿量動(dòng)態(tài)平衡穩(wěn)定階段需要較長(zhǎng)的時(shí)間；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1 r/s時(shí)，水泥漿液受攪拌軸影響轉(zhuǎn)動(dòng)能量較大，易產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象，不利于現(xiàn)場(chǎng)施工。最終設(shè)定全自動(dòng)攪拌加漿的合理參數(shù)范圍為：自動(dòng)行走速度為20～25 m/min，攪拌速度為0.8～1.2 r/s，噴漿流量為1～1.3 L/s。

3 攪拌加漿設(shè)備的研發(fā)

3.1 設(shè)備功能及組成

基于上述理論仿真分析，筆者等技術(shù)人員研發(fā)了相應(yīng)全自動(dòng)變態(tài)混凝土攪拌加漿作業(yè)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。該設(shè)備運(yùn)行功能由三大系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)：臺(tái)車(chē)系統(tǒng)提供設(shè)備運(yùn)行行走動(dòng)力、攪拌加漿系統(tǒng)控制注漿及自動(dòng)調(diào)量功能，另有自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施加漿效果分析反饋。所研制的全自動(dòng)攪拌加漿設(shè)備實(shí)物見(jiàn)圖2。

3.1.1 車(chē)身行走機(jī)構(gòu)

圖1 全自動(dòng)攪拌加漿設(shè)備組成示意圖

圖2 全自動(dòng)攪拌加漿設(shè)備實(shí)物圖

車(chē)身行走機(jī)構(gòu)用于控制攪拌加漿設(shè)備倉(cāng)面移動(dòng)以及運(yùn)輸轉(zhuǎn)場(chǎng)，包括：車(chē)身支架平臺(tái)、車(chē)身運(yùn)動(dòng)操作平臺(tái)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。各部件的作用為：(1)車(chē)身支架平臺(tái)由橡膠包鋼板行走履帶系統(tǒng)支撐；(2)車(chē)身運(yùn)動(dòng)操作平臺(tái)包括：開(kāi)機(jī)，關(guān)機(jī)，左履帶前進(jìn)，左履帶后退，右履帶前進(jìn)，右履帶后退等多項(xiàng)模塊功能；(3)左右液壓驅(qū)動(dòng)輪正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，控制履帶前進(jìn)或者后退，實(shí)現(xiàn)車(chē)體自由運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向。

3.1.2 液壓動(dòng)力作業(yè)模塊

液壓動(dòng)力作業(yè)功能主要通過(guò)液壓方式為攪拌加漿設(shè)備提供動(dòng)力，其組成部分包括：控制柜、電機(jī)、液壓泵、油箱等。各部件的作用為：(1)電機(jī)用于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓注漿泵；(2)液壓泵將油箱內(nèi)的液壓油泵送至各運(yùn)動(dòng)控制部件部位；(3)控制柜通過(guò)操縱按鈕實(shí)現(xiàn)水泥漿液的泵送、攪拌軸等動(dòng)作，按鍵包括：漿液泵開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)漿桶攪拌葉片開(kāi)關(guān)，攪拌軸正轉(zhuǎn)，攪拌軸反轉(zhuǎn)，攪拌軸伸長(zhǎng)，攪拌軸收縮，攪拌軸下行，攪拌軸提升等。

3.1.3 漿液供給模塊

漿液供給系統(tǒng)包括：漿液柱塞泵、儲(chǔ)漿桶、旋轉(zhuǎn)“水接頭”等。各部件的作用為：(1)儲(chǔ)漿桶臨時(shí)儲(chǔ)存制漿站輸送至倉(cāng)面的水泥漿液，內(nèi)設(shè)攪拌葉片，儲(chǔ)漿與作業(yè)時(shí)漿桶葉片保持連續(xù)攪拌以防止桶內(nèi)漿液沉淀；(2)漿液柱塞泵由設(shè)備外接電源提供動(dòng)力，將儲(chǔ)漿桶漿液泵送至攪拌注漿頭，可通過(guò)調(diào)速旋鈕自由控制泵送漿液的壓力和瞬時(shí)流量；(3)旋轉(zhuǎn)“水接頭”連接攪拌軸，確保在加漿攪拌軸持續(xù)旋轉(zhuǎn)噴漿的情況下附著于攪拌軸端的壓力漿管可正常定位輸漿。

3.1.4 設(shè)備攪拌加漿頭模塊

設(shè)備攪拌加漿頭是攪拌加漿系統(tǒng)的核心，通過(guò)攪拌實(shí)現(xiàn)均勻拌料與漿液擴(kuò)散。攪拌加漿動(dòng)作由攪拌軸縱向、橫向液壓驅(qū)動(dòng)裝置組成。各部件的作用為：(1)攪拌軸橫向驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)油缸按鈕控制攪拌軸的水平方向自由伸縮，實(shí)現(xiàn)攪拌加漿軸相對(duì)車(chē)身行走垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；而攪拌軸前進(jìn)后退則由設(shè)備行走系統(tǒng)執(zhí)行；(2)攪拌軸縱向驅(qū)動(dòng)裝置控制攪拌軸沿車(chē)架上導(dǎo)軌縱向伸縮運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌控制攪拌軸下行、攪拌軸提升等動(dòng)作，調(diào)整攪拌軸插入拌合料時(shí)的角度與深度；(3)攪拌軸頭由內(nèi)部轉(zhuǎn)軸、攪拌葉片、出漿孔、導(dǎo)流防堵遮擋板組成，上下兩對(duì)葉片對(duì)稱連接于轉(zhuǎn)軸，由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；攪拌葉片下方設(shè)有出漿孔，葉片攪拌時(shí)同步均勻噴漿；(4)在出漿孔外布置導(dǎo)流防堵遮擋板防止出漿孔淤堵。加漿攪拌軸細(xì)部結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖見(jiàn)圖3、4。

圖3 加漿攪拌軸結(jié)構(gòu)圖

3.1.5 漿液流量控制模塊

漿液流量控制模塊可識(shí)別設(shè)備加漿量并控制加漿量在規(guī)定的合理范圍內(nèi)，主要包括：電磁流量計(jì)與分向閥以及流量定位與傳輸。各部件的作用為：(1)電磁流量計(jì)測(cè)量水泥漿液流速與流量，流速與流量數(shù)據(jù)通過(guò)電臺(tái)發(fā)送至電腦端，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作人員發(fā)現(xiàn)加漿量不屬于合理范圍，可反饋信號(hào)控制分向閥動(dòng)作；(2)操作分向閥，漿液柱塞泵泵送漿液被截流送至儲(chǔ)漿桶，漿液回流，停止加漿；(3)流量記錄儀實(shí)時(shí)記錄注漿量，同時(shí)配合定位系統(tǒng)提供的單位時(shí)間行走距離換算攪拌混凝土體量，計(jì)算出實(shí)時(shí)加漿量。

圖4 加漿攪拌軸細(xì)部實(shí)物圖

3.2 設(shè)備的主要技術(shù)與性能參數(shù)

3.2.1 性能參數(shù)

設(shè)備功耗：整機(jī)設(shè)備功率為18.5 kW，其中注漿泵調(diào)速電機(jī)4 kW，漿液攪拌桶電機(jī)4 kW，攪拌電機(jī)功率10.5 kW；設(shè)備行走時(shí)速為2 km/h；設(shè)備體積為2 m(寬)×2.6 m(長(zhǎng))×2.1 m(高)，整機(jī)質(zhì)量為1 480 kg；儲(chǔ)漿桶容積為0.7 m3；加漿攪拌頭半徑為225 mm；加漿攪拌軸最大轉(zhuǎn)速為90 rpm；加漿攪拌軸最大轉(zhuǎn)矩為3 150 Nm；最大加漿深度為400 mm；設(shè)備泵送最大注漿量為4.8 m3/h；加漿最大壓力為2 MPa；電磁流量?jī)x感應(yīng)精度為5 mL/s，量程為0～5 L/s。

3.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)備固定條件下最大攪拌運(yùn)動(dòng)范圍：前后伸縮距離為1.35 m，作業(yè)俯仰角為±85°，前后伸縮運(yùn)動(dòng)速度為5～15 m/min；單次直線攪拌加漿有效范圍為550 mm；正常攪拌時(shí)設(shè)備前進(jìn)速度為25 m/s；加漿(攪拌350 mm深度)控制壓力為0.5 MPa，正常攪拌轉(zhuǎn)速為60 rpm，最大加漿量為4 200 L/h。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述攪拌加漿設(shè)備的應(yīng)用效果，在施工現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了變態(tài)混凝土攪拌加漿試驗(yàn)，并將其結(jié)果與傳統(tǒng)加漿工藝進(jìn)行對(duì)比，用以檢驗(yàn)變態(tài)混凝土攪拌加漿與成型質(zhì)量改善效果。

4.1 試驗(yàn)工藝參數(shù)

按照《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5112—2009)對(duì)變態(tài)混凝土加漿量要求和設(shè)計(jì)要求指標(biāo)對(duì)攪拌加漿設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 攪拌加漿設(shè)備運(yùn)行參數(shù)表

4.2 效果及分析

對(duì)比攪拌加漿制備樣與同配比現(xiàn)場(chǎng)人工加漿制備樣，驗(yàn)證了攪拌加漿設(shè)備的功效。

4.2.1 表觀加漿均勻性

加漿后挖槽取樣對(duì)比發(fā)現(xiàn)：攪拌加漿施工后水泥漿液在拌合物內(nèi)部滲透均勻，上下層水泥漿液分布均勻；對(duì)比傳統(tǒng)方式加漿，若滿足加漿均勻性效果，水泥漿液的用量顯著偏多且滲透不均，易導(dǎo)致離析、泌水大的現(xiàn)象。兩種加漿方式對(duì)比情況表明：采用攪拌加漿方式在節(jié)約耗漿量及滿足振搗工作性方面相比傳統(tǒng)人工加漿方式顯著改善。對(duì)比效果見(jiàn)圖5。

圖5 兩種加漿方式效果對(duì)比圖

4.2.2 強(qiáng)度與抗?jié)B性

變態(tài)混凝土澆筑后7 d與28 d分別對(duì)采用傳統(tǒng)人工加漿方式以及攪拌加漿系統(tǒng)方式的變態(tài)混凝土取芯，并對(duì)芯樣做抗壓、抗?jié)B試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的運(yùn)用在變態(tài)混凝土質(zhì)量控制上具有明顯效果。經(jīng)過(guò)攪拌加漿處理后的混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均值由18.5 MPa、26.1 MPa提升至21.8 MPa、32.6 MPa，提升幅值分別達(dá)到17.8%和24.9%，抗?jié)B等級(jí)由W8～W12提升到W10～W14。由于高壓加漿和攪拌加漿方式的運(yùn)用，可保證漿液均勻分散于碾壓混凝土內(nèi)部，減少了水泥團(tuán)聚現(xiàn)象，促進(jìn)了水泥水化作用，顯著提升了變態(tài)混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B能力。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

自2017年1月23日開(kāi)始，在云南瀾滄江烏弄龍水電站大壩碾壓混凝土試驗(yàn)倉(cāng)和左岸10號(hào)壩段分別應(yīng)用全自動(dòng)攪拌加漿設(shè)備進(jìn)行了變態(tài)混凝土加漿工藝試驗(yàn)和應(yīng)用(圖6)。結(jié)果表明：設(shè)備運(yùn)行良好，攪拌加漿明顯提高了變態(tài)混凝土成型均勻性和施工效率。

表4 不同加漿方式的變態(tài)混凝土抗壓與抗?jié)B性能對(duì)比表

圖6 全自動(dòng)攪拌加漿設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用情況

4.4 功效分析

4.4.1 作業(yè)功效

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況下的作業(yè)進(jìn)行分析得知：制漿站正常連續(xù)供應(yīng)漿液條件下，該設(shè)備加漿約3 700～4 100 L/h，且能全部拌滿松鋪35 cm拌合料，加漿量誤差基本控制在±5%以內(nèi)。全自動(dòng)攪拌加漿設(shè)備的生產(chǎn)效率為每小時(shí)能加漿變態(tài)混凝土約220 m2。對(duì)比人工挖槽加漿作業(yè)，完成200 m2的溝槽和抬桶、舀漿、定框加漿，大約需要6～7名熟練工。因此，該設(shè)備具有的效率約為8名工人的作業(yè)功效。

4.4.2 材料節(jié)約指標(biāo)

作為對(duì)比，筆者統(tǒng)計(jì)了西藏果多水電站和云南烏弄龍水電站變態(tài)混凝土的人工加漿單方消耗量，為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，兩個(gè)項(xiàng)目的變態(tài)混凝土加漿量比設(shè)計(jì)指標(biāo)用量增加了平均25%以上(包括為保證工作性拌合物中摻漿量增加、倉(cāng)面滴漏拋灑、漿液儲(chǔ)存洗管浪費(fèi)、加漿范圍不精確等)，而該自動(dòng)化加漿設(shè)備能夠精確按設(shè)計(jì)指標(biāo)加漿量控制且滿足施工要求，誤差在5%以內(nèi)。因而大大避免了現(xiàn)場(chǎng)制漿量的損耗。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)闡述了變態(tài)混凝土攪拌加漿相關(guān)技術(shù)原理，利用EDEM軟件，從數(shù)值模擬角度仿真了變態(tài)混凝土攪拌加漿的過(guò)程，通過(guò)對(duì)比不同攪拌速度條件下水泥漿顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，給出了攪拌加漿的合理工藝技術(shù)參數(shù)。

(2)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出了一套全自動(dòng)變態(tài)混凝土攪拌加漿設(shè)備，闡述了相關(guān)工作原理、設(shè)備組成、功能技術(shù)參數(shù)指標(biāo)；結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用分析表明：變態(tài)混凝土攪拌加漿設(shè)備實(shí)現(xiàn)了加漿均勻、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，能夠快速、均勻加漿，提高了施工效率，減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了變態(tài)混凝土施工的標(biāo)準(zhǔn)化和控制加漿的均勻性，從而提升了精細(xì)化變態(tài)混凝土加漿工藝水平，保證了工程質(zhì)量。