巴塘水電站主體工程開挖料作混凝土骨料研究

杜 曉 凡， 田 應(yīng) 輝

(華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司巴塘分公司，四川 巴塘 627650)

1 概 況

巴塘水電站位于四川省甘孜藏族自治州巴塘縣巴楚河口(巴楚河入金沙江交匯處)上游約660 m的金沙江干流上，是金沙江上游河段13級(jí)開發(fā)的第9級(jí)電站。電站裝機(jī)容量750 MW，年發(fā)電量33.93億kWh，為二等大(2)型工程。

水利水電工程一般混凝土工程量巨大，混凝土骨料料源的選擇對(duì)工程質(zhì)量和投資有直接影響。巴塘水電站可研階段規(guī)劃采用和達(dá)通溝塊石料場(chǎng)的閃長巖作為混凝土骨料料源，而可研審查時(shí)考慮到和達(dá)通溝石料場(chǎng)開采邊坡高，采運(yùn)難度較大，料場(chǎng)支護(hù)工程量大，且主體工程開挖料總量達(dá)1 414.58萬m3，壩體填筑利用僅472.20 萬m3，開挖料沒有得到充分利用。因此，探索研究利用主體工程開挖料加工混凝土骨料、大壩過渡料及反濾料的合理性，避免料場(chǎng)的開挖和減少棄渣量，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境和水土保持，并提高巴塘水電站的經(jīng)濟(jì)性，十分必要。

2 人工骨料試驗(yàn)

巴塘水電站主體及導(dǎo)流工程的石方開挖總量約1 414.58萬m3，考慮開挖廢料及損耗，可利用的開挖料約585.14 萬m3。而工程所需料源472.20 萬m3；其中：筑壩料267.04萬m3，過渡料26.85 萬m3，反濾料7.74 萬m3，混凝土骨料170.57 萬m3。主體工程開挖料儲(chǔ)量充足。

根據(jù)巴塘水電站可研報(bào)告，開挖區(qū)弱風(fēng)化黑云母石英片巖干密度2.73～2.90 g/cm3，孔隙率0.72～1.33%，單軸干抗壓強(qiáng)度86～104 MPa，飽和抗壓強(qiáng)度62～89 MPa，軟化系數(shù)0.67～0.88，凝聚力1.9～3.1 MPa，內(nèi)摩擦角46°24′～55°55′，變形模量12.4～17.8 GPa。從物理力學(xué)參數(shù)看，弱風(fēng)化巖塊質(zhì)量可滿足混凝土骨料及大壩堆石料的要求。為充分利用開挖料，工程人員開展相關(guān)試驗(yàn)工作。

2.1 骨料堿活性試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品采自工程現(xiàn)場(chǎng)開挖的黑云母石英片巖，采用PE250×400 型顎式破碎機(jī)破碎大石、中石、小石，采用PCΦ400×300 型錘式破碎機(jī)破碎砂料。膠凝材料為華新42.5普通硅酸鹽水泥、云南宣威Ⅱ級(jí)粉煤灰。

采用砂漿棒快速試驗(yàn)法對(duì)料試樣進(jìn)行了堿活性試驗(yàn)。

按試驗(yàn)規(guī)程的要求，“砂漿棒快速法”所用砂料級(jí)配應(yīng)符合表1的要求。

表1 制作砂漿棒的砂料級(jí)配

砂漿棒快速法配合比如下：

水泥與砂的質(zhì)量比為1∶2.25。一組三個(gè)試件，共需水泥440 g，砂990 g。砂漿水灰比為0.47。

主體工程開挖弱風(fēng)化以下黑云母石英片巖料骨料堿活性砂漿棒快速法試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 骨料堿活性砂漿棒快速法試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：黑云母石英片巖骨料巖石樣品砂漿試件14 d膨脹率為0.043%，小于0.1%，依據(jù)骨料堿活性砂漿棒快速法評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可判定該骨料不會(huì)發(fā)生堿-硅酸反應(yīng)，為非活性骨料。

2.2 云母含量檢測(cè)

2.2.1 開挖原料云母含量檢測(cè)

取黑云母石英片巖采用巖相法檢測(cè)，共取5組樣品。其中4組云母含量為0%，1組含有20～30%。由于切片方向和觀察范圍不同，所檢測(cè)到的云母含量不同，不具備代表性。

再利用X射線衍射法檢測(cè)，共取3組樣品，云母含量在7～13.5%之間。

2.2.2 骨料物理性能試驗(yàn)

依據(jù)《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2014的要求，對(duì)黑云母石英片巖骨料物理性能進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3～4。

表3 細(xì)骨料物理性能測(cè)試結(jié)果

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出：黑云母石英片巖細(xì)骨料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015對(duì)細(xì)骨料品質(zhì)的要求。

從表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出：黑云母石英片巖粗骨料的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015對(duì)粗骨料品質(zhì)的要求。

2.2.3 試驗(yàn)的啟示

采用《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5151-2014 中的方法與巖相法、X 射線衍射法檢測(cè)云母含量結(jié)論相差較大，根據(jù)科技文獻(xiàn)資料可知，巖相法和X 射線衍射法主要是針對(duì)巖石中的云母含量檢測(cè)，并不能作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，且0.16 mm 以下的云母顆粒幾乎對(duì)混凝土不會(huì)產(chǎn)生不利影響。

通過分析，破碎后的人工砂的粒徑為0.315～5.0 mm，此范圍內(nèi)游離出來的云母含量較少，部分細(xì)微的云母依附在較大的顆粒上或小于0.315 mm 而被篩除，從而通過破碎加工沖洗的細(xì)骨料滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015 中云母含量小于2%要求；且黑云母石英片巖堿活性砂漿棒快速法試驗(yàn)結(jié)果為非活性骨料，可作為巴塘水電站砂石骨料加工的料源。

3 混凝土配合比及力學(xué)試驗(yàn)

混凝土配合比的目的是在滿足設(shè)計(jì)和施工要求的前提下確定最優(yōu)配合比，使混凝土單位成本較低。由于主體工程開挖料黑云母石英片巖不具有堿活性，因此，常態(tài)混凝土粉煤灰摻量取20～30%的配合比進(jìn)行試驗(yàn)。再根據(jù)選定的骨料級(jí)配、砂率及由28 d強(qiáng)度曲線選定的水膠比，可以確定初選配合比(表5)。

根據(jù)以上初選配合比方案，按照DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行了混凝土力學(xué)、耐久性、變形試驗(yàn)，水泥品種采用華新42.5普通水泥，粉煤灰品種采用宣威灰。試驗(yàn)結(jié)果見表6～10。

表4 粗骨料物理性能試驗(yàn)結(jié)果

表5 混凝土初選配合比

表6 混凝土抗壓劈拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表7 混凝土靜壓彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

表8 混凝土極限拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果可見：

(1)混凝土28 d軸拉強(qiáng)度高于劈拉強(qiáng)度；

(2)混凝土軸拉彈性模量高于靜壓彈性模量；

(3)設(shè)計(jì)齡期的混凝土極限拉伸值均滿足設(shè)計(jì)要求。

表9 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)常態(tài)混凝土各配比達(dá)到抗?jié)B等級(jí)時(shí)試件表面均未出現(xiàn)滲水，劈開試件檢測(cè)其平均滲水高度均小于混凝土抗?jié)B試件高度，初選混凝土各配合比滿足設(shè)計(jì)要求抗?jié)B等級(jí)；

(2)根據(jù)DL/T5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》，相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%或質(zhì)量損失率達(dá)5%時(shí)，即可認(rèn)為試件已達(dá)破壞程度。由試驗(yàn)結(jié)果可見，巴塘水電站所選配比混凝土的抗凍均滿足設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)的要求。

4 成果應(yīng)用及降低成本

4.1 取消和達(dá)通溝料場(chǎng)

可研階段推薦和達(dá)通溝料場(chǎng)作為巴塘水電站的混凝土骨料料場(chǎng)設(shè)計(jì)開采量335.00萬m3，開采面積約15.8萬m2；邊坡最大高度約310 m，料場(chǎng)的開采、爆破、道路、支護(hù)、安全監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目費(fèi)用較高。直接利用主體工程開挖料作為混凝土骨料，取消和達(dá)通溝料場(chǎng)，直接降低投資7 424.56萬元。

表10 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

4.2 砂石混凝土系統(tǒng)布置調(diào)整

因和達(dá)通溝料場(chǎng)取消，與其緊鄰的砂石、混凝土系統(tǒng)調(diào)整布置于左岸2號(hào)棄渣場(chǎng)之上，若不作調(diào)整，仍按原計(jì)劃地基采用砂礫石換填、澆筑筏板基礎(chǔ)大混凝土、高邊坡開挖，初步估算砂石混凝土系統(tǒng)建設(shè)增加投資1 806.91萬元。調(diào)整至2號(hào)渣場(chǎng)后，毛料、混凝土運(yùn)距變化導(dǎo)致的骨料、混凝土單價(jià)降低，總費(fèi)用自然降低，同時(shí)，混凝土骨料由閃長巖改用黑云母石英片巖，水泥用量按增加30 kg/m3計(jì)，該項(xiàng)調(diào)整總共減少投資4 804.46萬元。

4.3 渣場(chǎng)優(yōu)化調(diào)整

因把開挖料作為加工混凝土骨料、大壩過渡料及反濾料，減少棄渣130.92萬m3；取消和達(dá)通溝料場(chǎng)，減少棄渣料場(chǎng)夾層棄料108 萬m3。經(jīng)對(duì)土石方的平衡分析，巴塘水電站1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)棄渣場(chǎng)能滿足堆渣量要求，從而取消可研階段規(guī)劃的4號(hào)(渣場(chǎng)堆渣量為162.46萬m3)和5號(hào)棄渣場(chǎng)(渣場(chǎng)堆渣量為68.03萬m3)。因此，將原來運(yùn)至這兩個(gè)渣場(chǎng)的廠房尾水開挖棄料170.34萬m3調(diào)整運(yùn)到1號(hào)渣場(chǎng)，運(yùn)距從8 km 減少到6.5 km，投資減少918.05萬元。由于減少了4號(hào)、5號(hào)渣場(chǎng)擋排量及料場(chǎng)植被恢復(fù)費(fèi)用，環(huán)境保護(hù)及水土保持工程費(fèi)用減少約3 361.56萬元。

5 結(jié) 語

水電工程混凝土骨料料源的選擇在規(guī)劃階段主要考慮儲(chǔ)量和質(zhì)量兩個(gè)因素。通過料源平衡分析及對(duì)主體工程開挖料開展相關(guān)試驗(yàn)，得出主體工程開挖料弱風(fēng)化以下黑云母石英片巖可以滿足混凝土骨料品質(zhì)要求。據(jù)此對(duì)巴塘水電站有用料進(jìn)行調(diào)整，并優(yōu)化取消和達(dá)通溝料場(chǎng)和4號(hào)、5號(hào)渣場(chǎng)，對(duì)施工總布置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，直接降低投資14 701.72萬元，大大提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

但是，混凝土骨料料源在實(shí)施階段仍會(huì)受一些工程邊界條件變化的影響，如地質(zhì)條件變化、骨料加工工藝、有用料管理等。為此，巴塘水電站在實(shí)施階段采取以下幾個(gè)措施確保了混凝土骨料料源的管控。

(1)對(duì)砂石加工系統(tǒng)采取成品粗骨料的全整形工藝，有效控制碎石的針片狀含量，確保骨料品質(zhì)達(dá)標(biāo)；

(2)根據(jù)工程實(shí)際情況制定了《巴塘水電站有用料管理辦法》，通過加強(qiáng)有用料管理，提高有用料利用率；

(3)加強(qiáng)動(dòng)態(tài)管控，根據(jù)實(shí)際開挖地質(zhì)條件做好有用料的儲(chǔ)存，分析實(shí)際儲(chǔ)量是否能夠滿足工程需求，以便及時(shí)對(duì)料源進(jìn)行調(diào)整。