復(fù)合土工膜堆石壩擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工新技術(shù)

張 靜

（中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司國(guó)際公司，陜西 西安 710065）

1 工程概述

南歐江六級(jí)水電站復(fù)合土工膜面板堆石壩，壩高88 m、壩頂長(zhǎng)度362 m、頂寬10 m。壩體總填筑量為193 萬(wàn)m3，其中軟巖填筑方量為157 萬(wàn)m3，占比高達(dá)81%，為國(guó)際第一（目前國(guó)內(nèi)外面板堆石壩軟巖填筑比例最高為73.4%，填筑母巖強(qiáng)度均高于南歐江六級(jí)電站板巖料）。大壩上游采用意大利Carpi 公司的防滲體系設(shè)計(jì)，采用裸露的復(fù)合土工材料（PVC，聚氯乙烯）安裝方案，復(fù)合土工布錨固帶錨固于擠壓邊墻，復(fù)合土工膜材料采用SIBELON 專利產(chǎn)品和施工技術(shù)，該材料由聚氯乙烯材質(zhì)復(fù)合土工膜焊接于無(wú)紡反濾土工布上組合而成。

大壩墊層料上游采用擠壓式混凝土邊墻技術(shù)，邊墻外側(cè)坡比1∶1.6，大壩填料主要分區(qū)：排水體料3D，主堆石料3B1、3B2，次堆石料3C，過(guò)渡料3A，墊層料2A，特殊墊層料2B，復(fù)合土工膜防滲體系，上游覆蓋粘土1A，蓋重1B，下游干砌石P 組成，其標(biāo)準(zhǔn)斷面見(jiàn)圖1。

圖1 大壩標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

2 Carpi 公司擠壓邊墻性能分析

2.1 Carpi 公司擠壓邊墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)水電行業(yè)混凝土面板堆石壩中擠壓邊墻為成熟的上游固坡技術(shù)，并被普遍推廣，我國(guó)已有90 多座面板堆石壩所采用[1]。本工程中的擠壓邊墻混凝土作為Carpi 公司防滲體系復(fù)合土工膜施工的基礎(chǔ)面，不僅是墊層料上游固坡技術(shù)，而且發(fā)揮著防滲體系復(fù)合土工膜自身重量的承載體作用，是支撐穩(wěn)固土工膜的基礎(chǔ)，Carpi 公司認(rèn)為擠壓邊墻為復(fù)合土工膜面板堆石壩的重要結(jié)構(gòu)形體，同時(shí)混凝土能夠自由排水，不會(huì)對(duì)土工膜內(nèi)側(cè)產(chǎn)生揚(yáng)壓力，進(jìn)而有助于防滲系統(tǒng)更好地發(fā)揮功效，并延長(zhǎng)其使用壽命[2]。

本工程中擠壓邊墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式與國(guó)內(nèi)擠壓邊墻有差異，擠壓邊墻底部為三角楔形體（寬30 cm，深10 cm，見(jiàn)圖2），與下層形成相互咬扣結(jié)構(gòu)，從而使擠壓邊墻形成復(fù)合土工膜的基礎(chǔ)錨固整體，防止由于大壩蓄水后變形使得局部擠壓邊墻突出而破壞土工膜，同時(shí)避免層間摩擦力不夠?qū)е峦凉つふw脫落[3]。

結(jié)構(gòu)形式對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)形式對(duì)比圖

2.2 Carpi 公司擠壓邊墻混凝土性能指標(biāo)

Carpi 公司要求擠壓邊墻為多孔性混凝土，其排水能力與砂率有關(guān)，基本上含少量砂，為提高和易性，需要確定出滿足滲透指標(biāo)要求最小的砂率，與國(guó)內(nèi)行業(yè)擠壓邊墻混凝土性能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 Carpi 公司與國(guó)內(nèi)行業(yè)擠壓邊墻混凝土性能指標(biāo)對(duì)比表

3 擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

基于以上Carpi 公司設(shè)計(jì)理念，本工程擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)不同于鋼筋混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻混凝土。滲透系數(shù)與抗壓強(qiáng)度為矛盾共同體，使得兩者達(dá)到統(tǒng)一是本次配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在既要滿足強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，控制孔隙率來(lái)保證滲透系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，如何找到兩者的結(jié)合點(diǎn)，成為本次混凝土配合比設(shè)計(jì)難題。

以《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5422-2009）[4]以及《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5297-2013）為參考，做了大量嘗試性工作，經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考和討論確定出設(shè)計(jì)思路：首先以滲透系數(shù)為基準(zhǔn)，確定出最優(yōu)砂率（＜5 mm 含量）滿足滲透系數(shù)要求，然后確定滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的膠材用量及水灰比，再經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)整砂率、膠材用量、粗骨料粒徑，直至達(dá)到設(shè)計(jì)雙重指標(biāo)要求。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程對(duì)比驗(yàn)證

依據(jù)《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5422-2009）規(guī)范要求，水泥為P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為0～5 mm 水洗人工砂，石粉含量控制在6%～18%，粗骨料5 mm～20 mm 碎石、5 mm～10 mm 碎石,含泥量控制＜7%，液態(tài)速凝劑摻量0～4%。對(duì)采用5 mm～10 mm 碎石及速凝劑摻量方面做了大膽的嘗試。

參照規(guī)范（DL/T 5422-2009）擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)要求基礎(chǔ)上進(jìn)行5 個(gè)量級(jí)砂率試驗(yàn)組合分別為：15%、20%、25%、30%、35%；4 個(gè)水灰比試驗(yàn)組合分別為：0.30、0.36、0.40、0.45；考慮到速凝劑不同摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響，試驗(yàn)組合分別：0%、2%、4%。

考慮擠壓機(jī)對(duì)混凝土配合比較敏感，較干的混凝土擠壓摩擦力大，行進(jìn)速度慢，能獲得較為密實(shí)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，相反較濕的混凝土擠壓行進(jìn)速度快，因此擠壓混凝土配合比按一級(jí)配干硬性混凝土設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)容重為2100 kg/m3，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析見(jiàn)表2、表3。

表2 試驗(yàn)組合及數(shù)據(jù)對(duì)比分析表

通過(guò)以上試驗(yàn)組合分析得出：

①當(dāng)砂率為25%，接近臨界值，如果繼續(xù)增加砂率，滲透系數(shù)將不能滿足＞5×10-3要求。

②水灰比確定為0.40±0.02，單方混凝土用水量控制(120±5)kg，混凝土強(qiáng)度滿足8 MPa～10 MPa 要求。

③速凝劑摻量為2%時(shí)較為合理，繼續(xù)增大速凝劑摻量，混凝土強(qiáng)度有降低的趨勢(shì)。

④改用5 mm～10 mm 小米石，使得成型試塊及抗壓強(qiáng)度塊體差異性減小，內(nèi)部顆粒分散均勻且顆粒之間填充致密，有利于提高混凝土密度和強(qiáng)度。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)找出擠壓邊墻混凝土最佳配合比，推薦現(xiàn)場(chǎng)施工基準(zhǔn)配合比為水膠比0.4、沙率25%、速凝劑摻量2%；單位材料用量：水120 kg/m3、水泥300 kg/m3、砂420 kg/m3、小石1260 kg/m3、KD-5 速凝劑6 kg/m3、容量2100 kg/m3。

4 擠壓邊墻成型驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定出擠壓邊墻混凝土推薦施工配合比表4 中的單方混凝土用量，拌合站采用電子稱量機(jī)械拌合，拌合物采用6 m3混凝土罐車運(yùn)輸至施工作業(yè)面，現(xiàn)場(chǎng)成型擠壓邊墻。對(duì)成型后的實(shí)體進(jìn)行檢測(cè)和取樣復(fù)測(cè)，試驗(yàn)復(fù)測(cè)成果見(jiàn)表3。

表3 擠壓邊墻成型試驗(yàn)復(fù)測(cè)成果表

表3 數(shù)據(jù)顯示：成型后的擠壓邊墻現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)密度與室內(nèi)配合比基本一致，偏差控制在設(shè)計(jì)值(2100±50)kg/m3；現(xiàn)場(chǎng)取樣成型抗壓強(qiáng)度及滲透試件，28d 齡期抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)成型試驗(yàn)驗(yàn)證，檢測(cè)成果與室內(nèi)推薦配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，成型擠壓邊墻實(shí)體混凝土無(wú)倒塌，滿足施工及Carpi 公司設(shè)計(jì)要求。

從混凝土本身采用的技術(shù)和常規(guī)的技術(shù)比較，本工程擠壓邊墻混凝土施工特點(diǎn)是三角楔形體的施工，其余相同[5]。目前已施工完成，完成后擠壓邊墻成型尺寸、實(shí)體質(zhì)量狀況可控，運(yùn)行期擠壓邊墻各項(xiàng)指標(biāo)正常。依據(jù)《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T 5422-2009）規(guī)范要求，試驗(yàn)檢測(cè)成果見(jiàn)表4。

表4 擠壓邊墻混凝土試驗(yàn)成果表

5 結(jié)論

意大利Carpi 公司在擠壓邊墻設(shè)計(jì)理念區(qū)別傳統(tǒng)混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻，是具有較高的抗壓強(qiáng)度，并且能夠自由排水功能，以消除對(duì)土工膜內(nèi)側(cè)產(chǎn)生揚(yáng)壓力的綜合承重載體，在復(fù)合土工膜面板堆石壩安全運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。擠壓邊墻混凝土配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化將是施工成型過(guò)程的重要依據(jù)，嚴(yán)格施工工藝和加強(qiáng)過(guò)程質(zhì)量控制將是達(dá)到意大利Carpi公司擠壓邊墻設(shè)計(jì)理念的保障。