埋石混凝土在一次性筑壩尾礦壩中的應(yīng)用

陳 哲

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410019）

0 引言

尾礦壩分兩大類型[1]，一類是初期壩用當(dāng)?shù)赝?、石材料筑成，后期壩用尾礦筑成，多為透水壩；另一類是整個(gè)壩體全用當(dāng)?shù)赝?、石材料一次性筑成，一般用于尾礦顆粒很細(xì)，不能用于堆積筑壩的情況，多為不透水壩?；炷林亓问且淮涡孕拗驳V壩經(jīng)常采用的一種壩型，但其與水利工程重力壩存在很大不同，主要區(qū)別在于：（1）所受荷載不同，分別為選礦后濕排礦漿荷載和水荷載；（2）尾礦壩壩體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有泄洪孔、閘門、廠房、廊道、進(jìn)水孔等專門設(shè)施；（3）壩體斷面單一，無(wú)溢流壩段等。針對(duì)以上特點(diǎn)，本文依托廣西某排泥庫(kù)埋石混凝土外壩，通過(guò)合理的埋石率理論設(shè)計(jì)方法及埋石混凝土施工方法，探尋埋石混凝土的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效果，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

廣西某氧化鋁企業(yè)HY公司配套堆積型鋁土礦，采用洗礦工藝，天然水沖洗礦石，粗顆粒均作為礦石運(yùn)往氧化鋁廠，細(xì)粒級(jí)礦泥漿經(jīng)濃密后送往排泥庫(kù)儲(chǔ)存。礦泥很細(xì)，尤以黏、膠粒含量高，不能用礦泥漿自身沉積堆壩，且極難排水固結(jié)，一般采用一次性筑壩方式堆存。LH排泥庫(kù)是HY公司洗礦廠配套排泥庫(kù)，利用天然洼地及四周5座埋石混凝土壩堆存礦泥，終期標(biāo)高955m，最大壩高53m，總庫(kù)容2885萬(wàn)m3。

以LH排泥庫(kù)1號(hào)壩（見(jiàn)圖1）為例，壩底標(biāo)高902m，壩頂標(biāo)高955m，壩高53m，壩頂寬4.5m，壩軸線長(zhǎng)110.32m，上游壩坡上部8m直立，947m標(biāo)高以下邊坡1∶0.65；下游壩坡上部5m直立，950m標(biāo)高以下邊坡1∶0.65。壩體橫斷面單一，沿壩軸線共設(shè)6條伸縮縫，將壩體分為7個(gè)壩段，其中1～6號(hào)壩段長(zhǎng)16m，7號(hào)壩段長(zhǎng)14.32m。壩體采用“金包銀”設(shè)計(jì)[2]，內(nèi)部為C15埋石混凝土約12萬(wàn)m3，上游迎水面防滲面板為C25防滲混凝土，壩頂以下直墻段及下游壩坡面1.5m內(nèi)模板拉筋區(qū)為C15素混凝土。

圖1 1號(hào)壩橫斷面

2 埋石率設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)合理的埋石率是埋石混凝土的核心，直接影響到埋石混凝土的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)混凝土骨料粒徑與塊石粒徑的級(jí)配關(guān)系，可以將混凝土埋塊石問(wèn)題分為連續(xù)級(jí)配理論和間斷級(jí)配理論兩種[3]。連續(xù)級(jí)配理論，即原混凝土骨料最大粒徑接近塊石最小粒徑，如骨料最大粒徑150mm，而塊石粒徑為200～300mm，級(jí)配連續(xù)。間段級(jí)配理論，即原混凝土骨料最大粒徑與塊石最小粒徑相差較大，如骨料最大粒徑100mm，而塊石粒徑為300～500mm，級(jí)配間斷。

2.1 連續(xù)級(jí)配理論

（1）根據(jù)連續(xù)級(jí)配理論，理想級(jí)配曲線可歸納成如下公式計(jì)算：

式中：D——最大粒徑；

d——篩孔直徑；

P——通過(guò)篩孔的骨料重量占比，%；

n——在1/4～1/2范圍變化；

K——根據(jù)各個(gè)不同的出發(fā)點(diǎn)而得出的不同系數(shù)。根據(jù)公式計(jì)算可得骨料粒徑級(jí)配，見(jiàn)表1、圖2。

圖2 骨料粒徑級(jí)配圖

表1 骨料粒徑級(jí)配表

從表1、圖2可以看出，假定40mm、80mm或150mm分別為原混凝土中的最大骨料粒徑，在此以上的各種骨料是后埋進(jìn)去的塊石，很明顯，隨著原混凝土骨料最大粒徑的減小，塊石粒徑的加大，則埋石率也隨之增加。當(dāng)最大骨料粒徑為40mm、塊石粒徑為500mm時(shí)，理論埋石率可達(dá)71.6%；最大骨料粒徑為150mm、塊石粒徑為300mm時(shí)，則理論埋石率為29.3%。但是，在上述兩種級(jí)配的埋石率情況下，5mm以下顆粒含量只有10.3%～12.9%，顯然太少了。這樣組成的混凝土，在一般水灰比的情況下，可說(shuō)是毫無(wú)流動(dòng)性，無(wú)法施工[4]；如要保持一定的水灰比，必然要增加水泥用量，這與上述埋石率所能節(jié)約的水泥用量是相矛盾的。因此，考慮到必要的5mm以下的細(xì)顆粒含量，實(shí)際可能埋石率將低于表中所列的理論埋石率。另外石料粒徑級(jí)配跨度較大，對(duì)混凝土骨料及塊石的制備要求較高，工序繁瑣復(fù)雜。

2.2 間斷級(jí)配理論

按間斷級(jí)配的理論，假定塊石為等徑球體或橢圓體，按一定的形式排列，如平排排列、平面相錯(cuò)排列、立面相錯(cuò)排列等，最大埋石率可能達(dá)50%～70%，但要求塊石粒徑是原混凝土的骨料最大粒徑的2.4～7倍。以上是在假定塊石與骨料相互貼密、空隙率最小的理想條件下得出的，實(shí)際上兩者之間不可能互相貼密，同時(shí)，要求其間的砂漿層厚度要有3～4mm，因此塊石粒徑為骨料最大粒徑的6～10倍。

另一方面，由于塊石的形狀實(shí)際上都是不規(guī)則的，其實(shí)測(cè)體積必須按球形或橢圓形體積進(jìn)行折算（折合系數(shù)一般為0.7左右）。因此，實(shí)際可能的最大埋石率還必須乘以折合系數(shù)，所以只能達(dá)35%～50%左右。而這種數(shù)值只有在塊石直徑大于骨料粒徑2.4～7倍的條件下才能達(dá)到。而我國(guó)當(dāng)前采用的骨料粒徑已達(dá)80～150mm，塊石粒徑在300mm左右，所以實(shí)際的埋石率將遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)字。只有將骨料粒徑降至30～70mm，埋石率才有可能達(dá)到30%～40%。

2.3 埋石技術(shù)指標(biāo)

LH排泥庫(kù)所在場(chǎng)地大部分基巖出露地表，為微風(fēng)化新鮮灰?guī)r，實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)制備混凝土骨料及塊石?；?guī)r飽和抗壓強(qiáng)度不小于55MPa，軟化系數(shù)不小于0.80，滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)上述理論分析、現(xiàn)場(chǎng)施工條件及簡(jiǎn)化石料制備要求，LH排泥庫(kù)埋石混凝土按照間斷級(jí)配理論實(shí)施較為合理，技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）原混凝土骨料粒徑控制在50～100mm；

（2）塊石粒徑控制在300～500mm，形狀宜為塊，不應(yīng)采用片狀或者長(zhǎng)條形狀（長(zhǎng)寬比大于2.5∶1）[5]；

（3）設(shè)計(jì)埋石率30%。

3 埋石混凝土施工技術(shù)

決定埋石混凝土質(zhì)量的主要有四個(gè)因素：原混凝土的物理力學(xué)性能、塊石的物理力學(xué)性能、原混凝土與塊石之間的膠結(jié)強(qiáng)度、埋石率。其中前三個(gè)因素，主要受到現(xiàn)場(chǎng)石料性能及制備條件的影響，而是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的埋石率關(guān)鍵在于施工技術(shù)。因此，要提高埋石混凝土的質(zhì)量，研究便捷、高效的施工技術(shù)至關(guān)重要。

3.1 塊石攪拌法

目前我國(guó)采用的埋石混凝土施工方法，主要有先埋石后振搗和先振搗后埋石兩種。埋石混凝土是塊石經(jīng)過(guò)振搗力量組成到混凝土中去的，很顯然，先埋后振比先振后埋要好。但是根據(jù)實(shí)際情況，先埋后振中如何埋同樣值得研究。

根據(jù)LH排泥庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件和要求，在確保質(zhì)量的前提下，盡可能簡(jiǎn)化施工工序，加快施工進(jìn)度，因此采用塊石攪拌施工法。該方法類似于混凝土攪拌原理，即在澆筑倉(cāng)位內(nèi)利用預(yù)先入倉(cāng)的塊石圍擋出攪拌區(qū)域，隨后利用挖掘機(jī)將混凝土及塊石在該區(qū)域內(nèi)充分?jǐn)嚢?，使得塊石被混凝土充分濕潤(rùn)和包裹。最后將塊石混合混凝土平鋪在倉(cāng)位內(nèi)，每層平鋪厚度約50cm，至此埋石混凝土入倉(cāng)完成，塊石充分地埋入混凝土中，且塊石間距滿足振搗要求[6]。

3.2 施工工藝

（1）基面的驗(yàn)收及倉(cāng)面的準(zhǔn)備。在施工區(qū)周圍設(shè)置擋水圍堰或開(kāi)挖周邊排水溝以及采取集水坑抽水等措施，阻止場(chǎng)外水流入場(chǎng)內(nèi)，并有效排除積水。將巖基上的雜物、泥土及松動(dòng)巖石清除（混凝土倉(cāng)面鑿毛或沖毛完成），并沖洗干凈，排除積水和其他雜物，處理完畢，驗(yàn)收合格后，再放樣立模及簽發(fā)混凝土澆筑指令。

（2）混凝土、塊石入倉(cāng)。拌合站生產(chǎn)的混凝土通過(guò)坍落度等測(cè)試合格后，在25min內(nèi)運(yùn)送至澆筑現(xiàn)場(chǎng)。最佳澆筑方式為使用泵送車澆筑，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件及工程進(jìn)度考慮，采用挖掘機(jī)入倉(cāng)澆筑。用于埋石混凝土中的塊石，必須為濕飽，選擇新鮮、完整的巖塊，無(wú)風(fēng)化剝落層或裂紋，石材表面應(yīng)沖洗干凈，不能留有樹(shù)根、雜草等污物，所有進(jìn)倉(cāng)塊石表面應(yīng)處于濕潤(rùn)狀態(tài)，采用自卸汽車運(yùn)輸入倉(cāng)。

（3）鋪料方法。倉(cāng)位面積約400～600m2，采用平鋪法鋪料，首先全倉(cāng)首鋪一層約30cm厚混凝土，之后塊石入倉(cāng)并形成塊石混凝土攪拌區(qū)域，混凝土及塊石在該區(qū)域交替入倉(cāng)，并充分?jǐn)嚢?。每一層，由挖掘機(jī)將拌好的塊石混凝土分層平鋪至全倉(cāng)，受骨料粒徑控制，分層厚度一般約為50cm，平鋪一層后若骨料凸出高度較大，應(yīng)增加鋪設(shè)素混凝土，使得骨料凸出高度不超過(guò)10cm，最后采用插入式振搗棒振搗密實(shí)，振搗時(shí)間以混凝土不再顯著下沉、不出現(xiàn)氣泡、開(kāi)始泛漿為準(zhǔn)。

（4）混凝土養(yǎng)護(hù)及溫控?；炷翝仓?2～18h之內(nèi)，開(kāi)始灑水養(yǎng)護(hù)，各部位按設(shè)計(jì)要求的養(yǎng)護(hù)期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，溢流面適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)期，養(yǎng)護(hù)期內(nèi)須保持混凝土面濕潤(rùn)狀態(tài)?；炷翝仓螅瑖?yán)格控制拆模時(shí)間，以不造成混凝土表面和棱角受損為準(zhǔn)?；炷镣饴对跉鉁伢E變期需要鋪設(shè)草墊進(jìn)行保溫。埋石混凝土已大幅度降低水泥的使用量，且大比例的塊石含量有利于減少裂縫的產(chǎn)生，因此不需采用專門的混凝土溫控措施。

圖3 工藝流程圖

4 埋石混凝土的經(jīng)濟(jì)效果

采用上述設(shè)計(jì)理論及施工方法，完成LH排泥庫(kù)1號(hào)外壩施工，為驗(yàn)證施工質(zhì)量，在壩頂選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行鉆孔取芯，根據(jù)樣芯塊石段長(zhǎng)度，對(duì)實(shí)際埋石率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并選取樣芯進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 LH排泥庫(kù)1號(hào)壩體樣芯埋石比率及抗壓強(qiáng)度

根據(jù)表2可知，LH排泥庫(kù)1號(hào)壩平均抗壓強(qiáng)度27.2MPa，遠(yuǎn)超C15混凝土強(qiáng)度；平均埋石率32.24%，基本符合理論設(shè)計(jì)要求；減少相應(yīng)的常態(tài)混凝土用量約4萬(wàn)m3，降低大壩造價(jià)約1000萬(wàn)元。同時(shí)1號(hào)壩體未出現(xiàn)任何溫度裂縫，相應(yīng)地減少了相關(guān)溫控措施的投入。

5 結(jié)束語(yǔ)

依托LH排泥庫(kù)工程，結(jié)合相關(guān)理論分析，關(guān)于埋石混凝土在一次性筑壩尾礦壩中的應(yīng)用得出如下經(jīng)驗(yàn)，可供類似工程參考。

（1）現(xiàn)場(chǎng)制備混凝土骨料及塊石，采用間斷級(jí)配理論設(shè)計(jì)埋石率較為經(jīng)濟(jì)合理。

（2）塊石攪拌法是一種高效、便捷的埋石混凝土施工方法，施工速度快，塊石與混凝土結(jié)合好，且保障了混凝土施工質(zhì)量。

（3）埋石混凝土可大幅降低壩體造價(jià)，減少溫控投入的同時(shí)可基本消除混凝土溫度裂縫，可大力推廣應(yīng)用。