東莊水利樞紐膠凝人工砂石圍堰碾壓試驗(yàn)

董功華

(中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢(xún)西北有限公司,西安 710100)

0 前 言

人工砂石膠結(jié)材料筑壩技術(shù)作為中國(guó)原創(chuàng)筑壩技術(shù),施工中一般采用反鏟等設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)易拌和,攤鋪后通過(guò)振動(dòng)液化,即達(dá)到密實(shí)的理想條件,具有筑壩材料就地取材、膠凝材料用量較低、施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、施工速度較快的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)在諸多學(xué)者、工程人員的創(chuàng)新研究和工程實(shí)踐應(yīng)用下,不斷取得技術(shù)突破[1-6]。陜西省東莊水利樞紐工程上游圍堰位置地形狹窄,開(kāi)挖料可利用價(jià)值較大,具有建設(shè)膠凝人工砂石圍堰的良好地勢(shì)地形及施工條件。本文結(jié)合東莊水利樞紐工程上游膠凝人工砂石圍堰碾壓試驗(yàn),分析確定膠結(jié)人工砂石適宜的各施工參數(shù),為后續(xù)圍堰填筑施工提供相關(guān)技術(shù)支撐,也為類(lèi)似工程建設(shè)應(yīng)用提供相關(guān)參考。

1 工程概況

東莊水利樞紐工程上游膠凝人工砂石圍堰使用年限為2.5 a,圍堰建筑物級(jí)別為4級(jí),初期導(dǎo)流采用10年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)[7]。

圍堰堰前水位638.02 m,堰頂高程639.20 m,最大堰高55.2 m,圍堰頂寬7 m,最大斷面底寬62.22 m,堰頂長(zhǎng)72.8 m。堰頂采用1 m厚C2810W2加漿振搗膠結(jié)料,上游防滲層采用C2810W6加漿振搗膠結(jié)料,頂部寬1 m,底部寬2 m;堰體內(nèi)部采用C4W2膠結(jié)料;下游保護(hù)層采用C2810W2加漿振搗膠結(jié)料,厚度1 m;基礎(chǔ)墊層采用1 m厚C2810W6加漿振搗膠結(jié)料。圍堰采用碾壓澆筑,現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度指標(biāo)按≥98%控制(達(dá)到工藝試驗(yàn)規(guī)定碾壓遍數(shù)后,能基本泛漿),圍堰膠凝人工砂石總方量約6.7 萬(wàn)m3,其中C2810W2 加漿振搗膠結(jié)人工砂石2 948 m3,上游圍堰典型剖面詳見(jiàn)圖1。圍堰正式填筑施工前,需進(jìn)行相關(guān)碾壓工藝試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn),確定上游圍堰碾壓膠凝人工砂石料實(shí)施的配合比、施工設(shè)備、施工工藝、施工方法,以及變態(tài)人工砂石料水泥凈漿配比和施工工藝,為上游圍堰碾壓膠凝人工砂石料填筑施工提供相關(guān)技術(shù)指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

根據(jù)SL 678-2014《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定,在上游圍堰膠凝砂礫石材料填筑正式施工前,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)倉(cāng)面進(jìn)行膠凝人工砂石料碾壓工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)承包人的管理水平、施工機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)性能、工人操作熟練程度、施工工藝和參數(shù)的合理性。同時(shí)驗(yàn)證配合比在現(xiàn)場(chǎng)條件下的可操作性、膠凝人工砂石的抗分離性、VC值變化與環(huán)境關(guān)系、碾壓遍數(shù)與密度的關(guān)系。測(cè)試膠凝人工砂石各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo),與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析[8]。

3 工藝試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 配合比試驗(yàn)

結(jié)合配合比參數(shù)中的α≥1、β≥1 的要求,考慮一定的富裕度空間,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)初選原材料進(jìn)行了最粗、最細(xì)和平均級(jí)配3種粗骨料級(jí)配下,膠凝材料 83 kg/m3,砂率 30%作為推薦膠結(jié)料配合比的基本參數(shù),開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)工作,并進(jìn)行加漿振搗試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)對(duì)比分析,所有參數(shù)的實(shí)際強(qiáng)度值均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo) C4的配制強(qiáng)度,選擇的碾壓膠結(jié)料在按體積比 8%的加漿振搗后,抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足 C10 的配制強(qiáng)度要求,抗?jié)B等級(jí)均達(dá)到 W6 以上,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求[9-11]。2021年11月5日召開(kāi)的上游圍堰膠凝人工砂石配合比及相關(guān)工藝試驗(yàn)專(zhuān)家咨詢(xún)會(huì),根據(jù)專(zhuān)家咨詢(xún)意見(jiàn),對(duì)配合比各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。并于2021年12月,在原材料最終的基礎(chǔ)上,完成了配合比最終確定(見(jiàn)表1)。

表1 最終確定膠凝人工砂石配合比推薦參數(shù)

3.2 技術(shù)準(zhǔn)備

開(kāi)工前,施工單位報(bào)送了《上游圍堰膠凝人工砂石碾壓試驗(yàn)大綱》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大綱”),監(jiān)理主要對(duì)大綱中原材料檢驗(yàn)、試驗(yàn)機(jī)具、試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)方法和質(zhì)量檢測(cè)等內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)審核,并組織召開(kāi)了《大綱》評(píng)審會(huì)議,根據(jù)會(huì)議精神完成了對(duì)《大綱》的批復(fù),試驗(yàn)開(kāi)始前,組織相關(guān)人員進(jìn)行了技術(shù)交底工作。

3.3 原材料

水泥為甲方提供的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為甲方提供的F 類(lèi)Ⅰ級(jí)粉煤灰,水泥、粉煤灰及外加劑各項(xiàng)指均符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。上游圍堰碾壓填筑膠凝砂石料主要有位于右岸的膠凝人工砂石拌和系統(tǒng)生產(chǎn),其中砂石骨料共需約6.6萬(wàn)m3,主要采用開(kāi)挖壩肩槽渣料,開(kāi)挖料經(jīng)改造后的右岸砂石加工系統(tǒng)3加工處理后各項(xiàng)參數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,且成品料堆儲(chǔ)量滿(mǎn)足膠凝人工砂石料的高峰生產(chǎn)強(qiáng)度需求。人工砂石料的品質(zhì)應(yīng)符合下列規(guī)定[12]:

(1) 人工砂石宜質(zhì)地堅(jiān)硬,其表觀(guān)密度應(yīng)不小于2 450 kg/m3;

(2) 人工砂石最大粒徑不宜超過(guò)150 mm;

(3) 人工砂石的含水率應(yīng)相對(duì)穩(wěn)定,拌和時(shí)其中砂子的含水率不宜大于6%;

(4) 人工砂石中的含泥量不宜超過(guò)5%,泥塊含量不宜超過(guò)0.5%,并避免泥塊集中;

(5) 人工砂石中粒徑小于5 mm 的砂料含量宜在18%～35%,粗骨料中粒徑為5～40 mm 的含量宜為35%～65%。

4 工藝試驗(yàn)過(guò)程

4.1 試驗(yàn)場(chǎng)地選擇

膠凝人工砂石現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是圍堰填筑前的場(chǎng)外試驗(yàn),模擬實(shí)際施工條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)在1號(hào)渣場(chǎng)適當(dāng)位置,場(chǎng)地尺寸為20 m×20 m(長(zhǎng)×寬),具體布置如圖2所示。

圖2 碾壓試驗(yàn)區(qū) 單位:m

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

為調(diào)高施工質(zhì)量,東莊水利樞紐工程人工砂石圍堰打破常規(guī)的反鏟簡(jiǎn)易拌和,現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)門(mén)布置一套設(shè)備生產(chǎn)能力不低于200 m3/h的膠凝人工砂石拌合系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械拌和。試驗(yàn)區(qū)沿高度方向共劃分為2大升程層,每個(gè)大升層分A、B、C 3個(gè)區(qū),碾壓層厚分別采用A區(qū) 50 cm、B區(qū)60 cm、C區(qū)70 cm(見(jiàn)圖3),本次碾壓試驗(yàn)分兩次進(jìn)行,填筑膠凝人工砂石料方量 612.5 m3。

圖4 層間鋪筑1～2 cm厚的砂漿

圖5 膠凝人工砂石料碾壓

第1次碾壓試驗(yàn) 11 月 3 日 13:37 開(kāi)倉(cāng)澆筑,11 月 3 日 16:17 收盤(pán),澆筑歷時(shí) 2 h 40 min, 共澆筑混凝土 265 m3。碾壓層厚分別采用 50、60、70 cm 3個(gè)條帶各澆筑 1 層,投入 3 輛自卸車(chē)運(yùn)輸,運(yùn)距約 350 m?；炷疗骄雮}(cāng)強(qiáng)度為 110.4 m3/h。

第一大升程碾壓層碾壓完成間歇7 d后,再進(jìn)行第二大升程層施工,澆筑前層面按施工縫處理,鋪設(shè)1～1.5 cm水泥砂漿,并盡快在其上覆蓋碾壓膠凝人工砂石料,掌握砂漿攤鋪工藝。第2次試驗(yàn)?zāi)雺涸囼?yàn) 11 月 11 日08:59 開(kāi)倉(cāng)澆筑,11 月 11 日 20:54 收盤(pán),澆筑歷時(shí) 11小時(shí)55分,共澆筑混凝土 347.5 m3。碾壓層厚分別采用 50、60、70 cm 3個(gè)條帶各澆筑 2 層,投入 3 輛自卸車(chē)運(yùn)輸,運(yùn)距約 350 m?；炷疗骄雮}(cāng)強(qiáng)度為 29 m3/h。

4.3 膠凝人工砂石料性能檢測(cè)

4.3.1VC值及損失

膠凝人工砂石料碾壓工藝試驗(yàn),出機(jī)口VC值控制在3～5 s,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸時(shí)間、天氣及氣溫狀況,測(cè)試膠凝砂石料VC值的損失情況?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映,試驗(yàn)時(shí)段最高氣溫12.4 ℃,最低氣溫3.0 ℃,平均氣溫7.4 ℃,從出機(jī)口到攤鋪后的平均時(shí)間間隔32.5 min,VC值平均損失2.15 s,滿(mǎn)足膠凝人工砂石拌和物出機(jī)口VC值波動(dòng)范圍,宜控制為±5 s的設(shè)計(jì)要求。為保證現(xiàn)場(chǎng)VC值滿(mǎn)足要求,后期圍堰施工過(guò)程中根據(jù)天氣及氣溫狀況,隨時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整膠結(jié)料出機(jī)口VC值,確保膠凝人工砂石料可碾性。

4.3.2強(qiáng)度試驗(yàn)

成型150 mm×150 mm(長(zhǎng)×寬)試件時(shí),采用濕篩法剔出40 mm粒徑以上的骨料,人工進(jìn)行翻拌3次,確保拌和物翻拌均勻后裝入試模,后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),根據(jù)不同齡期要求進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

按以上方法在出機(jī)口進(jìn)行膠凝砂石料的成型和澆筑現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行變態(tài)混凝土的成型,并分別測(cè)定其7、14、28 d抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知,實(shí)測(cè)強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)。

表2 強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

4.3.3碾壓試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)采用柳工6626E單驅(qū)全液壓?jiǎn)武撦喺駝?dòng)碾進(jìn)行碾壓,行走速度控制在2.5～4 km,碾壓現(xiàn)場(chǎng)分別對(duì)不同鋪層厚度行測(cè)試,進(jìn)行靜碾2遍后動(dòng)碾6、8遍再加靜碾2遍的組合碾壓遍數(shù)試驗(yàn)[13]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度

根據(jù)表3結(jié)果,可以得出在碾壓層厚一定的條件下,碾壓遍數(shù)越多,壓實(shí)度越高(見(jiàn)圖6);在碾壓遍數(shù)一定的條件下,碾壓層厚度越薄,壓實(shí)度越高(見(jiàn)圖7)。在靜碾2遍+動(dòng)碾壓6遍+靜碾2遍的組合下,振動(dòng)行走速度為2.5～4 km/h,碾壓層厚為 70 cm時(shí),壓實(shí)度最大為 96.8%小于98.0%的設(shè)計(jì)要求;碾壓層厚為 60、50 cm壓實(shí)度均大于98%,滿(mǎn)足要求;在靜碾 2 遍+動(dòng)碾壓 8 遍+靜碾 2 遍的組合下,碾壓層厚為 70 cm 時(shí)壓實(shí)度為 97.5%,不滿(mǎn)足要求,碾壓層厚為 60、50 cm 時(shí)均滿(mǎn)足要求。

圖6 碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(xiàn)

圖7 碾壓層厚度與壓實(shí)度的關(guān)系曲線(xiàn)

本次碾壓機(jī)具選用柳工6626E-單驅(qū)26 t全液壓?jiǎn)武撦喺駝?dòng)碾,根據(jù)各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)顯示,選用機(jī)具行走速率、激振力等各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。最終推薦鋪料厚度按66 cm控制,碾壓遍數(shù)按靜碾2遍+動(dòng)碾6遍+靜碾2遍控制。

4.3.4沖毛時(shí)間確定

第1次碾壓試驗(yàn)鋪料完成時(shí)間為11月3日16:17,現(xiàn)場(chǎng)碾壓完成時(shí)間18:50,第1次沖毛時(shí)間為11月4日14:20,距碾壓完成后歷時(shí)19小時(shí)30分,沖毛機(jī)壓力35～40 MPa,沖毛時(shí)出現(xiàn)拉槽現(xiàn)象,表明沖毛時(shí)間過(guò)早,第2次沖毛時(shí)間為11月5日上午8:00,距碾壓完成后歷時(shí)37小時(shí)10分,沖毛機(jī)壓力35～40 MPa,沖毛效果較好,沖毛后粗細(xì)骨料外露。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)兩次沖毛效果及間隔時(shí)間得出,近期由于氣溫在2～15 ℃,沖毛機(jī)壓力35～40 MPa,沖毛時(shí)間間隔控制在30～38 h比較合適,后期隨著氣溫的升高可適當(dāng)調(diào)整間隔時(shí)間。

4.3.5變態(tài)料加漿量確定

按照《大綱》現(xiàn)場(chǎng)變態(tài)料的加漿按照試驗(yàn)室確定的不大于8%的基礎(chǔ)上采用5%、6%兩種加漿量控制,漿液比重1.8,第1層澆筑左側(cè)模板邊1 m范圍采用5%加漿量,右側(cè)模板面采用6%加漿量。第2層澆筑左側(cè)模板邊1 m范圍采用5%加漿量,右側(cè)模板面采用機(jī)制變態(tài)料。第3層澆筑左側(cè)模板邊1 m范圍采用5%加漿量,右側(cè)模板面采用機(jī)制變態(tài)料?；炷琳駬v全部采用?100高頻振搗器。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可振搗性及振搗拆模后的混凝土外觀(guān),加漿量為5%的區(qū)域能滿(mǎn)足振搗性能需求,但拆模后麻面、氣泡較多,外觀(guān)質(zhì)量較差。加漿量為6%的區(qū)域及機(jī)制變態(tài)區(qū)域能滿(mǎn)足振搗性能需求,拆?；炷撩婢植坑猩倭繗馀?外觀(guān)質(zhì)量較好。

5 結(jié) 論

本次試驗(yàn)采用擬用于堰體施工的相同設(shè)備、施工工藝和原材料進(jìn)行,通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)了施工現(xiàn)場(chǎng)的管理水平、施工機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)性能、工人操作熟練程度、施工工藝和參數(shù)的合理性;同時(shí)也驗(yàn)證了膠凝人工砂石料配合比在現(xiàn)場(chǎng)條件下的可操作性、膠凝人工砂石的抗分離性、VC值變化與環(huán)境關(guān)系、碾壓遍數(shù)與密度的關(guān)系,測(cè)試了膠凝人工砂石各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo),為后續(xù)圍堰施工提供技術(shù)指導(dǎo)。形成結(jié)論如下:

(1) 膠凝人工砂石料拌制采用單倉(cāng)滾筒混凝土拌和站,拌合形式為混合料、水泥、粉煤灰、外加劑同時(shí)連續(xù)投料、連續(xù)攪拌、連續(xù)出料的方式,出料最高強(qiáng)度達(dá)200 m3/h,強(qiáng)度不能滿(mǎn)足施工強(qiáng)度需要時(shí),可采用挖掘機(jī)現(xiàn)場(chǎng)拌制補(bǔ)充,渣料需要剔除粒徑較大的塊石。

(2)VC值按照3～5 s進(jìn)行控制,后期隨著氣溫的升高可適當(dāng)調(diào)整,確保膠凝人工砂石料的可碾性。

(3) 鋪料厚度按66 cm控制,振動(dòng)碾行走速度結(jié)合設(shè)備性能確定為2.5～4.0 km,碾壓遍數(shù)為靜碾2遍+動(dòng)碾6遍,最后收倉(cāng)面可增加靜碾2遍,確保收面平整[14]。

(4) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)兩次沖毛效果及間隔時(shí)間得出,近期由于氣溫在2～15 ℃,沖毛時(shí)間間隔控制在30～38 h之內(nèi)比較合適,沖毛機(jī)壓力35～40 MPa,后期隨著氣溫的升高可適當(dāng)調(diào)整間隔時(shí)間。

(5) 原配合比中加漿量8%偏大,后續(xù)圍堰施工采用加漿量6%變態(tài)料或機(jī)制變態(tài)料進(jìn)行上游面防滲區(qū)、模板周邊及左右岸巖體交接部位的澆筑,隨碾壓料VC值的波動(dòng)可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整[15]。

(6) 70 cm條帶區(qū)平均沉降量為7.22 cm,60 cm條帶區(qū)平均沉降量為6.52 cm,50 cm條帶區(qū)平均沉降量為6.45 cm。由于現(xiàn)場(chǎng)采用反鏟平料,表面平整度差,且每一層的測(cè)點(diǎn)位置存在偏差,導(dǎo)致測(cè)出的沉降量誤差較大,后續(xù)在圍堰施工過(guò)程中,需增加平倉(cāng)機(jī),已提高平倉(cāng)表面平整正度,結(jié)合圍堰施工再次沉降量進(jìn)行檢測(cè)分析。