堆石混凝土技术在水库除险加固工程中的应用

摘 要 ： 堆石混凝土技术是由清华大学水利水电工程系发明并获得国家发明专利授权的新型大体积混凝土施工技术,其技术特征是利用专用自密实混凝土充填堆石空隙形成完整密实的混凝土,具有低碳环保、低水化热、工艺简便、造价低廉、施工速度快等特点.通过在水沟口二库坝体培厚加固工程中的应用,其先进特点得到有效利用.

Abstract： Rock-fill concrete technology was invented by the Department of Hydraulic Engineering of Tsinghua University and got a patent awarded by the state. Its technical characteristic is to use a dedicated self-pacting concrete to fill rock-fill gap and form a plete pacting concrete which is low carbon, low heat of hydration, the simple process, low cost, rapid construction speed and other features. In the application in reinforcement engineering of No.2 reservoir at Shuigoukou, its advantages are reflected.

关 键 词 ： 堆石混凝土；大体积混凝土；水库除险加固；先进特点

Key words： rock-fill concrete；mass concrete；reservoir reinforcement；advanced features

中图分类号：TV62 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0113-02

1.工程概况

水沟口二库位于张家口市怀安县境内水沟口河上,水库大坝为变圆心、变半径的埋石混凝土双曲拱坝.坝顶高程140m,最大坝高50m,坝顶宽度3.7m.大坝由非溢流坝段和溢流坝段组成,非溢流坝段位于大坝的两端,全长143m；溢流坝段长66m,堰顶高程137m,溢流堰12孔,每孔净宽5.0m.坝体加厚形式为坝后浇筑贴坡堆石混凝土,标号为C20W6F200,下游坝坡拱冠坡比为1：0.2,加固顶高程137.0m,宽度0.5m,底高程90.0m,宽度5.86m.

2.堆石混凝土的特点

水沟口二库坝体加固工程中,堆石混凝土中堆石的体积比例可以达到55%,能够充分利用开采的石料,最大限度降低胶凝材料用量的同时还在骨料破碎、混凝土生产浇筑等环节大大节约了能源,减少了二氧化碳的排放,因此堆石混凝土技术是一种新型低碳环保的混凝土施工方法.堆石混凝土技术用于大体积混凝土施工还具有以下四方面特点：

2.1 低水泥用量与低水化热 堆石混凝土可以充分利用粉煤灰、石粉等活性或惰性掺和料,降低水泥的用量.水沟口二库坝体加固工程中C20等级堆石混凝土中的水泥含量一般不超过117.5kg/m3,绝热温升不超过10℃,取消了温控措施.

2.2 工艺简便,施工快捷 堆石混凝土施工主要包括两道工序：堆石入仓和专用自密实混凝土的生产浇筑.通过合理的施工组织,两道工序均可以通过大规模的机械化施工来完成,避免了人为干扰.在完成一定堆石仓面后,堆石入仓和混凝土浇筑可以平行进行,工序间干扰小.简化消除温控措施、混凝土生产运输浇筑量减半且无需振捣等都为加快施工进度、缩短工期提供了强有力的保障.

2.3 显著降低施工成本 堆石混凝土的综合成本在相同条件下较常态混凝土可降低10%～20%,主要通过三个方面实现：大量使用堆石而减少胶凝材料用量,材料成本较常态混凝土有所降低；专用自密实混凝土的用量为45%,所以在混凝土生产、运输以及浇筑等工序中施工成本显著降低；简化或消除了温控措施,浇筑过程免去了振捣工序减少了人工的投入.

2.4 综合性能稳定,安全系数高 堆石混凝土是由相互搭接的堆石骨架和用于胶结堆石的专用自密实混凝土构成的.堆石骨架在提高材料抗压、抗剪强度,抑制干缩变形,提高结构稳定性等方面都有着显著的效果；同时自密实混凝土独特的设计工艺,使其具有卓越的流动性、充填性和抗离析性,在浇注过程中不离析、不泌水既保证了自密实混凝土的充填均匀性,又避免了混凝土与骨料胶结面过渡区薄弱层的产生.

3.堆石混凝土原材料的基本要求

原材料除应满足国家和行业的相关规范标准外,还应满足堆石混凝土自身特点要求.

3.1 水泥 水泥本身复杂的矿物组成和化学成分极易引发与外加剂的不相容,在选择水泥品种时宜选用普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥；不宜使用铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥以及早强型水泥,由于水泥凝结速度较快,易引发自密实混凝土外加剂掺量高、流动性损失快等问题,无法实现自密实施工.

3.2 掺合料 专用自密实混凝土的掺合料包括粉煤灰、矿渣粉、硅粉等活性掺合料.一般粉煤灰的使用较为普遍,粉煤灰原则上应满足2 级灰的标准.

3.3 骨料 用于配制自密实混凝土的细骨料应首选中砂或中粗砂,粗骨料最大粒径不宜大于20mm.

3.4 专用外加剂 在堆石混凝土施工中,对自密实混凝土的工作性能要求很高,不仅要具有卓越的流动性、抗离析性和强充填性,而且要具有较长时间的自密实性能保持时间.在水沟口二库坝体加固工程中,由于胶凝材料的地区差异性较大,针对该工程选用的水泥、粉煤灰等胶凝材料进行专用外加剂配方设计以满足施工要求.

3.5 堆石料 堆石料应满足新鲜、完整、质地坚硬、不得有剥落层和裂纹的要求.堆石料的粒径大于200mm. 4 水沟口二库坝体加固工程中堆石混凝土施工流程

4.1 堆石混凝土示意图

4.2 堆石混凝土施工程序

块石开采→清理仓面→堆石入仓、模板支立→混凝土拌制、运输→混凝土浇筑→拆模、养护.

施工流程图如下：

4.2.1 仓面清理 利用高压水进行仓面清理,清理后的仓面无积水、积渣、杂物等.

4.2.2 堆石入仓 对符合粒径要求的块石采用挖掘机、装载机配合作业将块石运至仓面堆砌.对块石利用高压清水冲洗,控水后倒入仓面.在距模板200mm、止水带、灌浆管等部位,采用人工摆放块石,以免机械施工对这些部位造成损伤,影响工程质量.

4.2.3 模板支立 堆石入仓经人工局部整平后,表层基本平整,块石粒径搭配合理,块石的堆放厚度不超过1.5米.保证模板的构造坚实、刚度、不漏浆和稳定性.

4.2.4 堆石混凝土的运输和浇筑 采用专用的混凝土罐车将自密实混凝土运至施工现场,通过混凝土输送泵将自密实混凝土输送至浇筑仓面.每一仓面的浇筑顶面留有块石棱角,块石棱角的高度高于堆石混凝土顶面5～20cm,既增强了混凝土的抗剪强度,又减少了凿毛工作量.

4.2.5 拆模与养护 在自密实混凝土浇筑36小时,强度达到5MPa以上后进行模板拆除,并即时对堆石混凝土进行洒水养护.

5.堆石混凝土施工的质量控制点

5.1 堆石入仓 在堆石入仓时,小于200mm的块石禁止入仓,并保证仓内较小粒径块石分布均匀.

5.2 模板支立 由于堆石混凝土施工中使用的自密实混凝土流动性大,性能与常规混凝土有较大的区别,混凝土凝结前可持续对模板产生较大的侧压力,所以模板及其支护应有足够的强度、刚度和稳定性,能可靠地承受混凝土的侧压力及施工过程中产生的荷载.

5.3 自密实混凝土拌制 与常态混凝土相比,拌制自密实混凝土所使用的原材料、机械设备均为常规的材料和设备,原材料大多就地取材,主要是使用了专用混凝土外加剂.影响混凝土自密实性能的主要因素有投料和搅拌顺序、拌合时间及温度.

5.3.1 测量砂的含水率 经过多次施工试验表明,自密实混凝土的工作性能对用水量的变化相当敏感,而在生产过程中用水量的波动主要是取决于砂的含水率的波动,所以在拌制自密实混凝土前准确测量砂的含水率非常重要.

5.3.2 拌和 检测表明,在拌和时投料顺序以及搅拌时间对自密实混凝土的工作性能产生较大的影响.经过对搅拌机拌和时不同的投料顺序和搅拌时间观察和调整,确定的投料顺序和拌和时间如图所示.

按照“先砂石,后粉体”的顺序将称量好的砂石骨料和胶凝材料倒入搅拌机中；搅拌30s至干料混合均匀；向拌和均匀的混凝土干料中加入水和专用外加剂的混合液体；搅拌90s后拌和完毕,即可出盘.

5.4 自密实混凝土运输与浇筑 运送自密实混凝土时要保持混凝土拌和物的均匀性,不产生离析、分层和前后不均匀等现象.浇筑前,混凝土输送泵的输送管线及出料口的配置要事先加以规划,以保证自密实混凝土能有合适的流动距离.混凝土输送管路除出口处其它部位不得使用软管.由于自密实混凝土黏度比常规混凝土大,需要较大的泵送压力.

5.5 堆石混凝土的养护 养护是防止混凝土产生裂缝的重要措施,堆石混凝土的后期养护与常规混凝土基本相同,但由于自密实混凝土的水灰比较小,混凝土在终凝前的失水极易造成早期收缩裂缝,因此早期的养护非常重要.

6.结语

水沟口二库除险加固工程大坝加固项目中,采用了堆石混凝土施工方案,水泥使用量大大降低,有效的降低了施工成本；堆石体较高的比热容,可以吸收大量水化热,堆石混凝土温控措施可以省略；堆石混凝土中用粉煤灰代替水泥,节省了材料,符合低碳环保的要求；自密实混凝土利用其高流动性,依靠自重充填到堆石空隙中而形成密实的混凝土,因此无须对混凝土进行振捣,降低了振捣混凝土时对环境的噪声污染.堆石混凝土在河北省范围内是第一次应用,为以后水库大坝加固又提供了一种投资更少、更加低碳环保的方案,取得了较好的经济效益和社会效益.