埋石混凝土在重力壩設計施工中的應用

鐘常砝

摘要：文山州已建中小型電站數十座，其中首部攔河壩采用新型埋石混凝土建造的有十余座。由于采用新的埋石混凝土配比及施工方法，在工程建設中取得了較大的工程效益和施工效益。本文主要總結采用新型埋石混凝土建造重力壩與用純混凝土建造重力壩在壩體設計、壩體溫控、建筑造價及施工進度等方面的利弊關系。

關鍵詞：工程設計；重力壩；埋石混凝土；造價；溫控；施工進度

一、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩的區別

重力壩是依靠自重克服外力以保持穩定的一種常規壩型。采用埋石混凝土建造的重力壩與用純混凝土建造的重力壩在體型設計方面沒有較大的差別，差別在于壩體澆筑材料的使用。一般混凝土重力壩是壩體全部采用純混凝土建造，而埋石混凝土重力壩是在壩體內部本應采用混凝土澆筑的，用一定數量的塊石替換混凝土，從而減少混凝土的澆筑用量，達到節省投資的目的。埋石混凝土的埋石量一般性規定不超過25%，其施工概念是在混凝土入倉后，再把塊石投放到混凝土內。本文中的埋石混凝土，恰與反之，是先把塊石堆放好，再澆筑混凝土，通過振搗，讓混凝土填充滿塊石之間的空隙。根據文山州已建成投入使用的十余座埋石混凝土重力壩的施工統計數據分析，埋石放量可達37%～45%，節省混凝土用量明顯。采用埋石混凝土建造重力壩主要有三大優點：一是大壩造價顯著降低；二是壩體溫度應力容易控制；三是施工進度加快。

需要說明的是在重力壩的以下部位，一是大壩的迎水面1.5～2m、下游壩面1.5m，由于考慮防滲及壩面平整度要求，一般不建議使用埋石混凝土。二是壩體上開孔的取、泄水建筑物孔口周邊需設置鋼筋的部位；三是壩基底部2.0m及兩壩肩岸坡接觸帶1.5m厚度范圍內不建議使用埋石混凝土。

二、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩1m3澆筑材料用量造價比較

根據已建成投入使用的十余座重力壩的現場樣品澆筑材料用量統計分析，樣品中塊石顆徑400～600mm，不均勻系數15，采用較大的不均勻系數使上壩的塊石堆砌體形成不連續級配，增大塊石之間的空隙率，便于混凝土填充，保證澆筑的混凝土與塊石之間緊密膠結。埋石混凝土使用的水泥為42.5級，塊石、碎石、砂均為新鮮灰巖料加工而成，材料工地價：水泥400元/t，塊石50元/m3，碎石60元/m3，砂65元/m3，兩種壩型1m3壩體成品的材料用量、造價比較如下表：

序號 材料名稱 埋石混凝土 混凝土 節省

1 水泥（kg） 184 307 123

2 碎石（m3） 0.5 0.84 0.34

3 砂（m3） 0.33 0.55 0.2

4 塊石（m3） 0.45 —0.45

5 造價（元） 147.55 208.95 61.4

根據試驗資料，塊石顆徑越小，混凝土的消耗量就越大。經實踐驗證，塊石顆徑400～600mm時，混凝土在塊石之間的填充度最優。根據上表的統計數據，采用埋石混凝土建造重力壩與用純混凝土建造重力壩1m3壩體成品的材料價節省61.4元，如以50m壩高測算，壩體澆筑量10萬m3，單材料費就可節省投資600萬元左右，故用埋石混凝土建造重力壩與用純混凝土建造重力壩在節省工程造價方面有較大優勢。

三、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩結構方面的比較

首先需要明確的一個問題是重力壩是依靠自重克服外力以保持穩定的一種擋水建筑物，自重決定壩體穩定。也就是說在壩體體型尺寸一定的情況下，自重越大，其穩定性越好。一般性C20混凝土的比重為2.4t/m3，而埋石混凝土由于加入較多的塊石，新鮮、完整的灰巖塊石料比重一般在2.6～2.7t/m3之間，這部分塊石在混凝土內形成結核狀，澆筑填充密實的埋石混凝土單方重量相對要比純混凝土略重。故在大壩體型尺寸已定的條件下，埋石混凝土單方自重略重于純混凝土，相應的穩定性略好。

四、埋石混凝土重力壩的施工方法

埋石混凝土與普通混凝土的施工方法存在同異性，同性是混凝土均由拌和站拌制，混凝土運輸設備運送入倉，然后平倉振搗澆筑。異性是本文中的埋石混凝土澆筑方法是先用由卸汽車將石料場開采沖洗干凈的達到上壩要求的石料直接運輸到壩體澆筑倉面（塊石的最大粒徑不大于600mm）。施工順序是先擺放塊石，再澆混凝土，以前的埋石混凝土施工順序是先混凝土入倉，再把塊石投入混凝土內。塊石料的入倉采用自卸汽車后退法鋪料，由于自卸汽車下料后在澆筑倉面形成一個個高低不平的堆砌體，需要對塊石進行平倉。平倉方法采用挖掘機平倉，平倉時將塊徑較大的置于底部，塊徑小的置于上部，澆筑倉面的塊石堆砌體厚度一般不超過800mm，一個澆筑層厚度不超過1200mm。塊石平倉結束后即進行混凝土澆筑，由于澆筑倉面鋪滿的是塊石堆砌體，一般輪胎式運輸設備不易在倉面行走，故混凝土的輸送設備采用混凝土輸送泵運送。混凝土直接從拌和站用管道連接輸送泵，管道出口置于壩面澆筑倉上，人工把持噴槍頭將混凝土噴射到塊石倉面上，混凝土在塊石倉面上的堆積厚度500～600mm為宜。當混凝土鋪到一定倉面后，即進行混凝土的振搗，澆筑方法是用插入式振搗器沿塊石周邊振搗，現場檢驗方法是振搗器定位振搗1分半鐘，直至混凝土填充滿塊石之間的空隙不再流淌、下沉為止。采用混凝土輸送泵運送混凝土，可防止輪胎式運輸設備在行走過程中粘接的土、渣顆進入澆筑倉面，影響壩體質量，同時也加快了澆筑進度。

一個澆筑層施工結束后即進入混凝土養護期，由于塊石的導熱系數與熱擴散系數均較混凝土小，故養護期4～5天左右即可施工上一層，而純混凝土至少要7天以上才能澆筑上一層。

在進行下一個澆筑層的施工時，必須對原澆筑層面進行清掃，并用水泵沖洗干凈，防止雜質留在倉面，影響上下兩層的膠結。從兩種壩型兩個新老接觸層的取樣檢測，用埋石混凝土建造的上下兩個接觸層，基本未發現有冷縫或者溫度應力縫，而純混凝土澆筑的上下兩個接觸層面，局部存在冷縫現象。分析原因是埋石混凝土的上一個澆筑層，由于塊石的作用，倉面存在不平整現象，其局部凸起的部位恰巧被新一層混凝土填充整平，因為上下兩個澆筑層之間的塊石，若粘連在一起，其下部一般會出現空隙，新澆筑的混凝土一般會將該空隙填滿，故未發現有冷縫的原因。從新老兩個接觸層面分析，采用埋石混凝土建造的要比純混凝土建造的層間接觸略好。

五、埋石混凝土重力壩與純混凝土重力壩的溫度應力控制比較

混凝土在澆筑過程中及以后會產生較大的溫度應力，溫度控制不好會在壩體內部及表面形成裂縫，影響壩體蓄水和大壩自身的結構安全，故在壩體設計中需要設置溫控設施來解決溫度應力造成的不利影響。而用埋石混凝土建造的重力壩，由于建筑材料用量及塊石在堆放過程中形成的空隙關系，其產生的溫度應力相對要小得多，壩體出現溫度裂縫的機率也較小。

混凝土在澆筑后由于水泥的作用，自身會產生水化熱，再加上外部溫度的變化影響，水泥用量越多，產生的水化熱就越多，以至產生的溫度應力就越大。產生這種現象要先從建筑材料的使用量來分析，根據上表的試驗資料，采用埋石混凝土建造的重力壩，每1m3壩體成品的水泥用量為184kg，而純混凝土則需要307kg，在同一成品體積下，由于埋石混凝土比純混凝土少用水泥123kg，相應由水泥產生的水化熱要減少1/3左右。故在許多純混凝土重力壩施工中，壩體內部及表面，由于溫度控制措施問題，造成的溫度應力縫比比皆是。而用埋石混凝土建造的重力壩，由于水泥用量減少，在同體積情況下產生的溫度熱效應就小，再加上塊石的導熱系數與熱擴散系數均較混凝土小，在入倉前及澆筑后產生的熱效應變化不大，故由自身產生的溫度應力相對要小得多。其次從材料的澆筑關系分析，純混凝土重力壩由于整個壩體均為等性材料，其材料的熱擴散系數是均勻的，也就是說混凝土從內部到外部的熱擴散相應呈直線關系，但由于受外部溫度變化的影響，外部材料受陽光照射，快速升溫，混凝土的熱擴散加劇，而內部受外部溫度影響相對表面弱，混凝土熱擴散沿順自身特性自然釋放。由于在外部溫度影響下，造成混凝土內外熱擴散效應發生改變，不呈直線關系，故溫度應力縫由此產生。埋石混凝土建造的重力壩，為什么會比純混凝土建造的重力壩溫度裂縫少，主要原因有以下幾點：1、水泥用量少。2、塊石在入倉堆放過程中塊與塊之間的搭接堆砌關系，形成較大的空隙率，這些空隙后來由混凝土填充，但由于澆筑振搗關系，或多或少會存在一些空隙，這些空隙能儲存一定量的熱能，不容易形成集中釋放。3、塊石在混凝土內形成結核，由于塊石的導熱系數、熱擴散系數與混凝土的不一致，混凝土熱擴散過程中受塊石的阻礙，熱擴散不形成直線關系，故形成的溫度應力縫要比純混凝土的少。由于以上因素，所以在埋石混凝土重力壩設計中溫控設施要少，從而節省工程投資。

六、埋石混凝土施工進度與純混凝土施工進度比較

首先從一個澆筑層來分析筑壩材料的進度關系，用埋石混凝土建造的重力壩，其施工順序是先擺放塊石，再澆混凝土。塊石是由自卸汽車直接運送到施工工作面堆砌而成，在同厚度同倉面條件下，塊石的鋪滿速度要比純混凝土的澆滿速度快得多，原因是大量的塊石作壩體骨架，縮短了混凝土拌合、運輸、澆筑時間。經過多個工程的施工實踐比較，如以1000m2的澆筑倉面，1200mm厚的澆筑層計算，用埋石混凝土建造的重力壩要比純混凝土建造的重力壩施工工期要提前3～4天（中間包括立模時間）。另外從混凝土的養護時間分析，由于埋石混凝土的水泥用量少，熱效應發生的衰變周期短，再加上混凝土內部塊石的強度不會隨時間而改變，從試件試驗數據分析，若以28天混凝土到達設計強度比較，埋石混凝土只需24～25天即可到達該強度指標。由于強度提前達標，故其后續的施工進度相應提前。經過數個工程的施工實踐驗證，用埋石混凝土建造的重力壩要比純混凝土建造的重力壩施工總工期要提前2～3個月，個別工程提前完工時間可達6個以上，工期短較明顯，進度效益較突出。

七、結語

用埋石混凝土建造的重力壩雖然比用純混凝土建造的重力壩在工程造價、施工進度、溫控方面有許多優于性，但埋石混凝土在施工時的質量控制卻不易檢測，以至個別工程到大壩蓄水后才發現壩背坡出現滲漏現象，最后采取壩體霹靂灌漿方式解決。原因是現場檢驗方法是振搗器定位振搗1分半鐘，直至混凝土填充滿塊石之間的空隙不再流淌、下沉為止。該方法是由現場澆筑人員確定，當遇到塊徑較大的碎石，一旦堵塞混凝土填充運行通道，塊石下部的空隙就不易填滿，從而不能保證埋石混凝土的整體質量，也為大壩的整體質量留下隱患。

對于埋石混凝土的設計施工與使用,我們還需要進行深入的研究分析以提高埋石混凝土的作用?