堆石混凝土(RFC)在布爾津山口電站圍堰方案中的設計與應用

丁照祥 李新江 李海濤

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

布爾津山口電站工程規模為大(2)型，工程等別為Ⅱ等，總庫容2.22億m3。布爾津河發源于阿爾泰山脈，主河道呈“V”形，主河床比較狹窄，河道呈轉彎狀，施工導流采用河床一次斷流、上下游圍堰擋水、左岸導流隧洞全年導流的方式。導流設計洪水標準采用P=10%(10年一遇)的全年洪水，相應洪峰流量為1594m3/s。

該工程2007年開工后，到2010年初，阿勒泰地區遭受60年不遇大雪，在汛期中，據該河各支流水文站點實測數據匯總最大洪峰流量為1950 m3/s，超過原設計洪水標準P=10%(10年一遇)的洪峰流量，反映出了土石型圍堰抵御超標準洪水的不足，對土石型圍堰的設計方案進行了調整。經分析及咨詢后，圍堰采用10年一遇度汛標準、混凝土結構。圍堰設計的標準應為:可以擋10年一遇洪水，解決遭遇超過10年以上超標準洪水時堰頂溢流下泄洪水能力的問題，避免圍堰潰決時對河道下游和工程本身形成大的安全隱患，同時具有工藝簡單、施工速度快以及經濟合理的特性。

2 混凝土圍堰方案研究選型

2.1 圍堰設計原則

a.圍堰為臨時建筑物，建筑物等級為4級，

能夠滿足攔蓄P=10%洪水的設計要求。

b.考慮施工場地的限制，充分利用施工場地，減少不必要工程投資。

c.考慮利用現場的砂石骨料、塊石棄渣等筑壩材料，減少棄料的環境影響。

d.充分考慮氣象條件對施工的影響以及施工單位的實際情況。

2.2 圍堰澆注方式的比選

a.常態混凝土:振搗、冷卻水管等工序多，水化熱高，溫控復雜，容易開裂，成本高。

b.混凝土砌石、埋石混凝土:技術要求低，材料成本低，適合中小型工程，但機械化程度低，質量控制難，人工成本越來越高，逐漸淘汰。

c.碾壓混凝土:要求大倉面，重型機械，僅適合大中型工程，工程量小時沒有優勢。

d.壓漿混凝土:成本高，應用范圍窄，主要是水下混凝土等特殊部位。

e.自密實混凝土:新技術，施工方便，但水化熱高，溫控困難，成本高，難以適應大體積混凝土。

f.堆石混凝土:施工工藝簡單，綜合單價低，水化溫升低，易于現場質量控制，施工效率高，工期短，現場石渣量大，塊石材料豐富。

g.膠凝砂礫石:骨料就地取材，膠凝材料用量少，施工工藝簡單。

3 圍堰基本方案的比選

經過各方面分析、咨詢結果，圍堰形式初步擬定為混凝土圍堰，擋水標準為P=10%，綜合本工程的實際現狀，考慮經濟、工期及混凝土澆筑方式，初步擬定為堆石混凝土與膠凝砂礫石兩種方案，并進行技術、經濟的比選。

3.1 堆石混凝土方案

圍堰基本斷面擬定以P=10%洪水標準為例，經過計算，初擬圍堰斷面為三角形:圍堰頂高程597.0m，建基面高程569.33m，圍堰頂寬度為6m，圍堰上游面直立，圍堰下游起坡點高程為堰頂高程603.00m，下游坡度1∶0.75，澆筑層高1.8m(見圖1)。

圖1 堆石混凝土型圍堰標準斷面

3.2 膠凝砂礫石方案

圍堰基本斷面擬定以P=10%洪水標準為例，經過計算初擬圍堰斷面為梯形，圍堰頂高程597.0m，建基面高程569.33m，圍堰頂寬度為6m，圍堰上游面邊坡坡度為1∶0.30，圍堰下游邊坡坡

度為1∶0.75，澆筑層高1.8m，分縫長度40m(見圖2)。

圖2 堆膠結砂礫石型圍堰標準斷面

3.3 工程量及投資

在工程量的比較上，堆石圍堰與膠凝砂礫石圍堰均按能夠滿足攔蓄P=10%洪水的相同標準進行比選，工程量及投資見表1。

表1 兩種方案工程量及投資對比

4 堆石混凝土與膠凝砂礫石應用情況分析

4.1 堆石混凝土性能特點及應用實例

a.堆石混凝土利用具有高流動、抗分離性以及自密實性能好的混凝土，不需要人工振搗，靠混凝土的自重流動填充到粒徑較大的塊石(塊石粒徑在300～1200mm)體內，形成密實的穩定的混凝土堆石結構體，故簡稱堆石混凝土(rock-filled concrete，RFC)。

b.堆石混凝土的特點及性能優勢:低水泥用量與低水化熱;高密實度與高強度保證率;施工速度快，工效高，縮短工期;施工工藝簡單，單方成本低;良好的體積穩定性;層間抗剪能力強，簡化鑿毛工序;現場塊石選材方便，數量豐富;利用了棄渣，減少了對周邊環境的影響。

c.應用堆石混凝土的工程有:山西晉城圍灘水電站工程、山西臨汾清峪水庫、寶泉抽水蓄能電站、恒山水庫除險加固等。

4.2 膠凝砂礫石性能特點及應用實例

a.膠凝砂礫石是在天然級配砂礫石料或者爆破石渣中摻加少量水泥，反鏟設備現場攪拌，灑水碾壓，使砂礫石或者石渣從散粒體變成連續體，水泥的固結作用增大了材料的抗剪強度，從而可以縮小壩體斷面，使用類似于土石壩施工的連續方法，施工簡單，速度快，施工期短，單方成本低于碾壓混凝土。

b.膠凝砂礫石的優點:水泥用量低，則水化熱溫升低，施工不存在溫控問題;對骨料要求低，可以就地取材，直接利用壩址河床開挖出來的砂卵石及樞紐建筑物開挖丟棄的砂礫石、石渣等;由于對骨料要求的降低，使得造價大大降低;利用工程棄料，減輕了工程施工對周圍環境的破壞程度;硬填料是介于CSG與面板堆石壩之間的全新施工工藝，骨料來自開挖石渣，無需另外加工;骨料粒徑大，最大骨料粒徑達70cm;施工簡易快速，硬填料可利用反鏟現場拌制。

c.應用膠凝砂礫石的工程有:貴州烏江沙沱水電站下游過水圍堰、福建洪口水電站上游圍堰、福建街面水電站下游圍堰等。

4.3 堆石混凝土和膠凝砂礫石的技術比較

堆石混凝土和膠凝砂礫石兩種方案的技術比較見表2。

表2 兩種方案的技術比較

4.4 比選結果

綜合以上的分析情況，考慮施工流程、工期要求、現場材料、造價及咨詢意見等，混凝土型圍堰確定采用堆石混凝土填筑。

5 堆石混凝土圍堰的應用及評價

堆石混凝土用于圍堰施工后，取得了較好的效果，達到了預期的目標:

5.1 施工特點

施工主要工序有清基、立模、堆石備倉、自密實混凝土拌制以及泵送入倉，工藝簡單，不需要人工振搗，充分發揮了機械的作用，減少了現場操作人工，施工速度快，每日可完成的堆石混凝土澆筑量在900～1100m3，月澆筑量在26000 m3以上。

5.2 無溫控措施

圍堰每一倉的量在1300～1900m3，屬于大體積混凝土，經核算，已澆筑的堆石混凝土中自密實混凝土所占比例為45%，其自密實混凝土單方水泥用量為160kg/m3，水膠比為0.3，單方堆石混凝土的水泥用量為72kg/m3，單方混凝土水泥用量遠低于其他混凝土，減少水化熱的產生，混凝土的絕熱溫升大幅降低，未采取溫控措施，當年澆筑完成后未發現混凝土裂縫，外觀質量良好。

5.3 質量滿足要求

堆石混凝土中自密實混凝土的強度為C15，擴散度檢測60次，最小值56cm，最大值72cm;28天抗壓強度取樣60組，最小值18MPa，最大值25.2MPa，均值20.6MPa，標準差1.75，離差系數0.09，合格率100%，各項指標均滿足設計要求。

5.4 造價較低

經過篩分的塊石入倉以后，對空隙率進行了控制，單位體積填充的自密實混凝土量為45%，機械化程度高，單價中的人工費相對較少，完成的堆石混凝土每立方單價在280元，低于其他常態混凝土150元以上。

5.5 環保作用突出

核算到單方混凝土的水泥用量為72kg，遠低于常規混凝土的用量，其強度也滿足筑壩要求，塊石為現場篩選的石渣棄料，同時減少了石渣的堆放場地及相關處理費用，該施工技術符合目前的低碳環保施工要求，大大減輕了因工程建設對環境造成的影響，是一種性能較好的綠色環保混凝土技術，有較大的社會經濟效益。

6 結語

a.冬季實際運行情況:經過一個冬天的凍融循環考驗后，對圍堰陽面、陰面的堆石混凝土表面進行了細部觀察，整體未發現有裂縫及凍融破壞，結構完好。

b.度汛運行:通過近一個月的擋水過洪檢驗，堆石混凝土結構的圍堰具有較好的防滲性，層間接合處未發現滲水現象，施工質量控制良好，較好地實現了壩體防洪度汛的目標。

通過實際結果看，該工程條件選擇堆石混凝土技術方案是正確的，該技術較好地解決了工程遭遇超標洪水時的土石圍堰不能堰頂過流的問題，應用過程充分體現了堆石混凝土技術工藝簡單、施工速度快、成本較低、綠色環保的特性，是一項值得在水利工程上推廣應用的技術。

1 吳永錦，劉清.C20自密實混凝土在堆石混凝土中的應用［J］.混凝土，2010(3).

2 張德侖，張改新，等.堆石混凝土在圍灘水電站中的應用［J］.科技情報開發與經濟，2010(33).