高溫高頻率降雨地區碾壓混凝土施工技術研究——馬來西亞班谷大壩工程碾壓混凝土施工綜述

談海斌 夏國文 龔建輝

（中國水利水電第八工程局有限公司 長沙市 410007）

1 工程概況

班谷大壩位于馬來西亞砂撈越州,系市政引水工程，其目的是為下游巴圖水廠解決古晉市區用水缺乏與水質問題。大壩底部高程為EL.24 m，最大壩高為62.2 m，共分為 13個壩段，壩段長度（12.56～23）m不等，壩頂總長度為271.79 m。大壩碾壓混凝土約138 742 m3，標號為C15，最大骨料粒徑60 mm。項目2008年3月1日開工，2010年12月6日完工。第一倉混凝土于2009年6月23日開澆，2010年5月14日混凝土全部澆筑完成。

2 科研內容和成果

2.1 混凝土原材料選擇

水泥選自當地CMS水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，其能滿足馬來西亞MS 522及美國ASTM C150Ⅰ類水泥標準要求。粉煤灰選自當地Sejingkat火電廠燃煤產生，由Gobel Industry公司收集處理，符合英國BS3892和美國ASTM C618 F類標準。外加劑采用中國江蘇博特生產的JM～Ⅱ緩凝高效減水復合型干粉外加劑，在拌和系統配制成適當濃度的溶液使用。拌和用水取自壩址處河水。經檢驗符合馬來西亞MS28∶1985關于混凝土拌和用水要求。砂石骨料取自標書指定的采石場，巖石為石灰巖。

2.2 混凝土配合比設計

2.2.1 概 述

根據標書要求，試驗要分階段進行，待取得第一階段91天試驗結果后才開展第二階段試驗；且碾壓混凝土正式開澆之前75天須做工藝試驗，所以試驗時間需要6～7個月。在采石場征地未及時解決、無法取料的情況下，為盡快開展試驗，項目研究人員經多次與監理及主包商溝通，從古晉購買與班谷采石場巖石品質相近的混合料，經試驗室人工篩分成所需的各級粗骨料，砂則用商品骨料運至巴貢加工成人工砂，然后進行試驗。在取得班谷采石場骨料后再進行復核試驗。

第一階段試驗結果表明，所有混凝土配合比的強度都滿足設計要求，且非常高，膠凝材料的用量可以減少。為此研究人員積極與設計方溝通，說服其突破英美規范標準的束縛，接受和采用中國規范，融合中西規范進行碾壓混凝土配合比優化。在滿足混凝土強度的前提下，盡可能地降低水泥用量同時控制膠凝材料總量。這樣不但可以降低工程成本，也可以減小由于大體積混凝土內部水化熱過高而產生溫度裂縫的風險。在征得監理的同意后，我們在第二階段的試驗中盡可能地采用膠凝材料用量盡量少、粉煤灰摻量盡量高的試驗方案。同時為縮短試驗時間，我們提議在取得第一階段試驗的28天成果后即開始第二階段試驗。通過艱難溝通，監理同意提前開展第二階段試驗。

2.2.2 配合比設計試驗方案

（1）水膠比。試驗方法是先給定幾種膠凝材料用量，加入適當的水進行攪拌，得到規定的稠度并成型，在指定的齡期進行抗壓試驗，再根據所得強度選擇最接近于設計強度等級的，調整膠凝材料用量進行復核試驗，如此反復，直接找到滿意的配合比。

（2）骨料級配。標書要求粗骨料按粒徑分為（60～20）mm，（20～10）mm，（10～5）mm 三個等級。 如果這樣分類，則 （60～20）mm的大石用量會很多，（20～10）mm的中石會很少，給砂石系統生產平衡性帶來非常不利的影響，況且大石內粒徑差異太大，容易造成比較嚴重的分離；雖然中、小石粒徑跨度小，對減少分離有利，但分類過細，將給砂石生產帶來許多困難。因此我們建議粗骨料按粒徑分為（60～40）mm，（40～20）mm，（20～5）mm 三種骨料，經過與監理的艱難溝通，終于取得他們的同意。

（3）粗骨料的大、中、小石按不同比例混合，檢測各混合料的松散和緊密容重，選用容重最大的加入不同比例的細骨料，檢測松散和緊密容重，對容重最大的進行篩分，確保組合后的級配符合相關要求。

（4） 稠度。 （10～20）s的 Vc 值，混凝土拌和物會很干硬，經皮帶薄層長距離運輸及幾次高處跌落后易造成骨料分離，混凝土太過干硬也不易碾壓密實且有的地方由于骨料集中而使混凝土壩體不均勻，使壩體內部各處物理力學及熱學性能差異而產生應力集中，也不利于層間結合。因此在配合比設計階段盡可能采用允許Vc值的下限。

（5）混凝土凝結時間。為適應高溫多雨的特點，需要適當延長混凝土凝結時間，保證層間結合，盡量避免出現施工冷縫。混凝土配合比試驗時確定初凝時間不少于10 h，終凝時間不少于20 h，后在施工時再根據實際情況進行了優化。

最終批準的施工配合比見表1。

2.3 施工設備選型

設備主要根據施工進度計劃（混凝土澆筑高峰時段為2009年5月至2010年1月）、混凝土高峰強度（23000m3/月）、同時考慮最大倉面面積（為2 558 m2)來配置。配備的主要碾壓混凝土施工設備見表2。

表1 碾壓混凝土施工配合比表

表2 碾壓混凝土主要施工設備表

監理原要求配置真空汽車泵作為雨后倉面內的排水設備，但由于工程規模小，配置真空汽車泵利用率不高且成本昂貴，最終我們說服他們接受了采用真空吸水泵及其它排水方法。由于分塊后倉面變小，原計劃用的倉面儲漿車也沒用。

2.4 混凝土分層分塊及澆筑方法研究

因9#～13#壩段的開挖已先于其它壩段開挖并于2009年5月初完成。為了避免因上游庫區移民問題影響大壩整體澆筑上升施工進度，研究人員積極說服設計單位接受大壩分左右壩段澆筑的建議：9#～13#壩段先澆筑；1#～8#壩段待截流、基坑開挖及找平混凝土完成后再澆筑。這樣9#～13#壩段在截流前即可施工，截流后左右兩個大塊可交替上升，降低了混凝土的最大入倉強度，加快了施工進度,節約了成本。分層結合當地多雨的氣候條件，不利于連續上升，同時考慮工程規模較小，配置翻升模板成本過高，且3×3.3 m懸臂模板便于從巴貢工程調配，故澆筑分層絕大部分按照3 m考慮。

經分塊后的最大倉面面積為2 558 m2。采用平層法澆筑時的最大入倉強度為115 m3/h，而拌合樓的碾壓混凝土生產能力為120 m3/h，皮帶機的輸送能力為225 m3/h，因此全部采用平層法澆筑。碾壓混凝土攤鋪厚度為350 mm/層，壓實后為300 mm/層。

2.5 混凝土入倉方式研究

針對壩區高溫的特點，入倉方式主要考慮要快捷，減少混凝土在運輸過程中的溫升，同時考慮成本、澆筑強度等。研究人員重點比較了汽車直接入倉和皮帶機入倉，最終采用皮帶機入倉；然后分析了二期皮帶機改線的多種布置線路，重點比較了布置在大壩上游面（即壩軸線處）與布置在壩頂兩種方案，最終采用將后期皮帶機布置在壩頂的方案。

皮帶機寬650 mm，帶速2.5m/s，輸送量225m3/h，傾角0°或±6°，電機功率7.5kW或 11 kW，其頂部設置遮陽防雨棚。皮帶機根據壩區的地形并結合混凝土拌和系統的位置布置在右岸上游，共6條皮帶機，其中1#～4#為固定式皮帶機，布置在大壩上游0～004.00樁號；5#為整體移動式皮帶機，用于1#～8#壩段碾壓混凝土入倉；6#也是整體移動式皮帶機，用于9#～13#壩段碾壓混凝土入倉。

當皮帶機間高差大于10 m時，在中間加下料溜管、緩降溜管、緩降器，防止骨料分離；當皮帶機間高差大于5 m時，在中間加下料溜管及緩降器，防止骨料分離；當皮帶機間高差大于1.5 m小于5 m時，在中間加下料溜管，防止骨料分離。

大壩各部位碾壓混凝土施工的皮帶機詳細布置如下：

（1）9#～13#壩段EL76.10 m以下入倉方式為：皮帶機+集料斗+緩降溜管+自卸汽車。運輸路徑為：1#皮帶機→2#皮帶機→3#皮帶機→6#皮帶機→自卸汽車倉內轉料。

（2）1#～8#壩段 EL27.00 m 以下入倉方式為：皮帶機+集料斗+緩降溜管+自卸汽車。運輸路徑為：1#皮帶機→2#皮帶機→3#皮帶機→4#皮帶機→5#皮帶機→6#皮帶機→自卸汽車倉內轉料。

（3）1#～8#壩段 EL27.00 m～EL.45.50 m 入倉方式為：皮帶機+集料斗+緩降溜管+自卸汽車。運輸路徑為：1#皮帶機→2#皮帶機→3#皮帶機→4#皮帶機→5#皮帶機→自卸汽車倉內轉料。

（4）1#～8#壩段 EL45.50 m～EL.76.10 m 入倉方式為：此時9#～13#壩段先澆完成，將“一期”布置的皮帶機移至9#～13#壩段頂部，然后在1#～8#壩段設計溜筒和緩降器。運輸路徑為：5#皮帶機→6#皮帶機→2#皮帶機→8#皮帶機→自卸汽車倉內轉料。

（5）左岸EL76.10 m以上入倉方式為：自卸汽車+集料斗+溜管+自卸汽車。運輸路徑為：5#皮帶機→6#皮帶機→2#皮帶機→3#皮帶機→4#皮帶機→8#皮帶機→自卸汽車倉內轉料。

2.6 高溫多雨條件下碾壓混凝土施工方法研究

2.6.1 高溫條件下的施工方法

班谷大壩地處高溫地區，全年年平均氣溫24℃左右，最高氣溫可達35℃。標書規定的該工程碾壓混凝土入倉溫度不超過30℃。根據氣溫統計資料及砂石骨料溫度，按相關溫控公式計算，最高入倉溫度出現在5月份，為29.53℃，低于標書規定的30℃。但前提是砂石骨料的溫度必須控制在允許范圍內，混凝土配合比的對控制入倉溫度也十分關鍵。根據上述理論，我們主要從砂石系統骨料、拌和系統調節料倉及各種供水管路、碾壓混凝土供料皮帶機的遮陽及倉面噴霧等方面采取了如下溫控措施：

（1）錯開高溫時段，選擇在傍晚開倉，充分利用夜間溫度較低的時段進行混凝土澆筑。

（2）加大砂石骨料的堆積厚度，并在砂倉上搭設雨棚，降低砂石骨料的自然溫度。

（3）骨料倉制作遮陽棚，避免太陽直曬，降低骨料倉內的骨料溫度。

（4）在混凝土運輸過程中加保溫設施，即在皮帶機設遮陽棚，減少因太陽直射引起混凝土溫度回升及VC值損失。

（5）在倉面上布置2臺沖毛機移動噴霧，每隔2 h噴一次霧，保持倉面濕潤，降低倉面的溫度，減少水份蒸發，防止混凝土表面失水，改善混凝土層間結合性能。

（6）在滿足混凝土其它性能要求的前提下，盡可能提高粉煤灰摻量降低混凝土的水化溫升從而降低大壩產生溫度裂縫的風險。

2.6.2 多雨條件下的施工方法

班谷壩區氣候一般4～10月為旱季，11月～次年3月為雨季。壩址處降雨量大，年平均降雨量達4092.6 mm；降雨頻繁，年平均降雨天數達246天。對多雨條件下的碾壓混凝土施工方法 （包括施工時遇到暴雨如何處理，倉面排水與防雨的方法，雨后恢復施工的程序等），進行了比較深入的研究，取得了以下經驗：

（1）正常施工時倉面沿垂直水流方向（即順壩軸線方向）依次按條帶攤鋪（條帶寬度要適宜，能夠滿足卸料及平倉即可，宜為兩個碾壓條帶寬），條帶應清晰、順直。攤鋪應從上游條帶依次往下游條帶推進，以保證下雨時沿上下游方向所排的雨水不至于浸泡到未壓實好的碾壓混凝土。平倉時條帶前端推成斜面，便于自卸汽車倒退進料。平倉機只需留出卸料位置即可，碾壓機要做到及時跟進碾壓，平倉完一部分就碾壓一部分。變態混凝土也應及時跟進，出來一部分就施工一部分，以盡快提供碾壓工作面。若變態混凝土未施工完，碾壓時可先將變態混凝土旁的條帶先預留出來，碾壓第二個條帶，待變態混凝土施工完一部分就跟進碾壓一部分。

（2）在降雨強度＜2.5 mm/h的條件下，采取了以下措施繼續施工：

適當加大攪拌樓機口拌和物Vc值，適當減小水灰比；卸料后立即平倉、碾壓，或采用防雨布覆蓋；做好倉面排水，以免積水浸入碾壓混凝土中。

（3）當降雨強度≥2.5 mm/h時，立即通知拌和樓停止生產，若時間來得及，則處理完料斗內混凝土料，若時間不允許，則倉面立即停止進料，并迅速完成倉面內尚未進行的卸料、平倉、碾壓等作業。平倉時要求攤鋪條帶前端推成不陡于1∶4的斜坡面，以便于將所有混凝土能夠碾壓壓實。碾壓時不必再按正常施工程序來碾壓，而采用高速檔帶振進行快速碾壓，先封閉碾壓混凝土表面防止雨水下滲，碾壓遍數減少一半，把所有未碾壓區按此要求完成碾壓后再進行補碾以達到設計壓實度。快速完成變態混凝土的施工，否則快速用雨布遮蓋，盡量不要遺留混凝土受雨水浸泡，然后邊揭雨布邊完成振搗。

（4）對已碾好的倉面因汽車在運料過程中行駛所留下的痕跡，也要用碾壓機快速收平，然后才能用雨布覆蓋。

（5）對已碾壓好的倉面采用雨布遮蓋，雨布順水流方向搭接，利于排水，并用重物壓住雨布，防止大風將其吹開。

（6）施工時靠岸坡側變態混凝土區要低于同層施工層面，利于排岸坡側外來水，否則用三角扒在變態混凝土區掏一條排水槽，并將下游靠岸坡處小模板 （立模時考慮到排水需要而有準備地在此位置用小模板）拆除作為排水通道。同時在岸坡合適位置修建臨時截水溝，盡量將岸坡來水直接排向壩體外。

（7）對于溫縫面，水泥煤灰凈漿的鋪灑速度要與碾壓混凝土的攤鋪速度相適應，不宜將一個長條帶一次鋪灑完畢，防止混凝土料來不及覆蓋水泥煤灰凈漿造成水泥煤灰凈漿凝固或被雨水沖刷的現象發生。

（8）雨后處理。

① 雨布按從上游往下游方向揭開，利于雨布上積水直接排向下游側。

② 自卸汽車和碾壓機的移動會混合水和混凝土。因此必須先將倉面的積水清除后，設備才可在倉面內行駛。倉面清除積水的方法：對于已經終凝的混凝土，人工用掃帚清掃倉面的積水或含有積水的未壓實混凝土。對未終凝的混凝土表面，用真空自卸汽車和200 mm直徑吸管從上游往下游依次掃除混凝土表面積水及浮漿；此時人工用掃帚清掃倉面的積水或含有積水的未壓實混凝土是不被建議的，因水會混合混凝土表面的漿液從而使清潔工作更加困難。同時皮帶機及停在露天運送混凝土的汽車車箱內的積水也需清除。一定要將足夠大區域的積水先清理完畢才可恢復澆筑，否則恢復澆筑后的碾壓混凝土因為澆筑速度快于積水排除速度而不得不重復地被停止直到混凝土表面的水完全被清除。一般該清理范圍應該足夠應付至少2h的碾壓混凝土的澆筑。一旦恢復澆筑后再強迫停止澆筑以進行清理工作是很困難的。因為恢復澆筑后勞動力將忙于碾壓混凝土的澆筑、變態混凝土施工及分離骨料的分散處理等工作。

③ 倉面已覆蓋未碾壓的混凝土尚未初凝時，趕緊補碾；漏碾且已初凝而無法恢復碾壓或振搗者，以及有被雨水嚴重浸入者，應予清除。暴露于雨中且未被碾壓的整個坯層混凝土（一般為30 cm）都必須挖除。任何因自卸汽車車輪，碾壓機或掃帚原因而粘附在倉面的漿糊狀物質須被清除。

④ 對于靠岸坡側雨水沖至倉面的泥漿等外來雜物要求清理干凈。

⑤ 對于已損失灰漿而骨料集中的碾壓混凝土（含變態混凝土），因此部分被水浸泡應將此部分（包括骨料與積水）清除。

⑥ 當降雨量小于2.5 mm/h時，并持續30 min以上，則可開始對倉面的積水進行清理，做好恢復施工的準備，倉面清理完成后可恢復施工。

⑦ 雨后碾壓混凝土的Vc值適當調大至15 s左右。

此外，項目研究人員就降雨量對混凝土的影響也進行了試驗研究，模擬不同縫面的結合強度和不同雨量降在沒來得及碾壓和覆蓋的松散混凝土中，看其強度有何變化。試驗表明，不經過處理的冷縫和溫縫對層間結合性能有很大影響，沒有遮蓋長時間暴露在降雨中的松散混凝土由于滲入過多雨水強度下降十分顯著。模擬試驗具有很大局限性，不能向現實情況類推，但也足以反映出降雨對未及時碾壓密實的混凝土帶來的負面影響。

2.7 變態混凝土施工方法研究

（1）底部加漿法：底部鋪漿→混凝土攤鋪→振搗器振搗→小碾碾平。

（2）頂部掏槽加漿法：混凝土攤鋪→頂部挖槽加漿→振搗器振搗→小碾碾平。

（3）鉆孔加漿法：混凝土攤鋪→采用鋼筋等工具鉆約Φ50 mm的孔洞（孔洞梅花型布置，間距200 mm左右）→加注漿液→振搗器振搗→小碾碾平。

經過研究分析，發現頂部掏槽法施工簡單快速，但因漿液都在溝槽內，滲透較慢，同時在槽內漿液比較多，而槽外漿液比較少，容易造成加漿不均勻，從而影響混凝土的振搗效果；底部掏槽法施工復雜，且漿液流失比較大，滲透較差，質量較難保證；而鉆孔法施工簡單，漿液均勻分布，振搗方便，振搗效果較好。最終鉆孔加漿法被推廣實施。

2.8 結構縫施工工藝研究

2.8.1 成縫方法及嵌縫材料安裝

壩體橫縫止水上游側500 mm至下游側300 mm范圍內，采用型鋼支架固定止水片和膠合板的方法成縫。該部位澆筑變態混凝土。膠合板下游的縫面，采用手持式切縫機切縫，切縫施工程序為先碾壓后切縫，切縫時將彩條布一起切入縫內，最后碾壓1～2遍。大壩結構縫原設計的嵌縫材料為0.2 mm厚的鍍鋅鐵板。根據國內工程的經驗，為證明采用彩條布也能達到成縫目的，在工藝試驗中采用了鍍鋅鐵板和彩條布作為填充材料的對比試驗。后設計方接收了采用彩條布作為填縫材料的建議。

2.8.2 止水的固定方式

大壩結構縫上游段布置了兩道PVC止水。止水固定方法我們比較分析了鋼筋固定法和滑升式型鋼支架固定法。鋼筋固定法有以下缺點：鋼筋用量大，不但需要主筋還需很多架立筋；占用空間大，架立筋將嚴重干擾設備的通行；人工投入多，每層都需要進行架立鋼筋加固；操作不方便。

后研究人員設計了一個可滑升的型鋼支架，此支架可隨混凝土澆筑連續上升，且僅需4根R20鋼筋作為爬升桿。利用該止水吊架，不僅可以保證止水安裝位置的準確，同時大大節約了成本。

3 達到的主要技術經濟指標

通過優化配合比，膠凝材料用量從投標時的200 kg/m3（水泥 90 kg，粉煤灰 110 kg）降低至 180 kg/m3（水泥 60 kg，粉煤灰 120 kg），節約成本 220 多萬元。混凝土采用皮帶機入倉相對于汽車入倉快速，利于控制溫升，節約成本100多萬元。采用彩條布代替鍍鋅鋼板作為填縫材料，節約110多萬元。采用滑升式型鋼支架代替鋼筋架固定止水，節約150多萬元。溫控及防雨投入均不大，相對設置制冰樓和搭設防雨棚等，節約500多萬元。

4 問題及體會

（1）根據標書要求，降雨量大于2.5 mm/h時碾壓混凝土就應停止澆筑。如何在高頻率暴雨地區，尤其是如何在雨量最大、最頻繁的1～2月份確保碾壓混凝土的施工質量，特別是層間結合質量，相關處理方法仍需進行更深入的探索。

（2）壩體內雖沒有布置冷卻水管，混凝土拌和時也未加冰塊，但采取本文中所述措施后碾壓混凝土的入倉溫度及澆筑后的溫升值（僅為12℃左右）滿足了設計要求。防雨排水投入成本也不高。溫控措施由于節省了制冰樓、冷卻水廠和冷卻管，防雨排水節省了大規模遮雨棚和真空汽車泵而成本相對低廉，其成功經驗對于其它類似工程具有十分有益的借鑒作用。

5 結 語

由于減少了膠凝材料用量，混凝土性能穩定，沒有出現裂縫。從取芯效果看，混凝土的強度都滿足設計要求，混凝土密實且層間結合良好，證明我們的溫控和防雨措施都是成功的。科研活動達到了預期目標，其研究成果是碾壓混凝土施工經驗的積累，對公司拓展高溫多雨的東南亞地區水電市場具有積極意義。