復合土工膜堆石壩擠壓邊墻 混凝土配合比設計及施工新技術

中國水電建設集團十五工程局有限公司

摘要：老撾南歐江六級水電站樞紐大壩采用復合土工膜面板，壩高88米，全部采用復合土工膜鋪裝，為國際之最高；同時大壩采用軟巖占比80%以上筑壩，此兩項特點在國際上尚屬首次。復合土工膜安裝在混凝土擠壓邊墻之上，區別傳統混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻，本文重點闡述復合土工膜面板堆石壩中擠壓邊墻設計思路、混凝土配合比設計及成型工藝。

一、工程簡介

南歐江六級水電站復合土工膜面板堆石壩，壩高88米、壩頂長度362m、頂寬10m。壩體總填筑方量為193萬m3，其中軟巖填筑方量為157萬m3，占比高達81%，為國際第一（目前國內外面板堆石壩軟巖填筑比例最高為73.4%，填筑母巖強度均高于南歐江六級電站板巖料）。大壩上游采用意大利Carpi公司的防滲體系設計，采用裸露的復合土工材料（PVC，聚氯乙烯）安裝方案，復合土工布錨固帶錨固于擠壓邊墻，復合土工膜材料采用SIBELON專利產品和施工技術，該材料由聚氯乙烯材質復合土工膜焊接于無紡反濾土工布上組合而成。

二、復合土工膜堆石壩結構及組成

大壩墊層料上游采用擠壓式混凝土邊墻技術，邊墻外側坡比1：1.6，大壩填料主要分區由：排水體料3D，主堆石料3B1、3B2，次堆石料3C，過渡料3A，墊層料2A，特殊墊層料2B，復合土工膜防滲體系，上游覆蓋粘土1A，蓋重1B，下游干砌石P組成。

三、Carpi公司擠壓邊墻設計理念

1. 擠壓邊墻混凝土為防滲體系的綜合載體

國內水電行業混凝土面板堆石壩中擠壓邊墻為成熟的上游固坡技術，并被普遍推廣，我國已有90多座面板堆石壩所采用。本工程中的擠壓邊墻混凝土作為Carpi公司防滲體系復合土工膜施工的基礎面，不僅是墊層料上游固坡技術，而且發揮著防滲體系復合土工膜自身重量的承載體作用，是支撐穩固土工膜的基礎，Carpi公司認為擠壓邊墻為復合土工膜面板堆石壩的重要結構形體，同時混凝土能夠自由排水，不會對土工膜內側產生揚壓力，進而有助于防滲系統更好地發揮功效，并延長其使用壽命。

2.擠壓邊墻結構形式對比

本工程中擠壓邊墻設計結構形式與國內擠壓邊墻有差異，擠壓邊墻底部為三角楔形體（寬30cm，深10cm如圖2），與下層形成相互咬扣結構，從而使擠壓邊墻形成復合土工膜的基礎錨固整體，防止由于大壩蓄水后變形使得局部擠壓邊墻突出而破壞土工膜，同時避免層間摩擦力不夠導致土工膜整體脫落。結構形式對比見圖2所示。

Carpi公司設計結構 國內行業設計結構

圖2 結構形式對比圖

3.Carpi公司擠壓邊墻混凝土性能指標

Carpi公司要求擠壓邊墻為多孔性混凝土，其排水能力與砂率有關，基本上含少量砂，為提高和易性，需要確定出滿足滲透指標要求最小的砂率，與國內行業擠壓邊墻混凝土性能指標對比見表1。

表1 Carpi公司與國內行業擠壓邊墻混凝土性能指標對比表

項 目Carpi公司要求國內行業要求備注

抗壓強度（MPa）8～10≤528天齡期

滲透系數（cm/s）>5×10-310-2～10-428天齡期

干密度（g/cm3）/>2.028天齡期

四、擠壓邊墻混凝土配合比設計

1.確定設計思路

基于以上Carpi公司設計理念，本工程擠壓邊墻混凝土配合比設計不同于鋼筋混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻混凝土。滲透系數與抗壓強度為矛盾共同體，使得兩者達到統一是本次配合比設計的關鍵。在既要滿足強度的基礎上，控制孔隙率來保證滲透系數滿足設計要求，如何找到兩者的結合點，成為本次混凝土配合比設計難題。

以DL/T5422-2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》以及DL/T5297-2013《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術規范》為參考，做了大量嘗試性工作，經過認真思考和討論確定出設計思路：首先以滲透系數為基準，確定出最優砂率（<5mm含量）滿足滲透系數要求，然后確定滿足設計強度的膠材用量及水灰比，再經過不斷的調整砂率、膠材用量、粗骨料粒徑，直至達到設計雙重指標要求。

2.試驗過程對比驗證

2.1原材料優選

依據DL/T5422-2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》規范要求，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，細骨料為0～5mm水洗人工砂，石粉含量控制在6～18%，粗骨料5～20mm碎石、5～10mm碎石，含泥量控制<7%，液態速凝劑摻量0～4%。對采用5～10mm碎石及速凝劑摻量方面做了大膽的嘗試。

2.2試驗組合及數據分析

參照規范DL/T5422-2009擠壓邊墻混凝土配合比設計要求基礎上進行了5個量級砂率試驗組合分別為：15%、20%、25%、30%、35%、4個水灰比試驗組合分別為：0.30、0.36、0.40、0.45；考慮到速凝劑不同摻量對混凝土強度增長的影響，試驗組合分別：0%、2%、4%。考慮擠壓機對混凝土配合比較敏感，較干的混凝土擠壓摩擦力大，行進速度慢，能獲得較為密實的實體結構，相反較濕的混凝土擠壓行進速度快，因此擠壓混凝土配合比按一級配干硬性混凝土設計，設計容重為2100kg/m3，試驗數據對比分析見表2、表3。

表2 試驗組合及數據對比分析表

序號水灰比砂率每方混凝土材料用量kg/m3抗壓強度

（MPa）滲透系數（cm/s）

水水泥砂小石5-20mm速凝劑7天28天

10.4525902004281282103.04.5/

20.3625902504151245103.94.7/

30.3025903004021208103.64.41.5×10-1

表3 試驗組合及數據對比分析表

序號水灰比砂率（%）每方混凝土材料用量（kg/m3）抗壓強度（MPa）滲透系數（cm/s）

水水泥砂小石5-10mm速凝劑7天28天

10.4035120300584108507.69.41.0×10-3

20.40 120300584108566.78.4

30.40 1203005841085128.09.0

40.4030120300504117607.012.22.4×10-3

50.40 120300504117667.311.5

60.40 1203005041176126.78.8

70.4025120300420126008.310.61.0×10-2

80.40 120300420126068.29.5

90.40 1203004201260124.010.9

100.4020120300336134409.19.12.6×10-2

110.40 120300336134463.97.9

120.40 1203003361344125.06.4

130.4015120300252142804.25.53.3×10-2

140.40 120300252142868.912.3

150.40 12030025214281210.65.5

通過以上試驗組合分析得出：

①當砂率為25%，接近臨界值，如果繼續增加砂率，滲透系數將不能滿足>5×10-3要求。②水灰比確定為0.40±0.02，單方混凝土用水量控制120±5kg，混凝土強度滿足8～10MPa要求。③速凝劑摻量為2%時較為合理，繼續增大速凝劑摻量，混凝土強度有降低的趨勢。④改用5～10mm小米石，使得成型試塊及抗壓強度塊體差異性減小，內部顆粒分散均勻且顆粒之間填充致密，有利于提高混凝土密度和強度。

2.3試驗結論

推薦現場施工基準配合比見表4。

表4 擠壓邊墻混凝土推薦施工配合比

編號水膠比砂率（%）速凝劑

摻量（%）單位材料用量（kg/m3）容重（kg/m3）

水水泥砂小石

（5～10）mm速凝劑KD-5

ZHP-240.40252120300420126062100

五、擠壓邊墻成型驗證試驗

根據室內試驗確定出擠壓邊墻混凝土推薦施工配合比表4中的單方混凝土用量，拌合站采用電子稱量機械拌合，拌合物采用6立方米混凝土罐車運輸至施工作業面，現場成型擠壓邊墻。對成型后的實體進行檢測和取樣復測，試驗復測成果見表5。

表5 擠壓邊墻成型試驗復測成果表

項 目實測點1實測點2備注

28天齡期

抗壓強度設計強度8～10（MPa）9.89.1現場取樣室內成型

滲透系數

（cm/s）>5×10-38.9×10-31.1×10-2現場取樣室內成型

密度（t/m3）ρ=2.1（t/m3）2.122.09規范參考值

含水率（%）/5.55.0/

表5數據顯示：成型后的擠壓邊墻現場實測密度與室內配合比基本一致，偏差控制在設計值2100±50kg/m3；現場取樣成型抗壓強度及滲透試件，28天齡期抗壓強度、滲透系數均滿足設計要求。通過現場成型試驗驗證，檢測成果與室內推薦配合比試驗數據基本一致，成型擠壓邊墻實體混凝土無倒塌，滿足施工及Carpi公司設計要求。

六、擠壓墻的施工現狀

從混凝土本身采用的技術和常規的技術比較，本工程擠壓邊墻混凝土施工特點是三角楔形體的施工，其余相同。截止目前擠壓墻已經施工完成80多層，成型尺寸、實體質量狀況可控，依據DL/T5422-2009《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》規范要求，試驗檢測成果見表6。

表6 擠壓邊墻混凝土試驗成果表

項 目試驗組數實測

最大值實測

最小值平均值備注

28天齡期

抗壓強度設計強度8～10（MPa）1311.89.19.9

滲透系數（cm/s）>5×10-346.7×10-22.2×10-23.7×10-2

密度（t/m3）ρ=2.1（t/m3）132.162.112.14

含水率（%）/135.34.85.0

七、總結

意大利Carpi公司在擠壓邊墻設計理念區別傳統混凝土面板堆石壩中的擠壓邊墻，是具有較高的抗壓強度，并且能夠自由排水功能，以消除對土工膜內側產生揚壓力的綜合承重載體，在復合土工膜面板堆石壩安全運行發揮著至關重要的作用。擠壓邊墻混凝土配合比設計及優化將是施工成型過程的重要依據，嚴格施工工藝和加強過程質量控制將是達到意大利Carpi公司擠壓邊墻設計理念的保障。

參考文獻：

[1]《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土試驗規程》 DL/T5422-2009，2009年12月。

[2]《混凝土面板堆石壩擠壓邊墻技術規范》 DL/T5297-2013，2013年12月。

[3]《老撾南歐江六級水電站施工詳圖設計階段混凝土施工技術要求》昆明勘測設計研究院，2013年1月。