富漿膠結砂礫石防滲保護結構施工工藝及質量控制方法

紀杰杰，李洪濤，高 尚，華天波，姚 強，陳 新

(四川大學水利水電學院，成都 610065)

0 引 言

膠結砂礫石(CSG)壩是一種結合混凝土壩和土石壩各自優點，使簡易處理的砂礫石骨料與少量膠結材料拌合，形成位于土石壩散粒體和混凝土壩固結體之間的一種過渡性連續體材料，采用“宜材適構”的筑壩理念，集材料、設計及施工合理化于一體的新型筑壩技術[1,2]。

1970年，J.M.Raphael[3,4]首次提出CSG壩筑壩思想；20世紀90年代，日本壩工界提出梯形CSG壩筑壩技術體系，并分別于1992年與1999年建成Nagashima壩上游圍堰和永久性工程Nagashima水庫攔砂壩[5-7]；國內學者林一山、賈金生、何蘊龍等[8-13]人基于國外關于Hardfill壩和CSG壩的經驗，先后豐富和發展了CSG筑壩理念和技術。

由于膠結砂礫石的膠結材料用量較少，耐久性指標較低[14]。對中小型工程，如果采用常規混凝土面板或變態混凝土作為壩體防滲保護結構，現場則必須布置骨料加工設備，導致施工成本很難控制。因此，結合膠結砂礫石壩“宜材適構”的筑壩理念，通過在膠結砂礫石中增加膠結材料用量，形成富漿膠結砂礫石作為壩體的防滲保護結構，充分利用現場材料解決該問題。目前國內對富漿膠結砂礫石用于CSG壩永久性防滲保護結構的研究尚存空缺[15,16]。

1 工程概況

順江堰引水樞紐工程位于四川省都江堰灌區新津縣，主要由溢流壩、泄洪閘、進水閘、上下游護堤組成，攔河壩采用閘壩方案，左岸布置270 m長溢流壩，壩高4 m，右岸布置3孔泄洪沖砂閘和兩孔進水閘。溢流壩頂部為WES曲線型實用堰，壩芯采用C10膠結砂礫石，方量27 130 m3。基礎墊層和上游面層采用C20富漿膠結砂礫石，方量12 212 m3。壩體剖面圖見圖1。

圖1 順江堰溢流壩壩體剖面圖Fig.1 Overflow dam body section of Shunjiang weir

2 富漿膠結砂礫石防滲保護結構施工工藝

2.1 總體施工工藝

總體施工工藝包括骨料生產、拌和、運輸、倉面作業等主要環節。借鑒變態混凝土施工經驗，前期現場試驗采用膠結砂礫石專用拌和系統拌制富漿干硬性膠結砂礫石，在倉面進行加漿變態。試驗發現，膠結砂礫石在皮帶機出口及成品出料倉內有明顯的骨料離析現象。此外，富漿干硬性膠結砂礫石在倉面卸料后，采用加漿振搗的方式進行施工，漿液分布不均勻，不能很好地浸入膠結砂礫石下部，導致下部振搗困難且不利于層面結合，拆模后出現蜂窩麻面。

經現場試驗改進，采用專用拌和系統拌制出符合配比的干硬性C20富漿膠結砂礫石，經自卸汽車運輸至倉面附近，卸入倉前料斗并按一定比例加入水泥漿液，用反鏟挖掘機充分拌和均勻后挖裝入倉，這樣可充分解決骨料離析及施工中出現的蜂窩麻面問題，故墊層及上游防滲保護層采用加漿拌合富漿膠結砂礫石的施工工藝進行施工。總體施工工藝流程見圖2。

圖2 富漿膠結砂礫石防滲保護結構總體施工工藝流程Fig.2 Rich-slurry CSG overall construction process flow of seepage prevention and protection structure

2.2 骨料生產工藝

根據工程設計，C20富漿膠結砂礫石作為墊層及上游防滲保護結構，承擔壩體的防滲作用，施工方式主要是振搗施工，因此為了提高可振搗性及富漿膠結砂礫石的密實性，骨料最大粒徑為80 mm。砂礫石骨料生產及儲備流程見圖3。

圖3 富漿膠結砂礫石骨料生產及儲備流程Fig.3 Rich-slurry CSG aggregate production and storage process

2.3 拌和工藝

2.3.1 專用拌合設備及工作原理

在對膠結砂礫石拌和設備缺乏深入研究的條件下，順江堰膠結砂礫石壩作為一個新型技術推廣的試驗壩，采用中國水利水電科學研究院和中國大壩協會主導研發的連續式專用攪拌機進行拌制，即JLB200型膠結砂礫石拌和設備[17]。設備具體工作流程如圖4所示。

圖4 富漿膠結砂礫石專用拌和設備工藝流程Fig.4 Process flow of special mixing equipment for rich-slurry CSG

2.3.2 拌和工藝

(1)初次拌和。C20富漿膠結砂礫石的拌和工藝為：首先利用專用拌和設備拌制符合C20富漿膠結砂礫石配合比的干硬性膠結砂礫石，其配合比見表1，其工藝如圖4所示。

表1 富漿膠結砂礫石現場初次拌合配合比Tab.1 Local first mixture ratio of rich-slurry CSG

注：單位用水量根據現場VC值試驗滿足(2～5S)確定。

(2)二次拌和。富漿干硬性膠結砂礫石經自卸汽車運輸至倉面附近，卸入倉前料斗內(尺寸為5 m×4 m×0.8 m)，用一臺JCZ500自落式攪拌機按照一定配比配制水泥漿液加入料斗內，二次拌合配比見表2，然后用反鏟在料斗中將富漿膠結砂礫石攪拌均勻得到C20富漿膠結砂礫石，現場施工方式及流程如圖5和圖6所示。

表2 富漿膠結砂礫石現場二次拌合配合比Tab.2 Local second mixture ratio of rich-slurry CSG

注：加漿量根據現場塌落度試驗滿足(5～12 cm)確定。

圖5 富漿膠結砂礫石二次拌和方式Fig.5 Second mixing method of rich-slurry CSG

圖6 富漿膠結砂礫石二次拌和工藝流程Fig.6 Second mixing process flow of rich-slurry CSG

2.4 運輸入倉工藝

富漿膠結砂礫石運輸要求運輸過程中膠結砂礫石不初凝、不離析、無過大溫度變化，能夠保證膠結砂礫石入倉溫度要求。本工程采用汽車運輸方案。初次拌合料用自卸汽車接料時，采用兩點式或三點式接料，汽車進入接料區域后，先讓汽車前半部分接料，接近1/2或1/3時，然后向前開行讓車廂后半部分完成余下部分的接料。這樣可使汽車中堆料均勻分布不致高低錯落程度過大，以盡量減少在運輸過程中的骨料離析。

2.5 倉面施工工藝

2.5.1 層面處理工藝

富漿膠結砂礫石層面鋪筑超過允許時間及處理方法按表3進行處理[18]。

2.5.2 墊層施工工藝

墊層區采用平澆法施工，層厚50 cm左右，通倉連續澆筑，采用轉載機、反鏟等將石料推平，人工輔助平倉，振搗時采用Φ100插入式振搗器，振搗時間30～40 s。

2.5.3 防滲保護層施工工藝

根據壩體自身特點及施工需要，上游防滲保護層C20富漿膠結砂礫石采用了兩種澆筑方式。

(1)與壩體同層上升。為保證工程施工質量，施工中采用保護層富漿膠結砂礫石與壩體膠結砂礫石同步上升。在碾壓C10壩體膠結砂礫石的同時，進行C20富漿膠結砂礫石的入倉澆筑，二者澆筑層厚與碾壓層厚相同。在振搗過程中，特別注意結合部位的施工質量，用高頻振搗器從富漿膠結砂礫石的一側向變態膠結砂礫石方向振搗，同時插入下層富漿膠結砂礫石5 cm。具體施工工藝流程見圖7。

(2)與壩體不同層上升。由于富漿膠結砂礫石與膠結砂礫石同層上升對施工工期產生一定干擾，為加快施工進度，因此，部分壩段根據實際情況采用不同層上升的施工方法，即首先碾壓壩體膠結砂礫石，然后進行保護層富漿膠結砂礫石施工。在壩體上游面設立兩道模板，首先對碾壓膠結砂礫石區域上游面立模進行碾壓施工，上游靠近模板的位置采用變態改性的方式施工，待此區域上升若干層后，拆除模板同時對富漿上游側安裝模板進行富漿膠結砂礫石的澆筑。富漿膠結砂礫石澆筑到與碾壓膠結砂礫石同高程之后，再進行碾壓膠結砂礫石的施工，如此循環。具體施工工藝流程見圖8。

表3 富漿膠結砂礫石層面間隔處理方法Tab.3 Level processing methods of rich-slurry CSG

注：抗剪強度試件由芯樣或預埋試驗模具制作。

圖7 壩體同層上升施工工藝流程Fig.7 The process flow of the construction of the same layer of the dam body

圖8 壩體不同層上升施工工藝流程Fig.8 The process flow of construction of different layers of dam body

3 富漿膠結砂礫石質量控制方法

3.1 質量控制指標

富漿膠結砂礫石的質量控制具體體現在三個核心環節，包括材料質量控制、拌和質量控制、倉面質量控制。富漿膠結砂礫石核心環節的質量控制具體指標如表4～表6所示，表中對其進行了詳細的分析研究和歸納。在施工現場，倉面質量控制主要針對富漿膠結砂礫石的骨料離析情況進行嚴格控制。

3.2 現場質量控制方法

除控制原材料、拌合以及振搗施工過程，還分別對各倉次進行了跟蹤檢測，目的主要是控制澆筑的富漿膠結砂礫石材料的強度，具體檢測結果如表7所示，并繪制富漿膠結砂礫石的強度質量控制圖，如圖9所示。根據強度隨時間的變化，可動態掌握質量狀態，判斷其生產過程的穩定性，及時發現隱患，并采取措施，防止不合格生產。

從表7及圖9可知，二次拌和富漿膠結砂礫石的28 d強度均大于實驗室相應齡期的配制強度，強度值均在抗壓強度中心線的上方，表明其實際質量均高于控制標準的要求，強度均有富余。

對本工程而言，由于其為國內首座永久性膠結砂礫石壩，對富漿膠結砂礫石的施工無相關經驗可循。因此在實際施工中，從工程安全的角度出發，提高了質量控制標準，各材料的用量除采用實驗室確定的配合比之外，還進行了壩外二次加漿拌和作業，增加膠結材料用量，以保證其施工質量。

4 結 語

針對國內首座膠結砂礫石永久性工程的富漿膠結砂礫石施工工藝和質量控制開展研究，立足工程實際，采用試驗研究與工程應用相結合的方法，取得了以下成果和結論。

(1)結合順江堰膠結砂礫石壩的實際工程施工，采用天然砂礫石開挖料作為膠結砂礫石的骨料，只需利用簡單條篩剔除超徑石料即可，相對于混凝土骨料生產中龐大的骨料破碎篩分系統而言成本低廉。

表4 富漿膠結砂礫石原材料檢測方法Tab.4 Testing methods for raw materials of rich-slurry CSG

表5 富漿膠結砂礫石配料稱量的允許偏差Tab.5 Allowable deviation of weighing of rich-slurry CSG

表6 富漿膠結砂礫石拌合物質量的檢測項目及頻次Tab.6 Testing items and frequency of the quality of the mixture of rich-slurry CSG

(2)富漿膠結砂礫石采用專用拌和系統拌制出符合配比的干硬性富漿膠結砂礫石，運輸卸入倉前料斗內并按一定比例加入水泥漿液，采用反鏟充分拌和均勻后挖裝入倉，可以充分解決富漿膠結砂礫石運輸過程導致的骨料離析問題，以及倉面直接加漿施工導致的蜂窩麻面問題。

(3)富漿膠結砂礫石的質量控制中比較重要的三個環節是材料質量控制、拌和質量控制、倉面質量控制，任何一個環節出現問題都將影響工程質量，特別是砂礫石級配和含水率以及倉面二次拌合的檢測與控制是保證富漿膠結砂礫石強度的前提，施工過程應繪制相應的質量控制圖。

表7 實際施工過程中富漿膠結砂礫石強度試驗結果Tab.7 Strength test results of rich-slurry CSG in the actual construction process

圖9 現場二次拌合強度質量控制圖Fig.9 Quality control of local second mixing strength

(4)作為國內首座膠結砂礫石永久性工程，由于對富漿膠結砂礫石的強度特性缺乏相關經驗，采用實驗室確定的配合比和現場二次加漿拌和施工工藝，現場富漿膠結砂礫石的28 d強度均大于實驗室相應齡期的平均強度，工程安全和施工質量能夠得到保障。

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