堆石混凝土關(guān)鍵施工工藝研究與應(yīng)用

周德文，蔣興慧

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 引言

堆石混凝土（RFC），是利用自密實(shí)混凝土（SCC）的自流動(dòng)、抗分離性能好的特點(diǎn)，在粒徑較大的塊石堆積體內(nèi)充填自密實(shí)混凝土而形成。它具有水泥用量少、水化溫升小、綜合成本低、施工速度快、良好的體積穩(wěn)定性、層間抗剪能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。堆石混凝土中堆石的體積比例一般可以達(dá)到55%～60%，能夠充分利用初級(jí)開(kāi)采的石料或者開(kāi)挖料中的大塊石，最大限度地降低了膠凝材料用量的同時(shí)還在骨料破碎、混凝土生產(chǎn)澆筑等施工環(huán)節(jié)上大大的節(jié)約了能源，減少了二氧化碳的排放；堆石混凝土技術(shù)是一種新型低碳環(huán)保的混凝土施工方法。

堆石混凝土施工工藝流程：基礎(chǔ)面及施工縫處理→模板安裝→堆石入倉(cāng)→高自密實(shí)性能混凝土拌和→高自密實(shí)性能混凝土運(yùn)輸→高自密實(shí)性能混凝土澆筑→堆石混凝土養(yǎng)護(hù)→進(jìn)入下個(gè)循環(huán)。

目前，堆石混凝土施工技術(shù)已大量應(yīng)用于水利工程[1～6]，大量學(xué)者對(duì)堆石混凝土的材料特性開(kāi)展了相關(guān)的試驗(yàn)研究[7～11]，并對(duì)堆石混凝土壩的溫度應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定性開(kāi)展了數(shù)值模擬研究[12～15]。

1 堆石混凝土施工工藝

1.1 堆石沖洗技術(shù)

堆石的含泥量要求控制不超過(guò)0.5%，不允許泥塊含量存在。因此需對(duì)堆石料進(jìn)行充分沖洗。沖洗可選擇料源處沖洗、過(guò)程中沖洗或挖機(jī)斗內(nèi)沖洗，沖洗方式可因地制宜，如高壓水槍、沖洗平臺(tái)等。通過(guò)不同沖洗方式、不同的水壓和沖洗時(shí)間探索一套完整的堆石沖洗方式。

由于堆石料的粒徑較大，無(wú)法像砂石料一樣采用專(zhuān)門(mén)的沖洗設(shè)備進(jìn)行沖洗。目前國(guó)內(nèi)已施工的堆石混凝土沖洗主要有兩種。第一種料場(chǎng)沖洗：人工用水管對(duì)堆石料表面沖水沖洗或用挖機(jī)將堆石料挖起后，在挖斗中人工沖洗。第二種設(shè)置沖洗平臺(tái)，挖機(jī)將堆石料裝車(chē)后，自卸汽車(chē)運(yùn)輸至噴水管底部，由頂部噴水管?chē)娝疀_洗，沖洗后運(yùn)輸至倉(cāng)面。第一種適用于小倉(cāng)面，低強(qiáng)度堆石料入倉(cāng)，且堆石料表面包裹的泥土較少。第二種可以提高堆石入倉(cāng)強(qiáng)度，但沖洗平臺(tái)在堆石料頂部噴水，只能沖洗到堆石料的頂面，而開(kāi)采或回采的堆石料一般多個(gè)面都有泥土，無(wú)法徹底的將堆石沖洗干凈；受水流沖洗，泥土沖至車(chē)箱底板，受塊石阻擋，泥水將在車(chē)箱底板沉積無(wú)法順暢地排至車(chē)箱外，在倉(cāng)內(nèi)卸料時(shí)沉積的泥水將會(huì)造成倉(cāng)面污染。兩種方法見(jiàn)圖1。

圖1 兩種常見(jiàn)的沖洗方式

1.2 堆石快速入倉(cāng)

堆石入倉(cāng)主要解決的是堆石體垂直、水平、上下游方向上的三維運(yùn)輸問(wèn)題，從現(xiàn)有工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，主要用到的堆石入倉(cāng)方案有：①自卸汽車(chē)入倉(cāng)挖掘機(jī)輔助平倉(cāng)的方式。在具備條件的工程中，采用汽車(chē)運(yùn)輸堆石體直接進(jìn)入澆筑倉(cāng)面，自卸完成后由挖掘機(jī)輔助轉(zhuǎn)運(yùn)均勻堆放在澆筑倉(cāng)面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)平倉(cāng)。該方式施工速度快，成本低，但是一般會(huì)存在雜物混合石料一起進(jìn)倉(cāng)問(wèn)題，需要加強(qiáng)堆石質(zhì)量監(jiān)控，及時(shí)清除帶入的混合石料等雜物。在具備汽車(chē)直接上壩條件的施工中應(yīng)用較多，如清峪水庫(kù)、圍灘水電站工程。在施工高程較高，且不具備修筑上壩公路的施工中難以應(yīng)用；②塔吊。先用裝載機(jī)將堆石體裝入吊斗中，然后通過(guò)塔吊將吊斗運(yùn)輸至倉(cāng)面指定位置，打開(kāi)吊斗卸料。該方式一次性完成堆石體的垂直、水平和上下游運(yùn)輸，且堆石質(zhì)量易于控制。由于單次作業(yè)周期長(zhǎng)，堆石效率較低，且成本高。適用于不具備直接入倉(cāng)條件的堆石混凝土施工，比如恒山水庫(kù)、長(zhǎng)坑水庫(kù)后期施工。

1.3 堆石混凝土模板工藝

堆石混凝土在堆石入倉(cāng)的施工環(huán)節(jié)中，靠近模板的位置存在易沖砸模板的問(wèn)題，因此會(huì)制約堆石入倉(cāng)的速度，在施工工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少內(nèi)拉型模板，且選擇能夠抗沖砸模板。

堆石混凝土的專(zhuān)用自密實(shí)混凝土具有良好的流動(dòng)性，其產(chǎn)生的側(cè)壓力比常態(tài)混凝土更大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可按照2.5 倍水壓力進(jìn)行估算，模板自身的剛度以及強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。同時(shí)模板應(yīng)具有良好的密封性，以防止漏漿。

目前國(guó)內(nèi)堆石施工采用的模板主要為散鋼模板、砌石模板。散鋼模板有內(nèi)拉式和外撐式。內(nèi)拉式散鋼模板在拉筋范圍內(nèi)不能堆石，倉(cāng)內(nèi)自密實(shí)混凝土比例需要增加，不經(jīng)濟(jì)；且在堆石過(guò)程中如果有塊石碰撞拉筋，模板將變形，造成結(jié)構(gòu)體型發(fā)生變化。外撐式散鋼模板對(duì)場(chǎng)地要求高，模板周邊需要回填。砌石模板施工速度慢。

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 堆石料立體沖洗系統(tǒng)

為了解決常規(guī)堆石料沖洗速度和沖洗質(zhì)量問(wèn)題，在沙坪二級(jí)水電站堆石混凝土施工中，研制了立體沖洗技術(shù)和裝置。

立體沖洗系統(tǒng)主要包含：坡道沖洗平臺(tái)、頂部高壓噴水花管、車(chē)箱內(nèi)沖洗格柵、水循環(huán)利用設(shè)施。

坡道沖洗平臺(tái)作用是加快汽車(chē)車(chē)箱內(nèi)污水的排出。沖洗平臺(tái)寬度3.5 m，坡度3%～5%，長(zhǎng)度10 m，采用C30 混凝土澆筑，見(jiàn)圖2。

頂部高壓噴水花管采用?80 或?100 鋼管，垂直于車(chē)輛方向布置布置3～4 根，離地面高度4 m 左右。每根鋼管底部開(kāi)2排?20 孔形成花管，供水壓力大于0.2 MPa。自卸汽車(chē)裝滿(mǎn)堆石后，從花管下經(jīng)過(guò)，水流垂直往下沖洗。

車(chē)箱內(nèi)沖洗格柵作用是解決堆石料底部沖洗盲區(qū)和污水從車(chē)箱內(nèi)排出順暢。鋼格柵采用型鋼制作，在型鋼內(nèi)側(cè)布置連續(xù)的“U”型沖洗花管。鋼格柵預(yù)先安裝在運(yùn)輸測(cè)量的車(chē)箱內(nèi)，預(yù)留沖洗水接口，汽車(chē)行駛至沖洗平臺(tái)后，連接花管從下往上傾斜角度沖洗，見(jiàn)圖3。

水循環(huán)利用設(shè)施包含排水溝、沉淀池和循環(huán)水泵站。沖洗后的廢水經(jīng)過(guò)沉淀后通過(guò)加壓泵抽至沖洗管道重復(fù)利用。

自卸汽車(chē)裝滿(mǎn)堆石后，從立體沖洗系統(tǒng)下經(jīng)過(guò)，連接鋼柵內(nèi)置花管的沖洗水接口，打開(kāi)上部花管的閥門(mén)，使水流立體沖洗堆石約5 min～10 min，至車(chē)尾流水不再渾濁后運(yùn)輸至倉(cāng)面。沖洗廢水經(jīng)沉淀后重復(fù)利用。

圖2 沖洗平臺(tái)示意圖

圖3 車(chē)箱內(nèi)置鋼柵的三維沖洗系統(tǒng)

2.2 堆石混凝土預(yù)制模板

沙坪二級(jí)水電站堆石混凝土采用了散鋼模板、混凝土預(yù)制模板、回填砂卵石做模板、瀝青板隔縫模板。通過(guò)對(duì)比，預(yù)制模板的效果最佳，解決了散鋼模板的內(nèi)拉鋼筋被堆石沖砸彎曲，模板變形問(wèn)題，解決了分縫位置瀝青隔板強(qiáng)度不夠問(wèn)題。預(yù)制塊尺寸厚×寬×高為0.5 m×1.5 m×2.0 m，混凝土等級(jí)與需要澆筑混凝土等級(jí)一致。預(yù)制模板一側(cè)進(jìn)行鑿毛，作為堆石結(jié)構(gòu)的一部分澆筑在混凝土內(nèi)。施工過(guò)程中采用吊車(chē)吊放預(yù)制塊，預(yù)制塊折邊相互搭靠，頂部采用腳手管連接成整體，每間隔1塊預(yù)制塊拉結(jié)2 根拉模筋。為防止漏漿，在預(yù)制塊內(nèi)側(cè)采用水泥砂漿補(bǔ)縫。預(yù)制模板可用于有外觀(guān)要求的混凝土，當(dāng)無(wú)外觀(guān)要求時(shí)可在外側(cè)回填石渣料，見(jiàn)圖4。

圖4 預(yù)制模板立模示意圖

2.3 定點(diǎn)機(jī)械攤鋪法

采用定點(diǎn)機(jī)械攤鋪法入倉(cāng)，解決鋪料不均勻造成的自密實(shí)混凝土填充裹漿問(wèn)題，提高堆石率；同時(shí)可提高混凝土分層高度，加快施工進(jìn)度。

堆石技術(shù)要求：超大粒徑塊石（1.5 m 或以上）盡量堆放在中間位置；15 cm～30 cm 粒徑的塊石不得集中堆放，堆石完成后，堆石體外露面所含有的粒徑小于30 cm 的石塊數(shù)量不得超過(guò)10 塊/m2，且不應(yīng)集中。層面堆石高度宜高出模板5 cm～10 cm，塊石可緊靠模板，以不損壞模板為原則。

堆石料多為開(kāi)挖料，在卸料時(shí)容易產(chǎn)生石渣，在層間形成石屑集中區(qū)域，影響層間結(jié)合；且堆石高度受汽車(chē)卸料高度限制，不利于施工進(jìn)度。

在沙坪二級(jí)水電站堆石中，研究了“定點(diǎn)機(jī)械攤鋪法”進(jìn)行堆石，解決堆石過(guò)程中層間石屑集中問(wèn)題和增加堆石層高。

“定點(diǎn)機(jī)械攤鋪法”具體操作方法：倉(cāng)面需堆石對(duì)卸料點(diǎn)進(jìn)行控制，通過(guò)固定卸料點(diǎn)，保證大部分區(qū)域堆石質(zhì)量，且盡可能將卸料點(diǎn)及附近的石渣清理干凈，降低卸料點(diǎn)附近的堆石質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。單個(gè)卸料點(diǎn)覆蓋范圍半徑8 m～10 m 左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)倉(cāng)面的大小（39 m×49 m），確定卸料點(diǎn)數(shù)量，每倉(cāng)布置5～6 個(gè)卸料點(diǎn)，可以滿(mǎn)足堆石入倉(cāng)的需求。由于自卸汽車(chē)卸料時(shí)，需邊前進(jìn)邊倒料，卸料長(zhǎng)度最長(zhǎng)可達(dá)到8 m，寬度約為5 m，短臂挖掘機(jī)在每車(chē)卸料完成后，將所卸下的堆石料翻轉(zhuǎn)至旁邊，為避免挖機(jī)來(lái)回走動(dòng)，較遠(yuǎn)處堆石需采用裝載機(jī)推放至挖機(jī)附近，再用挖機(jī)進(jìn)行碼放，卸料點(diǎn)處及周?chē)捎诙咽矒舢a(chǎn)生的碎渣要安排專(zhuān)職工人及時(shí)清理，一般每卸放4 車(chē)，需清理卸料點(diǎn)處及周?chē)乃樵苊馔跈C(jī)碼放過(guò)程中將碎石帶入其他部位，影響堆石質(zhì)量，見(jiàn)圖5。

圖5 固定卸料點(diǎn)示意圖

3 工程應(yīng)用效果分析

3.1 工程概況

沙坪二級(jí)水電站位于四川省樂(lè)山市峨邊彝族自治縣和金口河區(qū)交界處，是大渡河干流22 級(jí)梯級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第20 個(gè)梯級(jí)的第二級(jí)，采用河床式開(kāi)發(fā)，水庫(kù)正常蓄水位554.00 m，總庫(kù)容為2084 萬(wàn)m3，擋水建筑物最大壩高63.0 m，裝機(jī)容量348 MW。電站攔河閘壩基礎(chǔ)為堆石混凝土，起止高程為EL494～EL524，最大澆筑高度30 m。分3 區(qū)澆筑，上下游長(zhǎng)度49 m，左右方向104.5 m，單倉(cāng)最大尺寸為49 m×39 m。總計(jì)設(shè)計(jì)堆石混凝土11.66 萬(wàn)m3。

該工程單倉(cāng)面積達(dá)1911 m2，是目前國(guó)內(nèi)最大的堆石混凝土倉(cāng)面。電站主體工程于2013 年9 月20 日開(kāi)工，2018 年8 月31 日竣工。在施工中，運(yùn)行了堆石立體沖洗系統(tǒng)、預(yù)制模板、定點(diǎn)攤鋪，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械作業(yè)連續(xù)作業(yè)，快速上升的目標(biāo)，上升速度達(dá)4 天/層（2 m），滿(mǎn)足了施工進(jìn)度要求，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效應(yīng)，為工程按期完成奠定了基礎(chǔ)。

3.2 質(zhì)量檢測(cè)

堆石混凝土澆筑完成后，采取了壓水試驗(yàn)、孔內(nèi)密實(shí)度檢測(cè)、孔內(nèi)聲波檢測(cè)等方法進(jìn)行質(zhì)量檢查。

在高程524 m 布置了6 個(gè)檢查孔，孔深11 m，孔號(hào)分別為J1～J6。鉆孔全景成像利用攝像探頭、電子羅盤(pán)、深度計(jì)數(shù)等裝置將鉆孔孔壁的全斷面圖像、方位及深度進(jìn)行成像。采用單孔聲波法測(cè)試，把一發(fā)雙收換能器放置在鉆孔內(nèi)，通過(guò)聲波發(fā)射換能器向周?chē)橘|(zhì)發(fā)射聲波，測(cè)得不同孔深的巖體聲速。檢查成果見(jiàn)表1。

表1 堆石混凝土檢查成果表

堆石混凝土材料采用較完整～完整的灰?guī)r或玄武巖和C20 自密實(shí)混凝土，當(dāng)?shù)剌^完整灰?guī)r或玄武巖聲波速度一般高于4600 m/s，C20 自密實(shí)混凝土（＞14 d）聲波速度一般高于3300 m/s，故聲波檢測(cè)波速低于3300 m/s，則可判斷定為缺陷。從表中檢查情況看，J4、J5 孔存在波速偏低的情況，擴(kuò)大范圍檢查后，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)孔，分析2 個(gè)孔存孔內(nèi)攝像成果，發(fā)現(xiàn)存在小粒徑集中的現(xiàn)象，自密實(shí)混凝土混凝土未完全填充密實(shí)，形成質(zhì)量缺陷。采取了灌漿的方式進(jìn)行了處理。

鉆孔芯樣進(jìn)行了強(qiáng)度檢測(cè)，強(qiáng)度均大于20 MPa，混凝土與堆石料做為一個(gè)整體共同破壞。

4 結(jié)論

本文對(duì)堆石沖洗、模板研究、堆石入倉(cāng)、自密實(shí)混凝土澆筑等關(guān)鍵工藝進(jìn)行分析研究，解決了制約大倉(cāng)面堆石混凝土快速施工的技術(shù)問(wèn)題。研究成果成功運(yùn)用于沙坪二級(jí)水電站基坑基礎(chǔ)堆石混凝土倉(cāng)面，實(shí)現(xiàn)了堆石混凝土快速上升。

（1）堆石混凝土技術(shù)是一種新型低碳環(huán)保的混凝土施工方法，在水利、電力、公路、鐵路、市政、港口、能源等領(lǐng)域的大體積混凝土工程中具有廣闊的發(fā)展前景。

（2）在沙坪二級(jí)水電站攔河閘壩基礎(chǔ)堆石混凝土施工中，研制了堆石料立體沖洗系統(tǒng)、堆石混凝土預(yù)制模板、定點(diǎn)機(jī)械攤鋪法、高效連續(xù)施工法，解決了制約大倉(cāng)面堆石混凝土快速施工的技術(shù)問(wèn)題。研究成果成功運(yùn)用于沙坪二級(jí)水電站基坑基礎(chǔ)堆石混凝土倉(cāng)面，實(shí)現(xiàn)了堆石混凝土快速上升。

（3）堆石施工過(guò)程中避免小粒徑塊石過(guò)于集中的現(xiàn)象，以免造成自密實(shí)混凝土無(wú)法順利填充，形成質(zhì)量缺陷。后續(xù)施工中要對(duì)如何避免小粒徑集中的方法進(jìn)行研究。