堆石混凝土筑壩技術在遵義的推廣應用

陳 波，余明陽，朱 彬

(遵義市水利工程建設質量安全服務站，貴州 遵義 563000)

1 概述

堆石混凝土(rock-filled concrete，簡寫RFC)技術是2003年由清華大學金峰教授和安雪暉教授提出的，以自密實混凝土(self-compacting concrete，簡寫SCC)技術為基礎而發展的一種新型大體積混凝土施工技術[1]，并于2004年取得國家發明專利。

該技術是建立在自密實混凝土技術基礎上，主要利用自密實混凝土的高流動性、高穩定性與抗分離性能好的特點，在大粒徑骨料(最大骨料粒徑可在300mm以上)內隨機充填自密實混凝土而形成混凝土堆石體的一種新型混凝土技術[2]。

相比較于普通混凝土，堆石混凝土主要優點為：水泥使用量小，絕熱溫升數值低；造價低；施工速度快，質量有保證；強度高，耐久性好[3]。

基于上述優點，堆石混凝土技術作為建筑新技術，近年來逐漸推廣應用于水利工程建設，特別是壩工建設中。

2 遵義堆石混凝土壩概況

遵義市是國內堆石混凝土筑壩技術推廣應用較早的地區之一。據統計，2015年至2018年底，全市已開工建設的水庫工程共50座，其中堆石混凝土壩16座，占比為32.0%；目前，已經完建或正在進行堆石混凝土澆筑(以下簡稱“已建、在建”)的堆石混凝土壩有10座，占比為20.0%。

2.1 基本情況分析

開工建設的16座堆石混凝土壩基本情況見表1。

對表1進行統計分析可得到以下基本結論：

(1)目前采用堆石混凝土筑壩技術的水庫工程以小型水庫為主14座，占比87.5%，另有中型水庫2座，占比12.5%；壩型以重力壩為主14座，占比81.3%，另有單曲拱壩1座占比6.2%，雙曲拱壩2座占比12.5%。反映了目前堆石混凝土筑壩技術作為新興事物，總體上以求穩為主，目前已經可以成熟應用于小型工程規模的重力壩。打鼓臺水庫是貴州省建設的第一座新建堆石混凝土壩，已建成蓄水運行。

(2)最大壩高均為中壩級別(30～70m)以下，高壩級別應用尚未實際開展。綠塘水庫大壩為單曲拱壩，工程規模為中型，是貴州省第一座堆石混凝土拱壩，目前大壩主體土建工程已經完成。此外，桐梓縣楊公巖水庫為小(1)型水庫，大壩為堆石混凝土重力壩，最大壩高65.5m，接近高壩級別；目前已經獲得初步設計批復，預計今年主體工程動工，屆時將對堆石混凝土高壩級別應用提供進一步實踐支撐。

2.2 相關設計參數分析

已建、在建的10座堆石混凝土壩工程相關設計參數見表2。

對表2進行統計分析，可得到以下基本結論：

(1)大壩建基面(壩基、壩肩)巖性以硬巖(灰巖、個別項目為砂巖)為主，部分工程為軟巖(頁巖、泥巖、泥灰巖、粉砂巖)。表明：大壩基礎(壩基、壩肩)宜為硬巖，但不是剛性要求，對于軟巖基礎通過針對性設計處理也是可行的。

表1 開工建設堆石混凝土壩基本情況統計表

表2 已建、在建堆石混凝土壩相關設計參數統計表

(2)混凝土骨料、堆石料巖性均為灰巖。一方面是因為灰巖硬度大、強度高、破碎加工后骨料較飽滿且粉塵含量容易控制；另一方面，遵義是石灰巖分布較為廣泛地區，據統計石灰巖分布占比65%以上，對于廣泛推廣使用堆石混凝土筑壩技術有著得天獨厚的條件。

(3)自密實混凝土設計齡期、抗壓強度、抗凍和抗滲指標均和普通混凝土壩設計要求類似，說明總體上遵循混凝土壩設計的基本要求，特別是設計齡期均為90天，反映了降低混凝土早期強度、減少水化熱以降低溫控應力、同時也是減少水泥用量降低投資的需要。自密實堆石混凝土容重通常可以達到2500kg/m3以上；各項力學性能指標均能滿足設計要求，特別是在抗壓、抗剪強度方面有足夠的安全富余系數[4]。堆石混凝土澆筑可適當延長混凝土拌制時間，提高拌合物的質量[5]。

(4)壩基(肩)墊層混凝土設置、防滲結構、壩體結構分縫等設計要求不一。其原因主要是目前水利行業僅發布了SL 678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》，屬于推薦性標準，且該導則關于大壩設計的大多數要求是按照剛性壩相關設計規范執行，并未細化。前述10個工程分別由3家勘察設計單位設計，除了對于河床壩基均設置1.0m厚C15或C20普通混凝土墊層外，對于壩肩混凝土設置、大壩防滲結構、壩體及防滲層分縫各有其設計理念?？梢耘卸▔胃?0.0m以下的堆石混凝土重力壩，取消壩肩普通混凝土墊層和上游壩面防滲層是可行的，對于加快工期極為有利；壩高40m以上堆石混凝土重力壩，可考慮加大橫縫寬度甚至在適當幅度內取消橫縫——打鼓臺水庫大壩僅在壩基巖性變化處設置2道橫縫，通過埋設儀器監測壩體堆石混凝土溫升情況，成果表明，壩體堆石混凝土澆筑兩周之內，因受水化溫升影響，其溫度達到最高，然后開始緩慢下降，最大溫升值9.2℃，工程建成后全面檢查未發現裂縫等異常情況，建成蓄水運行正常[6]；有研究表明，堆石混凝土水化升溫低的主要原因是大石能夠吸收一部分自密實混凝土感化產生的水化熱，可以達到減少大體積混凝土水化熱的目的[7]。茍江水庫工程為雙曲拱壩，設計壩體橫縫6條，實施至約1/2大壩高度時減少2條橫縫；綠塘水庫工程充分利用堆石混凝土水化升溫低的特點，壩體未設置橫縫，并采用通倉澆筑方式。

2.3 主要施工參數分析

已建、在建的10座堆石混凝土壩工程主要施工參數統計見表3—4。

對表3、表4進行統計分析可得到以下基本結論：

(1)混凝土以及塊石運輸方式與常規大壩混凝土運輸方式總體上相同，但也有所區別。一方面基于混凝土在添加適量專利外加劑后自身密實性較好、坍落度較大，部分工程采用溜管垂直運輸高度超過30m時未采用真空(負壓)溜槽，僅采用封閉型溜管即可確保混凝土不發生離析；另一方面，基于混凝土不需要碾壓或振搗的材料特點，前述工程中有3個工程采用布料機入倉工藝，提高了澆筑效率和澆筑質量。

表3 已建、在建堆石混凝土壩主要施工參數統計表(1)

表4 已建、在建堆石混凝土壩主要施工參數統計表(2)

(2)坍落度、擴展坍落度、V型漏斗通過時間均屬于混凝土和易性重要指標，也是決定工程成敗的關鍵。前述工程由于氣候條件、水泥、骨料、澆筑分層厚度等情況不一，試驗成果有細微差異，并經過實踐進一步確定適用參數?？傮w上，坍落度250～280mm、擴展坍落度600～750mm、V型漏斗通過時間7～25s。

(3)大壩上下游立面支模型式有9個工程采用鋼模、1個工程采用砼預制塊；其中采用鋼模的項目有5個工程采用內拉鋼模、4個工程采用懸臂鋼模；總體上與普通混凝土壩類似。重力壩倉面大、澆筑量大，機械化程度高、模板費用占比較小、采用內拉鋼模、懸臂鋼模較為合適一些；綠塘水庫工程大壩為拱壩，澆筑量相對較小，技術經濟比較后，采用砼預制塊作為大壩上下游立面支模型式(作為永久結構的一部分)，其主要目的：有效控制壩體體型、減少模板投資、不用設置內拉筋以便于堆石和澆筑、避免鋼模板附近膠凝材料聚集導致砼收縮產生表面溫度裂縫。有關研究成果表明，堆石混凝土壩立面模板形式除采用傳統模板外，也可采用砌石墻或預制混凝土塊作為模板；模板及其支護件應具有足夠的承載能力、剛度和穩定性，能可靠地承受自密實混凝土的側壓力以及施工過程中產生的荷載[8]。前述工程對此做了有益的嘗試。

(4)最大堆石混凝土(RFC)使用量為石壩河水庫工程，使用量17.92萬m3，澆筑最大強度14000m3/月，計劃平均澆筑強度12800m3/月，計劃澆筑工期(含墊層混凝土)16個月，預測澆筑強度偏大難以實現；最小堆石混凝土使用量為茍江水庫工程，使用量1.67萬m3，澆筑最大強度3300m3/月，計劃平均澆筑強度2800m3/月，計劃澆筑工期(含墊層混凝土)12個月。茅坡水庫工程堆石混凝土澆量54300m3，澆筑最大強度13800m3/月，平均澆筑強度7880m3/月，工期效益明顯；茍江水庫工程為雙曲拱壩、體型較薄、澆筑量較小，且設計分縫較多，未體現堆石混凝土施工工期優勢。

(5)最大分倉寬度29.5～80.0m，單倉堆石混凝土最大澆筑強度600～5220m3。綠塘水庫大壩壩中溢流堰以下壩體采用通倉澆筑，最大寬度為80m，遠超普通混凝土工程分倉寬度，大幅度提高了施工效率；茍江水庫大壩為雙曲拱壩，受體型限制，單倉最大RFC澆筑強度600m3；茅坡水庫大壩為重力壩，而且施工條件較好、機械化程度高，單倉最大RFC澆筑強度5220m3，工效明顯。

(6)澆筑分層厚度在1.28～2.0m之間，其中7個工程為2.0m，表明2.0m左右為最佳澆筑分層厚度；綠塘水庫大壩采用混凝土預制塊作為立面模板，為保證混凝土入倉的側向穩定，故分層厚度偏小。

(7)堆石混凝土投標單價240.48～307.00m3元之間，雖然可能存在投標策略因素造成的人為偏差，但總體上低于相應普通混凝土單價，從而降低工程建設投資，這也是其推廣應用的主要優勢之一。

(8)混凝土在堆石混凝土中的占比45%～55%，單方混凝土水泥使用量135～170kg，單方混凝土使用專利外加劑5.5～7.0kg?；炷琳急戎饕桥c選用的骨料和塊石巖性、質量有關；水泥使用量均低于對應強度的普通混凝土；專利外加劑為聚羧酸系高效減水劑，目前采購價約1萬元/t，約占混凝土成品價格的10%～15%。如果能夠進一步減少混凝土占比，則無論是壩工結構處理、投資還是工期都將更為領先于普通混凝土壩。

2.4 澆筑實體質量檢測

國家或行業層面對于堆石混凝土壩實體澆筑質量檢測方法目前沒有強制性規定，也沒有成熟可靠的檢測手段。行業推薦性標準——SL 678—2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》建議：堆石混凝土澆筑質量通過孔內電視檢測、孔內聲波檢測、挖坑法等方法綜合評價；強度檢驗與評定宜采用鉆孔取芯的方法，芯樣直徑不宜小于200mm[9]。客觀講，其具體實踐指導性尚不足以滿足工程質量檢測需要。

遵義目前已建、在建工程主要采取壩體鉆孔進行孔內壓水試驗檢測透水率和孔內聲波檢測，配合鉆孔取芯進行抗壓強度、抗滲性能檢測的實體質量檢測方法。

鑒于堆石混凝土的結構特點不是各向同性，鉆孔取芯芯樣的樣本代表性相對較差，利用芯樣進行抗壓強度、抗滲性能檢測成果對于評判實體質量不具備普遍性；相對而言，采用壓水試驗不僅能反映壩體的防滲質量，還能檢查壩體施工縫結合面的滲透情況，便于發現較隱蔽的滲徑并及時處理，確保大壩整體防滲效果滿足設計要求[10]。以打鼓臺水庫工程為例，于大壩封頂并達到設計齡期后，在壩頂鉆2處￠75孔(孔深均為25m)作孔內壓水試驗檢測壩體透水率兼作孔內聲波檢測，并輔以鉆3處￠219孔(孔深20～35m)取芯檢查芯樣抗壓強度、抗滲性能。還需要指出的是，對于雙曲薄拱壩，大壩體型較小，如果在大壩澆筑完成后再進行壩頂鉆孔檢測可能危及大壩結構安全。

如何能夠對其實體質量進行全面、科學、真實評判是極需解決的課題。對于整個壩體實體質量，最終還是要依靠建成蓄水以后的動態監測來判定，特別是加強滲流監測是找到質量薄弱環節的有效方法。

3 存在問題

綜上所述，堆石混凝土筑壩技術作為10多前的一項建筑新技術，尚存在一些不足，如：設計理論體系尚未完全構建，相應設計、施工技術標準未出臺，堆石混凝土使用量少的工程在造價方面的優勢不明顯，薄拱壩建設工期優勢未體現，高壩級別應用實踐處于探索起步階段，實體質量檢測方法還不成熟等。

4 結語

(1)通過前述堆石混凝土壩工程基本情況、相關設計參數、主要施工參數等的統計分析研究，相比較于普通混凝土，堆石混凝土在水泥使用量、溫控處理、機械化程度、減少人為誤差、混凝土強度、節能減排、建設工期、工程造價等諸方面均有相當優勢；僅就目前而言，尤其適用于灰巖及類似硬巖分布廣泛地區的中低壩建設。本文相關研究成果可為類似工程提供參考。

(2)相信在國家和行業各級主管部門的支持下，在專利單位、相關科研單位、各參建單位的共同努力下，目前存在的不足將逐漸消除，堆石混凝土筑壩技術將更為成熟可靠，在水利工程建設中的推廣應用前景必將是廣闊、深遠和革命性的。