碾壓混凝土壩變態混凝土自動化攪拌加漿設備的研發及應用

李 榮 果，唐 杰 偉，鄭 祥

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局， 四川 彭山 620860)

1 概 述

變態混凝土是在已攤鋪碾壓混凝土中摻入水泥漿并施以振搗，硬化性能與常態混凝土相似，常運用于碾壓混凝土壩的上下游面、橫縫止水周邊、廊道周邊、岸坡、泄洪孔周邊等過渡區部位，厚度視其功能及設計施工具體需要而定[1]。一般認為，嚴格精細的作業條件下變態混凝土能夠有效保證防滲部位的質量[2]。此外，這種施工方式能夠精簡倉面管理環節，提高施工效率，充分發揮碾壓混凝土施工通倉連續上升的快速筑壩特點[3～5]。變態混凝土工藝的核心是加漿方式與振搗過程的有效控制[6]?，F行工藝主要采用人工方式“抽槽加漿”和“平鋪加漿”，存在施工較隨意、加漿范圍不可控等缺陷，導致漿液擴散不均繼而振搗不密實。除此之外，人工加漿方式的漿液消耗量大，既引起施工成本的增加，又容易產生較大的收縮，增大開裂風險。部分碾壓混凝土大壩投入運營后壩體滲漏嚴重，與變態混凝土施工質量差不無關系。筆者針對上述問題，提出了一種在變態混凝土加漿過程實時攪拌以提高漿液拌合均勻性的新工藝方法，運用EDEM離散元軟件對漿液在碾壓混凝土中的運動過程及均勻性進行仿真優化，自主研發出了一套全自動加漿設備。結合烏龍弄項目現場試驗應用，驗證了該裝備及技術的先進性。

2 攪拌加漿工藝仿真研究

攪拌加漿工藝系指在變態混凝土成孔注漿方法的基礎上引入攪拌過程，通過在攪拌軸頭葉片下增設注漿孔，對拌合物強制攪動并同步注漿。采用該方法加漿具有生產效率高、計量精確、加漿均勻性好的特點。但如何分析拌合物的攪拌分散效果和加漿均勻效果是一個十分復雜的問題，直接影響到工藝控制參數的優化設計和合理運用。為此，筆者首先采取有限元法對不同工藝參數下的攪拌噴漿效果進行仿真，以確定合理的攪拌轉速和噴漿速率。

EDEM 是世界上第一個用現代化離散元模型用來模擬和分析顆粒處理與生產操作的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協助設計人員對各類散料處理設備進行設計、測試和優化。采用EDEM軟件建立的混凝土攪拌模型是一種純物理作用模擬，不包含顆粒間的化學反應，顆粒的運動主要表現為宏觀的對流運動及物料顆粒之間沿滑移面產生的剪切位移運動[7]，因此，EDEM仿真攪拌加漿過程能夠較好地反映漿液在干硬性混凝土料中的分布均勻性效果，由此可以合理地設計出自動化攪拌加漿設備的功能參數。

2.1 攪拌軸與顆粒建模

為簡化計算和求解過程，將松散拌合料骨料部分視為包裹良好的類球形骨料顆粒，采用EDEM自帶粒子模型建立球形顆粒模型：混凝土骨料顆粒(直徑20 mm)和微小水泥漿體顆粒(直徑0.2 mm)。攪拌加漿軸模型由UG軟件創建，設三片攪拌葉片，各攪拌軸葉片之間建立動態隨機微細顆粒形成機制，模擬水泥漿體以離散化微細顆粒物性態噴射，每個漿體顆粒的生成速度設為2 000～4 000個/s，等效于注漿流量0.5～1 L/s的實際工況。

2.2 仿真參數的設置

仿真時合理確定材料的力學性質是保證仿真結果的關鍵因素之一。模擬攪拌時采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型。顆粒碰撞過程中，不考慮熱傳遞和靜電力，只有動量和能量之間的相互轉化?；炷涟韬衔锏膶傩耘c仿真接觸參數的設置見表1與表2。

表1 材料屬性參數表

表2 仿真模型取用參數表

仿真過程采用80 cm×80 cm×60 cm的盒子作為邊界，攪拌加漿時間為5 s，依據施工工藝參數需求設置了五檔轉速：0 r/s、0.5 r/s、1 r/s、1.5 r/s、2 r/s，其中轉速為0 r/s 的情況視為傳統平面或開槽加漿滲透方式。

2.3 仿真結果分析

仿真結果表明各攪拌轉速下加漿過程均處于穩定平衡狀態，且引入加漿同步攪拌方式能夠有效提高攪拌范圍內漿液與混凝土料的均勻性，轉速提高能賦予漿液顆粒更高的運動速率，更有利于漿液的有效擴散。但是，過高的轉速和噴射壓力則會帶來噴漿沿攪拌軸均勻分布變差的效果。為此，需要通過分析漿液在攪拌全過程的顆粒數量變化用以評價物料混合的穩定性。

2.4 物料混合穩定性分析

建立長400 mm、寬400 mm、高350 mm的網格，網格大小大體上能滿足實際施工中所要求的水泥漿液擴散的有效范圍，且不考慮上浮至表面及下沉至骨料底層的水泥漿液顆粒。利用EDEM提取網格內的顆粒數據功能，檢測網格內包含水泥漿顆粒數量隨時間的變化規律。不同轉速下攪拌加漿仿真時長均為5 s，設計機械式攪拌行走速度為20 m/min，每0.1 s記錄一次網格內含水泥漿顆粒量并繪制其隨時間變化圖進行分析。當攪拌速率大于1.5 r/s后，由于噴濺效應，大量的漿液顆粒脫離攪拌加漿區域，漿液顆粒數量不穩定，這種情況不利于變態混凝土加漿作業。因此，基于加漿過程中物料混合均勻穩定性得出下述結論：在加漿過程引入攪拌且同步移動行走(20～25 m/min)的方法，能顯著改善漿液在混凝土內的分布狀況，且攪拌速度1 r/s時效果最優。當轉速低于1 r/s時，水泥漿液在碾壓混凝土骨料內部的擴散均勻性差，且達到注漿量動態平衡穩定階段需要較長的時間；當轉速高于1 r/s時，水泥漿液受攪拌軸影響轉動能量較大，易產生噴濺現象，不利于現場施工。最終設定全自動攪拌加漿的合理參數范圍為：自動行走速度為20～25 m/min，攪拌速度為0.8～1.2 r/s，噴漿流量為1～1.3 L/s。

3 攪拌加漿設備的研發

3.1 設備功能及組成

基于上述理論仿真分析，筆者等技術人員研發了相應全自動變態混凝土攪拌加漿作業設備，其結構見圖1。該設備運行功能由三大系統配合實現：臺車系統提供設備運行行走動力、攪拌加漿系統控制注漿及自動調量功能，另有自動化系統實施加漿效果分析反饋。所研制的全自動攪拌加漿設備實物見圖2。

3.1.1 車身行走機構

圖1 全自動攪拌加漿設備組成示意圖

圖2 全自動攪拌加漿設備實物圖

車身行走機構用于控制攪拌加漿設備倉面移動以及運輸轉場，包括：車身支架平臺、車身運動操作平臺、液壓驅動系統。各部件的作用為：(1)車身支架平臺由橡膠包鋼板行走履帶系統支撐；(2)車身運動操作平臺包括：開機，關機，左履帶前進，左履帶后退，右履帶前進，右履帶后退等多項模塊功能；(3)左右液壓驅動輪正轉與反轉，控制履帶前進或者后退，實現車體自由運動與轉向。

3.1.2 液壓動力作業模塊

液壓動力作業功能主要通過液壓方式為攪拌加漿設備提供動力，其組成部分包括：控制柜、電機、液壓泵、油箱等。各部件的作用為：(1)電機用于系統運行時驅動液壓注漿泵；(2)液壓泵將油箱內的液壓油泵送至各運動控制部件部位；(3)控制柜通過操縱按鈕實現水泥漿液的泵送、攪拌軸等動作，按鍵包括：漿液泵開關，儲漿桶攪拌葉片開關，攪拌軸正轉，攪拌軸反轉，攪拌軸伸長，攪拌軸收縮，攪拌軸下行，攪拌軸提升等。

3.1.3 漿液供給模塊

漿液供給系統包括：漿液柱塞泵、儲漿桶、旋轉“水接頭”等。各部件的作用為：(1)儲漿桶臨時儲存制漿站輸送至倉面的水泥漿液，內設攪拌葉片，儲漿與作業時漿桶葉片保持連續攪拌以防止桶內漿液沉淀；(2)漿液柱塞泵由設備外接電源提供動力，將儲漿桶漿液泵送至攪拌注漿頭，可通過調速旋鈕自由控制泵送漿液的壓力和瞬時流量；(3)旋轉“水接頭”連接攪拌軸，確保在加漿攪拌軸持續旋轉噴漿的情況下附著于攪拌軸端的壓力漿管可正常定位輸漿。

3.1.4 設備攪拌加漿頭模塊

設備攪拌加漿頭是攪拌加漿系統的核心，通過攪拌實現均勻拌料與漿液擴散。攪拌加漿動作由攪拌軸縱向、橫向液壓驅動裝置組成。各部件的作用為：(1)攪拌軸橫向驅動裝置通過液壓驅動油缸按鈕控制攪拌軸的水平方向自由伸縮，實現攪拌加漿軸相對車身行走垂直方向的相對運動；而攪拌軸前進后退則由設備行走系統執行；(2)攪拌軸縱向驅動裝置控制攪拌軸沿車架上導軌縱向伸縮運動，導軌控制攪拌軸下行、攪拌軸提升等動作，調整攪拌軸插入拌合料時的角度與深度；(3)攪拌軸頭由內部轉軸、攪拌葉片、出漿孔、導流防堵遮擋板組成，上下兩對葉片對稱連接于轉軸，由轉軸帶動順時針旋轉；攪拌葉片下方設有出漿孔，葉片攪拌時同步均勻噴漿；(4)在出漿孔外布置導流防堵遮擋板防止出漿孔淤堵。加漿攪拌軸細部結構和實物圖見圖3、4。

圖3 加漿攪拌軸結構圖

3.1.5 漿液流量控制模塊

漿液流量控制模塊可識別設備加漿量并控制加漿量在規定的合理范圍內，主要包括：電磁流量計與分向閥以及流量定位與傳輸。各部件的作用為：(1)電磁流量計測量水泥漿液流速與流量，流速與流量數據通過電臺發送至電腦端，當現場操作人員發現加漿量不屬于合理范圍，可反饋信號控制分向閥動作；(2)操作分向閥，漿液柱塞泵泵送漿液被截流送至儲漿桶，漿液回流，停止加漿；(3)流量記錄儀實時記錄注漿量，同時配合定位系統提供的單位時間行走距離換算攪拌混凝土體量，計算出實時加漿量。

圖4 加漿攪拌軸細部實物圖

3.2 設備的主要技術與性能參數

3.2.1 性能參數

設備功耗：整機設備功率為18.5 kW，其中注漿泵調速電機4 kW，漿液攪拌桶電機4 kW，攪拌電機功率10.5 kW；設備行走時速為2 km/h；設備體積為2 m(寬)×2.6 m(長)×2.1 m(高)，整機質量為1 480 kg；儲漿桶容積為0.7 m3；加漿攪拌頭半徑為225 mm；加漿攪拌軸最大轉速為90 rpm；加漿攪拌軸最大轉矩為3 150 Nm；最大加漿深度為400 mm；設備泵送最大注漿量為4.8 m3/h；加漿最大壓力為2 MPa；電磁流量儀感應精度為5 mL/s，量程為0～5 L/s。

3.2.2 主要技術參數

設備固定條件下最大攪拌運動范圍：前后伸縮距離為1.35 m，作業俯仰角為±85°，前后伸縮運動速度為5～15 m/min；單次直線攪拌加漿有效范圍為550 mm；正常攪拌時設備前進速度為25 m/s；加漿(攪拌350 mm深度)控制壓力為0.5 MPa，正常攪拌轉速為60 rpm，最大加漿量為4 200 L/h。

4 試驗驗證

為驗證上述攪拌加漿設備的應用效果，在施工現場開展了變態混凝土攪拌加漿試驗，并將其結果與傳統加漿工藝進行對比，用以檢驗變態混凝土攪拌加漿與成型質量改善效果。

4.1 試驗工藝參數

按照《水工碾壓混凝土施工規范》(DL/T 5112—2009)對變態混凝土加漿量要求和設計要求指標對攪拌加漿設備運行參數進行優化，其結果見表3。

表3 攪拌加漿設備運行參數表

4.2 效果及分析

對比攪拌加漿制備樣與同配比現場人工加漿制備樣，驗證了攪拌加漿設備的功效。

4.2.1 表觀加漿均勻性

加漿后挖槽取樣對比發現：攪拌加漿施工后水泥漿液在拌合物內部滲透均勻，上下層水泥漿液分布均勻；對比傳統方式加漿，若滿足加漿均勻性效果，水泥漿液的用量顯著偏多且滲透不均，易導致離析、泌水大的現象。兩種加漿方式對比情況表明：采用攪拌加漿方式在節約耗漿量及滿足振搗工作性方面相比傳統人工加漿方式顯著改善。對比效果見圖5。

圖5 兩種加漿方式效果對比圖

4.2.2 強度與抗滲性

變態混凝土澆筑后7 d與28 d分別對采用傳統人工加漿方式以及攪拌加漿系統方式的變態混凝土取芯，并對芯樣做抗壓、抗滲試驗。試驗結果見表4。

試驗結果表明：該系統的運用在變態混凝土質量控制上具有明顯效果。經過攪拌加漿處理后的混凝土7 d、28 d抗壓強度均值由18.5 MPa、26.1 MPa提升至21.8 MPa、32.6 MPa，提升幅值分別達到17.8%和24.9%，抗滲等級由W8～W12提升到W10～W14。由于高壓加漿和攪拌加漿方式的運用，可保證漿液均勻分散于碾壓混凝土內部，減少了水泥團聚現象，促進了水泥水化作用，顯著提升了變態混凝土的強度和抗滲能力。

4.3 現場應用

自2017年1月23日開始，在云南瀾滄江烏弄龍水電站大壩碾壓混凝土試驗倉和左岸10號壩段分別應用全自動攪拌加漿設備進行了變態混凝土加漿工藝試驗和應用(圖6)。結果表明：設備運行良好，攪拌加漿明顯提高了變態混凝土成型均勻性和施工效率。

表4 不同加漿方式的變態混凝土抗壓與抗滲性能對比表

圖6 全自動攪拌加漿設備在現場運用情況

4.4 功效分析

4.4.1 作業功效

對現場工況下的作業進行分析得知：制漿站正常連續供應漿液條件下，該設備加漿約3 700～4 100 L/h，且能全部拌滿松鋪35 cm拌合料，加漿量誤差基本控制在±5%以內。全自動攪拌加漿設備的生產效率為每小時能加漿變態混凝土約220 m2。對比人工挖槽加漿作業，完成200 m2的溝槽和抬桶、舀漿、定框加漿，大約需要6～7名熟練工。因此，該設備具有的效率約為8名工人的作業功效。

4.4.2 材料節約指標

作為對比，筆者統計了西藏果多水電站和云南烏弄龍水電站變態混凝土的人工加漿單方消耗量，為滿足設計指標要求，兩個項目的變態混凝土加漿量比設計指標用量增加了平均25%以上(包括為保證工作性拌合物中摻漿量增加、倉面滴漏拋灑、漿液儲存洗管浪費、加漿范圍不精確等)，而該自動化加漿設備能夠精確按設計指標加漿量控制且滿足施工要求，誤差在5%以內。因而大大避免了現場制漿量的損耗。

5 結 語

(1)闡述了變態混凝土攪拌加漿相關技術原理，利用EDEM軟件，從數值模擬角度仿真了變態混凝土攪拌加漿的過程，通過對比不同攪拌速度條件下水泥漿顆粒的運動過程分析，給出了攪拌加漿的合理工藝技術參數。

(2)設計開發出了一套全自動變態混凝土攪拌加漿設備，闡述了相關工作原理、設備組成、功能技術參數指標；結合工程現場試驗及應用分析表明：變態混凝土攪拌加漿設備實現了加漿均勻、自動化程度高的特點，能夠快速、均勻加漿，提高了施工效率，減少了勞動強度，實現了變態混凝土施工的標準化和控制加漿的均勻性，從而提升了精細化變態混凝土加漿工藝水平，保證了工程質量。