沖填砂漿結石技術綜述

李 千，王成山，姜國輝，閆 濱

（1．沈陽乾玉水利有限公司，遼寧省沈陽市 110131；2．遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧省沈陽市 110166；3．沈陽農業大學，遼寧省沈陽市 110866）

0 引言

沖填砂漿結石技術是將現場攪拌的水泥漿經特制漿砂混合器進行兩次漿砂混合形成的砂漿，直接沖填到堆石體中，形成以堆石為骨架、以砂漿為膠結的結石體的一種施工新技術。自從1997年采用漿沖砂成功解決西藏聶榮水電站大壩滲漏問題，經過系統的室內外試驗研究[1]，形成了較為完善的沖填砂漿結石技術體系，并在多項工程中使用，獲得了理想的效果。對常規結石技術進行如下分析：

（1）漿砌石。由人工坐漿砌筑，對石料要求高，施工機械化程度低，人力資源投入大，建設速度慢，隨人工價格的提高工程造價越來越高。

（2）常規混凝土。拌和樓集中攪拌，由運輸設備運至澆筑倉面，振搗密實成結石體。常規混凝土骨料加工復雜，成本高；投入各種機械設備多，受設備因素影響大；一次澆筑體積小，建設速度受控因素多；工程質量受溫度等因素影響，控制難度大；建筑物綜合造價高。

（3）碾壓混凝土。拌和樓集中攪拌，由運輸設備運至澆筑倉面，攤平碾壓密實成結石體，基本特點除填筑方法與常規混凝土不同外，其他方面基本相似。一是大型特殊機械設備投入大；二是建設速度受建筑物結構及設備投入量等因素影響，速度略快于常規混凝土；三是造價雖可略低于常規混凝土，但材料和專用設備價格決定了綜合造價仍然較高。

（4）堆石混凝土。是由高坍落度、具有一定流態的混凝土自由充填薄層堆石料而形成的結石體，對石料要求嚴格，設備和人力資源投入量均較大，混凝土拌制需加入特種外加劑，并有嚴格的坍落度要求，充填層厚受限制，施工速度難以提高，結石體自身密度低，建筑物綜合成本接近于常規混凝土。而沖填砂漿結石技術具有施工工藝流程簡單、設備投入少、人力資源用量少、節省資源、節能環保、建設速度快、綜合造價低等特點[2]。

目前，已取得沖填砂漿結石壩施工方法和六棱體漿砌石預制塊等多項專利[3-5]，編制完成了遼寧省地方標準《沖填砂漿結石技術導則》（DB21/T 2921—2018）[6]，2018年1月22日由遼寧省質量技術監督局發布，2018年2月22日實施。沖填砂漿結石技術于2013年列入水利部《2013年水利先進實用技術重點推廣指導目錄》，編號TZ2013011，并于2020年3月列入遼寧省水利廳《遼寧省河道綜合治理與生態修復支撐技術（第一批）指導目錄》。

1 沖填砂漿結石技術研究概述

西藏聶榮水電站大壩于1995年建成，為漿砌石重力壩，上游設防滲面板。因防滲面板的防滲功能失效，造成壩體、壩基漏水嚴重，影響大壩安全。若不解決安全隱患，不僅嚴重縮短工程的使用壽命，而且也不能發揮其應有的發電效益。因此，建設管理單位于1997年決定對其進行徹底處理。

對聶榮水電站大壩進行除險加固，按常規的解決方法有兩種：一是恢復防滲面板的防滲功能，但限于自然環境和施工條件，解決面板的防滲問題難度非常大，需要耗費大量的資金，效果也很難保證，所以不宜采取修復防滲面板的解決方案；二是壩體灌漿，由于漿砌石砌體中孔隙發達，將會耗費大量的水泥，有限的投資滿足不了大壩除險加固的需求，因此此方案也不可行。經過反復研究和論證，考慮除險加固施工工期、投資額度及當地的風積沙資源等因素，提出了采用壩上鉆孔分層次用水泥漿向壩體壩基沖填砂子的施工方案。這一方案的關鍵點是水泥漿液能否將砂子沖填進砌體的孔隙中，并達到一定的密實度，從而實現防滲的效果。據此在施工現場進行多次水灰比、灰砂比、漿液沖砂、速度、漿液與砂料混合程度以及沖填效果等試驗，探索出較為理想的施工方法。

按用水泥漿向壩體、壩基沖填砂子的施工方案對聶榮水電站壩體進行了全面加固處理，成功解決了壩體、壩基的滲漏問題，并增加了壩體的容重，增強了壩體抗滲和抗滑穩定性。通過聶榮水電站大壩防滲施工發現：

（1）水泥漿和砂子經過動態混合并保持一定的流態，具有很強的穿透性，完全可密實沖填堆石體的孔隙；

（2）用漿液向堆石體沖填砂子形成的結石體具有很強的自身防滲能力；

（3）利用漿液向砌體沖砂的方法完全可以改變漿砌石結構必須“先坐漿后砌石”的施工工藝。

為了進一步完善漿沖砂結石的施工方法，2007年開始系統地進行了沖填砂漿結石技術室內外試驗研究，內容包括沖填砂漿水灰比、沖填砂漿灰砂比、漿液與砂子充分混合的方法、最佳沖填方法、沖填砂漿結石體自身防滲效果、結石強度與砂漿的關系、結石體外殼最優方式、結石體特殊部位的處理方法等多項試驗，并于2008年在赤峰三座店水庫堆石壩壩頭防繞滲處理中，又做了23m厚沖填試驗，取得了很好的沖填效果。

在試驗研究的基礎上，于2014年在本溪西湖溝河道漿砌石擋土墻加固中應用了沖填砂漿結石技術，取得了非常好的加固效果。2015年，在東港龍睛湖水壩建設中應用沖填砂漿結石技術系統筑壩工藝，完成了龍睛湖水壩的全部建設工作。2019年，通過在赤峰市碾子溝塘壩工程中的應用，完成了高速攪漿、漿砂混合、皮帶輸砂準確計量漿砂比例、泵車砂漿入倉等關鍵環節突破，該技術已經成熟。2020年7月，暴雨沖刷造成公臺子水庫溢洪道底板基礎掏空形成險情，采用沖填砂漿結石技術，快速完成了基礎回填，解除了險情。

2 沖填砂漿結石體技術參數及指標

2.1 沖填砂漿結石體滲透系數

沖填砂漿結石體由于其工藝特點，具有很好的自身防滲性能，其滲透系數可達到1×10-6～1×10-8cm/s。

2.2 沖填砂漿結石體容重

堆石體經簡單壓實后，容重可按式（1）計算確定：

式中：γar——沖填砂漿結石體的容重；

γm——砂漿的容重；

γst——石料的容重；

p——石料的孔隙率。

以上各參數可通過試驗確定，一般情況下孔隙率在30%左右，結石體容重可取23～25kN/m3。

2.3 沖填砂漿結石體抗壓強度

沖填砂漿結石體是以經過簡單壓實而形成的堆石料為主要受力體，石料形成骨架支撐，沖填砂漿在孔隙中形成對骨料的固結作用，因此，沖填砂漿結石體的抗壓強度是由石料骨架和膠凝的砂漿綜合作用形成。石料骨架承擔主要的傳力作用，膠凝砂漿約束堆石體并承擔小部分的傳力作用。由此，沖填砂漿結石體的抗壓強度是與石料的抗壓強度、砂漿抗壓強度、石料的密實度、石料的自然級配有關的，可由式（2）分析抗壓強度指標：

式中：par——沖填砂漿結石體的抗壓強度；

R——石料骨架效應系數，一般R＞1，可通過試驗確定；

pm——砂漿的抗壓強度；

pst——石料的抗壓強度。

沖填砂漿結石體抗壓強度驗證，可采用1m×1m×1m的大型試塊進行抗壓試驗確定抗壓強度指標。一般情況下，沖填砂漿結石體抗壓強度指標變化區間為：

2.4 沖填砂漿結石體抗剪強度

沖填砂漿結石體的抗剪強度與石料的抗剪強度，砂漿的抗剪強度、堆石料密實度、堆石料的自然級配因素有關，可用式（4）進行分析：

式中：tar——沖填砂漿結石體的抗剪程度；

R——石料骨架效應系數，一般R＞1，可通過試驗確定；

tm——砂漿的抗剪強度；

tst——石料的抗剪強度。

一般情況下，沖填砂漿結石體抗剪強度指標可通過大型試件剪切試驗確定，其抗剪強度指標變化區間為：

3 沖填砂漿結石技術主要工藝方法

3.1 堆石體表面定型及處理

沖填砂漿結石體堆石料是無序攤平壓實的堆石體，所以需要對堆石體進行邊界固型，可采用埋石混凝土預制塊、現澆混凝土、鋼筋石籠或模板等固型方法。

表面處理主要考慮滿足施工過程中側向壓力和封漿要求，以及結石體表面在工程運行中的抗凍、抗沖、耐久性和工程外觀等要求。有的定型方法在實施中已能完全滿足工程的各種要求，無須再進行特殊處理。但如采用鋼筋石籠固型，就需要外掛模板式水泥砂漿噴錨，以滿足施工封漿和外觀要求。

3.2 堆石體填筑

堆石體填筑料可用自卸汽車或其他的運輸工具，從石料場運料直接入倉填筑，并用挖掘機或其他設備攤平壓實，每層填筑厚度可根據施工機械性能、模板實際情況等因素自行確定。

3.3 沖填砂漿作業

3.3.1 制漿

采用特制高速攪漿機進行水泥漿制備。一般水泥漿水灰比控制在1～0.5：1，漿液中可根據需要加入適量的外加劑或摻合料，合理的水灰比需在試驗中確定。制備好的水泥漿經管道泵送至漿砂混合器。

3.3.2 砂料傳送

砂料由皮帶傳輸機均勻、有計量地傳送至特制漿砂混合器上方，經一次漿砂混合、二次漿砂混合，進入泵車或地泵料斗。一般灰砂比控制在1：3～1：8之間，合適的灰砂比由試驗確定，不同部位灰砂比可根據各部位不同需要進行適當調整。

3.3.3 沖填砂漿作業

采用泵車或地泵將混拌好的砂漿沖填至倉面中已填筑好的堆石體中，形成沖填砂漿結石體。沿建筑物軸線方向進行多點成排沖填，倉面頂部預留50～150mm高度的出露石料以便與下一個沖填層能緊密結合，保證工程的整體性及層間抗剪強度。

4 沖填砂漿結石技術優越性分析

4.1 工藝流程簡單

沖填砂漿結石技術施工主要程序為：①填筑面清理；②堆石體填筑；③沖填砂漿。由此可看出，沖填砂漿結石技術工藝簡單，且施工設備多采用普通的常用設備，易于各層級的施工企業掌握，有利于快速、大范圍普及推廣。

4.2 資源消耗少

由于沖填砂漿結石技術工藝簡單，人工投入量可大幅度降低，除高速攪漿機及漿砂混合器需采用專用設備外，其余施工機械設備均可在常規使用的設備中選取。石料運輸及入倉采用普通自卸汽車；結石體表面定型處理可采用普通吊車施工；堆石體攤平可采用挖掘機施工；砂漿入倉采用泵車或地泵。投入的設備不僅品種少，而且投入量也較其他方法大幅降低，相應減少了施工耗電、耗油等。因此，采用沖填砂漿結石技術極大地減少了資源消耗量。

4.3 建設速度快

采用沖填砂漿結石技術施工過程中，各工序可獨立進行，分別施工，也可循環作業，平行施工。建筑物外殼砌筑、石料填筑、沖填砂漿三個工序相互干擾少。根據具體工程需要，可采用多個沖填系統同時進行施工作業。每個沖填系統內漿液攪拌、輸送、沖填等各個環節連續作業。通過加大平面沖填面積及一次沖填層厚度，加快施工速度，縮短建設工期。施工速度可達到混凝土施工速度的幾倍甚至十幾倍。

4.4 綜合造價低

沖填砂漿結石技術綜合單價主要由材料、設備和人力投入構成。首先，材料中影響較大的是水泥，但水泥價格變動區間小，同體積的建筑物采用沖填砂漿結石技術對水泥的需求量要比其他方法少，可節省水泥用量。其次，節省石料成本，沖填砂漿結石體中堆石料不需要特殊加工，自然級配即可，要求較低，相應價格要低于混凝土中骨料價格和漿砌石的石料價格。

沖填砂漿結石技術施工不需要大型專用設備，常規設備即可滿足施工要求。雖需要專用漿砂混合器，但其造價遠低于混凝土或碾壓混凝土的大型專用設備，并且設備需求品種和數量相對較少，設備投入成本比用其他方法建設同體積建筑物的設備投入成本有較大幅度地降低。

實踐表明，由于沖填砂漿結石技術工藝簡單，人工用量少，臨時占地少，其耗油耗電少，其工程綜合單價遠低于其他結石技術，其綜合造價相當于各種混凝土的1/3～2/3。

4.5 相對節能環保

沖填砂漿結石技術的工藝特點決定了其可以用少于其他結石技術的膠凝材料而達到結石技術指標相近且滿足工程要求的構造物，主要原因是壓實的自然級配石料承擔絕大部分構筑物內部抗壓抗剪作用力，砂漿承擔極少的一部分受力，因此，水泥砂漿的強度可適當降低，水泥用量相應可以減少。由于設備投入少，不需要進行特殊的溫控措施，可節約大量的油耗和電力。

沖填砂漿結石技術施工中不需要混凝土專用骨料篩分場、混凝土攪拌站等臨時施工場所，可節省大量的臨時施工用地，減少對自然環境的破壞。施工中石料由料場直接運輸至填筑場地，沒有二次倒料和中途棄料，各施工環節均不會產生污染環境的現象。

5 沖填砂漿結石技術的應用領域

沖填砂漿結石技術研究起源于水利大壩工程除險加固，但通過多年的研究和應用發現，這一技術適用于各種類型的重力式建筑物，不僅能在水利行業的擋水壩以及江、河、湖堤工程建設中應用，在黃土高原侵蝕溝治理、草原荒漠治理、流域源頭水土資源控制等方面應用，而且還可在港口碼頭、交通工程、國防工程中的重力式建筑物中應用，其應用范圍非常廣泛。

6 結束語

沖填砂漿結石技術是一項全新的工藝方法，流態砂在高速水泥漿沖擊下，并經混合器充分混合后，砂料被水泥漿充分包裹，砂漿流動特性在短歷時內保持了水泥零水化時的易流動特點，摩擦阻力很小，易于流進堆石體的孔隙中。傳統的低速攪拌，存在的水泥團粒結構，降低了混凝土的強度；從加水開始，經拌和、運輸、澆筑振搗完成，是混凝土從流態向流塑和固態轉變，并被振搗喚醒液化成流態的過程，這一過程也降低了混凝土的強度。采用高速制漿機高速旋轉水流攪拌水泥漿，消除了水泥團粒結構；漿砂混合器現場瞬間完成了漿砂混合及砂漿沖填，避免了混凝土喚醒過程，減少了混凝土強度的降低，充分發揮了水泥應有的作用。

與其他結石施工技術相比，沖填砂漿結石技術具有質量好、速度快、造價低、經久耐用、工藝簡單、節能環保、充分使用地材等優勢，可以完全替代傳統人工砌筑漿砌石施工方法，并可替代大體積混凝土施工方法，是大體積土木工程結構施工技術的一次開創性新突破。不但在建設領域為國家直接節省巨大的投資，而且能極大地加快建設速度，加快人們生存環境進一步改善的進程。