豎井投料還原技術在水庫輸水隧洞施工的可行性分析

董艷青

(盤山縣農業水利事務服務中心，遼寧 盤錦 124010)

豎井施工技術在水利工程中已經有所應用，尤其在輸水隧洞施工中應用相對較為廣泛[1- 6]。通過豎井投放混凝土拌和物，在井下利用自卸汽車承接后運輸至指定地點進行澆筑施工。隧洞工程質量控制標準較高，而混凝土經過豎井投放后由于受重力作用，在投放過程中速度很快，在豎井底部瞬時承接停止，可能導致混凝土的主要技術指標，主要包括混凝土拌和物和易性、硬化混凝土的強度及耐久性等發生變化，從而影響硬化混凝土質量[7]。混凝土和易性是混凝土拌和物在一定施工條件下，便于施工操作并能獲得質量均勻、密實的混凝土的性能。和易性包括混凝土拌和物的流動性、黏聚性和保水性三方面[8]。而到目前為止，還沒有特別明確的指標能全面的反映混凝土拌和物的和易性。一般常用坍落度來表示混凝土流動性的大小，混凝土的黏聚性和保水性常根據經驗，需要通過試驗或現場施工的觀察來判斷其優劣[9]。豎井投料過程中，混凝土拌和物在投放-承接過程中，骨料間經歷了相互撞擊的作用。根據豎井結構及深度的不同，骨料間的相互作用力也不同，對混凝土骨料的影響也不一樣[10- 14]。而這種撞擊的直接結果可能導致混凝土拌和物中大粒徑骨料破碎、小粒徑骨料含量增加，進而導致骨料的級配發生變化，從而改變混凝土的和易性和硬化后混凝土的強度、抗滲性和抗凍性等[14]。鑒于以上分析及豎井投料過程中可能存在的問題，提出了“豎井投料還原試驗”方法。所謂“豎井投料還原試驗”是指，通過試驗將井上、井下混凝土拌和物中的骨料還原，重新測試其顆粒級配、壓碎指標等，分析豎井投料對混凝土拌和物中骨料的影響程度，通過對井上和井下混凝土拌和物及硬化混凝土技術指標測試，綜合分析研究豎井投料技術的應用。

1 試驗內容及方法

1.1 試驗內容

為研究豎井投料方法對混凝土拌和物中粗細骨料級配及硬化后混凝土強度及耐久性指標的影響程度，以遼寧省某水庫輸水工程中豎井工程為例，對其還原試驗測試數據進行比較分析本文豎井投料還原試驗檢測項目主要包括骨料、混凝土拌和物工作性、混凝土中骨料級配以及硬化混凝土性能進行試驗，其試驗結構如圖1所示。

圖1 還原試驗結構框圖

1.2 測試方法

混凝土原材料中的粗骨料是混凝土的骨架支持。在豎井投料的過程中可能對粗骨料性能產生一定的影響，從而改變了混凝土的原有級配，導致硬化混凝土某些性能指標發生變化。故對混凝土原材料要進行相關的試驗、測試。

1.2.1骨料質量

根據相關規范對細骨料(河砂)的含泥量、泥塊含量、表觀密度、飽和面干吸水率、堆積密度、空隙率、細度模數以及粗骨料的含泥量、泥塊含量、表觀密度、針片狀顆粒含量、堆積密度、空隙率等參數進行試驗。

1.2.2砂石混合料顆粒級配試驗

為了檢驗、測試豎井投料對混凝土拌和物中骨料級配的影響程度，進行混凝土拌和物中砂石混合料顆粒級配試驗。考慮到原材料本身也存在一定的不均勻性，故對拌和前料、拌和后投料前混合料及拌和后投料后混合料分別進行級配測試。顆粒級配試驗要測出各粒徑級的累計篩余量(砂：SiL；碎石：GiL5-20、GiL20-40)，并依據混凝土配合比中砂的質量比(miS)和碎石的質量比(miG5-20、miG20-40)，根據公式計算砂石混合料的各粒徑級累計篩余量(miH)。各粒徑級累計篩余量的計算公式如下：

miH=SiL×miS+GiL5-20×miG5-20+miG20-40×GiL20-40

(1)

式中，i—第i級孔徑。

1.2.310～20mm粒徑級料壓碎指標試驗

為了檢驗豎井投料對粗骨料抵抗壓碎能力的影響程度，依據DL/T 5151《水工混凝土砂石骨料試驗規程》，對混合料中10～20mm粒徑級料進行壓碎指標試驗。壓碎指標計算見公式(2)(準確至0.1%)。

(2)

式中，C—壓碎指標，%；G0—試樣質量，g；G0—試樣壓碎后篩余量，g。

1.2.4混凝土拌和物性能指標測試

為了檢驗豎井投料對混凝土拌和物和易性及含氣量的影響程度，依據DL/T 5150《水工混凝土試驗規程》，現場分別測試了投料前混凝土拌和物和投料后混凝土拌合物的坍落度和含氣量，此外對硬化后混凝土性能指標主要測試力學指標抗壓強度和耐久性指標抗凍等級和抗滲等級3個參數進行測試，其指標測試方法可詳見參考文獻[15]。

2 試驗結果

2.1 混凝土原材料性能指標測試

在本次試驗中砂為河砂，石為河卵石。將拌和前、拌和后投料前和拌和后投料后3種工況下的顆粒級配試驗結果進行匯總并分析，結果見表1，并按混凝土原材料性能指標測試要求，對拌和前料及拌和后、投料前料和拌和后、投料后料中10～20mm粒徑級料進行壓碎指標試驗，試驗結果見表2。

表1 豎井投料還原試驗—砂、石混合料顆粒級配試驗結果 單位：%

表2 豎井投料還原試驗—砂、石混合料10～20mm粒徑級料壓碎指標試驗結果 單位：%

通過試驗分析篩余變化率在孔徑為4.75mm級以上變化率出現負值，分析其原因主要為混合料拌和的過程中機械損傷或損壞所致，而并非所有篩余變化率均為負值，正值的存在也恰是反映了混合料的不均勻性和骨料質地的差異性以及拌和設備輸出功率的差異性；在孔徑為2.36mm處，篩余變化率出現拐點，粒徑越大影響程度越大，在2.36mm孔徑篩余累計變化率達到極大值，該孔徑以下累計篩余變化率逐漸減小并趨于0，這符合級配分布規律；在2.36mm孔徑以下累計篩余變化率以正值為普遍分布，但變化率逐漸減小，這種規律也證明了大粒徑骨料破碎，導致小粒徑料增加。

2.2 混凝土拌和物性能指標測試

按混凝土拌和物性能指標測試要求，對拌和后、投料前料和拌和后、投料后料的坍落度及含氣量進行測試，試驗分析結果見表3—4。

表3 豎井投料還原試驗—混凝土拌和物坍落度試驗結果 單位：mm

進行的4組試驗中有3組變化量為-3～-5mm(變化率為-15.4%～-2.9%)，1組變化量為39mm(變化率為31.5%)；投料后較拌和后、投料前混凝土拌和物坍落度變化量總體呈現變小趨勢，但隨著豎井深度的增加，變化量有變大的趨勢，但不是很明顯。綜上分析豎井投料對混凝土拌和物坍落度有一定的損失，但隨著豎井深度在一定范圍內的增加，坍落度損失量并不是很大，而且規律性也不是很明顯。4組含氣量試驗中有2組變化量為-0.5%～-0.3%(變化率為-0.3%～-0.1%)，2組變化量為-0.0%～-0.0%(變化率均為0.0%)；豎井投料對混凝土拌和物含氣量有一定的影響，有損失，但損失量也甚微；隨著豎井深度在一定范圍內增加，含氣量損失的規律性不是很強。豎井投料使混凝土拌和物中含氣量有一定的損失，但隨著豎井深度在一定范圍內的增加，含氣量損失量并不是很大，而且規律性也不是很明顯。

表4 豎井投料還原試驗—混凝土拌和物含氣量試驗結果 單位：%

2.3 硬化后混凝土性能指標測試

按硬化后混凝土性能指標測試要求，對拌和后、投料前和拌和后、投料后混凝土拌和物進行成型、養護、試驗，試驗結果見表5—7。

表5 豎井投料還原試驗—硬化后混凝土抗壓強度試驗結果

表6 豎井投料還原試驗—硬化后混凝土抗滲性能試驗結果

表7 豎井投料還原試驗-硬化后混凝土抗凍性能試驗結果

4組試驗中，有2組試件強度偏低，3組試件強度偏高，強度值變化量不大；投料后較投料前混凝土抗壓強度值變化范圍為-3.9～4.5MPa(變化率為-11.0%～17.6%)；隨著豎井深度在一定范圍內增加，混凝土試塊抗壓強度并未表現出明顯的規律性。豎井投料對混凝土強度影響很小，而且由于原材料、環境等諸多因素的影響，導致隨著豎井深度在一定范圍內增加，混凝土抗壓強度的變化并未呈現出明顯的規律性。拌和后、投料前和投料后混凝土試塊抗滲性能均滿足設計要求(>W6)；拌和后、投料前和投料后混凝土試塊抗凍性能均滿足設計要求(>F100)。

3 結語

(1)豎井投料對混凝土中大粒徑骨料有一定的損害，在本文研究的豎井深度范圍內，其破壞程度要小于機械拌和過程中對大粒徑骨料的破壞程度。

(2)豎井投料對混凝土強度影響很小，而且由于原材料、環境等諸多因素的影響，導致隨著豎井深度在一定范圍內增加，混凝土抗壓強度的變化并未呈現出明顯的規律性。

(3)隨著豎井深度在一定范圍內的增加，含氣量損失量并不是很大，而且規律性也不是很明顯，在緩沖措施適當的情況下豎井投料技術還可應用到更深的隧洞施工中。