堆石混凝土技術(shù)在風(fēng)光水庫施工中的創(chuàng)新應(yīng)用

王志杰，趙 青，周述禮，李繼紅

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

堆石混凝土技術(shù)(Rock Filled Concrete，簡稱RFC)是在2003年由金峰教授和安雪暉教授最先提出并獲得國家發(fā)明專利許可，該技術(shù)是主要基于混凝土技術(shù)而生產(chǎn)的新型大體積混凝土筑壩技術(shù)[1- 4]，在我國水庫大壩施工中應(yīng)用較為廣泛。堆石混凝土技術(shù)的核心主要由堆石入倉和生產(chǎn)、澆筑自密實混凝土2道工序組成，在模板布置好的前提下，將粒徑30～100cm的塊石(或卵石)堆放至倉面，形成有間隙的堆石體，之后利用自密實混凝土的高流動、有較好的抗分離性能和自流動性的特點，在重力作用下使其填充到堆石的間隙中，最終形成密實、完整、低水化熱、強(qiáng)度較高的堆石混凝土[2- 11]。施工過程中，自密實混凝土無需人工振搗，施工機(jī)械率高，從而減少倉面施工人員。堆石混凝土中所用的膠凝材料相對于一般混凝土而言用量少，澆筑物能有較低的絕熱溫升，只需采取簡單的溫控防裂措施，低碳節(jié)能，綠色環(huán)保，綜合成本低質(zhì)[12- 14]。

貴州風(fēng)光水庫是我國首例統(tǒng)倉澆筑的堆石混凝土雙曲拱壩。基于此工程，本文對堆石混凝土技術(shù)在風(fēng)光水庫施工中的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行研究，希望能為該技術(shù)的推廣應(yīng)用提供重要的技術(shù)實踐，為其他水電工程建設(shè)提供參考和借鑒。

1 工程概述

位于正安縣的風(fēng)光水庫，攔河壩是由壩頂溢流表孔、C15堆石混凝土澆筑的雙曲拱壩、取放水建筑物等組成，壩頂高程691.22m，正常蓄水位688.00m，水庫總庫容155.00萬m3，有效庫容121.00萬m3，死庫容10.00m3，規(guī)模為小(1)型水庫，工程等級為Ⅳ。導(dǎo)流隧洞位于壩體左岸山體內(nèi)，全長124m，為城門洞型，底寬3m，高3.5m，進(jìn)口底板高程649.5m，出口底板高程647m。攔河壩筑壩材料為C15 (F50 W6)自密實堆石混凝土，最大壩高48.5m，最大壩底厚12.5m，厚高比0.258，壩頂弧長112m，弧高比2.31。拱壩最大中心角91.67°在壩體右側(cè)652.5m高程設(shè)放水孔，前端設(shè)1.2m×1.2m事故檢修平板鋼閘，后接DN800鋼管，末端設(shè)DN800放空管工作閥、DN600取水工作閥、DN200生態(tài)管閘閥。溢洪道采用開敞式且位于壩頂中段，堰頂高程為688.00m，采用WES曲線作為溢流面，在曲末端連接反弧段，堰頂設(shè)交通橋。

2 堆石混凝土技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 低碳節(jié)能，綠色環(huán)保

堆石混凝土中的堆石料主要是指天然塊石，同時也可以使用河道中的石料及舊壩拆除中的廢棄固體材料代替。所用堆石的體積占總體積比例可達(dá)45%～55%，大大減少了堆石混凝土中其余骨料的使用，同時，膠凝材料的使用也最大限度地減少。通過這樣的生產(chǎn)方式，減少了能源的消耗、降低了二氧化碳排放，對環(huán)境負(fù)荷也較小。因此堆石混凝土技術(shù)是一種新型低碳環(huán)保的混凝土施工方法[2,6,12- 15]。

2.2 水泥用量少，絕熱溫升小

堆石混凝土所使用的粗骨料主要是大粒徑石塊或卵石，單位體積所需的自密實混凝土用量較少，并且堆石混凝土對所添加的惰性、活性摻和料可充分利用，水泥用量顯著降低，從而有效降低堆石混凝土的絕熱溫升。已有的研究表明，堆石混凝土絕熱溫升在15℃左右，有利于溫控和裂縫控制，在大體積混凝土施工中可簡化甚至不采取溫控措施[2,12- 15]。

2.3 施工工藝簡單，降低施工成本

堆石混凝土技術(shù)的兩道主要施工工序：堆石入倉和自密實混凝土澆筑。在使用機(jī)械化設(shè)施施工下，可以實現(xiàn)同時進(jìn)行，并且無需對澆筑的自密實混凝土振搗等措施使施工質(zhì)量容易控制和保證。沒有了振搗等相關(guān)工序，降低了倉面的人工成本以及設(shè)備成本，也加快了施工速度，縮短工期，施工操作簡便、高效，并且堆石混凝土使用大量的天然塊石作為原材料，可以就近取材，在總體積中占比大，單位體積水泥用量較小，有效地降低了綜合成本[2,6,12- 16]。

2.4 綜合性能穩(wěn)定，安全系數(shù)高

自密實堆石混凝土的骨架由強(qiáng)度在30MPa以上的塊石組成，堆石骨架可有效地提高材料抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，并在結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及抑制干縮變形等方面也有顯著地提高，再使用抗離析、高流動性、高粘結(jié)性的自密實混凝土將空隙完全填充。試驗和實際工程都證明了自密實混凝土在堆石體中分布相當(dāng)均勻，混凝土與堆石粘結(jié)牢靠，未發(fā)現(xiàn)砂漿和骨料分離現(xiàn)象，混凝土內(nèi)部有較好的整體穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也十分理想，具有優(yōu)良的力學(xué)性能和體積穩(wěn)定性，安全系數(shù)高[2,6,12- 16]。

3 工程施工流程

風(fēng)光水庫堆石混凝土雙曲拱壩工程施工工藝主要流程：倉面鑿毛及清理、混凝土預(yù)制塊澆筑、倉面驗收、堆石料沖洗、堆石入倉、模板支立、自密實混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)。具體施工工藝流程如圖1所示。

圖1 風(fēng)光水庫施工流程圖

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 統(tǒng)倉澆筑

由于水泥水化熱及溫差而導(dǎo)致壩體存在溫度應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫，為有效降低壩體溫度應(yīng)力，施工中往往會采用分縫處理的方式，防控裂縫產(chǎn)生。風(fēng)光水庫工程在澆筑上作出了創(chuàng)新，取消設(shè)置橫縫，采用全段面施工、整體上升式的統(tǒng)倉澆筑方法。避免了分縫為施工帶來的干擾，施工工藝極大地簡化，工程投資節(jié)省，施工進(jìn)度加快，并解除了后期由于對橫縫防滲處理不當(dāng)造成的滲流隱患，加強(qiáng)了壩體結(jié)構(gòu)的整體性。溫度監(jiān)測資料和工程實踐證明統(tǒng)倉澆筑可行性。

施工到目前為止，并未發(fā)現(xiàn)壩體產(chǎn)生裂縫。本文只列出標(biāo)高664.0處的溫度檢測資料，見表1和圖2。

圖2 0+056.65斷面664.0高程壩體溫度觀測過程圖

風(fēng)光水庫工程作為第一個采用統(tǒng)倉澆筑的堆石混凝土雙曲拱壩，后期可能涉及某些隱藏問題，還需加強(qiáng)溫度、裂縫和位移變形的監(jiān)測。

4.2 倉面導(dǎo)流槽

為保證層間穩(wěn)定，避免滲水，堆石混凝土在澆筑下一倉之前，需要進(jìn)行鑿毛養(yǎng)護(hù)，使新舊混凝土接觸面充分融合。根據(jù)施工經(jīng)驗，層間進(jìn)行沖毛處理多采用壓強(qiáng)為25～50MPa的高壓水沖毛機(jī)，在混凝土終凝后才可以進(jìn)行沖毛，并且混凝土抗壓強(qiáng)度必須大于等于2.5MPa。為保證施工質(zhì)量，必須全部清除表面的雜物、浮漿、乳皮層、泥土，包括澆筑過程中產(chǎn)生的泡沫。

表1 壩體溫度特征值統(tǒng)計表(EL664.0)

在解決混凝土沖洗倉面，清除浮漿、泥土、乳皮層等雜物而產(chǎn)生積水和天然雨水堆積問題，多數(shù)工程在沖洗倉面后采用掃帚或者拖布將倉面污水排除，雨季則采用鋪蓋不透水的防雨材料以達(dá)到倉面無雨水堆積，也有工程采用機(jī)械化工具清理，如倉面清潔機(jī)具吸拾系統(tǒng)、風(fēng)動液體吸拾器等[17- 18]。這樣的施工方式較為繁瑣，對施工進(jìn)度及施工質(zhì)量都有影響。

風(fēng)光水庫工程在實際施工操作中設(shè)置了1條寬10cm左右的倉面導(dǎo)流槽。在現(xiàn)有的技術(shù)方案有兩種：一種是使用槽鋼、角鋼、防腐木托、PVC管預(yù)埋在地面混凝土中，在地面完成后進(jìn)行修補(bǔ)；一種是地面施工完成后利用切割機(jī)進(jìn)行后切槽修補(bǔ)。風(fēng)光水庫采用的是預(yù)埋防腐木托方式在倉面設(shè)置導(dǎo)流槽，如圖3所示。

倉面導(dǎo)流槽工藝，在風(fēng)光水庫工程實際應(yīng)用中得到了很好的驗證，該工藝除了能不間斷的排出倉面積水和縮短工期，還具有防滲功能。

4.3 混凝土預(yù)制塊模板

由于自密實混凝土有較大的流動性，使模板所承受的側(cè)壓力相對于一般混凝土而言較大，常規(guī)的鋼模板在施工中容易變形、跑模，并且對施工影響較大。若采用其他類型的特種模板如滑動模板、懸臂模板等，與鋼模板對比，雖然穩(wěn)定性和外觀質(zhì)量都會有很大的提升，但對安裝技術(shù)要求高，并且受限于堆石高度[19]。

為解決上述模板問題，風(fēng)光水庫工程借鑒里綠塘水庫使用混凝土預(yù)制塊作為模板的施工經(jīng)驗，并且再次證明了混凝土預(yù)制塊作為堆石混凝土壩的模板是可行且經(jīng)濟(jì)的。

4.3.1混凝土預(yù)制塊模板設(shè)計

參照綠塘水庫的施工經(jīng)驗，風(fēng)光水庫將混凝土預(yù)制塊模板結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計為50cm×30cm×30cm，采用一順一丁的砌筑形式，砌筑4塊(128cm)混凝土預(yù)制塊，砌縫寬2cm，使用和壩體混凝土標(biāo)號相同的C15混凝土澆筑混凝土預(yù)制塊，并作為壩體的一部分，后期不拆除。混凝土預(yù)制塊模板如圖4—5所示。

圖4 混凝土預(yù)制塊模板制作圖

圖5 混凝土預(yù)制塊模板施工圖

4.3.2堆石混凝土壩模板的應(yīng)用

根據(jù)風(fēng)光水庫雙曲拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計特點、施工條件和外觀要求，為了增加堆石率，減少自密實混凝土用量，降低壩體上游防滲面板產(chǎn)生表面溫度裂縫的機(jī)率，采用M15漿砌混凝土預(yù)制塊模板。目前風(fēng)光水庫大壩在施工過程中，無爆模、漏漿等異常現(xiàn)象。

4.3.3混凝土預(yù)制塊模板總結(jié)與探討

(1)通過經(jīng)濟(jì)分析和應(yīng)用可知，風(fēng)光水庫工程采用混凝土預(yù)制塊作為模板，增加了堆石率、施工簡便、外觀形象好，自密實混凝土的用量也有減少，使得壩體表面溫度應(yīng)力降低。

(2)使用與壩體強(qiáng)度相同的混凝土澆筑出的混凝土預(yù)制塊模板進(jìn)行砌筑且不拆除，作為壩體一部分，不但減少了模板拆除工序，并降低了施工成本。

(3)通過風(fēng)光水庫使用混凝土預(yù)制快作為模板的成功經(jīng)驗得出，在雙曲拱壩施工中混凝土預(yù)制塊模板的砌筑方式、結(jié)構(gòu)型式和砌筑高度，為堆石混凝土壩采用混凝土預(yù)制塊作為模板的施工工藝提供了工程實例。

5 結(jié)語

堆石混凝土技術(shù)是一項具有諸多應(yīng)用優(yōu)勢的新型施工技術(shù)。新技術(shù)必然會產(chǎn)生新工藝，結(jié)合風(fēng)光水庫工程施工，深入地分析并總結(jié)了統(tǒng)倉澆筑、倉面導(dǎo)流槽和混凝土預(yù)制塊模板三點創(chuàng)新工藝的優(yōu)勢和不足之處。

(1)統(tǒng)倉澆筑簡化了施工工藝、降低工程投資、加快了施工進(jìn)度，使壩體整體性加強(qiáng)，消除了滲流隱患；

(2)倉面導(dǎo)流槽的應(yīng)用便捷了倉面積水排出，縮短了施工工期、提高了施工質(zhì)量，并且具有防滲功能；

(3)混凝土預(yù)制塊模板降低了溫度應(yīng)力的影響、并解決了常規(guī)鋼模容易變形、跑模，施工影響大和特種模板安裝難度大等問題；

(4)統(tǒng)倉澆筑和倉面導(dǎo)流槽工藝的施工方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸要求并未制定相關(guān)施工規(guī)范；混凝土預(yù)制塊模板的應(yīng)用在砌筑方式、高度及力學(xué)性能上還有待深入研究。