埋石混凝土在一次性筑壩尾礦壩中的應用

陳 哲

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019）

0 引言

尾礦壩分兩大類型[1]，一類是初期壩用當地土、石材料筑成，后期壩用尾礦筑成，多為透水壩；另一類是整個壩體全用當地土、石材料一次性筑成，一般用于尾礦顆粒很細，不能用于堆積筑壩的情況，多為不透水壩。混凝土重力壩是一次性修筑尾礦壩經常采用的一種壩型，但其與水利工程重力壩存在很大不同，主要區別在于：（1）所受荷載不同，分別為選礦后濕排礦漿荷載和水荷載；（2）尾礦壩壩體結構簡單，沒有泄洪孔、閘門、廠房、廊道、進水孔等專門設施；（3）壩體斷面單一，無溢流壩段等。針對以上特點，本文依托廣西某排泥庫埋石混凝土外壩，通過合理的埋石率理論設計方法及埋石混凝土施工方法，探尋埋石混凝土的應用經濟效果，總結經驗，為類似工程提供參考。

1 工程概況

廣西某氧化鋁企業HY公司配套堆積型鋁土礦，采用洗礦工藝，天然水沖洗礦石，粗顆粒均作為礦石運往氧化鋁廠，細粒級礦泥漿經濃密后送往排泥庫儲存。礦泥很細，尤以黏、膠粒含量高，不能用礦泥漿自身沉積堆壩，且極難排水固結，一般采用一次性筑壩方式堆存。LH排泥庫是HY公司洗礦廠配套排泥庫，利用天然洼地及四周5座埋石混凝土壩堆存礦泥，終期標高955m，最大壩高53m，總庫容2885萬m3。

以LH排泥庫1號壩（見圖1）為例，壩底標高902m，壩頂標高955m，壩高53m，壩頂寬4.5m，壩軸線長110.32m，上游壩坡上部8m直立，947m標高以下邊坡1∶0.65；下游壩坡上部5m直立，950m標高以下邊坡1∶0.65。壩體橫斷面單一，沿壩軸線共設6條伸縮縫，將壩體分為7個壩段，其中1～6號壩段長16m，7號壩段長14.32m。壩體采用“金包銀”設計[2]，內部為C15埋石混凝土約12萬m3，上游迎水面防滲面板為C25防滲混凝土，壩頂以下直墻段及下游壩坡面1.5m內模板拉筋區為C15素混凝土。

圖1 1號壩橫斷面

2 埋石率設計

設計合理的埋石率是埋石混凝土的核心，直接影響到埋石混凝土的質量及經濟效益。根據混凝土骨料粒徑與塊石粒徑的級配關系，可以將混凝土埋塊石問題分為連續級配理論和間斷級配理論兩種[3]。連續級配理論，即原混凝土骨料最大粒徑接近塊石最小粒徑，如骨料最大粒徑150mm，而塊石粒徑為200～300mm，級配連續。間段級配理論，即原混凝土骨料最大粒徑與塊石最小粒徑相差較大，如骨料最大粒徑100mm，而塊石粒徑為300～500mm，級配間斷。

2.1 連續級配理論

（1）根據連續級配理論，理想級配曲線可歸納成如下公式計算：

式中：D——最大粒徑；

d——篩孔直徑；

P——通過篩孔的骨料重量占比，%；

n——在1/4～1/2范圍變化；

K——根據各個不同的出發點而得出的不同系數。根據公式計算可得骨料粒徑級配，見表1、圖2。

圖2 骨料粒徑級配圖

表1 骨料粒徑級配表

從表1、圖2可以看出，假定40mm、80mm或150mm分別為原混凝土中的最大骨料粒徑，在此以上的各種骨料是后埋進去的塊石，很明顯，隨著原混凝土骨料最大粒徑的減小，塊石粒徑的加大，則埋石率也隨之增加。當最大骨料粒徑為40mm、塊石粒徑為500mm時，理論埋石率可達71.6%；最大骨料粒徑為150mm、塊石粒徑為300mm時，則理論埋石率為29.3%。但是，在上述兩種級配的埋石率情況下，5mm以下顆粒含量只有10.3%～12.9%，顯然太少了。這樣組成的混凝土，在一般水灰比的情況下，可說是毫無流動性，無法施工[4]；如要保持一定的水灰比，必然要增加水泥用量，這與上述埋石率所能節約的水泥用量是相矛盾的。因此，考慮到必要的5mm以下的細顆粒含量，實際可能埋石率將低于表中所列的理論埋石率。另外石料粒徑級配跨度較大，對混凝土骨料及塊石的制備要求較高，工序繁瑣復雜。

2.2 間斷級配理論

按間斷級配的理論，假定塊石為等徑球體或橢圓體，按一定的形式排列，如平排排列、平面相錯排列、立面相錯排列等，最大埋石率可能達50%～70%，但要求塊石粒徑是原混凝土的骨料最大粒徑的2.4～7倍。以上是在假定塊石與骨料相互貼密、空隙率最小的理想條件下得出的，實際上兩者之間不可能互相貼密，同時，要求其間的砂漿層厚度要有3～4mm，因此塊石粒徑為骨料最大粒徑的6～10倍。

另一方面，由于塊石的形狀實際上都是不規則的，其實測體積必須按球形或橢圓形體積進行折算（折合系數一般為0.7左右）。因此，實際可能的最大埋石率還必須乘以折合系數，所以只能達35%～50%左右。而這種數值只有在塊石直徑大于骨料粒徑2.4～7倍的條件下才能達到。而我國當前采用的骨料粒徑已達80～150mm，塊石粒徑在300mm左右，所以實際的埋石率將遠低于這個數字。只有將骨料粒徑降至30～70mm，埋石率才有可能達到30%～40%。

2.3 埋石技術指標

LH排泥庫所在場地大部分基巖出露地表，為微風化新鮮灰巖，實施現場制備混凝土骨料及塊石。灰巖飽和抗壓強度不小于55MPa，軟化系數不小于0.80，滿足設計要求。根據上述理論分析、現場施工條件及簡化石料制備要求，LH排泥庫埋石混凝土按照間斷級配理論實施較為合理，技術指標如下：

（1）原混凝土骨料粒徑控制在50～100mm；

（2）塊石粒徑控制在300～500mm，形狀宜為塊，不應采用片狀或者長條形狀（長寬比大于2.5∶1）[5]；

（3）設計埋石率30%。

3 埋石混凝土施工技術

決定埋石混凝土質量的主要有四個因素：原混凝土的物理力學性能、塊石的物理力學性能、原混凝土與塊石之間的膠結強度、埋石率。其中前三個因素，主要受到現場石料性能及制備條件的影響，而是否能夠達到設計的埋石率關鍵在于施工技術。因此，要提高埋石混凝土的質量，研究便捷、高效的施工技術至關重要。

3.1 塊石攪拌法

目前我國采用的埋石混凝土施工方法，主要有先埋石后振搗和先振搗后埋石兩種。埋石混凝土是塊石經過振搗力量組成到混凝土中去的，很顯然，先埋后振比先振后埋要好。但是根據實際情況，先埋后振中如何埋同樣值得研究。

根據LH排泥庫現場施工條件和要求，在確保質量的前提下，盡可能簡化施工工序，加快施工進度，因此采用塊石攪拌施工法。該方法類似于混凝土攪拌原理，即在澆筑倉位內利用預先入倉的塊石圍擋出攪拌區域，隨后利用挖掘機將混凝土及塊石在該區域內充分攪拌，使得塊石被混凝土充分濕潤和包裹。最后將塊石混合混凝土平鋪在倉位內，每層平鋪厚度約50cm，至此埋石混凝土入倉完成，塊石充分地埋入混凝土中，且塊石間距滿足振搗要求[6]。

3.2 施工工藝

（1）基面的驗收及倉面的準備。在施工區周圍設置擋水圍堰或開挖周邊排水溝以及采取集水坑抽水等措施，阻止場外水流入場內，并有效排除積水。將巖基上的雜物、泥土及松動巖石清除（混凝土倉面鑿毛或沖毛完成），并沖洗干凈，排除積水和其他雜物，處理完畢，驗收合格后，再放樣立模及簽發混凝土澆筑指令。

（2）混凝土、塊石入倉。拌合站生產的混凝土通過坍落度等測試合格后，在25min內運送至澆筑現場。最佳澆筑方式為使用泵送車澆筑，根據現場實際條件及工程進度考慮，采用挖掘機入倉澆筑。用于埋石混凝土中的塊石，必須為濕飽，選擇新鮮、完整的巖塊，無風化剝落層或裂紋，石材表面應沖洗干凈，不能留有樹根、雜草等污物，所有進倉塊石表面應處于濕潤狀態，采用自卸汽車運輸入倉。

（3）鋪料方法。倉位面積約400～600m2，采用平鋪法鋪料，首先全倉首鋪一層約30cm厚混凝土，之后塊石入倉并形成塊石混凝土攪拌區域，混凝土及塊石在該區域交替入倉，并充分攪拌。每一層，由挖掘機將拌好的塊石混凝土分層平鋪至全倉，受骨料粒徑控制，分層厚度一般約為50cm，平鋪一層后若骨料凸出高度較大，應增加鋪設素混凝土，使得骨料凸出高度不超過10cm，最后采用插入式振搗棒振搗密實，振搗時間以混凝土不再顯著下沉、不出現氣泡、開始泛漿為準。

（4）混凝土養護及溫控。混凝土澆筑12～18h之內，開始灑水養護，各部位按設計要求的養護期進行養護，溢流面適當延長養護期，養護期內須保持混凝土面濕潤狀態。混凝土澆筑后，嚴格控制拆模時間，以不造成混凝土表面和棱角受損為準。混凝土外露在氣溫驟變期需要鋪設草墊進行保溫。埋石混凝土已大幅度降低水泥的使用量，且大比例的塊石含量有利于減少裂縫的產生，因此不需采用專門的混凝土溫控措施。

圖3 工藝流程圖

4 埋石混凝土的經濟效果

采用上述設計理論及施工方法，完成LH排泥庫1號外壩施工，為驗證施工質量，在壩頂選取5個點進行鉆孔取芯，根據樣芯塊石段長度，對實際埋石率進行統計，并選取樣芯進行強度檢測，結果見表2。

表2 LH排泥庫1號壩體樣芯埋石比率及抗壓強度

根據表2可知，LH排泥庫1號壩平均抗壓強度27.2MPa，遠超C15混凝土強度；平均埋石率32.24%，基本符合理論設計要求；減少相應的常態混凝土用量約4萬m3，降低大壩造價約1000萬元。同時1號壩體未出現任何溫度裂縫，相應地減少了相關溫控措施的投入。

5 結束語

依托LH排泥庫工程，結合相關理論分析，關于埋石混凝土在一次性筑壩尾礦壩中的應用得出如下經驗，可供類似工程參考。

（1）現場制備混凝土骨料及塊石，采用間斷級配理論設計埋石率較為經濟合理。

（2）塊石攪拌法是一種高效、便捷的埋石混凝土施工方法，施工速度快，塊石與混凝土結合好，且保障了混凝土施工質量。

（3）埋石混凝土可大幅降低壩體造價，減少溫控投入的同時可基本消除混凝土溫度裂縫，可大力推廣應用。