提高自密實堆石混凝土中塊石比例的研究與應用

諶 益

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 概 述

大湖坪水庫位于安化縣東坪鎮大湖村境內的資水支流槎溪上，主壩壩址距離安化縣城25km，安化縣有G55高速、G207國道、S308省道經過，從安化縣城有水泥道路經過主壩右岸、引水壩右岸等，對外交通較方便。

大湖坪水庫是一座以供水、灌溉為主的水利工程。壩址以上控制流域面積 16.3km2，水庫正常蓄水位310m，相應水庫庫容697萬m3。工程為Ⅳ等小(1)型工程，包括主壩、引水壩、引水隧洞和上壩公路等，主壩的建筑物級別為4 級。

主壩采用自密實堆石混凝土重力壩，由河床溢流壩段以及左、右岸非溢流壩段組成，壩軸線在平面上布置成折線型，壩軸線總長度233.0m。壩頂寬6.0m，壩頂高程311.8m，壩基建基面高程250.0m，最大設計壩高61.8m。泄洪建筑物選用帶閘門控制的開敞式壩身表孔，堰型為WES堰，溢流孔口尺寸采用1孔7m×4m(寬×高)。壩式進水口布置在右岸5#擋水壩段，設置3層進水口，進水口尺寸1m×1.2m(寬×高)，進口后設置 2.0m×2.0m 的進口連接豎井，后接壓力管道。

引水壩為混凝土重力壩，壩頂高程 325.0m，壩頂寬 3.0m，最大壩高 5.1m，壩頂長度 15.35m。從左至右依次布置結合沖沙孔的左岸擋水壩(沖砂閘段)、帶底格欄柵及過水廊道的溢流壩(溢流取水壩段)和右岸擋水壩(引水閘段)。為方便施工期沖砂孔兼做導流孔，在溢流壩至沖砂孔之間設置一條橫縫，共將壩體分為2部分。

表1 壩體混凝土等級分區表

工程常態混凝土約22243m3，自密實堆石混凝土總量約97935m3。塊石所占比例理論為55%，混凝土所占比例理論為45%[1]。通過合理選擇塊石堆放方案和支模技術對加快施工進度和降低施工成本有非常重要的意義。

2 現行塊石堆放和支模技術概況

現行堆石堆放一般采用“倒退法”，由里向外進行布倉，通過布置在倉面內的挖掘機平倉，模板、預埋件、結構較小的等部位采用人工輔助堆碼。

現行模板加固采取內拉的方式，接近已澆筑倉面的下部，采取拉絲焊接在預埋的鋼筋上進行加固。

3 原塊石堆放和支模技術存在的問題

采用傳統的堆石堆放技術，在塊石碼放過程中臨邊塊石受其他塊石撞擊，導致臨邊塊石需要二次碼放，請臨邊塊石需要放坡才能滿足其臨邊穩定性，從而降低塊石比例，提高自密實混凝土比例，無形中增加施工成本。

采用傳統的支模方式，為保證模板穩定性傳統拉絲上下兩排拉絲全部作用在下層混凝土上，拉絲與模板的夾角一般在30°～60°之間，采用大型鋼模板上排拉絲與模板的距離超過1m，一般自密實堆石混凝土壩防滲面板厚度為1m，因此導致上排拉絲嚴重影響塊石的排放。從而降低塊石比例，提高自密實混凝土比例，無形中增加施工成本。

4 塊石堆放和支模技術優化改進與實施

4.1 塊石堆放優化改進與實施

自密實堆石混凝土所用的堆石料宜使用新鮮、完整、質地堅硬、不易風化、不易崩解的石料。其飽和抗壓強度宜滿足下表的規定。不能滿足表2要求的堆石料必須經過現場試驗論證方可使用。

表2 堆石料的飽和抗壓強度要求

堆石料的粒徑≥300mm，堆石料的粒徑≤結構斷面最小邊長的1/8-1/4，且不宜超過澆筑層高

堆石料采用1.6m3挖掘機裝車，20t自卸汽車運輸入倉。在自密實堆石混凝土倉面上游側距壩軸線3m的位置設5m寬的主道路，確保自卸汽車能夠將堆石料運至與壩軸線平行的各處位置。

堆石入倉采用“倒退法”，由里向外進行布倉，通過布置在倉面內的挖掘機平倉，模板、預埋件、結構較小的等部位采取人工輔助堆碼。

堆石料處理場地沖洗干凈后的堆石料由自卸車直接運至倉面，入倉道路前端進入倉面的路段，鋪設9m長、30cm厚的碎石墊層，入倉前對輪胎進行沖洗，待沖洗干凈后方可入倉進行堆石卸料，避免自卸車輪胎上的泥土帶入倉內。

在堆石混凝土抗壓強度達到2.5MPa前，無特殊原因，不在其上部進行倉面準備工作。如有特殊原因需作業的，是作業類型，采取鋪設竹夾板、鋼板等措施，防止混凝土被壓碎。

用于運輸塊石的自卸汽車自重約17t，6個輪胎，單個輪胎寬度156cm，接地面積可根據經驗近似于以寬度為短邊的長方形，取正方形進行計算。單胎寬度×接地長度×輪胎數量進行估算=156×156×6=146016mm2=0.146m2。貨箱尺寸5.2m×2.3m×1.2m，雙溪口料場塊石料表觀密度2.69t/m3，塊石裝車松散系數按常規的1.5取值，運輸車輛滿載時的重量=17t+(5.2m×2.3m×1.2m×2.69t/m3)/1.5=42.74t，滿載時對地面的壓強=(42.74t×1000kg/t×9.8N/kg)/0.146m2=286616N/m2=2.86MPa[2]?？紤]車輛輪胎轉向、局部不平等因素影響，控制倉面混凝土在強度≥5.0MPa時方可進行塊石料入倉作業。經咨詢其他類似項目技術人員及專利方技術人員，一般在自密實堆石混凝土澆筑完成24小時后，塊石車輛可以進入倉面作業，該時間參數可以通過現場試驗確定。

由于自密實堆石混凝土采取的是“后退法”澆筑，因此只有每澆筑層的最后一倉會存在澆筑完成后，因需要準備下一個倉塊石料而需要通車的情況。

用于堆碼塊石的兩臺三一245挖掘機，最大重量22.6t，履帶接地長度3.9m，寬度0.6m，接地比壓45KPa=0.045MPa<2.5MPa，即當混凝土抗壓強度達到2.5MPa時，挖掘機可進入倉面作業，但需注意轉向時履帶對混凝土面的破壞，造成損壞的，必須清理干凈，開裂的部分鑿除。)堆石入倉采用“控制卸料點”的方式堆石。配備挖掘機進行平倉。

自密實堆石混凝土最大典型倉面40m(寬)×40.7m(長)，參照其他項目類似經驗，選取每15m-18m×8m-10m尺寸布置一個卸料點倉面卸料點控制：由于堆石料卸料時容易產生石渣，通過減少卸料點，保證大部分區域堆石質量，且集中清理卸料點附近的石渣，降低卸料點附近的質量風險。

大湖坪水庫項目塊石碼放是重點是靠近模板位置塊石的碼放，由于模板邊一米為自密實混凝土防滲墻，不存在塊石，在塊石碼放是盡量采用規則性好，尺寸大的塊石，此舉有利于塊石臨邊穩定性，其一在2.4m高的塊石碼放過程中尺寸大的塊石不需要放坡，增加塊石比例，其二同等的塊石尺寸大的塊石質量重，在中間塊石擺放過程中抗沖擊能力更強，受其他塊石撞擊影響小。

4.2 支模技術優化改進與實施

本項目自密實堆石混凝土采用普通摸板，鋼模板的拼接接縫密封，縫隙≤1mm。在堆石過程中，模板拉條周邊采用人工平倉，堆石后對模板進行校正。澆筑過程中，安排專職人員檢查、維護、調整模板的位置和形態，防止變位、漏漿。

采取“壓一裝一”的方式，即已澆筑倉面的模板不拆除，直接在上部增加一道模板，該方法優點在于模板安裝進度較塊、難度較低、加固較為簡便，缺點在于模板備料要多。

上游側模板主要是直立的模板，根據擬定澆筑層高度2.4m，且結合現場實際主要采用3.0m×2.4m大型鋼模板，在澆筑高度處進行彈線，保證澆筑高程和水平度。

模板加固采取內拉的方式，接近已澆筑倉面的下部，采取拉絲焊接在預埋的鋼筋上進行加固。上部采用在堆碼穩固的大石料上，采用電錘鉆孔、安裝鋼筋，用于拉絲的加固。

傳統拉絲上下兩排拉絲全部作用在下層混凝土上，為保證模板穩定性，拉絲與模板一般在30～45°之間，上排拉絲與模板的距離超過1米，導致上排拉絲嚴重影響塊石的排放，本項目模板上排拉絲直接拉在大塊石上，在大塊石上進行鉆孔植筋，幾乎可以消除拉絲對塊石擺放的影響，增加塊石堆放比例。

4.3 拉絲穩定性計算

1)拉筋選用：

豎梁主要承受混凝土側壓力，混凝土最大澆筑高度為2.4m，側壓力取為F=28.8kN/ m2，有效壓頭高度h=0.96m；傾倒和振搗混凝土時產生的水平荷載設計值Q=γ2q1=1.4*4=5.6kN/m2[3]

2)豎梁受力計算：

豎梁按最大間距1m布置；F1=0.5*1*1*28.8=14.4kN

F2=4*1*28.8=115.2kN

豎梁側面的合力為：F合 =F1+F2=129.6kN

F合 =129.6kN共有4個埋件拉筋承擔。

其中單個埋件最大拉力為：F=129.6/4=32.4kN

根據拉絲與受力方向夾角約為30°，由此計算得拉絲內力=32.4kN/(cos30°)=32.4kN/0.866=37.41kN。

根據HPB300級圓鋼抗拉強度設計值270N/mm2，由此計算的各規格鋼筋的容許拉應力見表3：

表3 容許拉應力表

考慮2倍的安全系數，上排拉絲選用φ20鋼筋，能滿足模板穩定的要求[4]。

3)頂部埋件錨固強度驗算：

對于彎鉤φ20螺紋鋼筋，其錨固強度的計算，只考慮埋入混凝土的鋼筋表面與混凝土的黏結力，不考慮螺栓端部的彎鉤在混凝土基礎內的錨固作用[5]。

錨固長度400mm

錨固強度：F=πdhτb=3.14x20x400x2.5

=62.8kN> F錨=32.4kN 符合要求

其中：F錨為錨固力，作用于預埋鋼筋的軸向拔出力，N；d為預埋鋼筋直徑，mm；h為預埋鋼筋在混凝土基礎內的錨固深度，mm；τb為混凝土與預埋鋼筋表面的黏結強度，N/mm2。

4)拉絲塊石要求：

根據第二點計算，只要塊石能承受32.4kN的側壓力就可以保證塊石的穩定性。

F=U*N=u*m*g

m≥F/Ug=32400/(0.8*9.8)=4132.7KG

根據《ACI318-2017結構混凝土建筑規范要求》U取0.8。

考慮2倍的安全系數，當塊石質量超過8.3t時，可以作為拉絲的錨固點。

4.4 堆石碼放應用存在的問題、解決措施及建議

通過項目塊石碼放的研究與在大湖坪項目的應用，發現存在以下問題，并提出解決措施及建議。

1)錨固上排拉絲的大塊石摩擦系數是關鍵，在碼放過程中必須保證大塊石與下部結構足夠的接觸面積，以保證大塊石的穩定性。

2)由于局部位置塊石碼放不方便，挖機靈活度不夠，可以采用抓石器進行補充。

5 結 語

據統計截至2021年，堆石混凝土壩已建84座，在建35座，最高重力壩90m，最高拱壩69m，已完成澆筑堆石混凝土澆筑550萬m3，針對堆石混凝土快石入倉和支模施工控制難點、要點較多，采用尺寸大的塊石進行碼邊和錨固上排拉絲，塊石比例比傳統碼放方式提高2%左右，塊石比例達到57%，明顯提高的塊石碼放比例，由于碼邊塊石尺寸大、塊石質量重，在中間塊石擺放過程中抗沖擊能力更強，受其他塊石撞擊影響小，整體碼放速度也有提升，加塊施工進度。