玄武巖骨料碾壓混凝土壩澆筑與裂縫處理措施

李 成,梁 林,朱自立

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550000）

1 引言

水利水電工程施工成本較高,為控制成本,導(dǎo)致混凝土骨料一般由附近料場(chǎng)加工。用于水工混凝土的砂石骨料,涉及到的原巖種類繁多。目前涉及到的材料來源有正長巖、白云巖、石灰?guī)r、大理巖、砂巖、石英巖、花崗巖、片麻巖、玄武巖、輝綠巖等。不同品種的骨料特性迥異,對(duì)混凝土的性能必然造成影響。

玄武巖骨料碾壓混凝土力學(xué)、變形、熱學(xué)性能方面,其抗壓強(qiáng)度大、波動(dòng)大又不穩(wěn)定,但能夠基本滿足施工要求。由于玄武巖骨料的特點(diǎn)是彈性模量大,線膨脹系數(shù)高,同時(shí)由于玄武巖骨料的熱物理性能不佳,骨料內(nèi)部的氣孔稍多,比熱較大,玄武巖混凝土的導(dǎo)溫、導(dǎo)熱方面的性能較差,這給混凝土的熱傳導(dǎo)帶來不利的影響。上述特點(diǎn)造成了玄武巖混凝土在施工中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫的現(xiàn)象[1]。

目前國內(nèi)水利水電工程上,二灘、溪洛渡、白鶴灘等工程項(xiàng)目主要為玄武巖骨料常態(tài)混凝土壩,官地、金安橋、大朝山、象鼻嶺等工程項(xiàng)目[2-13]主要為玄武巖骨料碾壓混凝土壩,玄武巖骨料混凝土壩工程項(xiàng)目見表1。

表1 玄武巖骨料筑壩工程

表2 防洪墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)

綜合目前國內(nèi)玄武巖筑壩材料應(yīng)用情況,主要分析其存在制砂石粉含量低；制沙產(chǎn)量不高,細(xì)度模數(shù)較大；針片狀粗骨料含量較高,粒狀較差；水泥用水量明顯上升；制砂脫水難；干縮及抗裂性能等方面存在一定的不足。

2 雨汪河水庫玄武巖骨料碾壓混凝土筑壩特點(diǎn)

2.1 項(xiàng)目介紹

雨汪河水庫工程位于貴州省水城縣龍場(chǎng)鄉(xiāng)境內(nèi),水庫總庫容為1112 萬m3,工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。樞紐工程部分主要包括大壩、泄洪表孔、取水兼放空管等建筑物。大壩為碾壓混凝土重力壩,最大壩高為49.5 m,壩頂長度和寬度分別為157.3 m 和6 m。混凝土澆筑工程量為105505 m3。

2.2 玄武巖骨料生產(chǎn)加工

大壩使用的砂石料是玄武巖。玄武巖骨料生產(chǎn)加工時(shí)碎石針片狀較多,粒形差,加工及制砂困難,產(chǎn)砂率低,制砂脫水難。項(xiàng)目部對(duì)玄武巖骨料進(jìn)行了改進(jìn)。選用單缸液壓圓錐破和雙電機(jī)立軸式制砂機(jī)（石打鐵）,解決破碎整形和制砂要求高問題。增加兩臺(tái)制砂機(jī),同時(shí)對(duì)各層的篩網(wǎng)尺寸進(jìn)行反復(fù)調(diào)整,增設(shè)幾種不同孔徑的篩網(wǎng)以用于搭配使用,便于石粉快速沉積,降低石粉流失,提升制砂量和含砂量,從而改善洗砂機(jī)尾堰中水流速度。

2.3 碾壓混凝土配合比

根據(jù)配合比試驗(yàn),本工程水泥采用P.O42.5 普通硅酸鹽水泥,由水城海螺盤江水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)；粉煤灰采用II 級(jí)粉煤灰,由大唐貴州發(fā)耳發(fā)電有限公司生產(chǎn),二級(jí)配和三級(jí)配碾壓混凝土中, 粉煤灰的摻量分別為55%、60%。粗骨料粒徑小石:5 mm～20 mm,中石:20 mm～40 mm,大石:40 mm～80 mm；二級(jí)配小石：中石比例為40∶60；三級(jí)配小石：中石：大石比例為30∶30∶40；碾壓混凝土用減水劑為GTA聚羧酸高性能減水劑,摻量為1.2%,由貴州鑫科信建材有限公司生產(chǎn)；引氣劑采用GTA,由貴州鑫科信建材有限公司生產(chǎn),在二級(jí)配和三級(jí)配碾壓混凝土中,引氣劑的摻量分別為0.15%、0.12%。

砂細(xì)度模數(shù)FM=3.00,由于砂子的細(xì)度模數(shù)略微偏大,且含粉量偏少,所以配合比設(shè)計(jì)中采用粉煤灰取代5%的砂,以彌補(bǔ)砂中石粉含量不足的情況,改善混凝土的施工性能,確保混凝土的施工質(zhì)量。

3 大壩混凝土澆筑過程

3.1 施工場(chǎng)地布置

施工期場(chǎng)地平面布置（圖1）主要包括大壩施工區(qū)、加工廠、臨時(shí)營地、料場(chǎng)、渣場(chǎng)、骨料加工及混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)等。由于場(chǎng)地限制,前期加工廠及臨時(shí)營地設(shè)置于庫區(qū)截流水位以上1465 m 高程位置。

圖1 施工場(chǎng)地布置

3.2 碾壓混凝土重力壩分倉澆筑規(guī)劃

大壩除齒槽、墊層、首層及頂層碾壓混凝土外,均設(shè)置3 m 一階,每一階分10 層澆筑。溢洪道采用階梯消能,同時(shí)下游壩面為臺(tái)階式布置,綜合坡比1∶0.8。大壩設(shè)置4 條誘導(dǎo)縫。1479 m 高程以下以3 號(hào)誘導(dǎo)縫為界,分兩倉澆筑,其他誘導(dǎo)縫以切割方式成型。1479 m 高程以上,以溢洪道兩側(cè)為界,分三倉澆筑。大壩內(nèi)部設(shè)置灌漿廊道。

3.3 大壩混凝土入倉方式及施工工藝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件,工程全程采用自卸汽車直接入倉,隨著大壩澆筑高程逐步提升,將入倉道路隨之升高的方法,避免溜槽或溜管等復(fù)雜的工藝。均衡連續(xù)地進(jìn)行碾壓混凝土的鋪筑作業(yè),對(duì)鋪料和卸料方向進(jìn)行嚴(yán)格控制,減少交叉影響,保證鋪筑的施工質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝性試驗(yàn),碾壓遍數(shù)采用先無振2 遍,再有振8 遍,見圖2～圖3。

圖2 混凝土入倉方式模擬

圖3 混凝土施工工藝

3.4 4D 施工進(jìn)度模擬

利用BIM 技術(shù)對(duì)工程導(dǎo)流洞開挖、工程截流、邊坡開挖支護(hù)、混凝土澆筑、安全度汛等工作進(jìn)行施工進(jìn)度模擬,以協(xié)助對(duì)資源配置及工程進(jìn)度管理的合理安排。本工程關(guān)鍵線路為：工程準(zhǔn)備→導(dǎo)流工程施工（壩肩土石方開挖）→截流→壩基開挖→大壩墊層混凝土澆筑→壩基固結(jié)灌漿→大壩壩體混凝土澆筑→閘墩及邊墻混凝土澆筑→交通橋及啟閉機(jī)室混凝土澆筑→閘門制安→導(dǎo)流洞下閘封堵、蓄水→完工清場(chǎng),見圖4。

圖4 4D 施工進(jìn)度模擬

圖5 雨汪河水庫大壩裂縫標(biāo)記

圖6 雨汪河水庫大壩裂縫標(biāo)記

4 雨汪河水庫大壩裂縫成因分析與處理措施

4.1 裂縫成因分析

雨汪河水庫碾壓混凝土壩體上、下游面出現(xiàn)裂縫情況：下游壩面裂縫位于2#誘導(dǎo)縫與3#誘導(dǎo)縫之間,樁號(hào)壩橫0+068～0+073 范圍,在1456 m～1474 m 高程之間的臺(tái)階立面、平面均有出現(xiàn),裂縫寬度為0.2 mm～0.5 mm 不等,裂縫近似于豎直分布；上游壩面裂縫位置為樁號(hào)壩橫0+074.5 附近,在1456 m～1459 m 高程,裂縫寬度為0.2 mm～0.3 mm,裂縫近似于豎直分布。通過BIM 技術(shù)應(yīng)用,結(jié)合三維模型、實(shí)體建筑及設(shè)計(jì)圖紙,將裂縫詳細(xì)情況在三維模型中還原,使得裂縫分類井然有序。

經(jīng)過對(duì)大壩基礎(chǔ)地質(zhì)素描、壩體內(nèi)溫度計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、冷卻水管統(tǒng)計(jì)臺(tái)賬,測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料分析,裂縫由溫度應(yīng)力產(chǎn)生。

4.2 裂縫處理措施

（1）施工期處理：為防止現(xiàn)有裂縫進(jìn)一步向上擴(kuò)展,在裂縫處布設(shè)騎縫鋼筋,用以對(duì)裂縫進(jìn)行并縫處理,在澆筑下一倉壩體碾壓砼（1477 m～1480 m）時(shí),在下部壩體裂縫位置的倉面上布置騎縫鋼筋網(wǎng),垂直于裂縫方面的受力筋采用25@200,分布鋼筋采用12@200；騎縫鋼筋共布置2 層,層間間距250 mm；在平面上,上游面在樁號(hào)壩橫0+072.5～0+076.5 范圍布置,下游面在樁號(hào)壩橫范圍布置。

（2）施工期后期處理：施工期經(jīng)布設(shè)騎縫鋼筋處理之后,大壩繼續(xù)澆筑,待大壩封頂后,需對(duì)裂縫進(jìn)一步檢測(cè)、分析,進(jìn)而對(duì)壩體上下游面的裂縫做進(jìn)一步的灌漿等相關(guān)處理,以保證大壩的整體防滲效果。

（3）施工期溫控需加強(qiáng)。從相關(guān)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)顯示,冷卻效果不理想,存在冷卻水管進(jìn)水溫度偏高,導(dǎo)致壩內(nèi)混凝土降溫不及時(shí),壩內(nèi)混凝土峰值溫度、穩(wěn)定溫度均偏高等問題,結(jié)合已提交的《大壩冷卻水管設(shè)計(jì)圖》,落實(shí)好通水冷卻溫度控制的相關(guān)規(guī)定和要求。

①溫控指標(biāo)要求

②冷卻水應(yīng)采用低溫河水或者制冷水,冷卻水溫度應(yīng)為10℃～12℃,通水流量為20 L/min～25 L/min,每12 h 改變一次通水方向；初期通水時(shí)間可為21 d,且停止初期通水后的壩體穩(wěn)定溫度,不超過20℃～25℃；壩內(nèi)混凝土最終的穩(wěn)定溫度應(yīng)為14℃～18℃。

③大壩混凝土人工冷卻分為初期、中期、后期冷卻。初期冷卻主要作用是為削峰,通過通冷卻水的方式,控制壩體混凝土溫度,使其在合理范圍內(nèi)。且停止初期通水后的壩體穩(wěn)定溫度不超過20℃～25 ℃；中期冷卻應(yīng)該在冬季低溫來臨之前通冷卻水,可選擇外界大于8℃的天氣,通冷卻水,使得壩體混凝土溫度穩(wěn)定在14℃～18 ℃。通冷卻水時(shí)應(yīng)結(jié)合壩體內(nèi)溫度計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),保證冷卻效果,滿足壩體混凝土溫控指標(biāo)要求。

④對(duì)于已拆模的壩體混凝土表面, 當(dāng)日平均氣溫低于3 ℃時(shí),需采用泡沫、噴聚氨酯等材料對(duì)壩面進(jìn)行保溫,保證混凝土表面溫度不低于5 ℃。

5 結(jié)語

（1）前期砂石料場(chǎng)生產(chǎn)的砂的石粉含量偏低,細(xì)度模數(shù)偏大。通過對(duì)砂石骨料生產(chǎn)設(shè)備及骨料粒型進(jìn)行改進(jìn),嚴(yán)格控制砂石料質(zhì)量,取得了較好的效果。

（2）碾壓混凝土的砂率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的砂的細(xì)度模數(shù)和含粉量作相應(yīng)調(diào)整,當(dāng)砂子細(xì)度模數(shù)略微偏大或含粉量少于15%時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況用粉煤灰取代一定數(shù)量的砂,保證含粉總量能滿足15%,以彌補(bǔ)砂中含粉量不足的情況,改善混凝土的施工性能,確保混凝土的施工質(zhì)量。

（3）經(jīng)過對(duì)大壩基礎(chǔ)地質(zhì)素描、壩體內(nèi)溫度計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、冷卻水管統(tǒng)計(jì)臺(tái)賬,測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料分析,裂縫由溫度應(yīng)力產(chǎn)生。從施工期、施工后期等重點(diǎn)控制要素出發(fā),通過制訂一整套較為完善的處理措施,并積極落實(shí),取得了較好的效果。