七台河市汪清水库塑性混凝土配合比设计研究

赵金柱，徐 爽，葛 赢

(1.黑龙江省水利第一工程处，黑龙江富裕161200;2.黑龙江省北方水利水电工程监理有限公司，哈尔滨150080;3.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

1 工程概况

汪清水库位于倭肯河一级支流挖金别河(又称汪清河)中游，七台河市北约18 km处，集水面积为185 km2，占流域总面积的65%。为已建水库，原坝长630 m，坝顶宽5 m，坝顶高程约190.4 m。原设计正常蓄水位187.54 m，相应库容921万m2，设计洪水位188.33 m，校核洪水位189.02 m，相应库容1 142万m3，设计满足下游333.3 hm2水田灌溉的用水。2009年11月13日汪清水库消险增容扩建工程正式开工，主要建设项目包括土坝、新建溢洪道、新建输水涵管、坝下交通桥及公路等土建、金属结构与机电设备、大坝安全自动监测系统、水文自动测报系统等，其中中国水利水电基础工程局承担了土坝塑性混凝土截渗墙的工程施工。

2 塑性混凝土特点

工程实践中发现普通混凝土防渗墙存在不少缺陷:弹性模量高、允许变形小、应力集中于墙体、易产生裂缝;墙体与周围土体沉陷差别大，与基础部位连接困难;原材料耗费大，工程造价高;围堰施工程序复杂，特别是在拆除阶段需采用爆破技术，对主体建筑有不利影响。塑性混凝土是以膨润土、黏土等掺合材料取代普通混凝土中部分水泥而形成的低强度、低弹性模量的防渗墙材料，其主要优势不仅仅在于工程造价低，更在于塑性混凝土适应变形能力强，防渗效果好，拌合物和易性较好，流动性、黏聚性良好，不易离析，易于泵送且不需振捣，能有效协调墙体应力状态，并能显著减小墙底与基岩等联接处的应力集中或拉应力，克服了常规(刚性)混凝土的许多缺陷，因此在国内水电工程中(包括三峡枢纽大坝工程)多次成功运用，取得了良好的效果。本文结合黑龙江省七台河市汪清水库消险增容工程，对塑性混凝土的配合比设计进行了探讨。

3 配合比设计

3.1 塑性混凝土配合比的设计特性

塑性混凝土的配合比设计与普通混凝土不同。普通混凝土设计准则基于逐级填充原理，塑性混凝土的配合比设计原则则是寻找各种材料组分最经济的组合，使塑性混凝土的各种性能满足设计要求。在进行塑性混凝土配合比设计时，配合比参数可控制在以下范围内:

1)塑性混凝土配合比由于掺入吸水率高的膨润土或黏土、砂率高等原因，用水量较大，一般高达250～330 kg/m3，而普通混凝土只有160～180 kg/m3。

2)塑性混凝土砂率很大，一般都在60% ～95%，而塑性混凝土的砂率可达100% ，配合比设计可考虑不再掺用石子。

3)塑性混凝土水胶比较大，一般在0.7～1.3，而普通混凝土水灰比一般在0.4～0.7。

3.2 汪清水库塑性混凝土配合比设计

3.2.1 原材料

①水泥:牡丹江牌P·O42.5水泥;②细集料:七台河河砂，细度模数3.30;③粗集料:七台河5～16 mm连续粒级碎石;④掺合料:膨润土;⑤外加剂:木钙减水剂。

3.2.2 设计指标

①抗压强度 3.5～5.0 MPa;②渗透系数 K≤5×10－7cm/s;抗渗允许比降J＞60 MPa/m;③静力抗压弹性模量(简称静弹模)500～1 000 MPa;④坍落度 18～22 cm，扩散度34～40 cm。

3.2.3 混凝土配合比设计

根据工程要求，通过调整参数进行了多组配合比对比试验，具体配合比见表1。

表1 塑性混凝土配合比一览表

在混凝土配合设计中，膨润土的掺量是塑性混凝土配合比的一个关键参数。这是由于膨润土吸水率高，分散性差，对塑性混凝土的流动度影响很大，在保证塑性混凝土流动度和扩散度的前提下，随着膨润土的增加，塑性混凝土需水量增加，从而导致塑性混凝土水胶比增大，强度降低，因此，膨润土掺量不宜过高;而由于塑性混凝土要求低静弹性模量，膨润土掺量越少，静弹性模量越高，不能满足形变要求，因此，膨润土掺量也不宜过低。

塑性混凝土的水胶比一般在0.7～1.3，与普通混凝土相似，水胶比越大，静弹性模量越低，强度越低;同时基于塑性混凝土的强度要求，胶凝材料中的水泥用量不宜过高也不宜过低。从表1我们可以看到，配合比方案3由于膨润土用量达到140 kg/m3，水泥用量为165 kg/m3，因此其7 d和28 d强度较低，不满足本工程的强度要求。比较配合比方案1和配合比方案2，我们发现，通过适当地调整水泥与膨润土的用量，尽管配合比方案2的水胶比略大，但其强度依然高于配合比方案3，因此，塑性混凝土的强度与水胶比之间的规律与普通混凝土不尽相同。

试验还发现，在配制塑性混凝土时，木质素磺酸钙宜采用较大的掺量，一般为0.4%，从而使混凝土的强度、流动度和扩展度达到设计要求。通过以上试验，选定表2的配合比作为汪清水库土坝塑性混凝土截渗墙工程塑性混凝土配合比。

表2 塑性混凝土配合比一览表

4 塑性混凝土数据分析

4.1 塑性混凝土渗透系数数值统计

塑性混凝土6组渗透系数散点图见图1。

图1 6组渗透系数散点图

4.2 塑性混凝土抗压强度数值统计

20组塑性混凝土抗压数据统计结果为:抗压强度最大值为4.4，最小值为3.1，平均数值3.6，方差值为0.37。

4.3 塑性混凝土弹性模量数值统计

12组塑性混凝土弹性模量数值统计结果为:最大值为920 MPa，最小值为650 MPa，平均值为818 MPa，方差值为88.92。

通过分析6组抗渗试件数据和20组抗压试件及12组弹性模量试件数据，可以看到:试验数据分布比较均匀，塑性混凝土抗压强度平均值为3.6 MPa，渗透系数平均值为2.64 ×10－8cm/s，弹性模量平局值为818 MPa，与实验室数据基本一致，完全满足工程设计要求，配合比设计合理。

5 结语

塑性混凝土作为一种新型材料，具有适应变形能力大，便于就地取材，施工方便等优点，因此可作为堤身防渗体的首选材料。它有利于改善防渗墙体内部的应力状态，大大提高了防渗墙的安全性，且节省了水泥，明显降低了工程造价。同时，塑性混凝土具有很低的渗透系数，能满足各种规模防渗墙的要求。但塑性混凝土配合比设计有其特殊性，它直接关系到大坝和堤防工程的安全。因此在进行配合比设计时，应选用强度较高的水泥，选择适当的水胶比和膨润土掺量，尽量避免掺入黏土，并通过大量细致的试验使设计的塑性混凝土同时满足强度、弹性模量以及抗渗能力等各项要求。