台山核电淡水水源工程碾压混凝土大坝关键技术研究与应用

卢　宾

(广东省水利水电第三工程局有限公司, 广东 东莞　523710)



台山核电淡水水源工程碾压混凝土大坝关键技术研究与应用

卢宾

(广东省水利水电第三工程局有限公司, 广东 东莞523710)

碾压混凝土筑坝技术是目前国际坝工界较为推崇的筑坝新兴技术之一，具有施工速度快、工期短、投资省和温控相对简单等优点。本文将在台山核电淡水水源工程碾压混凝土大坝施工过程中遇到的难点，如：无法采用开采骨料生产人工砂改为干法细碎天然河砂，因采用天然砂破碎后石粉含量偏少需对混凝土配合比进行优化，针对该大坝特点研制了悬挂外承式组合钢模板等，作为关键技术进行了研究，供今后类似工程参考和借鉴。

碾压混凝土大坝； 关键技术； 研究与应用

1　工程概况

台山核电淡水水源工程是台山核电厂的配套工程，主要任务为台山核电厂提供淡水，年供核电淡水量900万m3。工程属Ⅰ等大(1)型工程，主要建筑物级别为1级，包括新松水库碾压混凝土重力坝、输水管线和进库道路。碾压混凝土重力坝坝顶总长369m，共分9个坝段，最大坝高54m，坝顶宽度为7m，坝体上游为铅直坝坡，下游坝坡坡比1∶0.78；溢流坝段总长56m，共分5孔，每孔净宽10m，堰顶高程为45.80m，堰面采用WES 曲线，堰顶不设闸门，自由溢流，采用阶梯式溢流面接消力池联合消能方式，每级台阶高90cm，宽70.2cm。

在该工程施工过程中，针对遇到的技术难题，进行了以下几项关键技术的研究：ⓐ立轴干法河砂细碎技术；ⓑ碾压混凝土配合比研制；ⓒ悬挂外承式组合钢模板施工技术。

2　立轴干法河砂细碎技术

2.1技术应用背景

由于该工程碾压混凝土坝工程量大，对细骨料的需求量大且集中，品质要求高，因此细骨料的供料直接影响碾压混凝土施工的连续性和质量。由于征地原因无法利用开采骨料生产人工砂，规划的砂料场储量虽满足要求，但由于长期受水流冲刷和自然沉积作用，级配较差，粉细颗粒流失严重，粗状颗粒较多，石粉含量仅为2%～3%，细度模数达到3.88。

开采河砂具有一定的特殊性，颗粒粒径较小，大部分小于5mm，含少量砾粒，河砂属花岗岩，其矿物组成以长石和石英为主，抗压强度达到100～300MPa，属中硬、特硬级别，因此不适合采用锤式和反击式破碎机；此外河砂需从河道开采，虽经一段时间的脱水，但仍具有一定含水量，故超细碎圆锥破碎机也不合适。

通过借鉴普通开采骨料生产工艺中的末端人工砂技术，应用于该工程，经反复试验和工程实践，采用GSP65型立轴式冲击破碎机“石打铁”生产模式，细碎处理生产的河砂经过配合比试验可满足工程需要。

该设备合理生产参数：进料河砂的含水率控制在6%以内，以4%～5%为最佳，进料速度控制在30m3/h，这样既能获得较高的石粉含量(10%～13%)，又同时满足常态混凝土和碾压混凝土用砂要求，生产成本最为经济。天然河砂经过干法细碎技术加工可满足工程需要。

2.2工程应用

a.河砂细碎系统运转流程简单，自动化程度高，每个工作班组仅配备两名操作人员和一台装载机就能完成整个生产系统的运作。GSP65型立轴式冲击破碎机主要工作参数：工作功率250kW，转速1900～2100rpm，最大线速度85m/s，生产能力45～60m3/h。由于立轴破的破碎腔内部形成循环气流，能有效遏制粉尘，无需另设防尘和除尘设备。

b.对该系统生产的砂进行取样检测105组，各项品质指标均符合设计和规范要求，且质量稳定，波动范围小，其中细度模数平均值2.63，石粉平均含量12.7%，石粉含量适中，可同时向碾压混凝土和常态混凝土供应，避免了常规人工砂系统需将碾压混凝土用砂和常态混凝土用砂分开设置的繁琐程序。

c.破碎机生产成本为70元/m3，而人工制砂成本约为90元/m3，生产10万m3砂共节约成本200万元，经济效益显著。

3　采用粉煤灰代砂的碾压混凝土配合比研制

3.1研究背景

工程位于中国东南沿海山区，总体气候条件比较恶劣，对碾压混凝土的配合比要求较高，需适应高温、寒潮、昼夜温差大、暴雨等各种恶劣天气，另外该项目受征地等多方面影响无法实现初设阶段的粗细骨料开采和生产规划，特别是采用河砂细碎后的砂料仍无法达到一般碾压混凝土所需的18%～22%的石粉含量。通过分别研究掺和外购石粉和粉煤灰来替代不足部分的石粉，以满足设计和施工要求的大坝混凝土施工配合比。

离工程所在地较远的石料场在生产粗骨料的过程中均有多余的石粉产生，大部分为石料二破经过细筛产生的粒径0.5mm以下细骨料。但该细骨料整体级配较差，0.016mm以下细颗粒缺失较多。另外大部分石料场采用湿法生产骨料，石粉含水量较大，运输困难，且运输至搅拌站后还需进行脱水处理和配备专门的配料仓输送至搅拌机，技术复杂且成本较大。掺石粉进行初步配合比试验性的结果亦表明碾压混凝土拌和物性能较差，故该方法不予采用。

掺粉煤灰代砂指通过掺粉煤灰来替代缺失的石粉颗粒，该工程采用细碎后的河砂石粉含量尚不能满足规范的含量要求，其级配分析表明0.016mm以下颗粒亦不足，粉煤灰的掺合主要是弥补不足，使其达到正常人工细骨料的级配水平。其可以和正常配合比所需粉煤灰掺合量进行简单叠加。

因此碾压混凝土配合比试验除了按一般参数进行设计外，还需增加研究粉煤灰代砂后对其他参数的影响分析，使混凝土的物理力学指标满足设计要求；同时碾压混凝土应满足施工工艺的要求，主要是碾压混凝土运输和摊铺作业中有良好的黏聚性，即抗分离能力，以及比较容易碾压密实和充分泛浆的性能。以下仅对粉煤灰代砂4%时三级配碾压混凝土配合比的试验成果进行叙述。

3.2碾压混凝土配合比设计

a.碾压混凝土配制强度。碾压混凝土配合比设计应满足设计强度和耐久性要求，并做到经济合理。碾压混凝土的设计指标见表1，碾压混凝土的配制强度计算值见表2。

表1　碾压混凝土设计性能指标

表2　碾压混凝土的配制强度

b.碾压混凝土中各种材料用量。根据该工程碾压混凝土设计指标、配制强度、原材料特性以及配合比主要参数的选择试验，经分析，每立方米碾压混凝土试验配合比设计参数见表3。

表3　碾压混凝土施工配合比试验参数

c.碾压混凝土配合比试验。根据碾压混凝土试验配合比设计参数，进行碾压混凝土拌和物性能、力学性能、耐久性等试验。

ⓐ碾压混凝土拌和物性能试验。拌和物性能试验主要对外观、骨料包裹情况等进行观察，并测试VC值、含气量、密度、凝结时间等性能。考虑该工程的气候、施工等因素，为保证碾压混凝土拌和物质量控制，出机口VC值控制在(5±2)s。碾压混凝土拌和物性能试验结果见表4。

表4　碾压混凝土拌和物性能试验结果

ⓑ硬化碾压混凝土性能试验。硬化碾压混凝土主要检测强度和抗渗等级两项指标。碾压混凝土抗压强度和抗渗等级试验结果见表5，试验结果表明，两组碾压混凝土配合比90d抗压强度和抗渗等级均能满足设计指标R90100，W2 的要求。

表5　碾压混凝土抗压强度和抗渗等级试验结果

3.3工程应用

该工程施工中碾压混凝土施工配合比主要参数：坝体混凝土设计指标R90100W2，三级配碾压混凝土，水胶比0.65，掺粉煤灰65%；出机VC值按3～7s动态控制，以满足仓面可碾性、液化泛浆及层间结合的设计和施工要求。

碾压混凝土质量控制：碾压混凝土VC值每增减1s，用水量相应减增约1.7 kg/m3；砂细度模数FM每增减0.2，砂率相应增减1%；石粉含量每增减3%，粉煤灰代砂相应减增1%。

在施工中，考虑砂中石粉含量不足的情况，为改变碾压混凝土可碾性，保证液化泛浆和层间结合质量，采用掺粉煤灰代砂方案，可以显著改善碾压混凝土性能。

在相同的设计指标情况下，该碾压混凝土配合比与工程前期阶段初设配合比相比，完成20万m3大坝混凝土共节约材料费287.99万元，减少水泥用量约2000t，极大地减少了混凝土水化热，有效地简化了大坝温控措施。

对碾压混凝土出机口和仓面VC值检测2930次，仓面碾压混凝土压实容重检测3027次，全部指标均符合设计和规范要求，碾压混凝土拌和物总体质量良好，抗骨料分离、可碾性、液化泛浆性能等均满足施工要求。碾压混凝土抗压、抗渗检测指标和结果统计均符合设计和规范要求。

对大坝碾压混凝土进行取芯检测，芯样获得率98.6%，外观检查芯样的连续性、完整性、整体胶结性、骨料均匀性等普遍较好，局部少量气孔；芯样抗压、抗渗指标均符合设计和规范要求；容重检验大于设计容重2.315g/cm3。

4　悬挂外承式组合钢模板施工技术

4.1研究背景

模板的选取直接影响工程施工进度、施工安全以及已浇混凝土的外观质量，成为碾压混凝土控制性施工工序之一。该工程地处山区，进场公路狭小，经过多个村庄，无法满足大型车辆运输，而一般常规大坝悬臂模板尺寸为3m×3m，无法运输至现场。另外为了提高模板施工效率、缩短施工工期、降低模板成本，在综合普通组合模板和悬臂模板特点的基础上对大坝模板进行了改进，采用悬挂外承式组合钢模板。根据混凝土拌和系统生产能力和现场实际情况，同时结合溢流面台阶0.9m高度要求，将大坝每个升程高度定为1.8m，即模板高度。

4.2模板结构布置

a.模板结构布置。采用悬臂结构型式，模板面板直接承受外界一切荷载(混凝土的侧压力及施工荷载)，通过背楞传力给三角支撑架，三角支撑架巧妙利用了结构力学的传力特点，将外力通过预埋螺杆传给已浇混凝土，“4L”型锚筋比常规的蛇型弯钩锚筋更加有力。

每个模板单元由面板系统、支撑系统、锚固系统、工作平台以及其他辅助设施组成。根据使用部位分为迎水面模板、背水面模板和溢流面台阶模板。

b.迎水面模板。面板采用3.7mm厚Q235钢板，考虑到模板轻便化以及面板制作过程中平整度要求，将面板分为三块，每块尺寸为620mm×3000mm，采用螺栓连接成1.8m×3m面板。现场无需借助吊机等设备就可以人工拼装。

图1　模板主要组件

三角支撑系统为面板后的160mm×1965mm槽钢组件、下支架组件以及斜撑共同组成整体三角稳定结构，锚固系统主要由锚筋和锚锥构成，锚筋为四根长50cm、直径φ14的HRB400型L筋，锚锥采用40Cr钢加工而成经淬火和高温回火处理，确保锚锥与L筋连接安全可靠。迎水面模板主要组件详见图1，具体说明如下：①②左、右三角支架组合，由双面槽钢组件、三角架和斜撑组成，是模板支撑结构，承受悬臂大模板的全部施工荷载；③上工作平台，通过螺栓与竖向主背楞相连，可调水平、倾斜；④底作业挂篮，用于模板提升后取出前一层的爬锥、陀螺和受力螺栓，并可在此处对前一层墙面进行修补；⑤⑧防滑踏板，铺设在上工作平台上，预留工作孔经爬梯到达底作业安装挂篮；⑥⑦模板面板，厚度3.7mm的Q235钢板，标准块尺寸为1800mm×3000mm和2300mm×3000mm(高×宽)；⑨防护栏杆，由3根φ42×2长为2950mm的钢管组成，上部设踢脚板。

c.背水面模板。背水面模板需要保持1∶0.78的坡度，因此在支撑系统上进行了加强，其他组件和迎水面模板基本一致，详见图2。

图2　背水面模板组件(单位:mm)

d.溢流台阶模板。溢流台阶模板主要组件详见图3，具体说明如下：①②面板，3.7mm厚Q235钢板，每层高90cm，设计为两层，可改装成三层；③模板支架，模板支撑结构，承受台阶模板的全部施工荷载；④支撑腿，用于首次模板安装时的固定；⑤⑥⑦，加强钢管，用于提高模板支架的稳定性；锚筋，由四根长50cm、HRB400直径φ14的L筋组成。

图3　溢流台阶模板组件(单位:mm)

4.3大坝模板的安装

a.模板组合组装。ⓐ将已完成浇筑的大坝垫层混凝土平台作为模板的装配场地，场地宽阔平整，利于模板组装的精确性调整，减少模板转运； ⓑ将方木放在装配场地铺设简易组装平台，平台面积约为3.5m×3.0m，并准备好各种组装材料和组装工具； ⓒ按模板装配图纸要求组装模板，组装程序为：①首先将钢面板背面朝上水平放在方木上，按设计定位尺寸在面板背面安装两榀槽钢组件。②单独组装三角支架，包括工作平台、防护栏杆和踢脚板等。

b.首层模板安装。在大坝垫层混凝土浇筑时与地面45°夹角预埋锚固螺杆，首层模板安装前沿模板边线采用砂浆找平，将组装好的模板依次挂到找平层上成一直线，模板根部采用斜拉座和预埋锚固螺杆紧密连接，然后采用斜撑调节模板的垂直度和倾斜度，全站仪复核合格后面板涂刷脱模剂，上好定位锥和预埋锚筋，模板验收合格后浇筑碾压混凝土，浇筑过程中注意避免入仓汽车或其他施工设备撞击模板。详见图4。

图4　首层模板安装(单位:mm)

c.模板拆除和提升。ⓐ在混凝土强度达到75%后拆模，与安装顺序相反，拆除时先撬松、脱开，然后起吊。先用吊钩吊住模板上部吊环，吊索收紧，吊钩不得脱钩，拆除模板压脚螺栓及卡件、插销，向外调整斜支撑(斜拉杆)，同时用撬棍轻轻橇动模板，使模板离开墙体，拆除悬挂模板支撑架穿墙锚固螺栓，拔掉挂钩座上的安全销后，将模板逐块拆除； ⓑ将前期组装好的三角支架悬挂在首层预留的锚固点并用螺栓固定，再将首层拆除的模板与三角支架组合成整体； ⓒ调节模板，浇筑第二层碾压混凝土。上层施工如此类推，并适时安装底部工作平台。

4.4工程应用情况

a.该工程共计使用了近200套模板，模板安装面积2.5万m2，浇筑混凝土20多万m3，经现场统计和测算，模板安装由四名施工人员配合一台16t吊车即可组成一个作业组，每拆除并提升一块模板仅用时10min，施工效率快，模板的安装和拆除不影响仓面正常备仓施工，在稳定性、适用性、安全性和经济性等方面都比悬臂模板有更进一步的提高。拆模后混凝土线条平顺，外观平整，模板接缝少，蜂窝麻面等质量缺陷少。

b.悬挂外承式组合钢模板与普通钢模板相比，可节省拉筋、减少混凝土缺陷处理和机械人员投入，共节约成本85万元；与普通悬臂大模板(3m×3m)相比，模板用钢量可节省30%～40%。

5　结　语

台山核电淡水水源工程作为典型南方气候条件下施工的碾压混凝土大坝，有其自身的难点、特性，将施工过程中遇到的问题列为工程关键技术，通过对其进行周密、详尽的研究，找出这些问题的具体解决办法。针对该工程碾压混凝土大坝施工过程中遇到的无法采用开采骨料生产人工砂改为干法细碎天然河砂的技术；针对天然砂破碎后石粉含量偏少的问题采用粉煤灰代砂为主的混凝土配合比进行优化；针对大坝特点研制了悬挂外承式组合钢模板等关键技术，供今后类似工程参考和借鉴。

[1]田育功.碾压混凝土快速筑坝技术[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[2]DL/T 5144—2001水工混凝土施工规范[S].北京：中国电力出版社，2002.

[3]DL/T 5112—2009水工碾压混凝土施工规范[S].北京：中国电力出版社，2009.

[4]文杰，方敦裕，周山.景洪水电站碾压混凝土天然砂的级配改善措施[J].水力发电，2005(10)：61-63.

Research and application of key technology of roller compacted concrete dam in Taishan Nuclear Power Fresh Water Source Project

LU Bin

(Guangdong No.3 Water Conservancy and Hydro-electril No.3 Engineering Board Co., Ltd., Dongguan 523710,China)

Roller compacted concrete damming technology is one of the more popular dam construction emerging technologies in international dam technology industry currently. It has advantages of high construction speed, short construction duration, low investment, relatively simple temperature control, etc. In the paper, the problems of Taishan Nuclear Power Fresh Water Source Project during roller compacted concrete dam construction—mined aggregate cannot be used for producing artificial sand and replaced by dry method comminution river sand, mixing proportion of concrete should be optimized since stone powder content is less after natural sand breaking, hanging outside bearing composite steel template is developed aiming at characteristics of the dam, etc. are regarded as key techniques and studied. Thereby providing reference for similar projects in the future.

roller compacted concrete dam; key technology; research and application

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.011

TV642.2

A

1005- 4774(2016)08- 0041- 07