拱坝50cm碾压层厚度研究与实践

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵阳，550081)

拱坝50cm碾压层厚度研究与实践

居浩

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院，贵阳，550081)

通过调研国内外碾压设备、质量检测设备发展状况，研究了提高碾压混凝土浇筑分层厚度至50cm的可行性；依托立洲水电站开展了50cm厚层碾压混凝土现场试验，并局部应用于立洲拱坝，通过压实度检测、室内试验、混凝土取芯、压水试验，验证50cm碾压层厚的合理性和可靠性；从技术经济方面分析了50cm碾压层厚的优越性，具有良好的应用前景。

50cm碾压层厚度 现场试验 压实度 压水试验

1 引言

碾压混凝土坝是将常态混凝土坝的结构和碾压土石坝施工等的水泥用量少、施工工艺简单、施工速度快和工程造价低等优点集中于一体。该筑坝技术由美国加州大学伯克利分校的J.M.Raphael教授于1970年首次提出，除少数工程外，绝大多数工程的碾压层厚基本是30cm。

立洲水电站位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县境内，水库总库容1.897亿m3，最大坝高128.0m，电站装机容量355MW，具有不完全年调节性能。拦河大坝为抛物线双曲拱坝，坝顶宽7.00m，坝底厚26.00m，厚高比0.196。筑坝材料为碾压混凝土，混凝土量约为31.7×104m3。本工程天然的地理位置和气候条件适宜碾压混凝土的施工，为节约成本，提前发挥工程效益，本工程开展了50cm厚层碾压混凝土试验研究，以解决碾压混凝土快速施工的瓶颈问题。

2 50cm层厚碾压施工的可行性

2.1 碾压设备

国内开展厚层碾压试验的工程主要在贵州黄花寨、云南马堵山、贵州沙陀。碾压层厚研究包括：100cm、75cm、60cm、50cm。

贵州黄花寨水电站研究的碾压混凝土层厚分别为100cm、75cm和50cm。试验中使用的碾压设备为日本酒井工程机械有限公司提供的SD451垂直振动碾压机和德国宝马公司的BW202AD。SD451碾压设备的工作重量11t，单轮最大激振力230kN，振动频率2600vpm，振幅1.4mm。试验证明：经8～10遍SD451振动碾碾压，相对密度可以达到97%规范要求；碾压层厚100cm，分四次摊铺，每次27cm，经10～12遍振动碾碾压，相对密度可以达到97%规范要求。德国宝马BW202AD振动碾，技术参数为离心力130/78kN，振动频率46/50Hz，振幅0.74/0.36mm。碾压层厚度50cm，碾压8～12遍，相对密度为92%，证明BW202AD对于碾压层厚50cm以上不适用。

云南红河马堵山水电站进行50cm、75cm和100cm碾压层厚试验，采用的设备为SD451，试验不但证明了三种层厚的碾压混凝土和碾压设备可行，还验证了摊铺厚度对压实度没有明显影响。

贵州沙陀四级配厚层碾压混凝土工艺性试验采用三一集团生产的YZ20C型全液压单钢轮振动碾，小碾振动碾激振力为280kN，大碾振动碾激振力为395kN。VC值为3s～5s的四级配碾压混凝土拌和物经大碾振碾6遍后表面泛浆情况良好，且相对压实度可达到98%以上。

总结上述三个工程碾压试验规律：碾压设备不成为制约50cm厚层碾压混凝土施工的因素，采用激振力和振幅较大的碾压设备进行50cm厚层碾压混凝土施工是可行的，激振力较小的碾压设备则不适合。

2.2 检测仪器

目前国内外厚层碾压试验检测仪器包括：

(1)国产HS-2002核子密度仪、MC-4核子水分密度仪—美国CPN公司制造，测试深度30cm；

(2)MC-S-24双管分层核子密度仪—美国CPN公司制造、大型表面透过型RI密度仪—日本土埌和岩石工程技术有限公司制造(SRE)，测试深度50cm；

(3)轻便型1孔式RI密度仪—日本土埌和岩石工程技术有限公司制造(SRE)，测试深度100cm。

检测仪器能适应50cm碾压层厚施工。

3 现场试验

3.1 试验设备

立洲水电站50cm厚层碾压混凝土现场试验采用的压实度检测仪器为国产HS-2002核子密度仪。

限于施工条件，现场实际采用徐工XD121振动碾，工作质量12.3t；工作速度0～10km/h；振动频率45/50Hz；名义振幅0.41/0.8mm；激振力(大频)70/140kN。

3.2 配合比

根据国内厚层碾压混凝土工艺试验，结合前期大坝碾压混凝土配合比室内试验和汛期大坝碾压、变态混凝土及接缝砂浆施工配合比试验，选定了粉煤灰掺量55%的配合比，所使用原材料为：西昌重龙山牌PO42.5水泥、攀枝花利源Ⅱ级粉煤灰、中水五局人工骨料、四川长安育才外加剂(引气剂、减水剂)。

表1 第一层至五层碾压混凝土配合比参数

3.3 碾压工艺试验

碾压试验分为A、B、C、D四个条带。试验共铺筑碾压混凝土五层，A、B区为50cm层厚碾压试验区，浇筑升程2.5m；C、D区为30cm层厚碾压试验区，浇筑升程1.5m。碾压试验采用20t自卸汽车直接进仓退铺法两点叠压式卸料，人工进行集中骨料的分散，碾压层摊铺平仓厚度为28cm，分两次铺筑到位。在50cm层厚二级配条带上作“无振2遍+有振4、5、8、10、12、14、16遍+无振2遍”，三级配条带上作“无振2遍+有振4、6、10、12、16遍+无振2遍”碾压遍数试验，碾压完10min后测试其密度。

3.4 压实度检测

50cm层厚碾压遍数与混凝土压实度、混凝土容重的参数详见表2。

表2 XD121振动碾50cm层厚碾压参数

现场试验表明：针对50cm碾压层厚，XD121振动碾有振碾压6遍后，上部30cm压实度均在98%以上，满足设计要求；下部20cm碾压遍数在6遍的基础上无论增加多少遍数，其压实度几乎没变化，均在93%～95%左右，不能满足设计要求。

3.5 现场取样试验

在混凝土到达7d、28d、90d及180d龄期后，分别测试了碾压混凝土7d、28d、90d及180d抗压强度下，相应龄期的抗压强度、抗冻性能、轴心抗拉强度、极限拉伸值、抗渗性能、弹性模量等指标值。抗压强度及抗拉强度指标测试结果见表3，抗冻指标见表4、轴心抗拉强度及极限拉伸值指标见表5、抗渗指标见表6。

表3 碾压混凝土强度检测统计

表4 碾压混凝土抗冻性检测统计

表5 碾压混凝土轴心抗拉强度及极限拉伸值检测统计

表6 碾压混凝土C9025F150W8抗渗检测统计

注：表中“√”表示在相应的压力下，检测试件无透水现象。

从上述试验数据看，混凝土各项性能指标均满足设计要求。

4 应用与评价

4.1 工程应用情况

根据现场情况，左岸正进行帷幕灌浆施工，对混凝土运输影响较大；右岸帷幕灌浆、边坡支护、DR2开挖施工完成，相对施工干扰较小，具有较好的交通条件和入仓条件。选择左岸2087.90m～2091.50m高程，TR0+00.00m～TR0+81.507m桩号段作为50cm碾压层厚实施区域，方量约1436m3。

4.2 钻孔取芯检查

4.2.1 芯样外观评定

碾压混凝土强度达到28d后，现场采用SGZ-ⅢA地质钻机对30cm及50cm层厚碾压混凝土进行了混凝土取芯。完成碾压混凝土取芯共计16.0m(30cm取芯6m，50cm取芯10m)，取芯率99.76%。混凝土芯样较完整，呈圆柱状，表面观察光滑，骨料分布均匀，结构密实，胶结好。

4.2.2 芯样强度检测

测试芯样相应龄期的混凝土抗压强度。其检测成果见表7。

表7 50cm层厚碾压混凝土强度检测统计

4.3 压水试验检查

在碾压混凝土龄期达到90d设计龄期后，现场开展了压水试验检测，其检测结果见表8。

表8 碾压混凝土压水试验检测统计

4.4 综合评定

混凝土的质量评定一般通过芯样的外观质量、强度检测及压水试验成果综合评定。从现场取芯成果看，混凝土芯样较完整，呈圆柱状，表面观察光滑，骨料分布均匀，结构密实，胶结好；从芯样检测成果看，混凝土在达到设计90d龄期后抗压强度能满足设计要求；从压水试验结果看，50cm层厚碾压混凝土透水率指标能满足工程要求。综上，其质量达到了设计要求，其应用及推广是可行的。

5 效益分析

通过室内试验研究及现场碾压混凝土工艺试验研究，在50cm碾压层厚应用和实践方面取得了一定成果，掌握了详实的试验资料，并局部应用于立洲拱坝主体结构。碾压混凝土试验检测指标、钻孔取芯外观和试验指标、压水试验资料均表明：50cm层厚碾压混凝土应用于碾压混凝土拱坝是可行的。本研究为碾压混凝土快速施工技术的研究和类似工程的施工组织设计提供了很好的借鉴。

5.1 技术指标

在加工系统、辅助设施等容量满足供料要求条件下，碾压层厚度增加后，没有增加碾压遍数，混凝土指标满足设计要求，即单位时间坝体上升速度得到了提升。采取厚层碾压施工工艺之后，坝体上升速度可由目前的平均10m/月提升到15m/月，对于90m以下的碾压混凝土坝，可以在6个月内完成坝体碾压混凝土施工，所以坝体施工可以安排在一个枯期内完成，如此一来，既简化了导流程序设计，又减少了防洪度汛措施费用，降低了汛期坝面过流对坝体造成的不利影响及汛后恢复耗费的工期及费用，从工期、投资、安全角度来看，碾压层加厚施工都具有明显的优越性。

就立洲拱坝而言，采用大仓面薄层碾压、连续上升的施工工艺，碾压层厚度取30cm，至少需要427层，即施工过程中有427道层面处理、铺浆工序；若采用50cm碾压层厚，层面数量可缩减至256层，层面处理时间缩短40%，节约大量人力、物力；同时层面质量风险的总量下降40%，有利于施工单位的风险控制。

5.2 经济指标

5.2.1 工期与发电效益

对于混凝土方量大、大坝占直线工期的高坝，工期效益大于施工工艺增加的投入。以坝高120m碾压混凝土坝，装机容量600MW，混凝土方量按照60万m3计，若全部采用碾压混凝土层厚加大的工艺，砂石、拌合系统投资增加约2000万元，水平、垂直运输需增加约1000万元，模板体系改造和吊装设备改造需增加约500万元，摊铺设备和人工需增加约200万元，总共需投入3700万元。考虑添置设备和设备改造费用能在多个工程中分摊，按照10年折旧，以10年能建3个工程计，每个工程投入约3000万元。

按照常规的施工工艺，碾压混凝土30d升程10m计，碾压施工工期约1年(不计工程防洪度汛)，采用碾压混凝土层厚加大的新工艺后，碾压混凝土30d升程约可达15m，碾压工期约9个月，可节省90d以上，且工程防洪度汛方面更主动。也就是说，不计工程防洪度汛方面的效益，大坝工程占直线工期的前提下，工期将缩短三个月。按照上网电价0.28元/kW·h，月发电24d，每天20h计算，月发电量为2.88亿kW·h，发电效益为每月8064万元；即新工艺下效益增加2.42亿元，工期效益明显大于施工工艺增加的投入。

就立洲水电站而言，坝高120m，装机容量355MW，大坝碾压混凝土方量28万m3；所有碾压混凝土均采用50cm层厚施工，大坝可提前3个月完工。但直线工期由引水标段控制，大坝提前完工未缩减总工期，不能产生发电效益；而施工辅助设施容量必须加大、现场作业强度增加，相应增加费用，故就经济效益而言，碾压混凝土50cm层厚工艺在本工程效益不明显。

5.2.2 节约施工成本

碾压层厚的增加，主要是工期缩短产生的效益，针对不同的建设主体，影响是不同的，对施工单位来说提前完成工程，可以提前撤出相应设备、人员投入到其它项目，提前获得相应工程费用和工期奖励(按合同约定)，现金流入提前，经济效益是明显的；从建设单位角度出发，则应结合发电工期及效益综合考虑，分析投入增加及提前发电效益的差值。

6 总结

(1)碾压设备不成为制约50cm厚层碾压混凝土施工的因素，采用激振力和振幅较大的碾压设备进行50cm厚层碾压混凝土施工是可行的；国内外的检测仪器也能满足厚层碾压的需求；

(2)从现场碾压试验数据看，混凝土各项性能指标均满足设计要求；立洲拱坝选择左岸2087.90m～2091.50m高程，TR0+00.00m～TR0+81.507m桩号段，作为50cm碾压层厚实施区域，方量约1436m3，现场取芯和压水试验检查结果表明，50cm层厚碾压混凝土质量达到了设计要求，其应用及推广是可行的；

(3)通过技术分析，厚层碾压施工能减少坝体混凝土层面数量，减少碾压混凝土层面砂浆、净浆的用量，缩短层面处理的施工时间，降低质量风险，有利于提高坝体整体质量，对拱坝结构的意义亦为重大；

(4)在经济方面，对于混凝土方量大、大坝占直线工期的高坝，其工期及经济效益明显。限于拱坝非直线工期及现场施工作业面等因素，50cm厚层碾压工艺在本工程效益不明显。故针对某一个特定工程，其是否经济可行，尚应根据工程特点、各种碾压检测设备、混凝土生产能力、工程总体施工进度等进行综合分析；

(5)厚层碾压施工技术经历了黄花寨、马堵山、沙陀、雷打滩等工程试验研究和实践，走出了关键的一步。立洲拱坝在前辈研究的基础上深入研究并局部应用于拱坝左岸坝肩，取得了可喜的成绩，为后续碾压混凝土坝的施工提供了很好的参考与借鉴。50cm厚层碾压在立洲拱坝的成功实践，充分表明厚层碾压是可行的，具有推广的空间与价值。

TV544.921

A

2095-1809(2017)05-0064-05

■