高寒地区堆石混凝土重力坝技术研究

祁永吉，徐 婷

（青海省水利技术评审中心，青海西宁，810001）

0 引言

堆石混凝土技术是先将满足一定粒径要求的块石（或卵石）自然堆满仓面，然后在堆石体表面浇筑满足特殊要求的自密实性能混凝土，无需振捣仅依靠其自重充填堆石体的空隙，形成完整密实的混凝土。近年来已应用于国内外许多工程中，特别是在坝工中应用广泛。满坪水库工程应用该技术在青海省尚属首创，因此，为进一步推广使用，进行相关技术研究显得尤为迫切和必要。

1 工程概况

满坪水库位于青海省民和县满坪镇前河沟上游小峡门沟口处，水库坝址坐标为北纬36°01'25"，东经102°43'08"，工程区距民和县城67 km。满坪水库工程任务以人畜饮水和灌溉为主，兼顾防洪和改善河道生态环境，解决满坪镇、前河乡和甘沟乡三个乡镇共3.5万人口和4.77万头（只）牲畜饮水，解决约3.42 km2土地的灌溉用水问题。满坪水库总库容108.4万m3，其中死库容4.79万m3，兴利库容98.2万m3，防洪库容5.41万m3，死水位2 489.68 m,正常蓄水位2 538 m，设计洪水位2 539.08 m，校核洪水位2 539.35 m。满坪水库属Ⅳ等小（1）型工程，主要建筑物4级，次要建筑物5级。水库大坝的防洪标准采用重现期50年设计（洪峰流量50 m3/s），重现期200年校核（洪峰流量68.3 m3/s）。工程主要建筑物由非溢流坝、溢流坝、放水管和导流底孔四大部分组成。大坝为堆石混凝土重力坝，最大坝高77 m，坝轴线长130 m，溢流坝段长17 m。

满坪水库堆石混凝土重力坝坝体混凝土共分五个区。Ⅰ区为钢筋混凝土防渗面板，混凝土采用C20W8F200自密实混凝土；Ⅱ区为坝基垫层，采用C20W6F150常态混凝土；Ⅲ区为坝体内部，采用C20W6F150堆石混凝土；Ⅳ区为溢流面，采用HFC30W6F200混凝土。防渗面板厚0.6～1.0 m。大坝平面布置和典型坝段剖面图见图1～3。

2 自密实堆石混凝土技术研究

2.1 自密实堆石混凝土原材料选择

2.1.1 堆石料

图1 大坝总平面布置图（单位：高程、桩号以m计，其余以cm计）Fig.1 General layout plan of dam(unit:elevation and stake number in meter,rest in centimeter)

图2 非溢流坝段横断面图（单位：高程以m计，其余以cm计）Fig.2 Cross section of non overflow dam section(unit:elevation in meter,rest in centimeter)

图3 溢流坝段横断面图（单位：高程以m计，其余以cm计）Fig.3 Cross section of overflow dam section(unit:elevation in meter,rest in centimeter)

满坪水库大坝堆石料采用坝轴线上游左岸100 m处料场，岩性主要为花斑岩，爆破开挖后就近堆放，采用高压水枪进行冲洗后入仓。块石料原岩质量技术指标参数见表1。

表1 块石料原岩质量技术指标参数表Table 1 Parameters of technical indexes for raw rock quality of block stone

2.1.2 水泥

根据SL 678-2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》中的相关规定，用于自密实混凝土的水泥宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，工程选用P.O42.5散装普通硅酸盐水泥，其性能经检测满足相关标准要求。

2.1.3 粉煤灰

根据SL 678-2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》中的相关规定，用于自密实混凝土的粉煤灰应符合GB/T 1596-2005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》中Ⅰ级或Ⅱ级粉煤灰的技术性能标准。工程选用Ⅱ级粉煤灰。

2.1.4 骨料

骨料选用石料场开采料初筛后的弃料和坝基开挖料弃料部分，采用人工破碎制砂。骨料品质除应符合SL 677-2014《水工混凝土施工规范》的有关规定外，自密实性能混凝土使用的骨料最大粒径不超过20 mm，针片状颗粒含量不超过8%。

2.1.5 外加剂

根据GB/T 8076-2008《混凝土外加剂》中的相关规定，工程选用某厂家生产的HSNG-T自密实混凝土专用外加剂，性能可满足要求。依据SL 678-2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》中的相关规定进行标准自密实砂浆试验，经检测，外加剂与胶凝材料适应性良好，可用于配置自密实混凝土。标准自密实砂浆检测数据见表2。

表2 标准自密实砂浆检测数据表Table 2 Test data of standard self-compacting mortar

2.1.6 拌和用水

拌和用水采用工地现场天然的小峡沟河水，其水质良好，可用于拌制自密实混凝土。

2.2 自密实堆石混凝土配合比

满坪水库大坝自密实堆石混凝土设计要求为C20W8F200。自密实性能混凝土配合比设计试验流程及目的包括：（1）净浆试验，选取不同型号外加剂同水泥、粉煤灰进行适应性试验，以确定与该工程胶凝材料相适应的外加剂型号；（2）砂浆试验，选取不同水胶比、砂率、粉煤灰掺量进行试验，以确定合理水胶比、砂率及粉煤灰掺量；（3）混凝土试验，调整单方石子用量及外加剂用量，得到自密实混凝土的基准配合比；（4）配合比优化试验，调整配比参数，得到更经济适用的优化配合比。自密实堆石混凝土试验配合比结果见表3，在施工中根据满坪水库施工现场实际条件做了适当调整，如表4所示。

表3 自密实堆石混凝土配合比（单位：kg/m3）Table 3 Mix ratio of self-compacting rockfill concrete(unit:kg/m3)

2.3 自密实堆石混凝土施工

堆石混凝土技术施工工艺简单，主要有仓面处理、模板施工、堆石的选取与入仓、自密实混凝土施工和堆石混凝土养护等5道工序。在堆石入仓能力和混凝土生产能力有保证的情况下，可连续循环施工，大大提升混凝土的施工速度。自密实堆石混凝土施工流程见图4。

图4 自密实堆石混凝土施工流程示意图Fig.4 Construction process of self-compacting rockfill concrete

2.3.1 仓面处理

堆石混凝土仓面按部位不同，可分为基岩面、普通层面和封顶面。浇筑仓面必须保证清洁，不应有积水、碎渣等，层面上的混凝土乳皮、由于泌水造成的低强混凝土以及嵌入表面的松动堆石必须予以清除。基岩面应浇筑1.0～1.5 m厚的混凝土垫层。同时，为保证堆石混凝土与常态混凝土层间结合效果，对常态混凝土表面进行凿毛，凿毛深度达到一定要求后再进行下道工序。普通层面堆石混凝土收仓时，自密实混凝土浇筑面要低于堆石面，使露在层面之外的块石在上下层之间起到齿合作用，加强层面结合，提高抗剪强度。另外，堆石混凝土抗压强度达到2.5 MPa后，方可进行下一仓面的准备工作。

2.3.2 模板施工

模板设计、制作和使用符合DL/T 5110-2015《水利水电工程模板施工规范》的有关规定。满坪水库堆石混凝土施工模板为悬臂模板，采用2.2 m（宽）×3 m（高）和2.8 m（宽）×3 m（高）两种结构型式。这种模板面积、重量都比较大，需要有专门的起重设备进行吊放，通常采用脚手架固定定滑轮、吊车和索道进行吊放，固定后的悬臂模板具有施工效率高、牢固性、密封性和抗变形性能好等优点。其施工工艺为：模板预拼装→悬臂钢模板的吊装→预埋螺栓和锥套安装→调整模板倾斜度→模板间连接螺丝安装→下一块模板安装。

表4 自密实堆石混凝土配合比调整结果Table 4 Result of mix ratio adjustment of self-compacting rockfill concrete

2.3.3 堆石选取与入仓

（1）堆石选取。堆石混凝土施工中需确保料源充足，以满足堆石入仓的进度，从而保证堆石混凝土施工进度。另外，入仓堆石料还应该满足一定的粒径（不小于300 mm）和清洁程度（含泥量低于0.5%）要求，对不合格的堆石料要进行预处理。工程施工前在堆石料场对石料进行预存堆放、筛分、装运和清洗等工序处理，保证堆石料新鲜完整、质地坚硬、无剥落层和裂纹，并满足设计强度要求。

（2）堆石入仓。采用自卸汽车通过上坝公路直接入仓方式，块石由自卸汽车从堆石料粗筛系统直接运输至浇筑仓面堆放，辅以反铲挖掘机进行局部倒运和平仓。每仓堆石厚度控制在2.0 m以内，堆石孔隙率在40%～45%之间。

2.3.4 自密实混凝土施工

（1）自密实混凝土生产运输。根据满坪水库大坝自密实堆石混凝土施工组织安排，拌和楼设在大坝下游50 m的场地开阔处，采用强制式搅拌机进行拌和，并适当延长搅拌时间以确保新拌自密实混凝土的均匀性。其投料顺序为：先投入骨料和粉剂干拌，随后加入水和外加剂，拌和时间不小于90s。在搅拌机出料口下安装混凝土输送泵，将拌和料卸入泵内，通过管道泵送入仓。

（2）自密实混凝土浇筑。满坪水库大坝自密实混凝土采用泵送方式入仓，浇筑点均匀布置（间距不超过3 m）,在浇筑过程中遵循单向、逐点、连续浇筑的原则，避免出现冷缝，每个浇筑点浇满后方可移动至下一浇筑点浇筑，浇筑点不重复使用。浇筑速度应均匀，不宜过快，保证自密实混凝土均匀完全填充堆石体的空隙。同时，需控制自密实混凝土浇筑高度低于堆石面50～15 mm，以保证堆石混凝土的层间粘结强度。

2.3.5 自密实堆石混凝土养护

满坪水库所在地区属高原半干旱大陆性气候，高海拔、干燥和寒冷是其最突出的气候特征。在施工过程中，堆石入仓前应按标准对底层堆石混凝土仓面进行凿毛和清洗，对于松动的石块予以清除。每仓自密实混凝土浇筑完毕后，在光照强烈或大风干燥时，采取喷洒水雾或篷布覆盖的措施，有效保持仓面湿润不发白。温度较低时，可用养护垫子覆盖，防止冻结。养护完成后即可连续循环施工。

2.3.6 自密实堆石混凝土缺陷处理

根据施工组织设计方案，自密实混凝土采用泵送时应保证浇筑的连续性，不得中断。如因故中断4 h以上时，应首先浇筑同配合比的自密实砂浆，使其完全覆盖堆石体内已丧失流动性的混凝土表面，然后再浇筑自密实混凝土。对已经硬化的内部缺陷，采取本体补强的方式处理，补强处理一般以灌浆为主，灌浆材料一般为水泥和化学材料。立模浇筑的自密实堆石混凝土缺陷应在拆模后24 h内修补完成。

2.4 自密实堆石混凝土质量控制

原材料质量控制是自密实堆石混凝土重力坝质量控制的关键环节，各种原材料质量必须满足设计要求。拌和中定期对拌和物的均匀性、拌和时间和称量衡器的精度进行检验；检查核实各种合格的原材料的配料称量；定期检测自密实堆石混凝土的坍落度、扩展度、V漏斗通过时间。如果发现某项指标不合格，立即采取补救措施保证施工质量。自密实堆石混凝土达到规范要求的龄期后，现场进行钻孔取芯，检测混凝土的密实度、抗压强度、抗渗性能、抗冻性能等技术指标。

目前，满坪水库堆石混凝土重力坝砌筑高程达2 475 m，从现场检测结果看，各项检测结果均达到设计要求，质量控制效果较好。堆石混凝土芯样抗压强度检测结果见表5，试坑法检测堆石混凝土浇筑质量结果见表6。混凝土芯样最低强度为23.1MPa，超过工程C20的设计强度指标。试坑检测平均容重2.53t/m3，孔隙率0.5%，满足设计容重大于2.40t/m3、孔隙率小于1%的要求。

该工程总工期为30个月，计划于2019年10月完工。

表5 堆石混凝土抗压试验结果表Table 5 Compression test results of rockfill concrete

表6 堆石混凝土试坑法检测结果表Table 6 Test results of rockfill concrete using pit sampling method

3 结语

自密实堆石混凝土重力坝具有就地取材、水泥用量少、绝热温升小、综合单价低、施工速度快等诸多优点。从满坪水库大坝自密实堆石混凝土施工来看，自密实混凝土在堆石体中具有良好的流动性，能够很好地填充堆石体的空隙，其密实度、抗压强度和抗渗性能等各项指标均能得到保证。这一新技术、新工艺在青海首次用于水库大坝的施工。实践证明，该技术能够缩短工期，并最大限度降低工程成本。此技术相对于传统施工技术具有一定优势，应更大范围推广此项技术。

目前还有两个亟待解决的问题：（1）需研究出高效经济的新型减水剂，能满足工程建设大量需求，并显著降低工程成本；（2）针对各种工程条件要有相应的配合比设计规定，降低自密实混凝土在施工过程中的技术难度。希望在有条件的情况下大力推广使用该技术，并不断研究、总结和创新。 ■