堆石混凝土关键施工工艺研究与应用

周德文，蒋兴慧

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

0 引言

堆石混凝土（RFC），是利用自密实混凝土（SCC）的自流动、抗分离性能好的特点，在粒径较大的块石堆积体内充填自密实混凝土而形成。它具有水泥用量少、水化温升小、综合成本低、施工速度快、良好的体积稳定性、层间抗剪能力强等优点。堆石混凝土中堆石的体积比例一般可以达到55%～60%，能够充分利用初级开采的石料或者开挖料中的大块石，最大限度地降低了胶凝材料用量的同时还在骨料破碎、混凝土生产浇筑等施工环节上大大的节约了能源，减少了二氧化碳的排放；堆石混凝土技术是一种新型低碳环保的混凝土施工方法。

堆石混凝土施工工艺流程：基础面及施工缝处理→模板安装→堆石入仓→高自密实性能混凝土拌和→高自密实性能混凝土运输→高自密实性能混凝土浇筑→堆石混凝土养护→进入下个循环。

目前，堆石混凝土施工技术已大量应用于水利工程[1～6]，大量学者对堆石混凝土的材料特性开展了相关的试验研究[7～11]，并对堆石混凝土坝的温度应力及抗滑稳定性开展了数值模拟研究[12～15]。

1 堆石混凝土施工工艺

1.1 堆石冲洗技术

堆石的含泥量要求控制不超过0.5%，不允许泥块含量存在。因此需对堆石料进行充分冲洗。冲洗可选择料源处冲洗、过程中冲洗或挖机斗内冲洗，冲洗方式可因地制宜，如高压水枪、冲洗平台等。通过不同冲洗方式、不同的水压和冲洗时间探索一套完整的堆石冲洗方式。

由于堆石料的粒径较大，无法像砂石料一样采用专门的冲洗设备进行冲洗。目前国内已施工的堆石混凝土冲洗主要有两种。第一种料场冲洗：人工用水管对堆石料表面冲水冲洗或用挖机将堆石料挖起后，在挖斗中人工冲洗。第二种设置冲洗平台，挖机将堆石料装车后，自卸汽车运输至喷水管底部，由顶部喷水管喷水冲洗，冲洗后运输至仓面。第一种适用于小仓面，低强度堆石料入仓，且堆石料表面包裹的泥土较少。第二种可以提高堆石入仓强度，但冲洗平台在堆石料顶部喷水，只能冲洗到堆石料的顶面，而开采或回采的堆石料一般多个面都有泥土，无法彻底的将堆石冲洗干净；受水流冲洗，泥土冲至车箱底板，受块石阻挡，泥水将在车箱底板沉积无法顺畅地排至车箱外，在仓内卸料时沉积的泥水将会造成仓面污染。两种方法见图1。

图1 两种常见的冲洗方式

1.2 堆石快速入仓

堆石入仓主要解决的是堆石体垂直、水平、上下游方向上的三维运输问题，从现有工程实施经验来看，主要用到的堆石入仓方案有：①自卸汽车入仓挖掘机辅助平仓的方式。在具备条件的工程中，采用汽车运输堆石体直接进入浇筑仓面，自卸完成后由挖掘机辅助转运均匀堆放在浇筑仓面内，实现平仓。该方式施工速度快，成本低，但是一般会存在杂物混合石料一起进仓问题，需要加强堆石质量监控，及时清除带入的混合石料等杂物。在具备汽车直接上坝条件的施工中应用较多，如清峪水库、围滩水电站工程。在施工高程较高，且不具备修筑上坝公路的施工中难以应用；②塔吊。先用装载机将堆石体装入吊斗中，然后通过塔吊将吊斗运输至仓面指定位置，打开吊斗卸料。该方式一次性完成堆石体的垂直、水平和上下游运输，且堆石质量易于控制。由于单次作业周期长，堆石效率较低，且成本高。适用于不具备直接入仓条件的堆石混凝土施工，比如恒山水库、长坑水库后期施工。

1.3 堆石混凝土模板工艺

堆石混凝土在堆石入仓的施工环节中，靠近模板的位置存在易冲砸模板的问题，因此会制约堆石入仓的速度，在施工工艺设计中应尽量减少内拉型模板，且选择能够抗冲砸模板。

堆石混凝土的专用自密实混凝土具有良好的流动性，其产生的侧压力比常态混凝土更大，根据经验可按照2.5 倍水压力进行估算，模板自身的刚度以及强度应满足强度要求。同时模板应具有良好的密封性，以防止漏浆。

目前国内堆石施工采用的模板主要为散钢模板、砌石模板。散钢模板有内拉式和外撑式。内拉式散钢模板在拉筋范围内不能堆石，仓内自密实混凝土比例需要增加，不经济；且在堆石过程中如果有块石碰撞拉筋，模板将变形，造成结构体型发生变化。外撑式散钢模板对场地要求高，模板周边需要回填。砌石模板施工速度慢。

2 关键施工技术

2.1 堆石料立体冲洗系统

为了解决常规堆石料冲洗速度和冲洗质量问题，在沙坪二级水电站堆石混凝土施工中，研制了立体冲洗技术和装置。

立体冲洗系统主要包含：坡道冲洗平台、顶部高压喷水花管、车箱内冲洗格栅、水循环利用设施。

坡道冲洗平台作用是加快汽车车箱内污水的排出。冲洗平台宽度3.5 m，坡度3%～5%，长度10 m，采用C30 混凝土浇筑，见图2。

顶部高压喷水花管采用ø80 或ø100 钢管，垂直于车辆方向布置布置3～4 根，离地面高度4 m 左右。每根钢管底部开2排ø20 孔形成花管，供水压力大于0.2 MPa。自卸汽车装满堆石后，从花管下经过，水流垂直往下冲洗。

车箱内冲洗格栅作用是解决堆石料底部冲洗盲区和污水从车箱内排出顺畅。钢格栅采用型钢制作，在型钢内侧布置连续的“U”型冲洗花管。钢格栅预先安装在运输测量的车箱内，预留冲洗水接口，汽车行驶至冲洗平台后，连接花管从下往上倾斜角度冲洗，见图3。

水循环利用设施包含排水沟、沉淀池和循环水泵站。冲洗后的废水经过沉淀后通过加压泵抽至冲洗管道重复利用。

自卸汽车装满堆石后，从立体冲洗系统下经过，连接钢栅内置花管的冲洗水接口，打开上部花管的阀门，使水流立体冲洗堆石约5 min～10 min，至车尾流水不再浑浊后运输至仓面。冲洗废水经沉淀后重复利用。

图2 冲洗平台示意图

图3 车箱内置钢栅的三维冲洗系统

2.2 堆石混凝土预制模板

沙坪二级水电站堆石混凝土采用了散钢模板、混凝土预制模板、回填砂卵石做模板、沥青板隔缝模板。通过对比，预制模板的效果最佳，解决了散钢模板的内拉钢筋被堆石冲砸弯曲，模板变形问题，解决了分缝位置沥青隔板强度不够问题。预制块尺寸厚×宽×高为0.5 m×1.5 m×2.0 m，混凝土等级与需要浇筑混凝土等级一致。预制模板一侧进行凿毛，作为堆石结构的一部分浇筑在混凝土内。施工过程中采用吊车吊放预制块，预制块折边相互搭靠，顶部采用脚手管连接成整体，每间隔1块预制块拉结2 根拉模筋。为防止漏浆，在预制块内侧采用水泥砂浆补缝。预制模板可用于有外观要求的混凝土，当无外观要求时可在外侧回填石渣料，见图4。

图4 预制模板立模示意图

2.3 定点机械摊铺法

采用定点机械摊铺法入仓，解决铺料不均匀造成的自密实混凝土填充裹浆问题，提高堆石率；同时可提高混凝土分层高度，加快施工进度。

堆石技术要求：超大粒径块石（1.5 m 或以上）尽量堆放在中间位置；15 cm～30 cm 粒径的块石不得集中堆放，堆石完成后，堆石体外露面所含有的粒径小于30 cm 的石块数量不得超过10 块/m2，且不应集中。层面堆石高度宜高出模板5 cm～10 cm，块石可紧靠模板，以不损坏模板为原则。

堆石料多为开挖料，在卸料时容易产生石渣，在层间形成石屑集中区域，影响层间结合；且堆石高度受汽车卸料高度限制，不利于施工进度。

在沙坪二级水电站堆石中，研究了“定点机械摊铺法”进行堆石，解决堆石过程中层间石屑集中问题和增加堆石层高。

“定点机械摊铺法”具体操作方法：仓面需堆石对卸料点进行控制，通过固定卸料点，保证大部分区域堆石质量，且尽可能将卸料点及附近的石渣清理干净，降低卸料点附近的堆石质量风险。单个卸料点覆盖范围半径8 m～10 m 左右，根据现场仓面的大小（39 m×49 m），确定卸料点数量，每仓布置5～6 个卸料点，可以满足堆石入仓的需求。由于自卸汽车卸料时，需边前进边倒料，卸料长度最长可达到8 m，宽度约为5 m，短臂挖掘机在每车卸料完成后，将所卸下的堆石料翻转至旁边，为避免挖机来回走动，较远处堆石需采用装载机推放至挖机附近，再用挖机进行码放，卸料点处及周围由于堆石撞击产生的碎渣要安排专职工人及时清理，一般每卸放4 车，需清理卸料点处及周围的碎渣，避免挖机码放过程中将碎石带入其他部位，影响堆石质量，见图5。

图5 固定卸料点示意图

3 工程应用效果分析

3.1 工程概况

沙坪二级水电站位于四川省乐山市峨边彝族自治县和金口河区交界处，是大渡河干流22 级梯级开发方案中的第20 个梯级的第二级，采用河床式开发，水库正常蓄水位554.00 m，总库容为2084 万m3，挡水建筑物最大坝高63.0 m，装机容量348 MW。电站拦河闸坝基础为堆石混凝土，起止高程为EL494～EL524，最大浇筑高度30 m。分3 区浇筑，上下游长度49 m，左右方向104.5 m，单仓最大尺寸为49 m×39 m。总计设计堆石混凝土11.66 万m3。

该工程单仓面积达1911 m2，是目前国内最大的堆石混凝土仓面。电站主体工程于2013 年9 月20 日开工，2018 年8 月31 日竣工。在施工中，运行了堆石立体冲洗系统、预制模板、定点摊铺，实现了机械作业连续作业，快速上升的目标，上升速度达4 天/层（2 m），满足了施工进度要求，创造了良好的经济效益和社会效应，为工程按期完成奠定了基础。

3.2 质量检测

堆石混凝土浇筑完成后，采取了压水试验、孔内密实度检测、孔内声波检测等方法进行质量检查。

在高程524 m 布置了6 个检查孔，孔深11 m，孔号分别为J1～J6。钻孔全景成像利用摄像探头、电子罗盘、深度计数等装置将钻孔孔壁的全断面图像、方位及深度进行成像。采用单孔声波法测试，把一发双收换能器放置在钻孔内，通过声波发射换能器向周围介质发射声波，测得不同孔深的岩体声速。检查成果见表1。

表1 堆石混凝土检查成果表

堆石混凝土材料采用较完整～完整的灰岩或玄武岩和C20 自密实混凝土，当地较完整灰岩或玄武岩声波速度一般高于4600 m/s，C20 自密实混凝土（＞14 d）声波速度一般高于3300 m/s，故声波检测波速低于3300 m/s，则可判断定为缺陷。从表中检查情况看，J4、J5 孔存在波速偏低的情况，扩大范围检查后，未发现超标孔，分析2 个孔存孔内摄像成果，发现存在小粒径集中的现象，自密实混凝土混凝土未完全填充密实，形成质量缺陷。采取了灌浆的方式进行了处理。

钻孔芯样进行了强度检测，强度均大于20 MPa，混凝土与堆石料做为一个整体共同破坏。

4 结论

本文对堆石冲洗、模板研究、堆石入仓、自密实混凝土浇筑等关键工艺进行分析研究，解决了制约大仓面堆石混凝土快速施工的技术问题。研究成果成功运用于沙坪二级水电站基坑基础堆石混凝土仓面，实现了堆石混凝土快速上升。

（1）堆石混凝土技术是一种新型低碳环保的混凝土施工方法，在水利、电力、公路、铁路、市政、港口、能源等领域的大体积混凝土工程中具有广阔的发展前景。

（2）在沙坪二级水电站拦河闸坝基础堆石混凝土施工中，研制了堆石料立体冲洗系统、堆石混凝土预制模板、定点机械摊铺法、高效连续施工法，解决了制约大仓面堆石混凝土快速施工的技术问题。研究成果成功运用于沙坪二级水电站基坑基础堆石混凝土仓面，实现了堆石混凝土快速上升。

（3）堆石施工过程中避免小粒径块石过于集中的现象，以免造成自密实混凝土无法顺利填充，形成质量缺陷。后续施工中要对如何避免小粒径集中的方法进行研究。