一种浮力天平刚性支架装置在阿尔塔什水利枢纽工程中的应用

周天斌，谭小军

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程是叶尔羌河干流梯级规划中“两库十四级”的第十一个梯级。工程坝址距喀什地区莎车县约120km，距喀什约310km。面板堆石坝坝高164.8m，坝顶宽度12m，坝长795m，因其超高面板堆石坝、深河床覆盖层、工程区强地震带以及坝体右岸存在国内罕见高边坡危岩体群特点，被业界称为“新疆三峡工程”。该工程共有7个料场，分别为C1、C2、C3、C4、P1、P2、P3料场，其中C1、C2、C3、C4为河滩砂砾石料，作为面板堆石坝的主要填料，最大粒径为600mm，填筑量1227万m3；P1、P2、P3为爆破料，主要用作面板堆石坝下游的排水料，最大粒径为600mm，填筑量为1113万m3。混凝土骨料由C3料场开采的天然砂砾石料破碎掺配而成，总用量为45万m3，粗集料分别采用5mm～20mm、20mm～40mm、40mm～80mm三个级配组成，工程所用石料表观密度检测总量为1650组。

2 浮力天平刚性支架装置设计制作

在建筑工程规范中，浮力天平是作为测定卵石或碎石表观密度、饱和面干密度及吸水率的一种试验检测装置，应用于混凝土配合比的计算和石料质量的评价。在现有的规范中，因仪器设备的局限性，对大粒径的石料和干硬混凝土的测试很困难，尤其对于直径大于120mm的石料，几乎很难进行检测。此外，在混凝土密度检测中，更多的是对新拌制的混凝土通过容积升进行密度检测，但对硬化混凝土的密度检测却很少，新拌制的混凝土密度并非混凝土的表观密度，其实际反应的是混凝土的毛体积密度，而真正能反应混凝土密实程度的还是表观密度。在此技术背景下，科研小组通过对浮力天平刚性支架装置的功能进行了充分讨论，最终决定刚性支架装置通过手摇器连接钢丝绳滑轮控制升降板，在不影响数据准确性的情况下，让试验人员更易操作，最后由小组成员确定刚性支架装置的形状尺寸，完成支架的设计，经过加工制作出一种能够检测大小粒径石料和干硬混凝土表观密度的浮力天平刚性支架装置，并申报获得国家实用新型发明专利。一种浮力天平刚性支架装置示意图见图1。

图1 一种浮力天平刚性支架装置结构示意

3 浮力天平刚性支架装置的优越性

在现行规范中，石料的表观密度多采用液体天平进行测试，该装置通过砝码配重，称量网篮和网篮及试样在水中的质量，再烘干试样称其质量，计算石料的表观密度。一种浮力天平刚性支架装置，构造采用刚性材质，保证了足够的稳定承载力，而不影响数据的准确性，不仅能通过网篮测试150mm以下小粒径石料的表观密度，还能通过钢丝绳轻松控制升降板和大升水容器(有溢流孔)检测大粒径石料的表观密度，其稳定的刚性支架和钢丝绳足够承载试样的重量。硬化混凝土密度很大程度上影响到混凝土的强度、渗透性、抗冻性及耐久性，但对混凝土密度测定多采用新拌制混凝土容积升体积法测定其密度，究其原因主要是硬化混凝土的密度测定很少能有设备仪器对其进行测定，而浮力天平刚性支架装置通过滑轮手摇器装置较好地解决了该空缺。另外，刚性支架空间位置相对较大，让检测人员在对大粒径骨料和混凝土密度测试时没有拘束，升降板的刚性让操作者有安全保障。

4 浮力天平刚性支架装置在工程中的应用

4.1 料场石料表观密度检测

根据阿尔塔什水利枢纽工程早期勘探数据表明，C1、C2、C3、C4料场岩性均为第四系全新统冲积砂卵砾石，主要含有花岗岩、砂岩、闪长岩、帘石等不同岩性骨料，其中花岗岩的组分较多；P1、P2、P3料场均为灰岩，俗称石灰岩，是沉积岩的一种。在整个工程建设中，砂石骨料每批次均需要进行表观密度检测，其控制指标要求大于2.55g/cm3，填筑中所用的爆破料采用孔隙率进行压实质量控制，控制指标不大于19%，表观密度要求大于2.4g/cm3。因此，我们对不同石料进行表观密度的试验，并将浮力天平刚性支架与普通支架检测数据进行比对，进而验证该装置的准确性和可靠性。不同装置表观密度检测数据结果比对见表1。

表1 不同装置表观密度检测数据结果比对

从试验数据比对来看，普通浮力天平支架和刚性浮力天平支架之间表观密度的误差为±0.1%，满足仪器设备允许误差要求，可以肯定该装置检测的数据准确可靠。此外，该装置可进行粒径大于120mm以上石料表观密度的检测，但普通支架无法进行较大粒径石料的检测。另外在试验过程中，操作人员不需要用手上下提升网篮排除气泡，只需摇转手摇器控制升降板即可排除气泡，减少了人为误差，具有较好的优越性。

4.2 混凝土密度检测

混凝土的密度直接影响着混凝土的强度和耐久性，在常规的混凝土密度检测中，更多的是对新拌混凝土毛体积密度的检测，而非混凝土的表观密度，在现有的装置中，很少有装置对硬化混凝土进行表观密度的检测。研究通过刚性支架装置检测混凝土表观密度，以寻求混凝土表观密度与强度、耐久性能(抗渗性和抗冻性)之间的关系，进而为阿尔塔什水利工程混凝土质量控制提供可靠的依据。混凝土密度检测结果见表2。

表2 混凝土密度检测结果

从检测数据来看，新拌混凝土密度小于硬化混凝土密度，平均小于0.014g/cm3，进而验证了测定的新拌混凝土密度非表观密度。在不同硬化混凝土表观密度对应不同的强度数据中可以看出，密度与强度成正比，强度随着密度的增加而增加。同时，随着混凝土密度的增大，其抗渗和抗冻能力也在增强。由此来看，混凝土的密度与其性能有直接的关系，控制好混凝土的表观密度，能更好地提高混凝土的质量。

4.3 应用效果

该装置应用在阿尔塔什水利枢纽工程中，通过检测材料的表观密度，利用当地原材料，为混凝土配合比设计提供了可靠的数据，应用效果良好，并通过定量的方法科学地评定了材料的质量，对现场质量控制提供了数据支撑，对提高工程质量，加快工程进度，降低工程造价，推动工程检测技术进步具有重要的作用，同时填补了行业内大粒径石料和混凝土表观密度试验装置的空缺。

5 结语

(1)一种浮力天平刚性支架装置在阿尔塔什工程中的应用，不仅解决了大粒径石料表观密度检测难的问题，并为工程质量控制提供了检测设备支撑。

(2)通过普通支架与刚性支架的比对，表明了该装置优越性显著，在保证数据准确的前提下具有较好的实用价值，对工程检测技术的进步有重要意义。

(3)通过新拌混凝土容积升检测密度和浮力天平刚性支架装置检测干硬混凝土的密度，得出干硬混凝土的密度较新拌混凝土的密度平均大0.014g/cm3，也再次验证了新拌混凝土密度非表观密度，通过浮力天平刚性支架装置检测的混凝土密度为混凝土实际的表观密度。

(4)通过混凝土密度检测结果反映了混凝土密度与强度、抗渗性和抗冻性的关系，强度随着混凝土密度增加而增加，抗渗和抗冻能力也在随密度的增强而增加，存在正比关系。

(5)该装置在阿尔塔什水利枢纽工程中的应用，为阿尔塔什混凝土配合比设计提供了不可或缺的试验资料，并推广应用在爆破料大粒径石料的质量控制中，对现场质量控制技术研究具有深远的影响。