混凝土厚层碾压技术在韩江高陂水利枢纽工程中的应用

石爱军，汪永剑，丁仕辉，李 科，谢祥明，曾礼成，姚楚康

(1.广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340；2.广东省水利水电工程技术研究中心，广东 广州 511340)

受碾压设备和压实度检测仪器的制约，碾压混凝土(简称RCC)坝常规施工均采用铺料厚约35 cm、压实厚约30 cm的薄层碾压工艺，其压实厚度小、层缝面(为坝体薄弱面)数量多、温度回升大，影响施工效率和温控效果。为突破RCC坝常规碾压层厚的限制，加快RCC施工速度，提高坝体施工质量，推进RCC筑坝技术的持续进步，在国内RCC坝科研、设计、施工专家的推动下，自2006—2011年引进国外碾压设备和压实度检测仪器进行50～100 cm厚混凝土碾压试验[1-8]，取得了丰富的试验成果，也暴露了购置国外碾压设备和压实度检测仪器进行混凝土厚层碾压施工存在的困难和不足。为克服应用国外碾压设备和压实度检测仪器的不足，联合国内混凝土碾压设备及混凝土压实度检测仪器生产厂家，研制出具有自主知识产权的双钢轮垂直振动碾[9-10]和能够检测60 cm厚混凝土压实度的仪器，于2013年在贵州松桃盐井水利枢纽工程的工地上，进行了60 cm厚混凝土碾压工艺试验，实体取芯检测结果表明，国产垂直振动碾能够压实60 cm厚混凝土，国产压实度检测仪能够检测60 cm厚混凝土的压实度[11-12]。为推动混凝土厚层碾压技术在国内发展，于2017年底至2018年初在广东梅州市韩江高陂水利枢纽工程的临时设施场地，采用上述国产垂直振动碾及压实度检测仪器，基于工程应用的混凝土材料和配合比，进行了50、60 cm层厚混凝土碾压工艺试验，试验成果的评审(2019年3月16日)和验收(2019年10月29日)专家组，建议混凝土厚层碾压工艺在韩江高陂水利枢纽工程的RCC重力坝上应用。

1 混凝土厚层碾压工艺试验

1.1 厚层碾压设备及压实度检测仪[11-12]

混凝土碾压设备采用国内厂家具有自主知识产权的LDV 150型双钢轮垂直振动碾，其主要性能指标见表1。混凝土压实度检测采用国内厂家生产、能检测30～60 cm深混凝土压实度的HSMD-2002S型核子快速密度仪，采用伽马线透射式方法测定，其主要性能见表2。为验证HSMD-2002S型核子快速密度仪的准确性，采用MC-4C型常规核子密度仪进行表层30 cm混凝土压实度对比检测。

1.2 RCC配合比

厚层碾压工艺试验采用韩江高陂水利枢纽工程使用的C9010W2三级配RCC，其配合比见表3。

表1 LDV150型垂直振动碾主要性能

表2 HSMD-2002S型核子快速密度仪性能

表3 试验用RCC配合比 单位：kg/m3

1.3 压实度检测仪器标定

采用试验用C9010W2三级配RCC(实测VC值4.6 s)制作标定块，标定块设2个标定孔(图1)，1个孔深30 cm，用于标定MC-4C型核子密度仪；1个孔深61 cm，用于标定HSMD-2002S型快速核子密度仪。标定方法参照文献[13]的要求进行，其中HSMD-2002S型快速核子密度仪对30、40、50、60 cm 4个深度的压实度进行测量，不同深度每次测量东、南、西、北4个方位的压实度，每次测量的压实度代表值取东、南、西、北4个方位测值的平均值；30、40、50、60 cm 4个深度的压实度测12次，每个深度的压实度代表值取12次的平均值。

图1 标定块及其孔位

MC-4C型核子密度仪经标定后测量误差为0.3%，HSMD-2002S型快速核子密度仪经标定后30、40、50、60 cm 4个深度测量误差分别为-0.03%、0.50%、-0.43%、0.11%。2种仪器经标定后测量误差均小于1%，标定合格[13]。

1.4 混凝土厚层碾压试验设计

混凝土碾压试验场地布置在高陂水利枢纽工程左岸木工厂附近，为方便混凝土入仓且不影响场地后续使用，将原地面挖低1.2 m形成基坑，基坑平面尺寸约23 m×15 m，平整后用振动碾碾压密实，并浇筑20 cm厚C15混凝土垫层；然后在基坑内安装钢模，模板围封平面尺寸为22 m×14 m(高1.5 m)。

碾压试验体(图2)沿宽度方向分6个条带，每个条带宽2 m，上、下二层；第1—3条带，上、下二层混凝土压实厚度均为50 cm，各条带碾压遍数分别为2+6+2(即先静压2遍，再振碾6遍，最后静压2遍，下同)、2+8+2、2+10+2；第4—6条带，上、下二层混凝土压实厚度均为60 cm，各条带碾压遍数分别为2+6+2、2+8+2、2+10+2；四周浇筑机制变态混凝土。

a)平面布置

b)分层(A-A剖面)

1.5 混凝土厚层碾压试验

1.5.1试验工艺参数

RCC在工地2号拌和站(配1台强制式4 m3搅拌机)搅拌，单次搅拌量为3 m3，各种材料投料顺序和搅拌时间为：投入水泥+煤灰+水+外加剂+氧化镁+砂，搅拌30 s，再投入粗骨料(小石+中石+大石)搅拌90 s，总搅拌时间为120 s。混凝土采用3台15 t自卸汽车运输，运输距离约1 km。

采用平层铺料法，自卸汽车倒退进仓卸料，小型反铲挖掘机平仓。当压实厚度为50 cm时，平仓厚度58 cm；当压实厚度为60 cm时，平仓厚度70 cm；在模板上用油漆画出摊铺层面线，按层面线控制平仓，用全站仪全程跟踪测量，确保平仓厚度符合要求。

采用LDV150型垂直振动碾碾压，碾压速度控制在1.0～1.5 km/h。碾压条带搭接宽度10～20 cm。碾压遍数2+6+2～2+10+2遍(图2b)。RCC摊铺平仓后即碾压，终凝后采用浇水、喷雾方式保湿养护28 d。

1.5.2试验检测结果及分析

工艺试验时，对混凝土拌和物VC值损失、混凝土压实度进行检测。混凝土达到90 d龄期时，在混凝土试验体上钻孔取芯制作试件，进行混凝土压实度、抗压及抗渗强度检测。

a)VC值损失检测。在第一层1—3条带取1组试样按文献[14]的方法进行VC值损失检测，室内检测结果见表4。1.5 h后在碾压现场对该混凝土进行检测，测得其VC值为7.8 s；从室内和现场检测结果可知，相同的混凝土拌和物，在现场1.5 h后VC值损失2.6 s，室内2 h损失2.2 s，即现场损失比室内大，因此，4～6 h之间现场损失的VC值比32.1 s要大，超过4 h后RCC泛浆及层间结合性能将较差。

表4 VC值损失检测结果

b)压实度检测。采用HSMD-2002S型核子快速密度仪检测，每个条带检测6点(测点布置见图2a)。压实厚50 cm的混凝土检测深度分别为30、40、50 cm，压实厚60 cm的混凝土检测深度分别为30、40、50、60 cm；表层30 cm混凝土压实度(6个条带共36点)同时采用常规核子密度仪进行对比检测，以进一步验证HSMD-2002S型仪器的可靠性。检测结果见图3、4。

从图3可知，压实层厚50、60 cm时，不同深度混凝土压实度碾压2+8+2遍时最大(仅60 cm压实层厚表层30 cm碾压2+10+2遍最大)，且均超过97%，即最佳压实遍数为2+8+2。

a)50 cm压实层厚

b)60 cm压实层厚

a)50 cm压实层厚

b)60 cm压实层厚

从试验结果可知，MC-4型仪器和HSMD-2002S型仪器检测表面30 cm深36个相同位置混凝土压实度时，MC-4型仪器测得平均值为98.8%，HSMD-2002S型仪器测得平均值为98.3%，即相同点位混凝土的压实度平均值，2种仪器误差仅为0.5%，在允许范围内；且HSMD-2002S型仪器测值比MC-4型仪器测值普遍要小(图4)，即采用HSMD-2002S型仪器检测在质量上更有保障。

混凝土碾压90 d后，在碾压试验体中仪器检测压实度最优的第2、5条带取芯，实测混凝土密度计算出压实度。第2条带(压实层厚50 cm)15个芯样，压实度最小97.0%，最大98.3%，平均97.5%；第5条带(压实层厚60 cm)12个芯样，压实度最小97.1%，最大99.5%，平均97.7%。取芯检测结果进一步证实LDV150型垂直振动碾能够将50、60 cm厚的混凝土碾压到符合质量标准要求。

c)抗压强度及抗渗性能检测。在现场碾压试验实体中压实度最优的第2、5条带取芯进行90 d抗压强度、抗渗性能检测，检测结果见表5。从检测结果可知，RCC试件及实体的抗压、抗渗强度均符合C9010W2设计等级的要求。

表5 RCC抗压强度及抗渗性能检测结果

2 厚层碾压工艺最佳参数

基于厚层碾压试验时所采用的高陂水利枢纽工程混凝土原材料及配合比，LDV150型垂直振动碾压实60 cm厚RCC最佳的工艺参数为：铺料厚70 cm，碾压2+8+2遍，条带搭接宽10～20 cm，碾压速度1.0～1.5 km/h；压实50 cm厚RCC最佳的工艺参数为：铺料厚58 cm,碾压2+8+2遍，条带搭接宽10～20 cm,碾压速度1.0～1.5 km/h。

混凝土压实度检测采用HSMD-2002S型核子快速密度仪，混凝土铺料间歇时间控制在4 h以内。

3 厚层碾压施工技术应用

3.1 工程简介

韩江高陂水利枢纽是以防洪、供水为主，兼顾发电、航运等综合利用的大(2)型工程，由右岸发电厂房、鱼道、排漂孔、河中18孔泄水闸、左岸船闸，左、右岸混凝土重力坝及变电站等组成。泄水闸堰顶基本与河床齐平，堰体采用RCC结构，最大坝高50.0 m。两岸的连接建筑物为RCC重力坝，左岸重力坝长103.0 m，最大坝高36.5 m，右岸重力坝7个坝段(其中6个坝段长20.0 m，1个坝段长13.5 m，坝段编号从左至右依次1—7号)长133.5 m，最大坝高46.0 m，坝顶高程▽49.0。

混凝土厚层碾压技术应用部位为二期工程右岸重力坝▽46.0～▽48.0高程，坝长133.5 m，宽7 m，混凝土工程量为1 869 m3(其中RCC 1 369 m3，变态混凝土500 m3)。

3.2 工程应用

由于应用部位狭长，不能满足多辆混凝土运输车同时入仓，且运输车辆无法在仓面转弯掉头，影响混凝土运输速度，如采用通仓平层铺料法施工，则难以将混凝土层间间歇时间控制在4 h内，因此采用斜层铺料法施工。厚层碾压施工坝块高2 m(▽46.0～▽48.0)、斜层坡度1∶10，仓面宽度7 m(其中上、下游坝面各1 m变态混凝土)，根据混凝土生产能力，确定斜层压实层厚50 cm，每层混凝土70 m3(其中RCC 50 m3)。

混凝土采用厚层碾压试验时的拌和站及拌和工艺生产，由5台15 t自卸车运输(运距约2 km)，自卸车倒退进仓卸料，PC70小型反铲挖掘机平仓，铺料厚58 cm。LDV150型垂直振动碾碾压，碾压遍数2+8+2遍，碾压速度1.0～1.5 km/h。碾压条带搭接宽度10～20 cm，端头搭接宽度2 m。采用HSMD-2002S型仪器检测混凝土压实度(图5)，每个孔位检测30、40、50 cm 3个深度压实度。

图5 坝体压实度检测

变态混凝土采用机制，运至仓面和RCC同步浇筑，厚度与碾压厚度一致。采用φ100型高频振捣棒振捣，振捣时垂直插入变态混凝土，振捣间距不超过50 cm，当层面连续上升时，插入下层变态混凝土5 ～10 cm。变态混凝土浇筑前在相邻的RCC上先覆盖一层水泥净浆。各坝段间结构缝采用先铺后切方式成缝。当天气热，RCC表面水分散发快时，在仓面喷雾保持湿润。

3.3 应用效果

现场压实度检测：因混凝土斜层铺料，有些部位压实层厚不足40、50 cm，压实度仅能检测30 cm或40 cm深。压实度检测结果见表6。

表6 HSMD-2002S型仪器检测坝体厚层RCC压实度数值

坝体取芯检测：原计划混凝土浇筑后90 d取芯，因受春节、新型冠状病毒肺炎疫情及工程防洪度汛施工等因素影响，导致实际芯样检测龄期达235 d。混凝土芯样在1、2、3号坝段钻取，进行渗透性、密度(压实度)、抗压、抗渗强度检测。其中压水试验透水率1号坝段为0.975 Lu、2号坝段0.955 Lu、3号坝段为1.035 Lu，平均0.988 Lu，基本满足小于1.0 Lu的质量要求；芯样抗渗强度等级在1—3号坝段各成型试件1组，抗渗强度分别为W4、W4、W2，达到设计要求的W2要求；芯样抗压强度在1—3号坝段共成型试件8块，最大强度17.7 MPa，最小强度13.2 MPa,平均强度15.4 MPa，满足设计的C10要求；在1—3号共成型26块芯样试件进行压实度检测，最大102.1%，最小压实度97.0%，平均99.3%，压实度全部大于97.0%，符合质量要求[6-15]。

4 结语

a) RCC厚层碾压试验体和工程应用实体的检测结果表明，在合适的碾压工艺参数时，国产LDV150型垂直振动碾能够将60 cm及以下层厚RCC压实；国产HSMD-2002S型核子快速密度仪检测误差小于相关规程要求，能够用于60 cm及以下层厚RCC压实度检测。

b)混凝土50、60 cm厚层碾压与常规30 cm薄层碾压相比，效率高，混凝土浇筑强度大，为防止因供料不及时使层间间隔时间长，混凝土VC值损失大，导致层间结合不良，现场需配备合适生产能力的拌和楼(站)、合适运输和入仓能力的设备以及较强生产组织协调能力的指挥人员。同时，厚层RCC配合比应合理适用，原材料质量应满足相关质量标准的要求。

c)国产的RCC碾压设备和压实度检测仪器，能够用于压实和检测超过30 cm厚(常规薄层压实厚度)RCC，为解除工程参建单位相关人员对应用新技术无相应规程规范支撑的后顾之忧，建议制订混凝土厚层碾压施工相关技术规范，指导混凝土厚层碾压施工，推动RCC筑坝技术的发展。