粉煤灰在花山水库除险加固工程中的运用

李 元

（曲靖灌区管理局，云南 曲靖 655000）

1 工程概况

花山水库位于曲靖市沾益区花山街道云维集团西北部，水库距曲靖市35 km，距沾益区17 km，属珠江流域，西江水系。该水库是一座集农业灌溉、工业、生活供水及防洪调节作用为一体的中型水库，总库容8233万m3。水库枢纽工程建筑物有主坝、东副坝、西副坝、溢洪道、高涵、中涵、低涵。主坝原为黏土均质坝，扩建后为黏土、风化料分区坝，主坝加高7 m，最大坝高33.5 m，坝长175 m，坝顶宽5 m，坝顶高程为1992.792 m；东副坝为黏土均质坝，扩建后坝高15.6 m，坝顶长417 m，坝顶宽5 m，坝顶高程为1992.792 m。

2 主坝防渗方案的选择

由于主坝坝体、坝基及两坝肩存在渗漏问题，下游坝脚漏水严重，影响大坝安全，因此需对坝体、坝基进行防渗处理。防渗方案拟定两种方案进行比选。

（1）方案一：坝体C10混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆。该方案坝体采用C10混凝土防渗墙防渗，轴线位于坝轴线上游1 m，防渗墙嵌入岩体深度为1～6 m，防渗墙顶高程1990.79 m（正常蓄水位），墙底最低高程为1954.49 m，防渗墙最大深度为36.3 m，防渗墙厚度为60 cm，两坝肩帷幕与防渗墙搭接2 m。坝基采用帷幕灌浆防渗，孔距1.5 m，帷幕最大深度为65.4 m，帷幕轴线位于防渗墙轴线上游1 m。

（2）方案二：坝体充填灌浆+坝基帷幕灌浆。根据钻孔揭示及观测资料相关性分析，坝体原防渗帷幕存在局部击穿问题，需进行防渗处理，经综合分析并结合相关工程经验，大坝坝体防渗处理采用充填灌浆方式，孔距1.5 m，单排孔布置，分为三序孔逐级加密的方式灌浆，灌浆范围为坝土段。坝基采用单排帷幕灌浆防渗，孔距1.5 m，帷幕轴线为坝轴线。

本工程为主坝坝体、坝基接触带防渗，对比两种方案，鉴于充填灌浆防渗性能、可靠性、耐久性较差，防渗效果不及混凝土防渗墙，选择采用方案一，即坝体C10混凝土防渗墙+坝基帷幕灌浆。

3 防渗墙主要性能指标设计

（1）防渗墙混凝土采用黏土混凝土，应达到下列要求。

混凝土强度等级为C10；渗透系数不大于10-8；弹性模量不大于1.5×104MPa；坍落度为18～22 cm；扩散度为34～40 cm；骨料级配为二级配，最大骨料粒径不大于40 mm，其含泥量不大于1%，饱和面干吸水率不大于1.50%。

（2）坍落度保持15 cm以上的时间应不小于1 h；初凝时间应不小于6 h，终凝时间不宜大于24 h；混凝土的密度不宜小于2100 kg/m3。

（3）黏土混凝土的胶凝材料用量不宜少于350 kg/m3；水胶比不宜大于0.65，砂率不宜小于36%，黏土掺量不宜大于水泥和黏土总量的25%，水泥采用普通硅酸盐或硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5 MPa。

（4）选择黏粒含量大于45%、塑性指数大于20、含砂量小于5%、二氧化硅与三氧化二铝的比值为3～4的黏土。黏土质量严格按照《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007）执行。

4 防渗墙配合比试验

4.1 未添加粉煤灰配合比试验

（1）混凝土基准配合比（每立方米混凝土原材料用量）如表1所示。

表1 混凝土基准配合比（每立方米混凝土原材料用量）

（2）根据《水工混凝土试验规程》（SL/T 352—2020）[1]附录A中A.4的要求，调整用水量保持坍落度及扩散度满足设计要求，用3个不同水胶比进行了室内配合比试验，试验结果见表2。

表2 混凝土试验结果

表2中3组试配渗透系数均满足≤1×10-8的要求，且3组试配抗压强度最小的一组水胶比为0.67已经超过设计要求的0.65，该组混凝土28 d抗压强度为17.0 MPa，大于配置强度要求的13.1 MPa，弹性模量超过了设计允许的最大值15 000 MPa。若水胶比选取设计上限值0.65，根据回归方程计算出混凝土28 d抗压强度为19.4 MPa，渗透系数为2.0×10-9cm/s，弹模为18 636 MPa，弹模不满足设计要求。

（3）配合比试验结果最终没能完全满足设计要求主要有以下两个原因：①对比以前其他项目，以前很多项目的防渗墙配合比的黏土掺量均达到了胶凝材料（水泥+煤灰+黏土）用量的35%左右，《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》（SL 174—2014）[2]规定的黏土用量比为15%～25%。②材料的变化。前几年的防渗墙混凝土用水泥多为32.5 MPa级水泥，而现在使用的是42.5 MPa级水泥，强度提升了30.7%。随着水泥强度的提升，导致在本次配合比试验中当水胶比为0.65时，混凝土28 d抗压强度为19.4 MPa，而弹性模量的值是和抗压强度成正比关系的，最终的试验结果就是弹性模量不能满足设计要求。

针对以上试验结果和原因分析，采用了添加部分粉煤灰替代水泥的方案重新做试验。

根据王正辉[3]的研究，当水泥掺入5%～40%粉煤灰后的质量变化如表3所示。

表3 水泥掺入5%～40%粉煤灰后的质量变化

在未掺粉煤灰的配合比报告中，水胶比为0.65时对应的混凝土28 d抗压强度为19.4 MPa，而理想的强度应该是配置强度13.1 MPa，也就是说还需要降低32%的抗压强度。在王正辉[3]的研究中，当粉煤灰掺量为0时的抗压强度为44.6 MPa，当44.6MPa的抗压强度降低32%后为30.3 MPa，对应图表中的粉煤灰替代比例为25%，根据这一替代比例进行配合比试验。

4.2 掺粉煤灰的配合比试验

（1）水泥：试验所用的水泥为云南宏发集团印象水泥有限责任公司生产的P.O 42.5水泥，通过检测该水泥检测结果满足《通用硅酸盐水泥》（GB 175—2007）的要求。

（2）粉煤灰：试验所用的粉煤灰为云南能投曲靖发电有限责任公司生产的F类二级粉煤灰水泥，检测结果如表4所示。

表4 粉煤灰检测结果

该粉煤灰检测结果满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596—2017）的要求。

（3）混凝土基准配合比（每立方米混凝土原材料用量）表5所示。

表5 混凝土基准配合比（每立方米混凝土原材料用量）

（4）根据SL/T 352—2020的附录A中A.4的要求，调整用水量保持坍落度及扩散度满足设计要求，用3个不同水胶比进行了室内配合比试验，试验结果如表6所示。

表6 混凝土试验结果

（5）混凝土28 d抗压强度与水胶比关系曲线如图1所示。

图1 混凝土28 d抗压强度与水胶比关系曲线

28 d抗压强度与水胶比回归方程如式（1）所示。

（6）混凝土渗透系数与水胶比关系曲线如图2所示。

图2 混凝土渗透系数与水胶比关系曲线

渗透系数与水胶比回归方程如式（2）所示。（3）混凝土弹性模量与水胶比关系曲线如图3所示。

图3 混凝土弹性模量与水胶比关系曲线

混凝土弹性模量与水胶比回归方程如式（3）所示。

表6中3组试配渗透系数均满足≤1×10-8的要求，且3组试配中抗压强度最小的1组水胶比为0.65，为设计允许的最大水胶比，该组混凝土28 d抗压强度为14.0 MPa，大于配置强度要求的13.1 MPa，弹性模量为13 279 MPa，小于设计允许的最大值15 000 MPa。由于人工砂所检项目中细度模数为2.98，超出规范推荐的2.4～2.8，故在配合比设计中通过增加砂率来改善混凝土的和易性。

5 成果分析

花山水库除险加固工程主坝防渗墙共26个槽段，按抽检比例要求，第三方质量检测单位共抽检了10组。

从室内试验成果看，防渗墙的抗压强度均大于10 MPa，弹模在11 800 MPa～14 900 MPa，渗透系数为（1.0～5.53）×10-9，均达到设计要求。从现场取芯样看，防渗墙混凝土连续、完整，胶结良好。

6 结语

防渗墙是一种修建在松散透水层或土石坝（堰）中起防渗作用的地连续墙，因其结构可靠、防渗效果好、适应各类地层条件、施工简便以及造价低等优点，在国内外得到了广泛的应用。花山水库除险加固工程主坝防渗墙配合比试验中，采用粉煤灰替代水泥用量的25%进行试验，有效降低了弹性模量，各项指标均满足设计要求，试验证明适当地在混凝土中添加粉煤灰可以起到改善混凝土和易性、增强混凝土抗渗能力、降低水化热、降低弹性模量的作用，类似工程中可以推广运用。