堆石混凝土堤防材料综合单价敏感性分析

杨 凯， 陈 昊， 周 虎， 吕 凤， 陈 宇

(1.新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830046；2.四川省水利科学研究院，四川 成都 610072； 3.清华大学，北京 100084；4.四川衡信建设工程有限公司，四川 成都 610073)

0 引 言

堆石混凝土是一种基于自密实混凝土[1]和预填骨料混凝土[2-3]而发明的一种大体积混凝土技术，利用自密实混凝土高流动抗分离的性能，借鉴已广泛应用的压浆混凝土施工方式，提出一种新的混凝土施工方式[4]。自2005年首个堆石混凝土工程应用后，共建设有高于15 m的堆石混凝土坝126座，其中已建成95座和在建31座，其中堆石混凝土重力坝115座、拱坝11座[5]。在堆石混凝土拱坝施工中，可以取消振捣或碾压，通水冷却，取消分缝，极大简化了混凝土拱坝施工程序[6]。堆石混凝土具有较好的生态、经济以及社会效益，其工艺简单、施工方便、成本较低。[7-9]

鉴于堆石混凝土技术的优越性，除了在大坝中应用外，也有在中小工程中的推广应用，如三明市台江防洪堤段水毁修复工程和梅州大堤南堤除险加固达标工程[10-11]等。目前，四川省不仅在少量且具备大体积试验性条件的新建堤防工程中推广堆石混凝土技术，还对常规大坝堆石混凝土施工的差异性、经济性进行了研究。

1 白河防洪治理工程

九寨沟县白河防洪治理工程(二期)建设治理范围包括白河和白水江。该工程属四等工程，主要建筑物级别为Ⅳ级，防洪标准为20年一遇洪水，总投资6 800万元。在工程范围白水江薛家坝村段(白左4+511.24～白左4+932.86)设计堆石混凝土衡重式堤防科研试验段，堤防顶宽0.5 m，挡墙材料采用F200C25堆石混凝土，迎水面坡比1∶0.1，上墙背水面坡比1∶0.3，衡重台宽1.5 m，下墙背水面坡比1∶0.5，基础墙前设置0.6 m宽0.8 m高墙趾。

2 高自密实混凝土配合比设计

2.1 原材料

(1)水泥：选用文县祁连山水泥有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，密度3 100 kg/m3；

(2)粉煤灰：采用F类Ⅱ级粉煤灰，密度2 200 kg/m3；

(3)细骨料：人工砂，对砂取样并进行基本性能检测，检测项目包括筛分析、石粉含量、表观密度等，检测指标均满足规程要求，砂的表观密度2 700 kg/m3；

(4)粗骨料：人工粗骨料选用5～20 mm碎石，对石子取样进行基本性能检测，检测项目包括含泥量、表观密度、针片状含量等，检测指标均满足规程要求。石子的表观密度2 680 kg/m3；

(5)外加剂：外加剂采用北京华石纳固科技有限公司生产的HSNG-T堆石混凝土专用外加剂，密度1 030 kg/m3；

(6)拌和用水：采用自来水。

混凝土试验用强制式混凝土搅拌机。

2.2 高自密实性能混凝土配合比

配合比计算采用绝对体积法，在体积配合比的基础上，通过尝试调整水胶比以及调整水泥掺量、改善石子体积用量、提高砂率以及砂中微粒含量系数等，外加剂用量根据试验结果微调，从而在满足强度标准的条件下尽量减少粉体材料尤其是水泥用量，达到降低生产成本的目的。通过多组砂浆试验数据得出45%砂率为最优砂率。通过对比试验确定得出高自密实混凝土配合比及部分试验数据(表1)。

表1 高自密实性能混凝土配合比及部分试验数据 /kg·m-3

3 堆石混凝土堤防施工

3.1 堆石料选择

堆石料应选用新鲜、完整、质地坚硬的块石料，粒径不宜小于300 mm，饱和抗压强度不小于20 MPa，含泥量应不大于0.5%。

该工程开挖料均为碎卵砾石土层，根据勘察及实验可知，大卵石(块石)含量约占14%左右，岩质为砂岩及灰岩等，其岩质坚硬，质量较好，满足块石料质量要求。据现场勘察，碎石、卵石强度较高，成分主要为微～中风化砂岩、灰岩，板岩，从室内试验资料可知，其饱和抗压强度大于20 MPa，可作为块石料场使用。开挖大卵石室内岩石物理力学指标试验成果见表2。

表2 开挖大卵石室内岩石物理力学指标试验成果

开挖及清淤料内筛选出满足技术要求的大卵石。工程区域河道内大卵石常年被水流冲刷，含泥量较低，表面几乎不含泥。无需设置专用清洗平台，仅需要利用挖掘机在选取大卵石或大卵石上车运输前，用河道内水冲洗表面一次即可。

3.2 堆石料入仓

由于堤防工程与河底相对高度及仓面较小，达不到自卸汽车直接入仓的条件。该工程采取堆石料运输至仓面附近，用挖掘机入仓，并以人工辅助堆码。因此，汽车轮胎上的泥土和泥水不会带入堆石仓面。将粒径较大的堆石置于仓面的中下部，粒径较小的堆石置于仓面的中上部。

3.3 模板制作和安装

该工程采用木模板，由于内拉加固模板会带给堆石入仓工序之间造成相互影响而提升堆石率，所以，在试验段将内拉加固改为全部外撑加固。

3.4 高自密实混凝土浇筑

堤防工程一般为线性工程，且仓面较大坝工程小，该工程采用与常规的混凝土罐车运输与溜槽入仓相结合的方式进行高自密实混凝土浇筑。

4 经济性对比

4.1 堆石混凝土材料综合单价的组成

堆石混凝土在堤防工程中的利用，特别是在具有大卵石的山区河道工程中，可以与河道疏浚及堤防土石方开挖相结合，筛选利用开挖料中的大卵石。具有节约混凝土用量、降低工程造价、减少碳排放等多项优点。该工程堆石混凝土堤防施工与普通混凝土堤防施工工艺无较大差异，主要差异在于增加了堆石入仓及材料区别。将堆石料选取、清洗、入仓等综合考虑进堆石料单价，故经济性对比主要考虑两者间的材料价格对比。

堆石混凝土材料综合单价

=(1-平均堆石率)×高自密实混凝土材料综合单价+堆石料材料单价

=(1-平均堆石率)×(∑单项材料单价×该项用量)+堆石料材料单价

式中 高自密实混凝土材料综合单价=∑单项材料单价×该项用量；堆石料材料单价=采挖+运输+清洗+入仓 。

4.2 堆石混凝土材料综合单价计算及经济性对比

结合本工程材料采购价格及普通混凝土与高自密实混凝土配合比，计算其单价。普通混凝土材料综合单价分析、高自密实混凝土材料综合单价分析和堆石混凝土材料综合单价分析分别见表3～5。

表3 普通混凝土材料综合单价分析表

表4 高自密实混凝土材料综合单价分析表

表5 堆石混凝土材料综合单价分析表

在本工程中，每方堆石混凝土(高自密实混凝土+堆石料)中平均堆石率约53.5%，即节省了53.5%高自密实混凝土材料，价格减半，由282.13 元/m3减至131.19 元/m3，堆石料入仓成本约为60 元/m3，每方堆石混凝土材料价格为191.19 元/m3，减少投资92.2 元/m3，与普通混凝土材料单元价格283.39 元/m3相比，每方混凝土节约投资32.5%。

5 堆石混凝土材料综合单价单因素敏感性分析

5.1 分析因素的选取

从堆石混凝土施工工艺流程及配合比组成分析影响堆石混凝土材料综合单价的因素，选取水泥用量、粉煤灰用量、细集料用量、粗集料用量、外加剂用量和堆石率6项用量因素，并进行堆石混凝土材料综合单价的单因素敏感性分析。

5.2 单因素敏感性分析

令各因素的变动范围分别取原估值的±20%、±15%、±10%、±5%、0，并基于本工程堆石混凝土的高自密实混凝土的配合比、材料价格、堆石率及堆石入仓单价等基础数据，分别计算变化后的堆石混凝土材料综合单价，控制当单项分析因素变动时，其余因素不变。本研究仅讨论分析堆石混凝土材料综合单价变化，为以降低堆石混凝土材料综合单价为目的的配合比优化提供一种参考思路。材料单价单因素敏感性分析计算和材料用量单因素敏感性分析计算分别见表6、7。

表6 材料单价单因素敏感性分析计算表 元/m3

表7 材料用量单因素敏感性分析计算表 /kg

根据公式(1)及表6、7数据计算出各分析因素对堆石混凝土综合单价的敏感性系数，结果见表8。

表8 各分析因素对堆石混凝土材料综合单价敏感系数表

(1)

式中 ΔA/A为评价指标的变动比率；ΔF/F为不确定因素的变化率。若AAF>0，则表示评价指标与不确定性因素同方向变化；若SAF<0，则表示评价指标与不确定性因素反方向变化；若|SAF|越大，则表明评价指标A对于不确定性因素F越敏感；反之，则不敏感。敏感是指标变化相同幅度，对材料综合单价影响程度大。

经过对堆石混凝土材料综合单价敏感度分析，分析指标敏感度排序为堆石率>堆石料单价>水泥单价>水泥用量>粉煤灰单价>粉煤灰用量>外加剂单价>外加剂用量>细集料单价>细集料用量>粗集料单价>粗集料用量。从表8中可以得出堆石率的|SAF|最大，是影响堆石混凝土材料综合单价的最重要的因素，即提升堆石率大幅度降低堆石混凝土材料综合单价。降低堆石料单价、降低水泥单价、水泥用量等可以较好的降低堆石混凝土材料综合单价。

6 结 语

堆石混凝土技术适用于大体积混凝土，在堤防工程中使用具有节约投资、减少碳排放和工效显著等优点。

(1)在本工程中，下部基础底至衡重台区域大体积混凝土浇筑，应用堆石混凝土优点较明显。对于重力式堤防具有借鉴意义。堆石混凝土技术在山区河道等具有大卵石的河道中应用，堆石料可以结合河道疏浚及土石方开挖进行捡选，材料来源具有较大优势。

(2)堆石混凝土在堤防工程中的应用，虽然经济优越性不如堆石混凝土在大坝工程中的应用，但仍能较明显地降低单价。由于堤防工程的应用面较广，堆石混凝土技术在堤防工程中应用具有较显著的经济效益。

(3)堆石混凝土在堤防工程中，施工工艺流程较普通，混凝土仅在堆石入仓工序上有一定差异，其技术难度较在大坝工程中明显降低，在推广使用过程中有较大的优势。

(4)通过对堆石混凝土材料组成因素进行单因素分析，可以得到因素的敏感度排序，为以降低堆石混凝土材料综合单价为目的的配合比优化等提供一种参考思路；降低堆石混凝土材料综合单价首先应从提升堆石率，降低堆石入仓单价考虑优化施工措施，再从以粉煤灰替代水泥用量等方面优化配合比。

(5)堆石混凝土技术在堤防工程中的创新应用，扩大了堆石混凝土技术的应用范围，对于堤防工程材料敏感性分析，堆石料单价是最重要影响因素，53.5%的堆石率尚存在挖掘潜力，堆石混凝土有进一步节省材料综合单价的空间。

通过对工程试验的分析，也发现一些不足，如衡重墙堤防上墙部位，由于仓面尺寸太小，机械利用率不高，主要靠人工进行堆石，其快速施工受到一定影响。后期课题组将进一步研发施工机械，模板作业改进，以期提高作业工效，为今后堆石混凝土技术在堤防工程中的应用提供借鉴。