大体积水下自密实混凝土的试验研究及应用

李 凤 玉

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 611730)

1 概 述

锦屏一级水电站枢纽建筑物主要由混凝土双曲拱坝(包括水垫塘和二道坝)、右岸泄洪洞、右岸引水发电系统及开关站等组成。大坝设计坝高305 m，是目前世界上已建与在建水电工程中的最高拱坝。锦屏一级水电站左岸导流洞呈直线和圆弧段布置，穿过左岸大坝帷幕灌浆线至下游。导流洞总长度为1 209.1 m，采用过流有压洞设计，断面采用圆拱直墙式，断面尺寸为15 m×19 m(宽×高)，进、出口底板高程分别为1 638.5 m和1 634 m，导流洞底板纵坡为3.832‰。

锦屏一级水电站蓄水发电前需对导流洞进行封堵，且其封堵顺序为先左岸后右岸。左岸导流洞下闸后，右岸导流洞仍在导流且出口水流对冲左岸。受高速水流及推移质的多年冲击，左岸导流洞出口淤积层的最大厚度可达2 m，淤积层主要为细砂夹杂少量碎石且其水深为12 m。左岸导流洞出口如采用常规的堆石体围堰，受右岸导流洞出口水流冲刷，将严重影响到左岸导流洞出口围堰的施工，导致其施工质量无法保证。鉴于上述情况，专家建议该电站左岸导流洞出口围堰采用水下自密实混凝土施工。

自密实混凝土技术是20世纪80年代后期由日本研究开发并应用的一项混凝土技术[1]，我国引进后广泛应用于建筑行业。由于水电水利行业施工的特殊性，部分混凝土需要进行水下浇筑施工，进而对自密实混凝土的应用提出了更高的要求。但由于目前水电水利行业中关于水下自密实混凝土的应用技术尚不完善，部分技术还处于探索阶段，可供参考的技术资料和经验缺乏。鉴于此，项目部技术人员依托锦屏一级水电站左岸导流洞出口围堰开展了水下自密实混凝土的相关研究与应用，介绍了具体的研究与应用过程。

2 原材料

水泥为P·MH 42.5级中热水泥，产自乐山嘉华。满足《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥》GB/T 200-2017中的中热水泥要求。其主要物理性能检测结果见表1，满足相关规范要求。与硅酸盐和普通硅酸盐水泥相比，中热水泥的水化热更低，能够有效降低大体积混凝土的内部温升，已在水电水利工程中广泛使用。

表1 水泥物理力学性能检测结果表

粉煤灰为F类Ⅰ级粉煤灰，产自云南曲靖，满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-2007中的F类I级粉煤灰要求，粉煤灰检测结果见表2。高品质的粉煤灰能够降低混凝土的用水量，改善拌合物的和易性。

表2 粉煤灰检测结果表

骨料为砂岩人工骨料，无碱活性。其中，粗骨料粒径为0～20 mm，细骨料为Ⅱ区中砂，满足《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015中的相关要求，粗骨料检测结果见表3，细骨料检测结果见表4。

表3 粗骨料检测结果表

表4 细骨料检测结果表

外加剂采用JG-2H型缓凝高效减水剂和JM-2000型引气剂。

3 混凝土配合比试验

进行水下自密实混凝土的配合比设计[2]时，不仅要求其抗压强度、耐久性满足设计要求，还需保证混凝土拌合物具有良好的施工性能。水下自密实混凝土施工性能包括流动性、抗离析性和填充性，分别通过坍落度扩展度试验、V漏斗试验(或T50试验)和U型箱试验进行检测[3]。此外，研究中模拟现场施工条件，同时在静水和空气中成型7 d和28 d抗压强度试件用以对比不同成型条件下的混凝土强度关系。考虑到水下混凝土长期处于急速水流中，且其实体下部处于高水压环境，进行了混凝土抗渗性、抗冻性等室内耐久性试验。考虑到水下混凝土无法振捣，仅能通过自身重力和流动性达到自密实，因此，在静水中成型时不振捣，对其外露表面通过切割打磨的方法进行平整处理。

3.1 配合比设计

参照《自密实混凝土应用技术规程》CECS203:2006中的配合比设计要求，对其单位体积用水量、水粉比、单位体积粉体量、单位体积粗骨料绝对体积和单位体积浆体量等参数进行了选择。所推荐的配合比参数见表5，混凝土性能试验结果见表6。

表5 推荐配合比参数表

表6 混凝土性能试验结果表

3.2 模拟施工试验

为保证工程质量，在现场选取适合的部位进行了水下自密实混凝土浇筑模拟试验[4]。模拟试验采用混凝土搅拌车运输、导管法浇筑水下混凝土。模拟试验主要考察了水下立模工艺、混凝土施工性能、导管直径、导管之间的间距、导管埋入混凝土中的深度、拔管速度等工艺。导管法浇筑水下混凝土情况见图1。结果证明：采用以下工艺在左岸导流洞出口浇筑水下自密实混凝土切实可行。(1)采用2.5 mm厚的钢板作模板并用Φ48 mm钢管对模板进行支撑加固；水下混凝土上游侧不立模，由水下混凝土自然堆积。(2)所推荐的混凝土配合比基本上能够满足施工性能要求，但模拟试验与配合比试验使用的骨料存在差异，故应对配合比进行微调。(3)导管直径为225 mm、间距为3.5 m，应将导管距离底板的起始距离控制在0.5 m以内，导管埋入混凝土的深度为4～6 m时开始拔管，拔管后导管埋入混凝土的深度以2 m左右较为适宜。

a.装第一斗混凝土；b.排走导管内的水或泥浆;c.混凝土向下推进。①隔水塞；②导管；③接头；④混凝土图1 导管法浇筑水下混凝土示意图

4 实际工程中的应用

4.1 混凝土浇筑施工质量控制

(1) 混凝土拌和所用的原材料必须满足《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2015、《自密实混凝土应用技术规程》CECS 203:2006及其它相关规范与设计要求，必需加强对原材料的检测，若发现现场使用的原材料与配合比中的原材料品质存在较大差异时，应及时调整配合比参数以确保混凝土浇筑的连续性。

(2)水下混凝土立模及浇筑施工过程中会受到右岸导流洞出口水流的巨大冲击，且易受到由于左岸导流洞进口处闸门不严密产生的下泄水流冲击，对模板的稳定和混凝土浇筑造成影响。针对这种情况，在围堰外修筑了一个挡流用的丁坝，将急流的水头减小，使围堰施工处于一个接近静水的环境。浇筑前，派潜水员用高压水枪将底板上的淤泥清理干净。

(3)由于混凝土在浇筑过程中不能振捣，主要靠混凝土的自重压力自行密实，故无法直观了解到浇筑情况[5]。浇筑前，由专业的试验检测人员对混凝土拌和物的性能进行检测并确认，并对导管进行闭水试验、流畅性试验，在导管内放置一个用于排水排气的球，用混凝土将球压出(混凝土加压管内的气压将管内的水和气体一起排出)。放料过程中，应严格控制放料的连续性和均匀性。

(4)采用预冷混凝土，埋设冷却水管，按照相关规范及设计要求实施温控。

(5)为保证结构物的运行安全，混凝土浇筑完成后应严格按照设计要求实施封堵灌浆。

(6)鉴于水下混凝土浇筑的工序复杂，浇筑过程因人为原因造成质量事故的可能性极高，因此，施工前必须对每个参与施工的员工进行质量技术交底，并在浇筑过程中加强对现场质量的巡查和监督管理工作。

4.2 施工质量

锦屏一级水电站左岸导流洞出口围堰采用导管法水下自密实混凝土施工，历时7 d，所浇筑的混凝土总量约为5 000 m3。采用调整后的水下自密实混凝土配合比进行围堰施工，整个浇筑过程连续、均匀，浇筑质量得到有效控制。所拌制的混凝土和易性、黏聚性、流动性较好，浇筑过程中无泌水、离析、堵管现象。对于混凝土硬化性能方面，其抗压强度、抗冻性、抗渗性均满足设计要求，围堰施工完成后无渗漏。左岸导流洞封堵施工期间，基坑内基本无渗水。围堰施工完成后，采用声波法对混凝土结构进行了检查，围堰整体结构密实，无空洞、蜂窝、断层、裂缝等质量缺陷。水下自密实混凝土检测结果见表7。

表7 水下自密实混凝土检测结果表

5 结 语

水下自密实混凝土作为一种新兴的混凝土技术，通过采用适宜的配合比和施工工艺，能够保证混凝土的施工性能及浇筑质量。水下自密实混凝土在锦屏一级水电站左岸导流洞出口围堰中的实际应用取得了以下成果：

(1)配合比设计时，应对各种原材料进行优选，通过采用中热水泥、掺加适量的掺合料(如粉煤灰)、使用高性能减水剂等技术手段，可以设计出性能良好、经济合理的配合比。

(2)配合比设计时，其不仅应满足设计指标，还应重点考察混凝土的施工性能，且其施工性能应与施工工艺相匹配。

(3)大体积水下混凝土应采取预冷混凝土，在混凝土中埋设冷却水管并通水冷却。还应埋设混凝土温度监测设备，密切监控混凝土的内外温差，以便于即时调整冷却水的流量、温度及通水时间。

(4)浇筑过程中，为减少水流对浇筑部位的扰动，应采取一定的保护措施，使浇筑部位周围处于静水状态。此外，采用导管法施工时，其导管直径、间距、拔管速度等工艺参数对混凝土施工质量的影响较大，应通过探索找出适宜的施工参数。