堆石混凝土在延庆赛区造雪引水工程中的应用

李 琦，俞维民，邓文业

(1.长江水利委员会水文局，湖北 武汉 430010；2.长江设计集团有限公司，湖北 武汉 430010；3.福建省金鹰建设工程有限公司，福建 漳州 363100)

0 引言

2022年冬奥会及冬残奥会延庆赛区，即国家高山滑雪中心，位于北京市延庆区张山营镇小海陀山地区。延庆赛区造雪引水系统是国家高山滑雪中心的重要组成部分，通过新建塘坝、水池、泵站、输水管线，将外部调水输送到造雪系统前调蓄水池，为国家高山滑雪中心的顺利造雪提供水源保障。工程范围包括1290m高程蓄水池、1050m高程塘坝及泵站、900m高程塘坝及泵站、调水输水管线、基流输水管线等。

1050m高程塘坝、900m高程塘坝采用了堆石混凝土。本文以1050m高程塘坝为例介绍堆石混凝土应用。1050m高程塘坝在海拔高程1050m附近佛峪口沟左侧一支沟上修建，用于调蓄通过管廊输送到赛区的造雪用水。水库总库容9.9万m3，正常蓄水位以下库容9.3万m3，死库容0.15万m3。1050m塘坝是冬奥供水的主干建筑物之一，主要挡水建筑物为堆石混凝土重力坝，最大坝高为58m，建筑物等级为3级。1050m高程塘坝混凝土总量52330m3，其中C15堆石混凝土38885m3。

为确保2019年冬季滑雪测试赛的按期举行，采用了3m厚层RFC浇筑工艺[1]，只用5.1个月时间完成全坝混凝土浇筑。堆石混凝土快速筑坝技术在1050m高程塘坝得到了充分展现。

1 宜材适构的工程设计

(1)1050m塘坝位于奥运村以北佛峪口沟左侧一支沟，属于中山狭谷地貌。该沟谷主要走向NE，属于“V”形谷，沟谷长约3.4km，谷底纵坡约18.8%，流域面积约1.7km2。坝址处沟谷地面高程约1005～1020m，沟谷两侧山体形态不对称。两岸山体岩性以燕山晚期侵入花岗岩为主。

(2)由于1050m高程塘坝库区为小支沟，库容较小，而土石坝体积较大，若采用土石坝坝型则会进一步缩小库容，无法满足调蓄容量要求。本工程位于松山国家自然保护区试验区周边，生态环境保护要求较高。若采用土石坝坝型，大量土石料开挖会破坏山体，污染环境。所以不适合土石坝坝型。

(3)混凝土坝为大体积混凝土，若采用常规混凝土筑坝，为减少水化热需采用三级配或四级配大骨料，且应增加骨料预冷、加冰拌和、坝体通水冷却等温控措施。由于拌和系统粉尘、污水、噪音排放较大，出于环境保护的要求，工程区内不允许新建拌和楼。工程区周边现有拌和楼只能生产二级配以下常温混凝土，即城市建设中常用规格的混凝土。对现有拌和楼进行改建、扩建以增加大骨料预冷混凝土拌制功能不切合实际，且难以通过审批。工程区为干旱缺水地区，唯一的水源是佛峪口沟水，为保证佛峪口沟的生态流量，禁止从沟中取水。施工用水需从工程区10km外用酒水车运达。如果实施坝体通水冷却，需安装冷水机组，并大幅增加施工用水，从而增加施工成本。所以不适合常规混凝土坝型。

(4)堆石混凝土是利用高自密实性能混凝土填注堆石体的空隙，形成完整、密实、具有设计强度的大体积混凝土，是一种新型筑坝材料。依据SL 678—2014《胶结颗粒料筑坝技术导则》，堆石混凝土有足够的强度和抗冻抗渗性能，适用于中小型水利水电工程，一般坝高在70m以下，超过70m时须进行专题论证；堆石混凝土由于胶凝材料用量低，绝热温升低，可不采用预冷骨料、加冰拌和、坝内埋冷却水管等温控措施[2]。本工程为库容小于10万m3的塘坝工程，且最大坝高为58m，可直接采用堆石混凝土。本工程坝基开挖可获得质地较好的花岗岩大块石，用作堆石体，不足部分可从工程区外的采石场购买。高自密实性能混凝土属于一级配常温混凝土，工程区周边现有拌和楼可以生产。根据建筑物功能要求，坝址区的地形、地质条件，以及现场施工条件，设计选用堆石混凝土重力坝坝型。

(5)坝体中间主体部分采用C15(R90W4F150)堆石混凝土。为增强坝体稳定和抗渗性能，坝基垫层采用2m厚C25(R90W10F300)二级配素混凝土，迎水面、背水坡均采用1m厚C25(R90W10F300)二级配钢筋混凝土面板。迎水面1020m高程以上为直立面，迎水面1020m高程以下为1∶0.20坡面。背水面1043m高程以下为1∶0.75坡面，背水面1043m高程以上由圆弧过渡到直立面。坝顶长度77m，坝顶宽度5m，不设纵缝，设2条横缝，分3个坝段。坝面不过流，水库通过溢洪竖井和溢洪洞溢流。

2 快速高效的坝体施工

2.1 浇筑层厚选择

2.1.1生产性试验开展

2019年4月23日，1050塘坝建基面通过联合验收，具备首仓混凝土备仓条件。由于测试赛的要求，1050塘坝混凝土必须在2019年9月底完工。仅5个多月时间需完成58m坝高的混凝土浇筑，坝体平均每月上升高度将超过11m，工期非常紧。技术导则中建议堆石铺填分层厚度宜为1.5～2.0m，因为层厚大于2m的工程经验不多[2]。若按此厚度施工难以按期完成。为提高堆石混凝土坝的施工速度，需开展生产性试验，研究在不影响质量、安全的前提下提高堆石混凝土升层厚度的可行性。

选择最初施工的3仓堆石混凝土作为试验仓，升层厚度分别设置为2.0、2.5、3.0m。通过对其密实度和综合性能的原位检测、对比与评价，论证厚层浇筑工艺的可行性。此外，通过试验仓浇筑，对现场试验的生产效率、机械人工配置等进行统计，为后续进度计划安排提供依据，为测算堆石混凝土施工综合成本提供基础数据，为坝体正式施工奠定基础。

2.1.2试验仓的质量验证

试验仓浇筑时，在仓面埋设土压力盒，测量高自密实性能混凝土在浇筑过程中对仓面作用力变化情况，并根据实时监测的数据分析仓面浇筑混凝土的密实度及浇筑质量。预埋坝体温度计对堆石混凝土内部水化温升进行监测，得到堆石混凝土试验段水化温升的实测数据。

堆石混凝土硬化后进行钻孔检测，主要包括压水试验、孔内电视、孔内声波及混凝土芯样检测。总钻孔长度为30m，压水试验检测堆石混凝土抗渗性，孔内电视、孔内超声波检测堆石混凝土密实性。经对混凝土芯样观察和检验，骨料分布均匀密实，局部有0.3mm的气泡，块料周围结合紧密，抗压强度满足设计要求。对粉尘、石块码放等影响因素最不利的部位进行堆石混凝土试验块(2.4m×1.2m×1.2m)取样检验，用绳锯切割查看其内部情况。通过观察，骨料分布均匀，石料周围包裹严密，快易收口网两侧结合密实。

总体上，3个试验仓各项质量检测指标均符合设计要求。试验结果表明，在施工资源配置满足要求的条件下，采用3m升层浇筑堆石混凝土能保证施工质量，且每仓混凝土的循环作业时间为5天，能保证施工进度。

2.1.3坝体分层

根据试验结果，同意最大分层厚度为3m。考虑浇筑工艺、结构尺寸转折点、特殊部位等因素，将坝体共分为25层，其中第1层为垫层，第25层为1m厚常态混凝土覆盖层，平均层厚2.32m，最大层厚3m。在廊道底部、复杂建筑物底部都进行了分层，为构筑物施工提供方便。

2.1.4注意事项

宽度较窄的结构部位(如宽度小于3m)不宜采用3m厚层浇筑。为避免大块石紧贴模板或快易收口网，堆石体四周不可能垂直堆码，有一定坡度，即留有空隙。堆石越高则空隙越大，从而减少堆石率，增大水化热，可能产生混度裂缝。

2.2 预制混凝土廊道拱圈施工

坝体内布置有基础灌浆廊道。若大块石直接堆码在廊道拱形钢模或木模上，堆石过程可能撞击模板致其变形，而且大块石紧贴模板可能造成拆模后块石外露。若现浇一定厚度的常规混凝土廊道拱圈，待拱圈达到足够强度后在其周围进行堆石混凝土施工，则拱圈的备仓、浇筑、等强、拆模需占用直线工期。本工程在场外预制钢筋混凝土廊道拱圈，预制构件吊装到位并固定后，直接在其周围进行堆石混凝土施工，大幅缩短了廊道混凝土施工时间。

2.3 资源配置及组织管理

堆石料采用自卸车运输，人工配合反铲、莲花抓入仓作业，每小时入仓可达90m3。采用2座180搅拌楼拌制高自密实性能混凝土，单楼自密实混凝土生产能力为45m3/h。考虑堵车影响配备18台混凝土搅拌运输车。配备3台混凝土泵(2台地泵、1台天泵)，1台仓内布料机，混凝土浇筑量70m3/h。层面冲毛采用3台冲毛机，冲毛35m2/h。钢筋和模板安装几乎不占关键线路时间。平均每仓混凝土的循环作业时间为5d。

监理每日对施工机械及作业人员配置情况进行巡视检查，督促施工单位加强施工设备的维护和管理，确保堆石料运输、入仓、堆码，高自密实性能混凝土生产、运输、入仓、浇筑等各工序连续作业。同时，加强施工安全管理，避免意外事件中断施工。

2019年4月26日，1050塘坝开始浇筑首仓混凝土。2019年9月28日，1050m高程塘坝全线浇筑至坝顶高程1053.4m。仅用5.1个月时间完成全坝混凝土浇筑，平均每月上升11.4m，筑坝速度为国内领先。

3 精益求精的质量控制

3.1 强化培训考核

(1)监理机构定期组织监理人员进行工程技术和业务技能培训，确保每位监理人员熟练掌握设计技术要求、质量控制指标、控制程序和控制方法。

(2)监理机构督促施工单位开展质检员培训和考核，并对质检员的工作成效进行跟踪评价，促使其切实履行质量控制职责。

3.2 堆石质量控制

(1)堆石混凝土所用的堆石料必须质地坚硬、新鲜，不得有水锈、夹泥或裂纹。其物理力学指标要求容重大于26.5kN/m3，饱和抗压强度大于等于40MPa，软化系数大于0.8。石料使用前，应对外观进行检查，并对有关物理力学指标进行检测。

(2)堆石料粒径不能小于300mm，堆石料最大粒径不应超过结构断面最小边长的1/4和浇筑层厚。

(3)堆石料无片状、板状岩块。

(4)堆石料不允许有泥块，同时表面含泥量不应大于0.2%。堆石料若存在含泥量超标则入仓前必须清洗干净并晾干。堆石入仓过程中，应尽量减少碰撞与破碎，及时清理仓内的逊径石块、石渣、泥土等，清理方式可用吸尘器和钢刷。堆石料入仓后严禁用水冲洗仓面和块石。

在对建筑工程进行建设的过程中，水电安装这一工程是非常重要的，在建筑工程中水电安装这项技术决定着人们在居住环境上舒适的程度。若是水电安装的方式在处理上存在着失误，会使建筑工程不能保证安全，更有甚者会侵犯到人们自身和财产的安全。基于此，在建筑中的水电安装技术之中，为了使工程的质量得到提升，使居民在生活上的水平得到有效的提升，对存在着的问题加以解决。

(5)机械设备进入仓面辅助堆石入仓时，应合理规划路线，尽量减少对层面的碾压，每层的运输路线不应相同。

(6)加强仓内堆石体形控制，努力多堆块石，减少高自密实混凝土浇筑量，从而减少混凝土温升，避免产生混凝土温度裂缝。堆石码放时应随机，避免石块面与面结合。

3.3 高自密实性能混凝土原材料质量控制

(1)高自密实性能混凝土优先选用水化热较低的中热硅酸盐水泥，不宜使用铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等凝结速度较快的水泥。

(2)高自密实性能混凝土应使用聚羧酸系高性能减水剂，其品质除应满足GB 8076—2008《混凝土外加剂》高性能减水剂的基本要求外，还应使用现场材料进行标准自密实砂浆试验检测。

(3)严格控制骨料质量。细骨料应重点控制石粉含量、含泥量、含水量等。粗骨料不得含有活性、黄锈和钙质结核，表面应洁净，如有裹粉、裹泥或被污染等应清除。为保证高自密实性能混凝土的流动性，粗骨料针片状颗粒含量较常规混凝土控制更严格，常规混凝土该指标不应超过15%，高自密实性能混凝土该指标不应超过8%。

3.4 高自密实性能混凝土质量控制

(1)高自密实性能混凝土的配合比须使用现场材料由专利方授权的单位通过配合比设计试验获得。配合比设计要求如下：

①配合比设计采用绝对体积法。

③对于仅靠增加粉体量不能满足浆体粘性时，可通过试验确认后适当添加增粘剂以改善浆体粘度。

④在进行配合比设计调整时，应考虑水胶比对混凝土设计强度的影响和水粉比对自密实性能的影响。

⑤C15(R90W4F150)高自密实性能混凝土的水泥强度等级为42.5，水泥用量130～190kg/m3。

(2)高自密实性能混凝土的工作性能可采用坍落度试验、坍落扩展度试验、V形漏斗试验和自密实性能稳定性试验检测，要求坍落度260～280mm，坍落扩展度650～750mm，V型漏斗通过时间7～25s，自密实稳定性≥1h。

(3)高自密实性能混凝土应采用强制式搅拌机进行拌和，与生产常态混凝土相比应适当延长搅拌时间。

(4)高自密实性能混凝土浇筑应保持连续性，浇筑时的最大自由下落高度不宜超过1.5m。

(5)高自密实性能混凝土浇筑过程中应遵循单向逐点浇筑的原则，宜选择“Z”形方式布置浇筑点，浇筑点布置应均匀布置，各个浇筑点间距宜小于3m。

(6)为加强层面结合，堆石混凝土收仓时，除达到结构物设计顶面以外，宜使适量堆石块体高出浇筑面50～150mm，且不超过石块自身高度的1/3。

3.5 模板质量控制

(1)为避免模板拉条干扰仓内堆石施工，上下游坝面采用外撑式悬臂摸板。上下游1m厚常规混凝土与坝内高自密实混凝土之间采用快易收口网分隔，便于2种不同规格混凝土同时浇筑，二者结合紧密，且不越位混杂。快易收口网用钢筋骨架支撑。

(2)堆石过程中避免堆石对模板和快易收口网冲击，堆石后对模板进行校正。浇筑过程中，安排专人检查、维护、调整模板的位置和形态，防止变位、漏浆。

4 工程运行效果

2019年9月28日1050m高程塘坝浇筑至坝顶，10月15日坝基帷幕灌浆完成。工程顺利通过验收。2019年10月29日1050塘坝开始蓄水，11月1日开始向造雪系统输水。2019年11月至2020年3月，延庆赛区举行了第1期滑雪训练和测试赛。2020年11月至2021年3月，延庆赛区举行了第2期滑雪训练和测试赛。2022年2月至3月，北京冬奥会和冬残奥会成功举办，高山滑雪、雪车雪橇等多个竞赛项目在延庆赛区举行。延庆赛区高品质的建筑设施，包括引水设施，赢得国内外广泛赞誉。2022年5月，中国建筑业协会印发建协[2022]20号文，特别授予国家高山滑雪中心(即北京冬奥延庆赛区)2022—2023年度中国建设工程鲁班奖(国家优质工程)。1050m高程堆石混凝土塘坝不仅圆满完成历年造雪引水任务，同时也是一处美丽的风景。

5 结语

通过充分的试验研究，成功将3m厚层浇筑工艺应用于延庆赛区1050m高程堆石混凝土塘坝。通过本工程设计和施工实践，进一步验证了堆石混凝土的诸多优点和适用条件，它具有足够的强度和抗冻抗渗性能，水化热低，施工条件要求较宽松，浇筑速度快。本文同时提出了堆石混凝土厚层浇筑应注意的事项。本文所提方案和措施具有一定的参考价值。加快浇筑速度的措施很多，如进一步优化施工资源配置；加强质量控制的措施也很多，如加强堆石与高自密实性能混凝土结合，加强浇筑层面结合等，受篇幅限制本文没有展开论述。