東莊水利樞紐膠凝人工砂石圍堰碾壓試驗

董功華

(中國水利水電建設工程咨詢西北有限公司,西安 710100)

0 前 言

人工砂石膠結材料筑壩技術作為中國原創筑壩技術,施工中一般采用反鏟等設備進行簡易拌和,攤鋪后通過振動液化,即達到密實的理想條件,具有筑壩材料就地取材、膠凝材料用量較低、施工工藝相對簡單、施工速度較快的優勢。近年來在諸多學者、工程人員的創新研究和工程實踐應用下,不斷取得技術突破[1-6]。陜西省東莊水利樞紐工程上游圍堰位置地形狹窄,開挖料可利用價值較大,具有建設膠凝人工砂石圍堰的良好地勢地形及施工條件。本文結合東莊水利樞紐工程上游膠凝人工砂石圍堰碾壓試驗,分析確定膠結人工砂石適宜的各施工參數,為后續圍堰填筑施工提供相關技術支撐,也為類似工程建設應用提供相關參考。

1 工程概況

東莊水利樞紐工程上游膠凝人工砂石圍堰使用年限為2.5 a,圍堰建筑物級別為4級,初期導流采用10年一遇洪水標準[7]。

圍堰堰前水位638.02 m,堰頂高程639.20 m,最大堰高55.2 m,圍堰頂寬7 m,最大斷面底寬62.22 m,堰頂長72.8 m。堰頂采用1 m厚C2810W2加漿振搗膠結料,上游防滲層采用C2810W6加漿振搗膠結料,頂部寬1 m,底部寬2 m;堰體內部采用C4W2膠結料;下游保護層采用C2810W2加漿振搗膠結料,厚度1 m;基礎墊層采用1 m厚C2810W6加漿振搗膠結料。圍堰采用碾壓澆筑,現場壓實度指標按≥98%控制(達到工藝試驗規定碾壓遍數后,能基本泛漿),圍堰膠凝人工砂石總方量約6.7 萬m3,其中C2810W2 加漿振搗膠結人工砂石2 948 m3,上游圍堰典型剖面詳見圖1。圍堰正式填筑施工前,需進行相關碾壓工藝試驗,通過試驗,確定上游圍堰碾壓膠凝人工砂石料實施的配合比、施工設備、施工工藝、施工方法,以及變態人工砂石料水泥凈漿配比和施工工藝,為上游圍堰碾壓膠凝人工砂石料填筑施工提供相關技術指導。

2 試驗目的

根據SL 678-2014《膠結顆粒料筑壩技術導則》規定,在上游圍堰膠凝砂礫石材料填筑正式施工前,應結合現場倉面進行膠凝人工砂石料碾壓工藝試驗。試驗目的是檢驗承包人的管理水平、施工機械設備和生產系統性能、工人操作熟練程度、施工工藝和參數的合理性。同時驗證配合比在現場條件下的可操作性、膠凝人工砂石的抗分離性、VC值變化與環境關系、碾壓遍數與密度的關系。測試膠凝人工砂石各項力學指標,與設計值進行對比分析[8]。

3 工藝試驗準備

3.1 配合比試驗

結合配合比參數中的α≥1、β≥1 的要求,考慮一定的富裕度空間,現場對初選原材料進行了最粗、最細和平均級配3種粗骨料級配下,膠凝材料 83 kg/m3,砂率 30%作為推薦膠結料配合比的基本參數,開展相關試驗工作,并進行加漿振搗試驗。通過試驗結果和數據對比分析,所有參數的實際強度值均滿足設計強度指標 C4的配制強度,選擇的碾壓膠結料在按體積比 8%的加漿振搗后,抗壓強度滿足 C10 的配制強度要求,抗滲等級均達到 W6 以上,滿足設計指標要求[9-11]。2021年11月5日召開的上游圍堰膠凝人工砂石配合比及相關工藝試驗專家咨詢會,根據專家咨詢意見,對配合比各項參數進行了優化。并于2021年12月,在原材料最終的基礎上,完成了配合比最終確定(見表1)。

表1 最終確定膠凝人工砂石配合比推薦參數

3.2 技術準備

開工前,施工單位報送了《上游圍堰膠凝人工砂石碾壓試驗大綱》(以下簡稱“大綱”),監理主要對大綱中原材料檢驗、試驗機具、試驗內容、試驗方法和質量檢測等內容進行了重點審核,并組織召開了《大綱》評審會議,根據會議精神完成了對《大綱》的批復,試驗開始前,組織相關人員進行了技術交底工作。

3.3 原材料

水泥為甲方提供的P.O42.5 普通硅酸鹽水泥,粉煤灰為甲方提供的F 類Ⅰ級粉煤灰,水泥、粉煤灰及外加劑各項指均符合規范及設計要求。上游圍堰碾壓填筑膠凝砂石料主要有位于右岸的膠凝人工砂石拌和系統生產,其中砂石骨料共需約6.6萬m3,主要采用開挖壩肩槽渣料,開挖料經改造后的右岸砂石加工系統3加工處理后各項參數滿足設計要求,且成品料堆儲量滿足膠凝人工砂石料的高峰生產強度需求。人工砂石料的品質應符合下列規定[12]:

(1) 人工砂石宜質地堅硬,其表觀密度應不小于2 450 kg/m3;

(2) 人工砂石最大粒徑不宜超過150 mm;

(3) 人工砂石的含水率應相對穩定,拌和時其中砂子的含水率不宜大于6%;

(4) 人工砂石中的含泥量不宜超過5%,泥塊含量不宜超過0.5%,并避免泥塊集中;

(5) 人工砂石中粒徑小于5 mm 的砂料含量宜在18%～35%,粗骨料中粒徑為5～40 mm 的含量宜為35%～65%。

4 工藝試驗過程

4.1 試驗場地選擇

膠凝人工砂石現場試驗是圍堰填筑前的場外試驗,模擬實際施工條件進行現場碾壓試驗。試驗地點在1號渣場適當位置,場地尺寸為20 m×20 m(長×寬),具體布置如圖2所示。

圖2 碾壓試驗區 單位:m

4.2 試驗過程

為調高施工質量,東莊水利樞紐工程人工砂石圍堰打破常規的反鏟簡易拌和,現場專門布置一套設備生產能力不低于200 m3/h的膠凝人工砂石拌合系統進行機械拌和。試驗區沿高度方向共劃分為2大升程層,每個大升層分A、B、C 3個區,碾壓層厚分別采用A區 50 cm、B區60 cm、C區70 cm(見圖3),本次碾壓試驗分兩次進行,填筑膠凝人工砂石料方量 612.5 m3。

圖4 層間鋪筑1～2 cm厚的砂漿

圖5 膠凝人工砂石料碾壓

第1次碾壓試驗 11 月 3 日 13:37 開倉澆筑,11 月 3 日 16:17 收盤,澆筑歷時 2 h 40 min, 共澆筑混凝土 265 m3。碾壓層厚分別采用 50、60、70 cm 3個條帶各澆筑 1 層,投入 3 輛自卸車運輸,運距約 350 m?；炷疗骄雮}強度為 110.4 m3/h。

第一大升程碾壓層碾壓完成間歇7 d后,再進行第二大升程層施工,澆筑前層面按施工縫處理,鋪設1～1.5 cm水泥砂漿,并盡快在其上覆蓋碾壓膠凝人工砂石料,掌握砂漿攤鋪工藝。第2次試驗碾壓試驗 11 月 11 日08:59 開倉澆筑,11 月 11 日 20:54 收盤,澆筑歷時 11小時55分,共澆筑混凝土 347.5 m3。碾壓層厚分別采用 50、60、70 cm 3個條帶各澆筑 2 層,投入 3 輛自卸車運輸,運距約 350 m?；炷疗骄雮}強度為 29 m3/h。

4.3 膠凝人工砂石料性能檢測

4.3.1VC值及損失

膠凝人工砂石料碾壓工藝試驗,出機口VC值控制在3～5 s,根據現場運輸時間、天氣及氣溫狀況,測試膠凝砂石料VC值的損失情況?，F場實測數據反映,試驗時段最高氣溫12.4 ℃,最低氣溫3.0 ℃,平均氣溫7.4 ℃,從出機口到攤鋪后的平均時間間隔32.5 min,VC值平均損失2.15 s,滿足膠凝人工砂石拌和物出機口VC值波動范圍,宜控制為±5 s的設計要求。為保證現場VC值滿足要求,后期圍堰施工過程中根據天氣及氣溫狀況,隨時動態調整膠結料出機口VC值,確保膠凝人工砂石料可碾性。

4.3.2強度試驗

成型150 mm×150 mm(長×寬)試件時,采用濕篩法剔出40 mm粒徑以上的骨料,人工進行翻拌3次,確保拌和物翻拌均勻后裝入試模,后進行標準養護,根據不同齡期要求進行強度試驗。

按以上方法在出機口進行膠凝砂石料的成型和澆筑現場進行變態混凝土的成型,并分別測定其7、14、28 d抗壓強度。強度試驗結果見表2。由表2可知,實測強度均滿足設計強度指標。

表2 強度試驗檢測結果統計表

4.3.3碾壓試驗

現場采用柳工6626E單驅全液壓單鋼輪振動碾進行碾壓,行走速度控制在2.5～4 km,碾壓現場分別對不同鋪層厚度行測試,進行靜碾2遍后動碾6、8遍再加靜碾2遍的組合碾壓遍數試驗[13]。試驗結果見表3。

表3 碾壓遍數與壓實度

根據表3結果,可以得出在碾壓層厚一定的條件下,碾壓遍數越多,壓實度越高(見圖6);在碾壓遍數一定的條件下,碾壓層厚度越薄,壓實度越高(見圖7)。在靜碾2遍+動碾壓6遍+靜碾2遍的組合下,振動行走速度為2.5～4 km/h,碾壓層厚為 70 cm時,壓實度最大為 96.8%小于98.0%的設計要求;碾壓層厚為 60、50 cm壓實度均大于98%,滿足要求;在靜碾 2 遍+動碾壓 8 遍+靜碾 2 遍的組合下,碾壓層厚為 70 cm 時壓實度為 97.5%,不滿足要求,碾壓層厚為 60、50 cm 時均滿足要求。

圖6 碾壓遍數與壓實度的關系曲線

圖7 碾壓層厚度與壓實度的關系曲線

本次碾壓機具選用柳工6626E-單驅26 t全液壓單鋼輪振動碾,根據各項檢測指標顯示,選用機具行走速率、激振力等各項指標滿足相關設計要求。最終推薦鋪料厚度按66 cm控制,碾壓遍數按靜碾2遍+動碾6遍+靜碾2遍控制。

4.3.4沖毛時間確定

第1次碾壓試驗鋪料完成時間為11月3日16:17,現場碾壓完成時間18:50,第1次沖毛時間為11月4日14:20,距碾壓完成后歷時19小時30分,沖毛機壓力35～40 MPa,沖毛時出現拉槽現象,表明沖毛時間過早,第2次沖毛時間為11月5日上午8:00,距碾壓完成后歷時37小時10分,沖毛機壓力35～40 MPa,沖毛效果較好,沖毛后粗細骨料外露。

根據現場兩次沖毛效果及間隔時間得出,近期由于氣溫在2～15 ℃,沖毛機壓力35～40 MPa,沖毛時間間隔控制在30～38 h比較合適,后期隨著氣溫的升高可適當調整間隔時間。

4.3.5變態料加漿量確定

按照《大綱》現場變態料的加漿按照試驗室確定的不大于8%的基礎上采用5%、6%兩種加漿量控制,漿液比重1.8,第1層澆筑左側模板邊1 m范圍采用5%加漿量,右側模板面采用6%加漿量。第2層澆筑左側模板邊1 m范圍采用5%加漿量,右側模板面采用機制變態料。第3層澆筑左側模板邊1 m范圍采用5%加漿量,右側模板面采用機制變態料?；炷琳駬v全部采用?100高頻振搗器。

根據現場可振搗性及振搗拆模后的混凝土外觀,加漿量為5%的區域能滿足振搗性能需求,但拆模后麻面、氣泡較多,外觀質量較差。加漿量為6%的區域及機制變態區域能滿足振搗性能需求,拆?；炷撩婢植坑猩倭繗馀?外觀質量較好。

5 結 論

本次試驗采用擬用于堰體施工的相同設備、施工工藝和原材料進行,通過試驗進一步檢驗了施工現場的管理水平、施工機械設備和生產系統性能、工人操作熟練程度、施工工藝和參數的合理性;同時也驗證了膠凝人工砂石料配合比在現場條件下的可操作性、膠凝人工砂石的抗分離性、VC值變化與環境關系、碾壓遍數與密度的關系,測試了膠凝人工砂石各項力學指標,為后續圍堰施工提供技術指導。形成結論如下:

(1) 膠凝人工砂石料拌制采用單倉滾筒混凝土拌和站,拌合形式為混合料、水泥、粉煤灰、外加劑同時連續投料、連續攪拌、連續出料的方式,出料最高強度達200 m3/h,強度不能滿足施工強度需要時,可采用挖掘機現場拌制補充,渣料需要剔除粒徑較大的塊石。

(2)VC值按照3～5 s進行控制,后期隨著氣溫的升高可適當調整,確保膠凝人工砂石料的可碾性。

(3) 鋪料厚度按66 cm控制,振動碾行走速度結合設備性能確定為2.5～4.0 km,碾壓遍數為靜碾2遍+動碾6遍,最后收倉面可增加靜碾2遍,確保收面平整[14]。

(4) 根據現場兩次沖毛效果及間隔時間得出,近期由于氣溫在2～15 ℃,沖毛時間間隔控制在30～38 h之內比較合適,沖毛機壓力35～40 MPa,后期隨著氣溫的升高可適當調整間隔時間。

(5) 原配合比中加漿量8%偏大,后續圍堰施工采用加漿量6%變態料或機制變態料進行上游面防滲區、模板周邊及左右岸巖體交接部位的澆筑,隨碾壓料VC值的波動可適當進行調整[15]。

(6) 70 cm條帶區平均沉降量為7.22 cm,60 cm條帶區平均沉降量為6.52 cm,50 cm條帶區平均沉降量為6.45 cm。由于現場采用反鏟平料,表面平整度差,且每一層的測點位置存在偏差,導致測出的沉降量誤差較大,后續在圍堰施工過程中,需增加平倉機,已提高平倉表面平整正度,結合圍堰施工再次沉降量進行檢測分析。