膠凝砂礫石壩在水庫工程建設中的應用

程 軍

(新疆源偉建設工程有限公司,烏魯木齊 835000)

0 引 言

膠凝砂礫石壩是在碾壓混凝土重力壩和面板壩基礎上出現的一種新型結構,其以膠凝砂礫石為主要的筑壩材料,通過土石方運輸機械和壓實機械輔助施工。膠凝砂礫石材料抗剪強度因水泥的膠凝作用而顯著增強,故其壩體斷面可大大縮小;因可展開土石壩連續施工,故施工工期得以縮短,施工費用也相應減少。膠凝砂礫石壩的設計原則與重力壩基本一致,根據應力標準及穩定條件確定壩體剖面。結合國外實踐經驗,將水和膠凝材料摻加至河床砂礫石及開挖廢棄料等巖石基材內,拌和均勻后應用于工程實際,可實現工程廢料的資源化利用,經濟效益和環境效益十分優異。

膠凝砂礫石壩在國內水利水電工程中的應用較少,且膠凝砂礫石材料滲透溶蝕性能也鮮見相關報道。為此,文章依托水庫工程實際,對膠凝砂礫石材料性能展開試驗,并對膠凝砂礫石壩施工問題展開研究,以資借鑒。

1 材料性能試驗

1.1 試驗材料

通過正交試驗具體對水利水電工程膠凝砂礫石材料所實際具備的強度、滲透性、溶蝕性等物理力學指標展開客觀驗證與分析。具體而言,出于簡化試驗過程,節省試驗成本方面的考慮,以水利水電工程河床所分布的天然砂礫混合料為試驗用原材料,此類材料對應的砂率指標主要位于24%～52%之間。為保證試驗過程順利展開以及試驗結果的準確可靠,還必須在試驗前應試驗材料中所包含的粒徑>15cm的大塊礫石材料全部剔除,經過篩分過程進行砂率指標的優選后展開相關參數試驗。篩分后的原材料主要為中砂,細度模數為2.5,粒徑在5～150mm之間連續分布,粒徑5～20mm:粒徑20～40mm:粒徑40～80mm:粒徑80～150mm=2:3:3:2。水泥則選用強度等級P.O42.5的普通硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥性能參數取值情況,見表1;Ⅱ級粉煤灰性能,見表2;高效減水劑性能,見表3。根據結果,主要材料性能均符合規范。

表1 普通硅酸鹽水泥性能參數取值情況

表2 Ⅱ級粉煤灰性能

表3 高效減水劑性能

1)強度試驗。采用L16(42)正交表展開正交試驗,初擬材料用量為水泥和粉煤灰各為40kg/m3,水為70kg/m3,減水劑按照水泥用量的0.8%摻加;砂率21%。試驗開始前制備長×寬×高為40×40×40cm的抗壓試件和20×20×20cm的抗剪試件?？箟簭姸仍鲩L曲線,見圖1;膠凝砂礫石材料抗壓強度及抗剪強度,見表4。圖1中Y為抗壓強度,X為齡期,R為相關系數,表明抗壓強度和齡期之間存在顯著的線性關系。

圖1 抗壓強度增長曲線

表4 膠凝砂礫石材料抗壓強度及抗剪強度

2)滲透溶蝕試驗?？紤]到該試驗過程中所選用的膠凝砂礫石料內集料并沒有按照規范所規定的沖洗流程展開相應篩分處理,故相關材料所實際具備的抗滲性能顯然不良,此外,相應的膠凝材料的實際摻配量遠小于規范所規定的下限值。這種情況再加上較高的粉煤灰摻配量,故所形成的水化物中CaO含量自然較低[1]。

試驗前制備長×寬×高為40×40×40cm的4個試件,編號為1#～4#?？紤]到膠凝砂礫石在水庫工程中承受的水力梯度并不大,為加快試驗進程,以2.0MPa的水壓力展開試驗,并以去離子水為滲透水。采用化學滴定法檢測滲透溶出液中的CaO含量[2]。試件溶蝕前后抗壓強度對比,見表5。

表5 試件溶蝕前后抗壓強度對比

此外,還對膠凝砂礫石材料展開了抗彎強度、劈裂抗拉強度、抗壓彈性模量、干縮及抗凍性能、極限拉伸強度等試驗,根據試驗結果,膠凝砂礫石材料工程性能優異。

1.2 設計強度和配合比

本研究所涉及的水庫工程因壩體結構及實際情況較為特殊,故應加強壩體強度等級的控制,壩體最大壓應力及基坑抗滑穩定計算結果,見表6。

表6 壩體最大壓應力及基坑抗滑穩定計算結果

為確保膠凝砂礫石強度及性能的穩定性,提出以下配合比設計方法:從料場選取原材料試樣展開篩分試驗,根據試驗結果繪制砂礫石級配包絡線,得出最粗、最細級配及級配均值;砂礫石集料采用粒徑5～20mm、粒徑20～40mm、粒徑40～80mm、粒徑80～150mm等4個級配配制;為保證膠凝材料用量,必須確定設計齡期不同級配抗壓強度與用水量的關系,并保證平均級配膠凝砂礫石最小強度>配置強度,最細級配膠凝砂礫石最小強度>設計強度[3]。

按照《水工混凝土試驗規程》(SL352—2020)成型試件,將拌制好的膠凝砂礫石過40mm篩檢測濕篩稠度值;同時成型長、寬、高均為150mm的立方體試件,按照兩層振搗密實。參照試驗規程中相關要求展開C20富漿膠凝砂礫石試驗,將拌制好的膠凝砂礫石過40mm篩檢測塌落度;同時成型長、寬、高均為150mm的立方體試件,通過振動臺振搗成型。

2 工程應用

某中型水庫于2020年開工建設,次年5月建成蓄水。壩基砂礫石覆蓋層深厚,料源豐富,級配較好,所涉的開挖施工方量也較大。按照工程所在省水利水電勘測設計研究院的設計方案,大壩主體采用膠凝砂礫石材料,上游壩面、齒槽及墊層均采用富漿膠凝砂礫石材料;工程前期研究及技術咨詢任務由中國水利水電科學研究院結構材料研究所承擔。

結合工程現場實際情況,直接以壩址區河床砂礫石料為膠凝砂礫石母材,因材料含水量較大,在拌和前必須堆放一段時間。就施工工藝而言,由滾筒式攪拌機拌和,自卸車上料,反鏟式挖掘機攤鋪,振動碾壓。在正式施工前必須展開現場試驗,確定出膠凝砂礫石材料配合比以及拌和工藝、振動碾壓速度及遍數等參數取值。

2.1 施工工藝

該水庫大壩工程采用連續滾筒式攪拌機進行膠凝砂礫石材料拌和,該設備可拌和粒徑在150mm及以下的混合料,額定生產能力200m3/h;配備有靈敏的計量系統,拌和時間及拌和量等均能精確調節;拌和均勻性及質量有保證。

該中型水庫膠凝砂礫石壩主要采用碾壓為主、振搗為輔的施工方式,具體而言,通過20t自卸車運料入倉,以機械方式攤鋪后,在人工的配合下平倉;再安排20t的振動碾對相應結構面展開碾壓并最終達到密實狀態。壩體施工期間,應保證保護層富漿膠凝砂礫石和壩體碾壓膠凝砂礫石同步升高,并在初凝前覆蓋膠凝砂礫石面層。對于因未及時覆蓋而形成施工縫的情況,應通過高壓水槍沖毛后鋪筑一層15mm厚的水漿比為1:3的水泥砂漿或水泥凈漿。

該水庫工程大壩混凝土按照設計要求澆筑后振搗的過程必須嚴格區分壩段進行,入倉的形式具體采用反鏟的做法。待壩面膠凝砂礫石材料達到初凝狀態后,借助高壓水槍將相應位置沖毛,同時在所對應的冷縫結構中灌注和攤鋪事先所制備好的水泥砂漿材料,并按要求振搗密實。

大壩溢流面所實際對應的防護形式主要選擇常態混凝土這種常見的施工材料,等到全部完成該水庫大壩膠凝砂礫石混合料攤鋪碾壓施工等任務和過程后,采取相應手段和工具鑿毛下游表面對應的結構,按照相應的間距以及形狀植筋。為取得較好的加固效果,鋼筋材料在膠凝砂礫石結構中對應的植入深度必須嚴格控制。在以上工作均完成的基礎上,展開該水庫大壩相應位置處外部常態混凝土的澆筑施工。

2.2 質量監控

為保證該中型水庫膠凝砂礫石壩施工質量,嚴格按照規范中所規定的監控思路展開該水庫大壩施工過程的監測與控制。具體而言,為在簡化監測流程的同時加強監測效果,在施工開始前分別在關鍵點處設置無線基站,作為總控點。此外嚴格根據該水庫工程壩體施工擬采用的膠凝砂礫石材料的控制要求,借助當前水利工程施工領域較為常見的超寬帶物聯網技術,分別對混凝土配合比設計、拌和站生產能力設定、攤鋪及碾壓施工方案及參數確定等展開實時監控[4],切實保證生產質量。

除采取以上控制措施外,工程管理部門還在施工期間跟蹤監測倉面碾壓過程和相關質量。與此同時,還嚴格按照規范中所推薦的灌水法展開對該大壩混凝土填筑及碾壓后實際平整度和密實度的檢測;同時應用落球法對水泥混凝土實際的碾壓施工質量展開綜合檢測與評定。以上檢測過程均屬于無損檢測,為驗證檢測結果的準確可靠性,還結合以上結果,對平整度、壓實度取值較低的部位展開鉆孔取芯。根據所得到的測試值,該水庫壩體施工質量完全達到要求。針對其中突出存在的砂礫石細度模數、空氣濕度、場地限制等情況所引起的砂礫石含水率較高的情況,施工現場必須根據施工要求增加膠凝材料用量,以保證混合料質量性能。富漿膠凝砂礫石入倉前在倉面處加漿拌和,確保裹漿均勻。

2.3 工程投資

在采取膠凝砂礫石壩體結構后,與該水庫原壩型相比,壩體總施工方量并未增加,但工程總投資比原方案的830.98萬元節省了105.41萬元,材料試驗、拌和設備及質量控制方面的費用均較原方案有一定程度節省,綜合投資節省率為12.69%,經濟效益顯著。

3 結 論

綜上所述,該中型水庫工程采用膠凝砂礫石壩后,壩體穩定性提升,壩體應力分布得以改善;因膠凝砂礫石壩中水泥用量減少,預期絕熱溫升顯著降低,壩體混凝土施工質量得到較好保證。此外,膠凝砂礫石材料具備較好強度和抗沖刷性能,可以在土石壩壩頂設置溢洪道,為樞紐建筑物及施工導流足夠空間。最后,該水庫工程膠凝砂礫石壩通倉碾壓施工,鋪筑工效較高,有助于工期節省,使水庫工程效益得以提前發揮。當前,該中型水庫已經成功度汛,充分體現出膠凝砂礫石壩在水利水電工程中的應用優勢。