胶凝砂砾石坝在水库工程建设中的应用

程 军

(新疆源伟建设工程有限公司,乌鲁木齐 835000)

0 引 言

胶凝砂砾石坝是在碾压混凝土重力坝和面板坝基础上出现的一种新型结构,其以胶凝砂砾石为主要的筑坝材料,通过土石方运输机械和压实机械辅助施工。胶凝砂砾石材料抗剪强度因水泥的胶凝作用而显著增强,故其坝体断面可大大缩小;因可展开土石坝连续施工,故施工工期得以缩短,施工费用也相应减少。胶凝砂砾石坝的设计原则与重力坝基本一致,根据应力标准及稳定条件确定坝体剖面。结合国外实践经验,将水和胶凝材料掺加至河床砂砾石及开挖废弃料等岩石基材内,拌和均匀后应用于工程实际,可实现工程废料的资源化利用,经济效益和环境效益十分优异。

胶凝砂砾石坝在国内水利水电工程中的应用较少,且胶凝砂砾石材料渗透溶蚀性能也鲜见相关报道。为此,文章依托水库工程实际,对胶凝砂砾石材料性能展开试验,并对胶凝砂砾石坝施工问题展开研究,以资借鉴。

1 材料性能试验

1.1 试验材料

通过正交试验具体对水利水电工程胶凝砂砾石材料所实际具备的强度、渗透性、溶蚀性等物理力学指标展开客观验证与分析。具体而言,出于简化试验过程,节省试验成本方面的考虑,以水利水电工程河床所分布的天然砂砾混合料为试验用原材料,此类材料对应的砂率指标主要位于24%～52%之间。为保证试验过程顺利展开以及试验结果的准确可靠,还必须在试验前应试验材料中所包含的粒径>15cm的大块砾石材料全部剔除,经过筛分过程进行砂率指标的优选后展开相关参数试验。筛分后的原材料主要为中砂,细度模数为2.5,粒径在5～150mm之间连续分布,粒径5～20mm:粒径20～40mm:粒径40～80mm:粒径80～150mm=2:3:3:2。水泥则选用强度等级P.O42.5的普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥性能参数取值情况,见表1;Ⅱ级粉煤灰性能,见表2;高效减水剂性能,见表3。根据结果,主要材料性能均符合规范。

表1 普通硅酸盐水泥性能参数取值情况

表2 Ⅱ级粉煤灰性能

表3 高效减水剂性能

1)强度试验。采用L16(42)正交表展开正交试验,初拟材料用量为水泥和粉煤灰各为40kg/m3,水为70kg/m3,减水剂按照水泥用量的0.8%掺加;砂率21%。试验开始前制备长×宽×高为40×40×40cm的抗压试件和20×20×20cm的抗剪试件。抗压强度增长曲线,见图1;胶凝砂砾石材料抗压强度及抗剪强度,见表4。图1中Y为抗压强度,X为龄期,R为相关系数,表明抗压强度和龄期之间存在显著的线性关系。

图1 抗压强度增长曲线

表4 胶凝砂砾石材料抗压强度及抗剪强度

2)渗透溶蚀试验。考虑到该试验过程中所选用的胶凝砂砾石料内集料并没有按照规范所规定的冲洗流程展开相应筛分处理,故相关材料所实际具备的抗渗性能显然不良,此外,相应的胶凝材料的实际掺配量远小于规范所规定的下限值。这种情况再加上较高的粉煤灰掺配量,故所形成的水化物中CaO含量自然较低[1]。

试验前制备长×宽×高为40×40×40cm的4个试件,编号为1#～4#。考虑到胶凝砂砾石在水库工程中承受的水力梯度并不大,为加快试验进程,以2.0MPa的水压力展开试验,并以去离子水为渗透水。采用化学滴定法检测渗透溶出液中的CaO含量[2]。试件溶蚀前后抗压强度对比,见表5。

表5 试件溶蚀前后抗压强度对比

此外,还对胶凝砂砾石材料展开了抗弯强度、劈裂抗拉强度、抗压弹性模量、干缩及抗冻性能、极限拉伸强度等试验,根据试验结果,胶凝砂砾石材料工程性能优异。

1.2 设计强度和配合比

本研究所涉及的水库工程因坝体结构及实际情况较为特殊,故应加强坝体强度等级的控制,坝体最大压应力及基坑抗滑稳定计算结果,见表6。

表6 坝体最大压应力及基坑抗滑稳定计算结果

为确保胶凝砂砾石强度及性能的稳定性,提出以下配合比设计方法:从料场选取原材料试样展开筛分试验,根据试验结果绘制砂砾石级配包络线,得出最粗、最细级配及级配均值;砂砾石集料采用粒径5～20mm、粒径20～40mm、粒径40～80mm、粒径80～150mm等4个级配配制;为保证胶凝材料用量,必须确定设计龄期不同级配抗压强度与用水量的关系,并保证平均级配胶凝砂砾石最小强度>配置强度,最细级配胶凝砂砾石最小强度>设计强度[3]。

按照《水工混凝土试验规程》(SL352—2020)成型试件,将拌制好的胶凝砂砾石过40mm筛检测湿筛稠度值;同时成型长、宽、高均为150mm的立方体试件,按照两层振捣密实。参照试验规程中相关要求展开C20富浆胶凝砂砾石试验,将拌制好的胶凝砂砾石过40mm筛检测塌落度;同时成型长、宽、高均为150mm的立方体试件,通过振动台振捣成型。

2 工程应用

某中型水库于2020年开工建设,次年5月建成蓄水。坝基砂砾石覆盖层深厚,料源丰富,级配较好,所涉的开挖施工方量也较大。按照工程所在省水利水电勘测设计研究院的设计方案,大坝主体采用胶凝砂砾石材料,上游坝面、齿槽及垫层均采用富浆胶凝砂砾石材料;工程前期研究及技术咨询任务由中国水利水电科学研究院结构材料研究所承担。

结合工程现场实际情况,直接以坝址区河床砂砾石料为胶凝砂砾石母材,因材料含水量较大,在拌和前必须堆放一段时间。就施工工艺而言,由滚筒式搅拌机拌和,自卸车上料,反铲式挖掘机摊铺,振动碾压。在正式施工前必须展开现场试验,确定出胶凝砂砾石材料配合比以及拌和工艺、振动碾压速度及遍数等参数取值。

2.1 施工工艺

该水库大坝工程采用连续滚筒式搅拌机进行胶凝砂砾石材料拌和,该设备可拌和粒径在150mm及以下的混合料,额定生产能力200m3/h;配备有灵敏的计量系统,拌和时间及拌和量等均能精确调节;拌和均匀性及质量有保证。

该中型水库胶凝砂砾石坝主要采用碾压为主、振捣为辅的施工方式,具体而言,通过20t自卸车运料入仓,以机械方式摊铺后,在人工的配合下平仓;再安排20t的振动碾对相应结构面展开碾压并最终达到密实状态。坝体施工期间,应保证保护层富浆胶凝砂砾石和坝体碾压胶凝砂砾石同步升高,并在初凝前覆盖胶凝砂砾石面层。对于因未及时覆盖而形成施工缝的情况,应通过高压水枪冲毛后铺筑一层15mm厚的水浆比为1:3的水泥砂浆或水泥净浆。

该水库工程大坝混凝土按照设计要求浇筑后振捣的过程必须严格区分坝段进行,入仓的形式具体采用反铲的做法。待坝面胶凝砂砾石材料达到初凝状态后,借助高压水枪将相应位置冲毛,同时在所对应的冷缝结构中灌注和摊铺事先所制备好的水泥砂浆材料,并按要求振捣密实。

大坝溢流面所实际对应的防护形式主要选择常态混凝土这种常见的施工材料,等到全部完成该水库大坝胶凝砂砾石混合料摊铺碾压施工等任务和过程后,采取相应手段和工具凿毛下游表面对应的结构,按照相应的间距以及形状植筋。为取得较好的加固效果,钢筋材料在胶凝砂砾石结构中对应的植入深度必须严格控制。在以上工作均完成的基础上,展开该水库大坝相应位置处外部常态混凝土的浇筑施工。

2.2 质量监控

为保证该中型水库胶凝砂砾石坝施工质量,严格按照规范中所规定的监控思路展开该水库大坝施工过程的监测与控制。具体而言,为在简化监测流程的同时加强监测效果,在施工开始前分别在关键点处设置无线基站,作为总控点。此外严格根据该水库工程坝体施工拟采用的胶凝砂砾石材料的控制要求,借助当前水利工程施工领域较为常见的超宽带物联网技术,分别对混凝土配合比设计、拌和站生产能力设定、摊铺及碾压施工方案及参数确定等展开实时监控[4],切实保证生产质量。

除采取以上控制措施外,工程管理部门还在施工期间跟踪监测仓面碾压过程和相关质量。与此同时,还严格按照规范中所推荐的灌水法展开对该大坝混凝土填筑及碾压后实际平整度和密实度的检测;同时应用落球法对水泥混凝土实际的碾压施工质量展开综合检测与评定。以上检测过程均属于无损检测,为验证检测结果的准确可靠性,还结合以上结果,对平整度、压实度取值较低的部位展开钻孔取芯。根据所得到的测试值,该水库坝体施工质量完全达到要求。针对其中突出存在的砂砾石细度模数、空气湿度、场地限制等情况所引起的砂砾石含水率较高的情况,施工现场必须根据施工要求增加胶凝材料用量,以保证混合料质量性能。富浆胶凝砂砾石入仓前在仓面处加浆拌和,确保裹浆均匀。

2.3 工程投资

在采取胶凝砂砾石坝体结构后,与该水库原坝型相比,坝体总施工方量并未增加,但工程总投资比原方案的830.98万元节省了105.41万元,材料试验、拌和设备及质量控制方面的费用均较原方案有一定程度节省,综合投资节省率为12.69%,经济效益显著。

3 结 论

综上所述,该中型水库工程采用胶凝砂砾石坝后,坝体稳定性提升,坝体应力分布得以改善;因胶凝砂砾石坝中水泥用量减少,预期绝热温升显著降低,坝体混凝土施工质量得到较好保证。此外,胶凝砂砾石材料具备较好强度和抗冲刷性能,可以在土石坝坝顶设置溢洪道,为枢纽建筑物及施工导流足够空间。最后,该水库工程胶凝砂砾石坝通仓碾压施工,铺筑工效较高,有助于工期节省,使水库工程效益得以提前发挥。当前,该中型水库已经成功度汛,充分体现出胶凝砂砾石坝在水利水电工程中的应用优势。