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堆石混凝土筑坝技术在遵义水利工程建设的推广应用

2019年05月28日 来源:  遵义市水务局 陈波

  摘  要:近年来,堆石混凝土筑坝技术广泛应用于国内外各类工程。遵义市是堆石混凝土筑坝技术推广应用较早的地区之一,在工程实践方面取得了一些进展。本文统计了遵义目前已建、在建的堆石混凝土坝的基本情况,从工程技术、质量、造价等方面分析研究了堆石混凝土筑坝技术的优缺点,表明其推广应用前景是广阔的,是一项革命性的建筑新技术。

  1 前言

  堆石混凝土(rock-filled concrete,简写RFC)技术是2003年由清华大学金峰教授和安雪晖教授提出的,以自密实混凝土(self-compacting concrete,简写SCC)技术为基础而发展的一种新型大体积混凝土施工技术,并于2004年取得国家发明专利。

  该技术是建立在自密实混凝土技术基础上,主要利用自密实混凝土的高流动性、高稳定性与抗分离性能好的特点,在大粒径骨料(最大骨料粒径可在300mm以上)内随机充填自密实混凝土而形成混凝土堆石体的一种新型混凝土技术。

  相比较于普通混凝土,堆石混凝土主要优点为:水泥使用量小,绝热温升数值低;造价低;施工速度快,质量有保证;强度高,耐久性好。

  基于上述优点,堆石混凝土技术作为建筑新技术,近年来逐渐推广应用于水利工程建设,特别是坝工建设中。

  2 遵义目前开工建设堆石混凝土坝概述

  遵义市是国内堆石混凝土筑坝技术推广应用较早的地区之一。据统计,2015年至2018年底,全市已开工建设的水库工程一共50座,其中堆石混凝土坝16座,占比为32.0%;目前,已经完建或正在进行堆石混凝土浇筑(以下简称“已建、在建”)的堆石混凝土坝有10座,占比为20.0%。

  2.1 开工建设堆石混凝土坝基本情况统计分析

  开工建设的 16 座堆石混凝土坝基本情况见表1。

  表1 开工建设堆石混凝土坝基本情况统计表

  项目名称

  所在地点

  坝型

  规 模

  总库容

  (万m3

  坝高(m

  坝轴线长m

  坝基垫层

  开仓时间

  堆石砼

  浇筑

  完成时间

  审定概算土建投资

  (万元)

  建设阶段

  打鼓台水库

  余庆县

  重力坝

  小(1)型

  619

  41.0

  198.0

  2016.03

  2017.05

  5881.10

  完工蓄水

  茅坡水库

  红花岗区

  重力坝

  中型

  4890

  43.0

  145.0

  2016.12

  2017.08

  21743.74

  完工待蓄

  万家沟水库

  习水县

  重力坝

  小(2)型

  44.5

  35.0

  101.0

  2017.04

  2018.01

  1982.22

  完工蓄水

  穿家坪水库

  凤冈县

  重力坝

  小(1)型

  616

  23.5

  130.0

  2017.12

  2018.08

  4947.14

  完工待蓄

  绿塘水库

  红花岗区

  单曲

  拱坝

  中 型

  2040

  53.5

  181.4

  2017.12

  2018.11

  19762.66

  完  工

  小乌江水库

  余庆县

  重力坝

  小(1

  423

  47.2

  190.0

  2018.04

  2019.05(计划)

  9243.52

  在  建

  苟江水库

  播州区

  双曲

  拱坝

  小(1)型

  723

  41.0

  127.4

  2018.04

  2019.04(计划)

  9739.99

  在  建

  猫溪沟水库

  正安县

  重力坝

  小(1)型

  956

  44.5

  150.0

  2018.11

  2019.08(计划)

  6221.41

  在  建

  石坝河水库

  仁怀市

  重力坝

  小(1)型

  153

  59.0

  228.0

  2018.11

  2020.03(计划)

  10525.95

  在  建

  蔺家坪水库

  仁怀市

  重力坝

  小(1)型

  127

  33.0

  123.0

  2018.12

  2018.08(计划)

  3014.33

  在  建

  平正水库

  播州区

  重力坝

  小(2)型

  66

  29.5

  140.0

  ——

  ——

  2525.59

  三通一平

  三岔河水库

  务川县

  重力坝

  小(1)型

  180

  61.0

  131.1

  ——

  ——

  9121.67

  三通一平

  富强水库

  道真县

  重力坝

  小(1)型

  367

  48.0

  168.0

  ——

  ——

  5842.17

  三通一平

  太平水库

  余庆县

  重力坝

  小(1)型

  484

  43.5

  191.0

  ——

  ——

  6152.71

  三通一平

  渔溪河水库

  正安县

  重力坝

  小(1)型

  246

  53.5

  123.9

  ——

  ——

  11382.79

  三通一平

  风光水库

  正安县

  双曲

  拱坝

  小(1)型

  157

  48.5

  112.0

  ——

  ——

  3143.91

  已招标

  对表1进行统计分析可得到以下基本结论:

  1.目前采用堆石混凝土筑坝技术的水库工程以小型水库为主(14座、占比87.5%),另有中型水库2座(占比12.5%);坝型以重力坝为主(14座、占比81.3%),另有单曲拱坝1座(占比6.2%)、双曲拱坝2座(占比12.5%)。反映了目前堆石混凝土筑坝技术作为新兴事物,总体上以求稳为主,目前已经可以成熟应用于小型工程规模的重力坝。打鼓台水库是贵州省建设的第一座新建堆石混凝土坝,已建成蓄水运行。

  2.最大坝高均为中坝级别(30~70m)以下,高坝级别应用尚未实际开展。绿塘水库大坝为单曲拱坝,工程规模为中型,是贵州省第一座堆石混凝土拱坝,目前大坝主体土建工程已经完成。此外,桐梓县杨公岩水库为小(1)型水库,大坝为堆石混凝土重力坝,最大坝高65.5m,接近高坝级别;目前已经获得初步设计批复,预计今年主体工程动工,届时将对堆石混凝土高坝级别应用提供进一步实践支撑。

  2.2 已建、在建堆石混凝土坝相关设计参数统计分析

  已建、在建的 10 座堆石混凝土坝工程相关设计参数见表2。

  表2已建、在建堆石混凝土坝相关设计参数统计表

  项目

  名称

  坝基(肩)

  岩性

  混凝土骨料、

  堆石料

  岩性

  混凝土(SCC

  主要设计结构指标

  坝基

  垫层砼

  坝肩

  垫层砼

  防渗结构

  坝体结构

  分缝情况

  设计

  龄期

  d

  抗压

  强度

  Mpa

  抗冻

  指标

  抗渗

  指标

  打鼓台水库

  坝基为灰岩,坝肩下部灰岩、上部页岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W6

  1.0mC15

  普通混凝土

  

  0.8mC20自密实砼

  坝基岩性变化处设坝体横缝2条、防渗层设3道铜片止水

  茅坡

  水库

  灰岩

  灰岩

  90

  C20

  F50

  W6

  1.0mC20

  常态砼

  0.5mC20自密实砼

  0.5mC20自密实砼

  坝体无横缝、

  防渗层设5道铜片止水

  万家沟水库

  泥岩

  灰岩

  90

  C15

  F100

  W6

  1.0mC15

  普通混凝土

  

  

  

  穿家坪水库

  灰岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W4

  1.0mC20普通混凝土

  

  

  

  绿塘

  水库

  灰岩、

  泥灰岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W6

  1.0mC20普通混凝土

  0.5mC15自密实砼

  1.0mC20自密实砼

  坝体无横缝、

  防渗层设6道铜片止水

  小乌江水库

  坝基及

  左坝肩页岩、右坝肩灰岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W6

  1.0mC20普通混凝土

  1.0mC20普通混凝土

  0.5mC15自密实砼

  坝体横缝6条、

  对应防渗层设

  6道铜片止水

  苟江

  水库

  灰岩

  灰岩

  90

  C25

  F50

  W6

  1.0mC20普通混凝土

  1.0mC20普通混凝土

  0.8mC15自密实砼

  坝体横缝6条、

  对应防渗层设

  6道铜片止水;后期取消2

  猫溪沟水库

  灰岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W6

  1.0mC20普通混凝土

  0.5mC15自密实砼

  0.8mC15自密实砼

  坝体横缝2条、

  防渗层设6

  铜片止水

  石坝河水库

  坝基及右坝肩砂岩,左坝肩粉砂岩、页岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W6

  1.0mC20普通混凝土

  0.5mC15自密实砼

  0.5mC15自密实砼

  坝体横缝2条、

  防渗层设7

  铜片止水

  蔺家坪水库

  泥岩、粉砂岩

  灰岩

  90

  C15

  F50

  W6

  1.0mC20普通混凝土

  

  0.8mC15自密实砼

  坝体无横缝、

  防渗层设4道铜止水

  对表2进行统计分析,可得到以下基本结论:

  1.大坝建基面(坝基、坝肩)岩性以硬岩(灰岩、个别项目为砂岩)为主,部分工程为软岩(页岩、泥岩、泥灰岩、粉砂岩)。表明:大坝基础(坝基、坝肩)宜为硬岩,但不是刚性要求,对于软岩基础通过针对性设计处理也是可行的。

  2.混凝土骨料、堆石料岩性均为灰岩。一方面是因为灰岩硬度大、强度高、破碎加工后骨料较饱满且粉尘含量容易控制;另一方面,遵义是石灰岩分布较为广泛地区,据统计石灰岩分布占比 65%以上,对于广泛推广使用堆石混凝土筑坝技术有着得天独厚的条件。

  3.自密实混凝土设计龄期、抗压强度、抗冻和抗渗指标均和普通混凝土坝设计要求类似,说明总体上遵循混凝土坝设计的基本要求,特别是设计龄期均为90天,反映了降低混凝土早期强度、减少水化热以降低温控应力、同时也是减少水泥用量降低投资的需要。自密实堆石混凝土容重通常可以达到2500kg/m3以上;各项力学性能指标均能满足设计要求,特别是在抗压、抗剪强度方面有足够的安全富余系数。堆石混凝土浇筑可适当延长混凝土拌制时间,提高拌合物的质量。

   4.坝基(肩)垫层混凝土设置、防渗结构、坝体结构分缝等设计要求不一。其原因主要是目前水利行业仅发布了《胶结颗粒料筑坝技术导则》(SL678-2014),属于推荐性标准,且该导则关于大坝设计的大多数要求是按照刚性坝相关设计规范执行,并未细化。前述10个工程分别由3家勘察设计单位设计,除了对于河床坝基均设置1.0m厚C15或C20普通混凝土垫层外,对于坝肩混凝土设置、大坝防渗结构、坝体及防渗层分缝各有其设计理念。可以判定坝高40.0m以下的堆石混凝土重力坝,取消坝肩普通混凝土垫层和上游坝面防渗层是可行的,对于加快工期极为有利;坝高40m以上堆石混凝土重力坝,可考虑加大横缝宽度甚至在适当幅度内取消横缝——打鼓台水库大坝仅在坝基岩性变化处设置2道横缝,通过埋设仪器监测坝体堆石混凝土温升情况,成果表明,坝体堆石混凝土浇筑两周之内,因受水化温升影响,其温度达到最高,然后开始缓慢下降,最大温升值9.2℃, 工程建成后全面检查未发现裂缝等异常情况,建成蓄水运行正常;有研究表明,堆石混凝土水化升温低的主要原因是大石能够吸收一部分自密实混凝土感化产生的水化热,可以达到减少大体积混凝土水化热的目的。苟江水库工程为双曲拱坝,设计坝体横缝6条,实施至约1/2大坝高度时减少2条横缝;绿塘水库工程充分利用堆石混凝土水化升温低的特点,坝体未设置横缝,并采用通仓浇筑方式。

  2.3 已建、在建堆石混凝土坝主要施工参数统计分析

  已建、在建的10座堆石混凝土坝工程主要施工参数统计表见表3、表4。

  表3 已建、在建堆石混凝土坝主要施工参数统计表(1)

  项目名称

  混凝土水平

  运输方式

  混凝土垂直

  入仓方式

  石块入仓

  方式

  坍落度

  (mm

  扩展

  坍落度

  (mm

  V型漏斗通过时间

  (s

  浇筑

  分层

  厚度

  (m

  立面模板

  型式

  打鼓台水库

  砼罐车运输

  泵送+布料机

  自卸汽车

  250280

  600750

  1015

  2.0

  内拉钢模

  茅坡水库

  砼罐车运输

  泵送+布料机

  自卸汽车+塔机

  250280

  600750

  1320

  2.0

  悬臂钢模

  万家沟水库

  泵送

  泵送

  挖机吊装

  260280

  650750

  1214

  2.0

  内拉钢模

  穿家坪水库

  泵送

  泵送

  自卸汽车

  260280

  650750

  1215

  2.0

  内拉钢模

  绿塘水库

  溜管+泵送

  泵送

  塔机

  260280

  680720

  815

  1.28

  砼预制块

  小乌江水库

  溜管+泵送

  溜管+泵送

  自卸汽车+塔机

  260280

  680720

  1015

  2.0

  悬臂钢模

  苟江水库

  泵送

  泵送

  塔机

  260280

  600750

  7~12

  2.0

  内拉钢模

  猫溪沟水库

  溜管+搅拌车

  塔机+泵送

  塔机

  260280

  650750

  8~18

  1.8

  悬臂钢模

  石坝河水库

  溜管+泵送

  溜管+泵送+

  布料机

  自卸汽车

  260~280

  650~750

  8~13

  2.0

  悬臂钢模

  蔺家坪水库

  溜管+泵送

  溜管+泵送

  挖掘机+塔机

  260280

  650750

  1625

  1.8

  内拉钢模

  表4 已建、在建堆石混凝土坝主要施工参数统计表(2)

  项目名称

  RFC

  用量

  m3

  RFC

  浇筑

  月平均

  强度

  (m3

  RFC

  浇筑

  月最大

  强度

  m3

  最大分仓

  宽度

  (m

  单仓RFC

  最大浇筑

  强度

  (m3

  RFC

  投标价

  (元/m3

  RFC中的

  SCC所占

  比例

  (%

  单方SCC

  水泥

  使用量

  (kg

  单方SCC

  使用专利

  外加剂

  数量

  (kg

  打鼓台水库

  78000

  8000

  10500

  40.0

  2000

  307.00

  45.0

  165

  6.0

  茅坡水库

  54300

  7880

  13800

  58.0

  5220

  295.00

  48.0

  170

  5.5

  万家沟水库

  31100

  4450

  6310

  31.4

  2340

  240.48

  45.0

  160

  7.0

  穿家坪水库

  18700

  3740

  4800

  57.0

  1040

  262.58

  45.0

  155

  6.0

  绿塘水库

  53000

  4420

  7600

  80.0

  1430

  296.70

  47.0

  140

  6.8

  小乌江水库

  73300

  5000

  (计划)

  8000

  (计划)

  35.0

  (计划)

  1830

  (计划)

  320.43

  45.0

  150

  6.4

  苟江水库

  16700

  2800

  (计划)

  3300

  (计划)

  33.4

  (计划)

  600

  (计划)

  283.72

  50.0

  150

  6.4

  猫溪沟水库

  60500

  7660

  (计划)

  11700

  (计划)

  34.8

  (计划)

  2700

  (计划)

  305.18

  45.0

  140

  7.0

  石坝河水库

  179200

  11500

  (计划)

  13300

  (计划)

  32.0

  (计划)

  3070

  (计划)

  284.23

  50.0

  140

  6.0

  蔺家坪水库

  33500

  4500

  (计划)

  6000

  (计划)

  29.5

  (计划)

  2400

  (计划)

  290.45

  50.0

  135

  6.2

  对表3、表4进行统计分析可得到以下基本结论:

  1.混凝土以及块石运输方式与常规大坝混凝土运输方式总体上相同,但也有所区别。一方面基于混凝土在添加适量专利外加剂后自身密实性较好、坍落度较大,部分工程采用溜管垂直运输高度超过30m时未采用真空(负压)溜槽,仅采用封闭型溜管即可确保混凝土不发生离析;另一方面,基于混凝土不需要碾压或振捣的材料特点,前述工程中有3个工程采用布料机入仓工艺,提高了浇筑效率和浇筑质量。

  2.坍落度、扩展坍落度、V型漏斗通过时间均属于混凝土和易性重要指标,也是决定工程成败的关键。前述工程由于气候条件、水泥、骨料、浇筑分层厚度等情况不一,试验成果有细微差异,并经过实践进一步确定适用参数。总体上,坍落度250~280mm、扩展坍落度600~750mm、V型漏斗通过时间7~25s。

  3.大坝上下游立面支模型式有9个工程采用钢模、1个工程采用砼预制块;其中采用钢模的项目有5个工程采用内拉钢模、4个工程采用悬臂钢模;总体上与普通混凝土坝类似。重力坝仓面大、浇筑量大,机械化程度高、模板费用占比较小、采用内拉钢模、悬臂钢模较为合适一些;绿塘水库工程大坝为拱坝,浇筑量相对较小,技术经济比较后,采用砼预制块作为大坝上下游立面支模型式(作为永久结构的一部分),其主要目的:有效控制坝体体型、减少模板投资、不用设置内拉筋以便于堆石和浇筑、避免钢模板附近胶凝材料聚集导致砼收缩产生表面温度裂缝。有关研究成果表明,堆石混凝土坝立面模板形式除采用传统模板外,也可采用砌石墙或预制混凝土块作为模板;模板及其支护件应具有足够的承载能力、刚度和稳定性,能可靠地承受自密实混凝土的侧压力以及施工过程中产生的荷载。前述工程对此做了有益的尝试。

  4.最大堆石混凝土(RFC)使用量为石坝河水库工程,使用量17.92万m3,浇筑最大强度14000m3/月,计划平均浇筑强度12800m3/月,计划浇筑工期(含垫层砼)16个月,预测浇筑强度偏大难以实现;最小堆石混凝土使用量为苟江水库工程,使用量1.67万m3,浇筑最大强度3300m3/月,计划平均浇筑强度2800m3/月,计划浇筑工期(含垫层砼)12个月。茅坡水库工程堆石混凝土浇量54300 m3,浇筑最大强度13800m3/月,平均浇筑强度7880m3/月,工期效益明显;苟江水库工程为双曲拱坝、体型较薄、浇筑量较小,且设计分缝较多,未体现堆石混凝土施工工期优势

  5.最大分仓宽度29.5~80.0m,单仓堆石混凝土最大浇筑强度600~5220m3。绿塘水库大坝坝中溢流堰以下坝体采用通仓浇筑,最大宽度为80m,远超普通混凝土工程分仓宽度,大幅度提高了施工效率;苟江水库大坝为双曲拱坝,受体型限制,单仓最大RFC浇筑强度600 m3;茅坡水库大坝为重力坝,而且施工条件较好、机械化程度高,单仓最大RFC浇筑强度5220 m3,工效明显。

  6.浇筑分层厚度在1.28~2.0m之间,其中7个工程为2.0m,表明2.0m左右为最佳浇筑分层厚度;绿塘水库大坝采用砼预制块作为立面模板,为保证混凝土入仓的侧向稳定,故分层厚度偏小。

  7.堆石混凝土投标单价240.48~307.00m3元之间,虽然可能存在投标策略因素造成的人为偏差,但总体上低于相应普通混凝土单价,从而降低工程建设投资,这也是其推广应用的主要优势之一。

  8.混凝土在堆石混凝土中的占比45~55%,单方混凝土水泥使用量135~170kg,单方混凝土使用专利外加剂 5.5~7.0kg。混凝土占比主要是与选用的骨料和块石岩性、质量有关;水泥使用量均低于对应强度的普通混凝土;专利外加剂为北京华石纳固科技有限公司生产的酸系高效减水剂,目前采购价约1万元/t,约占混凝土成品价格的10~15%。如果能够进一步减少混凝土占比,则无论是坝工结构处理、投资还是工期都将更为领先于普通混凝土坝。   

  2.4 已建、在建堆石混凝土坝浇筑实体质量检测

  国家或行业层面对于堆石混凝土坝实体浇筑质量检测方法目前没有强制性规定,也没有成熟可靠的检测手段。行业推荐性标准——《胶结颗粒料筑坝技术导则》(SL678-2014)建议:堆石混凝土浇筑质量通过孔内电视检测、孔内声波检测、挖坑法等方法综合评价;强度检验与评定宜采用钻孔取芯的方法,芯样直径不宜小于200mm。客观讲,其具体实践指导性尚不足以满足工程质量检测需要。

  遵义目前已建、在建工程主要采取坝体钻孔进行孔内压水试验检测透水率和孔内声波检测,配合钻孔取芯进行抗压强度、抗渗性能检测的实体质量检测方法。

  鉴于堆石混凝土的结构特点不是各向同性,钻孔取芯芯样的样本代表性相对较差,利用芯样进行抗压强度、抗渗性能检测成果对于评判实体质量不具备普遍性;相对而言,采用压水试验不仅能反映坝体的防渗质量,还能检查坝体施工缝结合面的渗透情况,便于发现较隐蔽的渗径并及时处理,确保大坝整体防渗效果满足设计要求以打鼓台水库工程为例,于大坝封顶并达到设计龄期后,在坝顶钻2处¢75孔(孔深均为25m)作孔内压水试验检测坝体透水率兼作孔内声波检测,并辅以钻3处¢219孔(孔深20~35m)取芯检查芯样抗压强度、抗渗性能。还需要指出的是,对于双曲薄拱坝,大坝体型较小,如果在大坝浇筑完成后再进行坝顶钻孔检测可能危及大坝结构安全。

  如何能够对其实体质量进行全面、科学、真实评判是极需解决的课题。对于整个坝体实体质量,最终还是要依靠建成蓄水以后的动态监测来判定,特别是加强渗流监测是找到质量薄弱环节的有效方法。

  3 堆石混凝土筑坝目前存在的不足

  综上所述,堆石混凝土筑坝技术作为十多年前才诞生的一项建筑新技术,尚存在一些不足,比如:设计理论体系尚未完全构建,相应设计、施工技术标准未出台,堆石混凝土使用量少的工程在造价方面的优势不明显,薄拱坝建设工期优势未体现,高坝级别应用实践处于探索起步阶段,实体质量检测方法还不成熟等。

  4 结语

  1.通过前述堆石混凝土坝工程基本情况、相关设计参数、主要施工参数等的统计分析研究,相比较于普通混凝土,堆石混凝土在水泥使用量、温控处理、机械化程度、减少人为误差、混凝土强度、节能减排、建设工期、工程造价等诸方面均有相当优势;仅就目前而言,尤其适用于灰岩及类似硬岩分布广泛地区的中低坝建设。本文相关研究成果可为类似工程提供参考。

  2.相信在国家和行业各级主管部门的支持下,在专利单位、相关科研单位、各参建单位的共同努力下,目前存在的不足将逐渐消除,堆石混凝土筑坝技术将更为成熟可靠,在水利工程建设中的推广应用前景必将是广阔、深远和革命性的。