堆石混凝土及堆石混凝土大壩

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摘要:本文提出一種新的大體積混凝土施工方式，即以自密實(shí)混凝土在堆石體中流動(dòng)充滿(mǎn)堆石體形成完整的混凝土，簡(jiǎn)稱(chēng)堆石混凝土。文中簡(jiǎn)述了堆石混凝土的優(yōu)點(diǎn)，介紹了堆石混凝土試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明自密實(shí)混凝土在堆石體中有良好的流動(dòng)性能，利用自密實(shí)混凝土填充堆石體，可以得到具有良好密實(shí)性和高強(qiáng)度的堆石混凝土。本文還結(jié)合堆石混凝土的特點(diǎn)，建議了幾種充分發(fā)揮堆石混凝土優(yōu)點(diǎn)的新壩型：堆石混凝土拱壩P重力壩、堆石混凝土心墻堆石壩和堆石混凝土混和壩。

關(guān)鍵詞:自密實(shí)混凝土；堆石混凝土；大壩；新壩型

1 　研究背景

大壩的大體積混凝土的施工方式除以分塊澆筑配合溫控措施的柱狀法施工(一般稱(chēng)為常態(tài)混凝土) 以外，20 世紀(jì)70 年代美國(guó)的Raphael 教授提出的碾壓混凝土[1] 在大壩建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越普及，如中國(guó)已建成的超過(guò)100m 的高碾壓混凝土拱壩就有石門(mén)子拱壩和沙牌拱壩，正在建設(shè)中的龍灘碾壓混凝土重力壩壩高已超過(guò)200m 。碾壓混凝土采用零塌落度的干硬混凝土和振動(dòng)碾壓技術(shù)，施工速度快， 溫控措施簡(jiǎn)單，成本低，但是碾壓混凝土層間面結(jié)合相對(duì)較差，成為抗滑穩(wěn)定和防滲的薄弱部位。特別是由于施工進(jìn)度快和溫控簡(jiǎn)化，在大壩施工后期和運(yùn)行前期，壩內(nèi)混凝土溫度仍然較高，已有部分工程在這一階段發(fā)生了裂縫，需要進(jìn)行處理。

施工方式和材料的改進(jìn)是大壩建設(shè)技術(shù)進(jìn)步的發(fā)動(dòng)機(jī)，碾壓混凝土壩、混凝土面板堆石壩等技術(shù)進(jìn)步都是由于施工技術(shù)重大革新的結(jié)果。由于這些技術(shù)革新，新的大壩結(jié)構(gòu)型式也不斷出現(xiàn)，大大促進(jìn)了大壩建設(shè)的進(jìn)步。

從20 世紀(jì)40 年代開(kāi)始，在水下混凝土施工中，由美國(guó)Weltz 提出的壓漿混凝土(Prepacked Concrete) 也是施工技術(shù)的一個(gè)重大突破，在防波堤、大橋橋墩等施工中廣泛應(yīng)用[2] 。壓漿混凝土是先將經(jīng)過(guò)篩分的粗骨料填充到模板倉(cāng)內(nèi)，再用特制的砂漿注入粗骨料空隙中而形成混凝土，也稱(chēng)為預(yù)填骨料混凝土(Preplaced Aggregate Concrete) 。

自密實(shí)混凝土(Self Compacting Concrete) [3] 是最近混凝土研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，通過(guò)新型高效減水劑，自密實(shí)混凝土不需要振搗就可以達(dá)到自密實(shí)的效果，同時(shí)保證有足夠粘性以防止材料分離，它的泌水性很小，在混凝土表面不會(huì)產(chǎn)生乳皮層，因此，新、老混凝土接觸面連接性能良好，不需要特別處理就可以達(dá)到很好的效果。由于自密實(shí)混凝土的水膠比很低，一般在0。30 左右，強(qiáng)度較高，有比較好的綜合性能，所以，也稱(chēng)超高性能混凝土(Super Quality Concrete) [4] 。

日本土木學(xué)會(huì)已出版了高性能自密實(shí)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工導(dǎo)則[5] ，且在大壩預(yù)制廊道結(jié)合部等不易振搗的部位已全面采用自密實(shí)混凝土，如三室川等大壩均采用這一技術(shù)。另外，在日本明石海峽大橋這一世界上跨度最大的吊橋(主跨1 991m) 工程中也采用了自密實(shí)混凝土，工期從2.5 年縮短為2 年。

本文提出利用自密實(shí)混凝土和預(yù)填堆石相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)一種新的大壩混凝土施工方式，這種新的施工壩型可稱(chēng)為自密實(shí)堆石混凝土壩，簡(jiǎn)稱(chēng)堆石混凝土壩(Rock fill Concrete ， RFC Dam) 。

2 　堆石混凝土的概念

大壩混凝土由于其大體積的特點(diǎn)，要盡量降低混凝土的水化熱和成本，也就是應(yīng)該盡量降低水泥用量。一般而言，采用大粒徑骨料可以起到這樣的作用。但是，常規(guī)混凝土在施工過(guò)程中，受到拌和能力、振搗能力和骨料分離的限制，最大粒徑一般均小于150mm 。毛石混凝土和漿砌石可以減少水泥用量，但對(duì)施工人員技術(shù)要求高，混凝土強(qiáng)度較低，施工質(zhì)量不易保證，埋石量也有限制，不利于大型機(jī)械化施工，施工速度較慢，不適應(yīng)現(xiàn)代快速施工的要求。

本文提出的堆石混凝土施工方式，是將混凝土的粗骨料直接采用初步篩分的堆石，直接入倉(cāng)，必要時(shí)還可以考慮采用振動(dòng)碾將其適當(dāng)碾壓密實(shí)，然后澆筑自密實(shí)混凝土，利用自密實(shí)混凝土的高流動(dòng)性能，使得自密實(shí)混凝土自流，填充到堆石的空隙中，形成完整、密實(shí)、有較高強(qiáng)度的混凝土。

采用堆石混凝土進(jìn)行大體積混凝土澆筑有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

(1) 施工速度快，質(zhì)量有保證。由于沒(méi)有振搗過(guò)程，工藝簡(jiǎn)單，可以大大提高施工速度。質(zhì)量控制也相對(duì)容易，施工質(zhì)量易于保證。

(2) 高強(qiáng)、耐久。自密實(shí)混凝土是一種高性能混凝土，由于其水膠比一般僅為0.3 ， 甚至更低，其高強(qiáng)、耐久的特性已被廣泛證實(shí)。堆石混凝土實(shí)際上就是含有超大骨料的自密實(shí)混凝土，因此，堆石混凝土也具有很高的強(qiáng)度。堆石混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度已在本文的試驗(yàn)中得到證實(shí)。

(3) 造價(jià)相對(duì)較低。經(jīng)過(guò)初步篩分的堆石直接入倉(cāng)以后，空隙率一般在40 % 左右。因此，單位體積的堆石混凝土的自密實(shí)混凝土用量?jī)H為40 % 左右。按C30 自密實(shí)混凝土綜合單價(jià)350 元/m3 (每立方米水泥用量約210kg ， 粉煤灰用量約360kg ， 水膠比0.32 ， 北京地區(qū)原材料成本單價(jià)244168 元/m3) [6] ，堆石綜合單價(jià)50 元/ m3 計(jì)算，C30 堆石混凝土考慮所有費(fèi)用以后的綜合單價(jià)僅170 元/m3 ，具有相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)力。

(4) 水化熱溫升較低，溫控相對(duì)容易。堆石混凝土的粗骨料采用堆石，粒徑大，單位體積自密實(shí)混凝土用量少。按上述C30 堆石混凝土計(jì)，單位堆石混凝土的水泥用量?jī)H84kg/ m3 ，可以有效降低混凝土絕熱溫升，簡(jiǎn)化溫控措施。

(5) 只需要拌和一級(jí)配的自密實(shí)混凝土，拌和樓的規(guī)?？蓽p小。對(duì)石料進(jìn)行粗篩分，大石料直接入倉(cāng)，小石料可以用來(lái)生產(chǎn)自密實(shí)混凝土的骨料和砂，材料得以充分利用。

3 　堆石混凝土試驗(yàn)

為了驗(yàn)證堆石混凝土的可行性，本文進(jìn)行了堆石混凝土試驗(yàn)。由于堆石混凝土的核心在于自密實(shí)混凝土在堆石空隙中的流動(dòng)性能，堆石空隙越小，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性要求越高。因此，現(xiàn)階段為控制試件規(guī)模，采用150～200mm 的塊石作為粗骨料。在實(shí)際工程中，當(dāng)堆石的粒徑大于150～200mm 時(shí)， 其空隙還會(huì)進(jìn)一步增大，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)更加容易。

本文試驗(yàn)采用C50 自密實(shí)混凝土，自密實(shí)混凝土的骨料采用5～10mm 的卵石，其配合比見(jiàn)表1 。

試驗(yàn)在500mm ×500mm ×2 000mm 的有機(jī)玻璃模具中進(jìn)行。自密實(shí)混凝土的坍落度275mm ， 坍落直徑650mm ， 表征自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能和粘性的指標(biāo)V 漏斗時(shí)間20s ， 見(jiàn)圖1 。堆石混凝土試驗(yàn)時(shí)，首先將堆石隨機(jī)擺放在模具中，由于級(jí)配比較均勻，堆石空隙率偏大，為48 %，

共進(jìn)行了3 個(gè)試件試驗(yàn)，順序編號(hào)為1# 、2# 、3# 試件。

1# 試件主要是驗(yàn)證自密實(shí)混凝土在堆石體中的流動(dòng)性能。試驗(yàn)時(shí)，模具前500mm 用自密實(shí)混凝土充填，后1 500mm 擺放堆石，研究自密實(shí)混凝土對(duì)1 500mm 長(zhǎng)的堆石體的填充能力。

2# 試件在1# 試件基礎(chǔ)上研究堆石混凝土的倉(cāng)面按照壓漿混凝土馬基納克方式施工的可行性。2# 試件頂部約50～100mm 的堆石體不填充。同時(shí)，2 # 試件試驗(yàn)時(shí)， 同時(shí)取了2 組150mm × 150mm ×150mm 的試塊，同步進(jìn)行回彈法測(cè)量強(qiáng)度，并在28d 時(shí)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3# 試件主要在已有試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)過(guò)堆石體以后的自密實(shí)混凝土的性能進(jìn)行研究。3# 試件的長(zhǎng)度為1 000mm ， 在模具的最后500mm 進(jìn)行自密實(shí)混凝土取樣，通過(guò)對(duì)比通過(guò)堆石體前、后的自密實(shí)混凝土強(qiáng)度，研究經(jīng)過(guò)1 000mm 堆石體以后，自密實(shí)混凝土性能的變化。澆筑成形的堆石混凝土試件見(jiàn)圖3 。

采用回彈儀對(duì)1# 試件、2# 試件進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)。采用ZC32A 型回彈儀，對(duì)每個(gè)試件按照自密實(shí)混凝土流動(dòng)的方向劃分為10 個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)進(jìn)行16 次回彈測(cè)量，去除最大、最小各3 個(gè)值后，取10 個(gè)回彈數(shù)據(jù)平均值作為本區(qū)回彈測(cè)量值，再經(jīng)過(guò)角度修正和碳化修正后，查表得到該區(qū)的強(qiáng)度值。對(duì)10 個(gè)區(qū)的強(qiáng)度值計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，按照“強(qiáng)度平均值-11645 ×標(biāo)準(zhǔn)差”計(jì)算強(qiáng)度推定值。1# 試件的前500mm 自密實(shí)混凝土受測(cè)試面積限制，只分為兩個(gè)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，由于試驗(yàn)組數(shù)偏少，無(wú)法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，取兩個(gè)區(qū)強(qiáng)度值的小值作為強(qiáng)度推定值。2# 試件的自密實(shí)混凝土試塊也受測(cè)試面積限制，取兩個(gè)相對(duì)光滑的表面分別作為兩個(gè)測(cè)區(qū)，取兩個(gè)區(qū)強(qiáng)度值的小值作為強(qiáng)度推定值。

表2 為回彈儀強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果。從表2 可以看出，兩個(gè)堆石混凝土試件的強(qiáng)度相近，28d 齡期時(shí)，分別達(dá)到52.33MPa 和50.10MPa ， 均達(dá)到了充填自密實(shí)混凝土C50 的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。另外，對(duì)比堆石混凝土和相應(yīng)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度，可以看出，堆石混凝土的早期強(qiáng)度略低于自密實(shí)混凝土，這可能與堆石混凝土內(nèi)有大量堆石，吸收了部分水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，堆石混凝土的溫升較小，造成混凝土早期水化反應(yīng)較慢有關(guān)。但28d 齡期時(shí)，堆石混凝土強(qiáng)度已經(jīng)不低于自密實(shí)混凝土。

圖4 是堆石混凝土試件沿自密實(shí)混凝土流動(dòng)方向的分區(qū)強(qiáng)度平均值分布。系列1 、2 分別為1# 試件和2# 試件的28d 強(qiáng)度。

由圖4 可以看出，1 # 試件和2# 試件的強(qiáng)度相近。兩個(gè)試件從1 區(qū)到10 區(qū)強(qiáng)度基本均勻，僅略有起伏。

計(jì)算1# 試件和2# 試件前5 區(qū)的強(qiáng)度平均值分別為56.4MPa 和56.7MPa ， 后5 區(qū)的強(qiáng)度平均值為55.15MPa 和52.8MPa ， 總體上有略為下降的趨勢(shì)，分別下降2% 和7%， 說(shuō)明自密實(shí)混凝土在堆石體中的流動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生少量分離，對(duì)強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定影響。因此， 堆石混凝土施工前應(yīng)進(jìn)行流動(dòng)性能試驗(yàn)，確定灌注自密實(shí)混凝土的工藝參數(shù)，限制自密實(shí)混凝土在堆石體中的流動(dòng)距離，以保證堆石混凝土質(zhì)量。

表3 是2# 、3# 自密實(shí)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從2# 試件的自密實(shí)混凝土試塊的2 組試驗(yàn)結(jié)果和相應(yīng)回彈法測(cè)量的結(jié)果對(duì)比可以看出，兩者結(jié)果相近，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的強(qiáng)度略低。從3# 試件的自密實(shí)混凝土通過(guò)試塊前、后的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，兩者強(qiáng)度相近，通過(guò)后的強(qiáng)度由于強(qiáng)度離散性，甚至還略高于通過(guò)堆石體前。因此，抗壓試驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)回彈法的試驗(yàn)成果可靠，通過(guò)1 000mm 堆石體對(duì)自密實(shí)混凝土的強(qiáng)度的影響較小。

通過(guò)堆石混凝土試驗(yàn)，證實(shí)了自密實(shí)混凝土在堆石體中有良好的流動(dòng)性能，能夠非常好地填充堆石體的空隙，形成密實(shí)的混凝土，具有很好的強(qiáng)度性能。

4 　堆石混凝土大壩結(jié)構(gòu)型式

根據(jù)堆石混凝土的特性，本文提出以下幾種新的堆石混凝土大壩結(jié)構(gòu)型式。

4.1 　堆石混凝土拱壩或重力壩　

根據(jù)試驗(yàn)成果，堆石混凝土有較高的抗壓強(qiáng)度，水泥用量少，絕熱溫升低，可以借鑒碾壓混凝土壩的相關(guān)技術(shù)，在控制堆石混凝土入倉(cāng)溫度等溫控措施的基礎(chǔ)上，進(jìn)行通倉(cāng)澆筑，在節(jié)約造價(jià)的基礎(chǔ)上，達(dá)到快速施工的目的，因此，堆石混凝土重力壩或拱壩，是一種很有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型，見(jiàn)圖7 。特別是堆石混凝土具有較高的強(qiáng)度，因此，適合建造包括雙曲薄拱壩在內(nèi)的各種混凝土大壩。堆石混凝土大壩與常規(guī)混凝土大壩、碾壓混凝土大壩的主要區(qū)別在于施工方式，設(shè)計(jì)方法和主要結(jié)構(gòu)基本相同。

4.2 　堆石混凝土心墻堆石壩　

采用堆石混凝土心墻作為防滲體，建造堆石混凝土心墻堆石壩，見(jiàn)圖8 。

首先，按照堆石壩的要求填筑壩體，在填筑過(guò)程中，在心墻部位填筑經(jīng)過(guò)初篩分的堆石，當(dāng)壩體填筑完一個(gè)施工層以后，在心墻部位進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑，形成堆石混凝土心墻，心墻厚度按照防滲要求控制。心墻兩側(cè)的堆石體碾壓比較密實(shí)，可以有效阻止自密實(shí)混凝土的流動(dòng)而自動(dòng)形成心墻邊界。為了加快施工速度，接縫可以采用壓漿混凝土施工方法中的馬基納克方式施工，即施工中每次收倉(cāng)時(shí)，自密實(shí)混凝土不完全充滿(mǎn)堆石體，使得表層堆石一部分嵌入老混凝土，一部分露出，而不需要對(duì)澆筑層面做處理， 依靠表層堆石的嵌入保證接觸層面的咬合和強(qiáng)度。對(duì)這一壩型需要重點(diǎn)研究堆石混凝土施工接縫的抗?jié)B性能。當(dāng)然，也可以考慮直接在上游面進(jìn)行堆石混凝土施工，形成堆石混凝土面板堆石壩。這兩種方式由于堆石混凝土與堆石存在不同變形，特別是壩高較大時(shí)，需要研究防滲體與堆石體非均勻沉降帶來(lái)的有關(guān)課題。

4.3 　堆石混凝土堆石混合壩　

在大壩上游側(cè)立豎直模板，首先進(jìn)行初篩分的堆石體填筑，然后在上游側(cè)進(jìn)行自密實(shí)混凝土澆筑，在上游側(cè)形成重力式堆石混凝土擋墻，同時(shí)作為防滲體，見(jiàn)圖9。

由于采用的是堆石混凝土施工，上游側(cè)重力式擋水墻和下游側(cè)堆石體的骨料相互咬合，有利于在上游水壓作用下的兩者聯(lián)合作用。

這種壩型與堆石混凝土心墻堆石壩相比，因?yàn)樯嫌蝹?cè)是混凝土重力式擋墻，壩體的總體積大大減少，有可能降低造價(jià)和加快施工進(jìn)度。另外，上游側(cè)重力式擋墻的施工質(zhì)量容易檢測(cè)也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這種壩型除需要研究堆石混凝土抗?jié)B性能和堆石混凝土與堆石體交界面的非均勻沉降以外，堆石混凝土擋墻的穩(wěn)定也是需要關(guān)注的課題。

5 　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新的大體積混凝土澆筑方式—堆石混凝土，這種新的澆筑方式充分吸取了壓漿混凝土和自密實(shí)混凝土的優(yōu)點(diǎn)，具有使用水泥少，絕熱溫升小，單價(jià)低，施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)試驗(yàn)室內(nèi)的堆石混凝土試驗(yàn)，證實(shí)了自密實(shí)混凝土在堆石體中有良好的流動(dòng)性能，能夠很好地填充堆石體的空隙，形成密實(shí)的高強(qiáng)度混凝土。結(jié)合這類(lèi)堆石混凝土施工，本文提出了多種可能的大壩結(jié)構(gòu)型式和相應(yīng)的施工方案。作為一種新的大壩澆筑方式，仍有許多的課題需要進(jìn)一步研究，也希望得到壩工同仁們的關(guān)注和討論。

致謝　本文完成過(guò)程中，得到了潘家錚院士的指導(dǎo)和支持，王光綸教授、谷兆祺教授、保其長(zhǎng)高級(jí)工程師，日本前田建設(shè)工業(yè)株式會(huì)社會(huì)長(zhǎng)前田又兵衛(wèi)博士，日本高知理工大學(xué)校長(zhǎng)崗村甫教授、大內(nèi)雅博副教授進(jìn)行了有益的討論，獲益菲淺， 特此致謝。

參　考　文　獻(xiàn):

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