堆石混凝土及堆石混凝土大壩

摘要:本文提出一種新的大體積混凝土施工方式，即以自密實混凝土在堆石體中流動充滿堆石體形成完整的混凝土，簡稱堆石混凝土。文中簡述了堆石混凝土的優(yōu)點，介紹了堆石混凝土試驗，試驗結(jié)果證明自密實混凝土在堆石體中有良好的流動性能，利用自密實混凝土填充堆石體，可以得到具有良好密實性和高強度的堆石混凝土。本文還結(jié)合堆石混凝土的特點，建議了幾種充分發(fā)揮堆石混凝土優(yōu)點的新壩型：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(一般稱為常態(tài)混凝土) 以外，20 世紀70 年代美國的Raphael 教授提出的碾壓混凝土[1] 在大壩建設中的應用越來越普及，如中國已建成的超過100m 的高碾壓混凝土拱壩就有石門子拱壩和沙牌拱壩，正在建設中的龍灘碾壓混凝土重力壩壩高已超過200m 。碾壓混凝土采用零塌落度的干硬混凝土和振動碾壓技術(shù)，施工速度快， 溫控措施簡單，成本低，但是碾壓混凝土層間面結(jié)合相對較差，成為抗滑穩(wěn)定和防滲的薄弱部位。特別是由于施工進度快和溫控簡化，在大壩施工后期和運行前期，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，需要進行處理。

      施工方式和材料的改進是大壩建設技術(shù)進步的發(fā)動機，碾壓混凝土壩、混凝土面板堆石壩等技術(shù)進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)，大大促進了大壩建設的進步。

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

      自密實混凝土(Self Compacting Concrete) [3] 是最近混凝土研究領(lǐng)域的一個熱點，通過新型高效減水劑，自密實混凝土不需要振搗就可以達到自密實的效果，同時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到很好的效果。由于自密實混凝土的水膠比很低，一般在0。30 左右，強度較高，有比較好的綜合性能，所以，也稱超高性能混凝土(Super Quality Concrete) [4] 。

      日本土木學會已出版了高性能自密實混凝土結(jié)構(gòu)的設計和施工導則[5] ，且在大壩預制廊道結(jié)合部等不易振搗的部位已全面采用自密實混凝土，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混凝土，工期從2.5 年縮短為2 年。

      本文提出利用自密實混凝土和預填堆石相結(jié)合，以實現(xiàn)一種新的大壩混凝土施工方式，這種新的施工壩型可稱為自密實堆石混凝土壩，簡稱堆石混凝土壩(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，要盡量降低混凝土的水化熱和成本，也就是應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，但對施工人員技術(shù)要求高，混凝土強度較低，施工質(zhì)量不易保證，埋石量也有限制，不利于大型機械化施工，施工速度較慢，不適應現(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，必要時還可以考慮采用振動碾將其適當碾壓密實，然后澆筑自密實混凝土，利用自密實混凝土的高流動性能，使得自密實混凝土自流，填充到堆石的空隙中，形成完整、密實、有較高強度的混凝土。

     采用堆石混凝土進行大體積混凝土澆筑有以下主要優(yōu)點：

 (1) 施工速度快，質(zhì)量有保證。由于沒有振搗過程，工藝簡單，可以大大提高施工速度。質(zhì)量控制也相對容易，施工質(zhì)量易于保證。

(2) 高強、耐久。自密實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、耐久的特性已被廣泛證實。堆石混凝土實際上就是含有超大骨料的自密實混凝土，因此，堆石混凝土也具有很高的強度。堆石混凝土的密實性和強度已在本文的試驗中得到證實。

(3) 造價相對較低。經(jīng)過初步篩分的堆石直接入倉以后，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混凝土用量僅為40 % 左右。按C30 自密實混凝土綜合單價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244168 元/m³) [6] ，堆石綜合單價50 元/ m³ 計算，C30 堆石混凝土考慮所有費用以后的綜合單價僅170 元/m³ ，具有相當大的競爭力。

(4) 水化熱溫升較低，溫控相對容易。堆石混凝土的粗骨料采用堆石，粒徑大，單位體積自密實混凝土用量少。按上述C30 堆石混凝土計，單位堆石混凝土的水泥用量僅84kg/ m3 ，可以有效降低混凝土絕熱溫升，簡化溫控措施。

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

3 　堆石混凝土試驗

     為了驗證堆石混凝土的可行性，本文進行了堆石混凝土試驗。由于堆石混凝土的核心在于自密實混凝土在堆石空隙中的流動性能，堆石空隙越小，自密實混凝土的流動性要求越高。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。在實際工程中，當堆石的粒徑大于150～200mm 時， 其空隙還會進一步增大，自密實混凝土的流動更加容易。

     本文試驗采用C50 自密實混凝土，自密實混凝土的骨料采用5～10mm 的卵石，其配合比見表1 。

      試驗在500mm ×500mm ×2 000mm 的有機玻璃模具中進行。自密實混凝土的坍落度275mm ， 坍落直徑650mm ， 表征自密實混凝土流動性能和粘性的指標V 漏斗時間20s ， 見圖1 。堆石混凝土試驗時，首先將堆石隨機擺放在模具中，由于級配比較均勻，堆石空隙率偏大，為48 %，

     共進行了3 個試件試驗，順序編號為1# 、2# 、3# 試件。

      1# 試件主要是驗證自密實混凝土在堆石體中的流動性能。試驗時，模具前500mm 用自密實混凝土充填，后1 500mm 擺放堆石，研究自密實混凝土對1 500mm 長的堆石體的填充能力。

     2# 試件在1# 試件基礎上研究堆石混凝土的倉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，2 # 試件試驗時， 同時取了2 組150mm × 150mm ×150mm 的試塊，同步進行回彈法測量強度，并在28d 時進行抗壓強度試驗。

     3# 試件主要在已有試驗成果的基礎上，對經(jīng)過堆石體以后的自密實混凝土的性能進行研究。3# 試件的長度為1 000mm ， 在模具的最后500mm 進行自密實混凝土取樣，通過對比通過堆石體前、后的自密實混凝土強度，研究經(jīng)過1 000mm 堆石體以后，自密實混凝土性能的變化。澆筑成形的堆石混凝土試件見圖3 。

      采用回彈儀對1# 試件、2# 試件進行強度檢測。采用ZC32A 型回彈儀，對每個試件按照自密實混凝土流動的方向劃分為10 個區(qū)，每個區(qū)進行16 次回彈測量，去除最大、最小各3 個值后，取10 個回彈數(shù)據(jù)平均值作為本區(qū)回彈測量值，再經(jīng)過角度修正和碳化修正后，查表得到該區(qū)的強度值。對10 個區(qū)的強度值計算平均值和標準差，按照“強度平均值-11645 ×標準差”計算強度推定值。1# 試件的前500mm 自密實混凝土受測試面積限制，只分為兩個區(qū)進行試驗，由于試驗組數(shù)偏少，無法計算標準差，取兩個區(qū)強度值的小值作為強度推定值。2# 試件的自密實混凝土試塊也受測試面積限制，取兩個相對光滑的表面分別作為兩個測區(qū)，取兩個區(qū)強度值的小值作為強度推定值。

　　表2 為回彈儀強度檢測結(jié)果。從表2 可以看出，兩個堆石混凝土試件的強度相近，28d 齡期時，分別達到52.33MPa 和50.10MPa ， 均達到了充填自密實混凝土C50 的強度標準。另外，對比堆石混凝土和相應自密實混凝土的強度，可以看出，堆石混凝土的早期強度略低于自密實混凝土，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較慢有關(guān)。但28d 齡期時，堆石混凝土強度已經(jīng)不低于自密實混凝土。

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

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

      計算1# 試件和2# 試件前5 區(qū)的強度平均值分別為56.4MPa 和56.7MPa ， 后5 區(qū)的強度平均值為55.15MPa 和52.8MPa ， 總體上有略為下降的趨勢，分別下降2% 和7%， 說明自密實混凝土在堆石體中的流動過程會產(chǎn)生少量分離，對強度會產(chǎn)生一定影響。因此， 堆石混凝土施工前應進行流動性能試驗，確定灌注自密實混凝土的工藝參數(shù)，限制自密實混凝土在堆石體中的流動距離，以保證堆石混凝土質(zhì)量。

     表3 是2# 、3# 自密實混凝土試塊的抗壓強度試驗結(jié)果。從2# 試件的自密實混凝土試塊的2 組試驗結(jié)果和相應回彈法測量的結(jié)果對比可以看出，兩者結(jié)果相近，抗壓強度試驗的強度略低。從3# 試件的自密實混凝土通過試塊前、后的試驗結(jié)果來看，兩者強度相近，通過后的強度由于強度離散性，甚至還略高于通過堆石體前。因此，抗壓試驗的結(jié)果證實回彈法的試驗成果可靠，通過1 000mm 堆石體對自密實混凝土的強度的影響較小。

　　通過堆石混凝土試驗，證實了自密實混凝土在堆石體中有良好的流動性能，能夠非常好地填充堆石體的空隙，形成密實的混凝土，具有很好的強度性能。

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)試驗成果，堆石混凝土有較高的抗壓強度，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溫度等溫控措施的基礎上，進行通倉澆筑，在節(jié)約造價的基礎上，達到快速施工的目的，因此，堆石混凝土重力壩或拱壩，是一種很有競爭力的壩型，見圖7 。特別是堆石混凝土具有較高的強度，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，設計方法和主要結(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，見圖8 。

      首先，按照堆石壩的要求填筑壩體，在填筑過程中，在心墻部位填筑經(jīng)過初篩分的堆石，當壩體填筑完一個施工層以后，在心墻部位進行自密實混凝土澆筑，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，可以有效阻止自密實混凝土的流動而自動形成心墻邊界。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，即施工中每次收倉時，自密實混凝土不完全充滿堆石體，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度。對這一壩型需要重點研究堆石混凝土施工接縫的抗?jié)B性能。當然，也可以考慮直接在上游面進行堆石混凝土施工，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，需要研究防滲體與堆石體非均勻沉降帶來的有關(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，首先進行初篩分的堆石體填筑，然后在上游側(cè)進行自密實混凝土澆筑，在上游側(cè)形成重力式堆石混凝土擋墻，同時作為防滲體，見圖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，因為上游側(cè)是混凝土重力式擋墻，壩體的總體積大大減少，有可能降低造價和加快施工進度。另外，上游側(cè)重力式擋墻的施工質(zhì)量容易檢測也是一個優(yōu)點。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

      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混凝土的優(yōu)點，具有使用水泥少，絕熱溫升小，單價低，施工速度快等優(yōu)點。通過試驗室內(nèi)的堆石混凝土試驗，證實了自密實混凝土在堆石體中有良好的流動性能，能夠很好地填充堆石體的空隙，形成密實的高強度混凝土。結(jié)合這類堆石混凝土施工，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　本文完成過程中，得到了潘家錚院士的指導和支持，王光綸教授、谷兆祺教授、保其長高級工程師，日本前田建設工業(yè)株式會社會長前田又兵衛(wèi)博士，日本高知理工大學校長崗村甫教授、大內(nèi)雅博副教授進行了有益的討論，獲益菲淺， 特此致謝。

參　考　文　獻:

[1] 　Raphael M. The optimum gravity dam[A]. Proceedings of Conference on Rapid Construction of Concrete Dams[C]. Asilomar ， 1970.

[2] 　櫻井紀朗，壺阪三，宮阪慶男. 特殊混凝土施工[M]. 李德富譯，北京:水利電力出版社，1985.

[3] 　大內(nèi)雅博. Current conditions of self2compacting concrete inJapan[A]. Proceedingof the Second International Symposium on Self2CompactingConcrete[C].2001.63-68

[4] 　The Association for the development & Propagation of super quality concrete structures ， Concept of super quality concrete ， its properties and structural performance[M]. International Workshop on Self2compacting Concrete ，1998. 243 -254.

[5] 　日本土木學會. 自密實高強度高耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設計施工導則(日文) [S]. 2001.

[6] 　周虎，安雪暉，金峰. 低水泥用量自密實混凝土配合比設計試驗研究[J ]. 混凝土，2005 ， (1) :20 -23.