堆石混凝土在石河水库除险加固工程中的应用.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 2期 堆石混凝土在 石河水库除险加固工程中的应用 曹丽娟 张楠 李林可 李金涛 ( 河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄0 5 0 0 2 1 ) 【 摘要】 石河水库除险加 固工程采用新型的堆石混凝土技术，简化施工工艺，加快施工速度，保障施工质量。 【 关键词】 堆石混凝土 自密实混凝土石河水库除险加固 DOI 编码 】 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 6 7 2 2 4 6 9 2 0 1 4 1 2 0 1 8 【 中图分类号】 T V5 4 4 【 文献标识码】 B【 文章编号】 1 6 7 2 2 4 6 9 ( 2 0 1 4 ) 1 2 - 0 0 5 2 - 0 3 1 工程概况及存在问题 1 1 工程概 况 石河 水 库位 于秦 皇 岛市 山海 关西 北 约 6 k m 处，系石河上 的一座 以供 水为主 ，兼顾 防洪 、发 电、旅游等综 合利用的中型水利枢纽工程 。工程 等 别为I I I 等 ，设计 总库容 7 0 0 0万 m 。由大坝 、 泄水洞、输 水洞 、发 电洞和 电站等建筑物组成 。 水 库于 l 9 7 2年动 工兴建，1 9 7 5年竣工 并投入使 用 ，现 已连续运行近 4 0年 。 1 2 工程存在 的问题 ( 1 )现状 大坝 为浆砌石 重力坝 ，坝项 总长 3 6 5 m，其 中非溢流坝段长 2 7 5 m，坝体浆砌块石 均匀性较差 ，局部砂浆不饱满 ，坝体渗透性为强 透水 ，局部 中透水 。坝体浆砌石质量较差 ，堰面 混凝土碳化剥蚀严重 ，钢筋裸露 。大坝结构抗滑 安全性评价为 C级 。 ( 2 )溢流 坝段 和左坝 肩渗漏 较严重 ，对坝 体安全不利 。溢流坝局部 出现 拉应力 。 为保 证 水 库 正常 运用 ，消 除 水库 自身 安全 隐患，保障下游地区的防洪安全，亟需进行除险 加 固防护 。 本文主要叙述非溢流坝段 除险加固设计 。 2 非溢流坝段除险加固设计 2 1 非溢流坝 段除险加固结构设计 5 2 非溢 流坝 段 设计 选 定工 程 投 资低 、施 工简 单、对 供水 影 响较 小 的下 游 贴坡 加 固方 案 。坝 体下游侧加厚 4 5 m 5 0 m，下游坡 比由 1 ： 0 6 9 调整为 1 ： 0 7 。 2 2 非溢流坝段除险加固材料选择 2 2 1 常规大坝混凝土技术及其局限性 以大坝 为代 表 的大体 积 混凝 土 ，在施 工 中 要尽 可 能 的降低 水 泥用 量 ，以 降低 混凝 土 内部 水化 热 ，并节 约 工程 成本 。常 见 的工 程措 施 是 通过 增 加混 凝 土级 配 、增大 骨料 粒 径 、添 加 外 加 剂 以减 少单位 体 积水 泥用 量 和 降低 水化 热 。 目前大坝混凝土多采用 四级配 ，骨料 最大粒径可 达 1 5 0 ram。但 受到拌和能力、振捣能力的限制 ， 常规混凝土难 以使用更大粒径 的骨料 。一般大体 积混凝土技术特 点如表 1 。 表 1 一般大体积混凝土技术特点 分类 特点 振捣，冷却水管等工序多，水化热高，温控措 a 常态混凝土 施复杂 ，容易开裂，水泥用量大，综合成本高 b 砌石混凝土、 技术要求低，材料成本低，但机械化程度低， 施工进度慢，质量控制难，人工成本高，已逐 埋石混凝土 渐淘汰。 旋工进度快，但要求大仓面作业 ，需重型机械 ， c 碾压混凝土 仅适合大 中型工程 ，不适用于超高坝 作者简介 ：曹丽娟 ( 1 9 8 0年一 )，女，工程师 。 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 2期 综上可知常规大体积混凝土技术存在繁琐 工序多 、劳动量大 、人 工成本高 、水化热 高、温 控措施复杂 、容 易产 生温 度裂缝 、施工进度慢等 缺 点 。 2 2 2 自密实混凝土及堆石混凝土施工技术及 研究现状 ( 1 ) 自密实混凝土技术 自密实混凝土简称 S C C，起源于八十年代 的 日本 ，其主要特点见表 2 。 表 2 自密实混凝土主要特点 高流动性、不离散、极低 的收缩性，施工方便快 捷，可利用高流动性 自动填仓，无需振捣、凿毛 自密实性 等繁琐工序，人工成本低 ，易控制施工质量，适 合纯机械化施工 优 点 抗碳化、冻融、锈蚀、腐蚀 ，1 0 0年免维护， 高耐久性 3 0 0 5 0 0年寿命 f c k6 0 N ram2 轻量结构 高抗震性能，设计时 高强度 可以较小尺寸达到建筑结构要求 一 般只能用于有高强度、高耐久性要求的重要建 水泥用量 筑工程或是钢筋布设非常密集，常规振捣方法无 大，造价 法进行的关键部位 ，以及特殊的预制混凝土构件 缺 高昂 等。不适用于对强度、耐久性要求较低的普通建 点 筑工程，适用面窄。 水化热高 不适用于大体积混凝土浇筑 综 上 可知 自密 实混 凝 土 作 为新 技术 ，虽 优 点很 多 ，但局 限性也很 强，如果在 大坝等大体积 混 凝 土工 程 中单独 采用 高粉 体量 和 小粒 径骨 料 的 自密实混凝土 ，不仅无法满足 降低水泥用量 、 降低 内部水化热 的要 求，也难 以节 约工程成本 。 ( 2 )堆石混凝土技术 堆石 混 凝 土源 于 自密 实 混 凝土 但 又有 较 大 区别 。施 工时将 堆石直接入仓 ，然 后浇注 专用 的 自密 实混凝土 ，利用其高流动性 能， 自动填充到 堆石 的空隙 中，形成完整 、密实 、低 水化 热的大 体积 混凝土 。 常态混凝土与堆石混凝 土的 比较如表 3 。 堆石 混 凝 土技 术 可 完全 替 代 浆砌 石 坝 ，运 用于堆石 混凝土重力坝及堆石混凝 土芯墙坝 ，适 合水库 除险加固及高挡土墙工程 ，亦可利用沉 井 技术在 不放 空水库 的情况下浇注坝 体水下部位 。 为缩 短 工 期和 节 省 工程 投 资 ，石 河 水 库 非 溢流坝段 下游 贴坡材料选用堆石混 凝土 。 表 3 常态混凝土与堆石混凝土比较 分类 常态混凝土 堆石混凝土 块石最大粒径 3 0 5 0 c m， 1 )块石 块石最大粒径 每立方成 品混凝土 中块石 占 骨料 1 5 c m 5 0 6 0 ，自密实混凝土占 4 0 5 O ， 2 )水泥 水泥用量大，每立 每立方成品混凝土仅需水泥约 方成品混凝土中需 用量 1 0 0 k #m 3。 水泥约 2 0 0 k Um3 。 内部水化热升温 内部水化热升温少，理论 1 5 ， 3 )水化 高，理论可达 可有效防止温度裂缝产生。恒 山 3 O 4 O ，易产生 水库除险加固工程和清峪水库工 热 程实测坝内升温 8 l O ，与理 温度裂缝 ，需采取 论数值接近 ，两工程均未采取温 温控措施 。 控措施。 4 )密实 强度等级 一 般与产 设计标号 C 2 0 ，实测强度等级可达 度 、强 品标号 一 致。 C 5 0 ， 度 需振捣，距施工点 无需振捣，距施工点 4 0 m处施工 5 )环境 4 0 m处施工噪音为 噪音为 5 6 1 d B，几乎与环境噪声 影响 7 4 d B。在居民区附 持平 。居民区附近亦可 2 4小时施 近不能夜间施工。 工。 常规施工工序多， 纯机械化施工 ，简单快捷，块石 6 )工期 浇筑时需振捣 ，施 由车辆或 吊舱运至舱面 ，勾机平 工缝层间抗剪能力 仓 ，自密实混凝土直接泵送入仓， 影响 无需人工振捣。每仓浇注厚度 一 般，需凿毛，工 1 5 m，施工缝间无需凿毛等繁琐 期总体较长 。 工序 ，可有效缩短工期。 水泥用量少，约 1 0 0 k # m ，人工 水泥用量多，约 作业少 ，劳动成本低，仓面浇筑时 7 )旅工 2 k Um ，且人工 仅需 2 3 人引导泵管，无需其 作业多，劳动成本 他施工人员，工期短，虽折合每 成本 高，施工工序多， 立方混凝土需外加剂成本 3 O 4 O 施工成本总体较高。 元 m 3 ，较一般外加剂成本略高， 但总体而言可显著降低施工成本 。 3 非溢流坝段除险加 固施工 3 1 原材料 的选择 ( 1 )水泥 因为 自密实混凝土要求水泥凝结速度慢， 流动性损失小 ，适宜使用 的水泥类 型见表 4 。 表 4 水泥类型 分类 特点 宜选用 硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐 可使用 水泥 不宜使用 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥 以及早强型水泥 ( 2 )掺合料 自密实混凝土浆体总量较大，如果胶凝材 料 仅适用 水泥容 易 引起 混凝土 早期水化 热较大 ， 5 3 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 l 2期 硬化后混凝土收缩较大，不利于提高混凝土的耐 4 其它 已建工程经验 久性和体积稳 定性 。常用活性掺合料见表 5 。 表 5 常用活性掺合料 分类 特点 A 粉煤灰：应使用 2级以上粉煤灰，原状灰 常用活性掺合料 优于磨细灰 B 粒化高炉矿渣粉 高强自密实混凝土 硅灰 掺合料 惰性掺合料 石英砂粉、石灰石粉 其它掺合料 沸石粉 、复合矿物掺合料 ( 3 )外 加 剂 宜 优 先使 用 聚羧 酸 系 高效 减水 剂 ；不 建议 使用增粘剂 ( 可能会导致凝结 时间延缓 ，用水量 增加等 问题 ，且 品种 多，性 能不一 ，需经过试验 才 能确 定 )；不宜使用速凝剂 、促凝剂和 早强类 型外加剂 3 2 堆 石混凝 土性能设计的基本参数 堆 石混 凝土 中块 石 占总体 积 5 0 6 0 ， 自密实混凝土占4 0 5 0 。根据 自密实混凝 土技 术手册推荐及相关工程经验 ，自密实混凝土 单位 体积水灰 比仅为 0 8 1 1 5 ，配 比见表 6 。 表 6 自密实混凝土配比 空气 水 粉体 细骨料 粗骨料 1 5 4 O L 1 5 5 1 8 O L 1 6 O - 2 3 O L 2 6 0 3 3 O L 2 8 0 3 5 O L 3 3 堆石混凝土施工 中的问题 表 7 堆 石混凝 土施 工注 意事项 新鲜、完整、质地坚硬，不得有剥落层和裂纹 可 以使用毛石块石粗料石和卵石 1 )堆石料的选 粒径不小于 3 0 c m 择与入仓 保持堆石和仓面洁净 入仓应尽量减少搬运次数 堆石厚度不宜大于 1 5 m 新鲜、完整、质地坚硬，不得有剥落层和裂纹 2 )堆石混凝土 可 以使用毛石块石粗料石和卵石 所用自密实混 粒径不小于 3 0 c m 保持堆石和仓面洁净 凝土的生产 入仓应尽量减少搬运次数 堆石厚度不宜大于 1 5 m 应使用混凝土搅拌车运输； 3 )堆石混凝土 混凝土搅拌车接料前必须将车内残留的其它种类 所用 自密实混 混凝土清洗干净，并排净车内积水； 凝土 的运输 运输时间应根据扩展度损失情况控制； 浇筑前，搅拌车应高速旋转 l mi n以上 5 4 堆石 混凝 土 技术 目前 已应用 于 山西 临汾 市 乡宁县清峪水库、山西省大同市浑源县恒山水库 除险加 固、向家坝水利枢纽、河南宝泉 电站等工 程中 。其 中恒 山水库拱坝 除险加固工程若按常规 技术 加 固，工 期需 至 少 3年 ，将 严 重 影 响下 游 居 民生活及农业灌溉 ，采用堆 石混凝土技术后 ， 工 期缩 短 至半 年 。同时还 充 分利 用 了 当地 丰富 的块石 、砂 等 资源 ，就 地取 材 ，节省 了工程 造 价 。恒 山水 库新 坝孔 隙率 4 5 ，平均 使 用水 泥 l O O k g m 。综合造价 仅 2 8 0元 m。 ，远低 于常规 混凝土 4 0 0元 m ，取得 了 良好 的经济效益 。 5 结语 虽然 理 论上 堆石 混 凝土 抗 渗等 级完 全 满 足 坝体 抗渗要求，但 由于是 刚刚开始在 国 内推广 的 新技术，堆石混凝土在与钢筋、止水交界处需人 工局部处理块石的堆放 ，或在钢筋 、止水周围单 独设置常态混凝土浇注 区。例如 清峪水库 大坝上 游 临水侧单独 设计 了 2 l m 厚 的常态混凝 土面 板 ，其间设置铜 片及橡胶止水带 ，以增加坝体抗 渗性能 。 而 恒 山水 库新 坝 由于 所采 用 块石 粒 径过 大 ( 超过 5 0 c m)，块石 间缝 隙较大 ， 自密实 混凝 土浇筑完成后仍有极少量细微裂缝产 生。可见 自 密实混凝土 的收缩性 虽远低 于普通砂浆 ，但仍需 继 续深 入研 究 其在 实 际工程 中对工 程安 全性 能 的影 响。 参考文献 1 安雪晖等 自密实混凝土技术手册 中国水利水电出版 社 ，2 0 0 8 2 安雪晖，金峰，石建军 自密实混凝土充填堆石体试验 研 究 混凝 土 2 0 0 5 ，1 8 3( O 1 )：3 - 6 3 金 峰 ，安雪 晖，石 建军 ，张 楚汉 堆石 混凝土 及堆 石混 凝土大坝 水力学报，2 0 0 5 ， 3 6( 1 1 )：1 3 4 7 1 3 5 2