锦屏一级水电站大坝混凝土细骨料料源选择.pdf

第1 1 期 ( 总第9 3 期) 中国水能 及电气化 N o ． 1 1( T 0 T A L N o ． 9 3 ) Ch i n aⅥ， a t e r Po we r& El e c t r i fi c a t i o n 锦屏一级水电站大坝混凝土细骨料料源选择 张伟锋，刘亚洲，曹驾云，宋祺驶 ( 中国水 电顾 问集 团成都勘测设计研 究院，四川 成 都 6 1 0 0 7 2 ) 摘 要：锦屏一级水电站挡水坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高3 0 5 m，大坝混凝土骨料料源主要 为变质砂岩和大理岩 ，砂岩为碱活性骨料，大理岩岩性均一性较差、强度偏低，为了提高工程 的质量和安全度，大坝粗骨料采用岩石强度较 高的砂岩料场。细骨料料源方案需结合生产性试 验 、混凝土性能试验研 究成果，进行深入 的方案研究 、技术经济比较后 最终确定 。 关键词：水电站；碱活性骨料；粗骨料；细骨料 中图分类号：T V 5 1 2 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 — 8 2 4 1 ( 2 0 1 2 ) 1 1 — 0 0 4 8 — 0 7 Da m Co n c r e t e Fi n e Ag g r e g a t e S o u r c e S e l e c tio n o f J i np i n g Gr a d e I Hy dr o p o we r S t a tio n Z HANG We i — f e n g ， L I U Y a — z h o u ， C AO J i a - y u n ， S O NG Qi t a o ( C h e n g d u H y d r o e l e c t r i c I n v e s t ig a t i o n ＆De s i g n I n s t i t u t e O f S P C , C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 , C h i n a ) Ab s t r a c t ： J in p i n g g r a d e I h y d r o p o we r s t a t i o n r e t a i n i n g d a m b e l o n g s t o c o n c r e t e d o u b l e — a r c h d a m． T h e ma x i mu m h e i g h t i s 3 0 5 m ． Th e d a m a g g r e g a t e s o u r c e s a r e ma i n l y me t a mo ~hic s a n d s t o n e an d ma r b l e ， wh e r e in t h e s an d s t o n e i s a l k a l i — r e a c ti v e a g g r e g a t e ， a n d ma r b l e h a s p o o r l i tho l o g y u n i f o r mi t y a n d l o w s t r e n g t h ． Th e d a m a g gre g a t e a d o p t s s and s t o n e a g gre g a t e fie l d wi th h i g h e r r o c k s t r e n g t h in o r d e r t o i m p r o v e the p r o j e c t q u a l i ty and s a f e t y ． T h e fi n e a g g r e g a t e s o u r c e s c h e me s h o u l d b e c o mb i n e d wi t h p r o d u c ti o n t e s t a n d c o n c r e t e p e r f o rm anc e t e s t r e s e a r c h a c h i e v e me n t f o r i n - d e p th p r o g r a m res e arc h a s we l l a s t e c h n i c a l a n d e c o n o mi c c o mp a r i s o n , t h e r e b y ma k i n g fi n a l d e c i s i o n ． Ke y wo r d s ： h y d r o p o we r s t a t i o n ； a l k a l i n e r e a c t i o n a g gre g ate ； c o a r s e a g g r e g ate ； fin e a g g r e g a t e 工 程 概 述 喜 釜 锦屏一级水电站是雅砻江中、下游河段的 成。大坝顶高程1 8 8 5 m，最大坝高3 0 5 m，电站 重要梯级开发电站，为一等工程，枢纽建筑物 装机容量3 6 0 0 MW，水库正常蓄水位 1 8 8 0 m， 收稿 日期：2 0 1 2 ． 0 7 - 1 1 作者简介：张伟锋( 1 9 7 9 - ) ， 男， 大学本科， 工程师， 主要从事水电工程施工组织设计工作。E - m a i l ： 7 3 6 3 8 8 6 4 7 @ q q ．c o i n 48 l 中国 水 能 取电 气 化C H I N A W A T E R P O W E R & E L E C T R I F ~ 2 A T I O N 设计施工与运营管理 De s i g n． Co n s t r u c t i o n& Op e r a t i o n M a n a g e me n t 总库容7 7 ．6 亿m ，属年调节水库。 锦屏一级水 电站大坝混凝土总量约5 4 0 万 m ，需各 级成 品骨 料约 1 3 0 0 万t ，其 中粗 、细 骨料分别为9 1 0 万t 、3 9 0 万t 。工程区混凝土人 工骨料料源主要为变质砂岩和大理岩，砂岩料 为碱活性骨料，大理岩料岩性均一性较差、强 度偏低。锦屏一级水电站大坝为世界级工程， 为了提高工程的质量和安全度，大坝粗骨料采 用岩石强度较高的砂岩料，细骨料需要开展深 入研 究分析后确定 。 2料源概况 工程区内可作混凝土人工骨料料源的主要 为变质砂岩和大理岩，变质砂岩料源为大奔流 沟 砂岩料场 ，大理岩料源 为三滩右岸大 理岩料 场和兰坝大理岩料场。 2 ． 1大奔流沟砂岩料场 料 场位于坝址下游 雅砻江左岸 ，距 坝址约 9 k m，分布 高程 1 6 6 0 ~2 1 0 0 m。料场 地层 岩性 为三叠系杂谷脑 组第三段 1 ～3 层 中厚 ～厚层状 变质石英细砂岩及粉细砂质板岩，规划可采储 量1 0 9 0 万m 。变质砂岩岩石强度较高，运输条 件较好，开采条件较差。 2 ． 2三滩右岸大理岩料场 料 场位 于 坝 址上 游 约 3 k m处 、 兰坝 沟 下 游，分布高程1 9 5 0 ~2 3 7 0 m。料场地层为三叠系 中上统杂谷脑组第二段第7 、8 层大理岩，有用 料岩性为灰色中细晶大理岩、浅灰～灰 白色细 晶大理岩，规划可采储量7 1 8 ． 6 万m 。料场岩性 均一性较差，岩石强度总体偏低，开采运输条 件较好。 2 _ 3兰坝大理岩料场 料 场 位 于坝 址 上 游 约 5 k m处 的雅 砻 江 右 岸，分布高程 1 6 5 0 ～1 9 0 0 m。料场有用料岩性 为浅灰色致密大理岩和灰色网纹状大理岩，规 划可采储量约1 0 0 万m 。岩石致密坚硬，开采 运输条件较差，运距较远。 各料场原岩物理力学试验成果见表l 。 3混凝土性能试验 锦 屏一级水 电站大坝为混凝土双 曲拱坝 ， 为世界第一高拱坝。为了提高工程的质量和安 全度，确保大坝持久、稳定运行，对大坝混凝 土骨料进行优选，进行大坝混凝土和易性、强 表1料场原岩物理力学性能试验成果表 中 囡 水 能 殛电 气 化 I 4 9 设计 施工与运营管理 De s i g n ． Co n s t r u c t i o n& Op e r a t i o n M a n a g e me n t 度、耐久性等指标的性能试验。 3 ． 1骨料碱活性检验及抑制试验研究 3 ． 1 ． 1骨料碱活性检验 采用砂浆棒快速法和混凝土棱柱体法对大 理岩人工骨料及砂岩人工骨料的碱活性进行检 验，检验结果见图l 、图2 。 十煳岩 一 ／ J 5 1 0 图1砂浆棒快速法检验结果图 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 龄 期 ( d ) 图2混凝土棱柱体法检验结果 大理岩骨料 1 4 d 砂浆膨胀率小于0 ． 1 ％， 3 6 5 d 的混凝土膨胀率小于0 ．4 ％，为非活性骨 料；砂岩骨料的1 4 d 膨胀率大于0 ．2 ％，3 6 5 d 的 混凝土膨胀率大于0 ． 0 4 ％，为活性骨料。 3 ． 1 ．2骨料碱活性抑制试验 ( 1 )掺粉煤灰对骨料碱活性的抑制 对大奔流沟砂岩料场进行 了不同粉煤灰 掺量和不同碱含量条件下的碱活性抑制试验研 究，主要试验成果如下： 5 0 I中 田 水 能 及电 气 化c H I N A R p a w E R ＆ E L 5 c T R c o N a ． 当碱含量一定时，活性骨料的砂浆膨胀 率随着粉煤灰掺量的增加而逐渐减小，当粉煤 灰的掺量超过2 0 ％时，砂浆膨胀抑制率的变化 趋 于平缓 。 b ． 当粉煤灰掺量一定时，砂浆的膨胀率随 着胶凝材料的碱含量的增加而呈上升趋势。 ( 2 )大理岩砂对砂岩砂碱活性膨胀的影响 采用砂浆棒快速法对砂岩和大理岩不同比 例的组合砂的碱活性进行检验，胶凝材料碱含 量为0 ． 9 ％和 1 ． 5 ％时 的成果见图3 。 采 用 砂 浆 棒 快 速 法 对 大 理 岩 含 量 为 5 ～3 0 时组合砂 的碱 活性进 行检验 ，成果 见图4 。 0 ． 4 料0 ． 3 渣 0 ． 2 0 ．1 0 ＼ 一 勤 ＼ ■ I ％ I●N ’ 0 2 0 4 O 6 0 8 0 1 0 0 大理岩含量 ( ) 图3大理岩砂对砂岩膨胀率的影响 门 ＼尸、、 目 ＼ ／ ^— △ 、 ⋯u — _ E }一 2 8d n I - O 1 0 2 0 3 O 4 0 大理岩含量( ％) 图4低掺量( <3 0 ) 大理岩砂对砂岩膨胀率的影响 5 2 5 l 5 O 2 ． 1 ． O ． O ． O ． 0 0 0 ^ 一料 鼙 _【 设计施工与运营管理 De s i g n． Co ns t r u c t i o n& Op e r a t i o n M a n a g e me n t 图3 试验结果表明，在砂岩砂中掺入一定 量的大理岩砂可以降低砂岩砂的碱活性膨胀。 图4 试 验 成 果 表 明 ， 当大 理 岩 含 量 为 5 ％～3 0 ％时，砂岩的砂浆膨胀率总体存在随 大 理岩 含 量 增 加而 减 少 的趋 势 ，大 理岩 含 量 1 0 ％是膨胀率 的拐 点。 3 ． 2混凝土性能试验研究 混凝土性能试验主要用于 比较组合骨料与 全砂岩骨料的混凝土性能，并论证组合骨料混 凝土性能的优劣，以及作为大坝混凝土人工骨 料的可行性。在水胶 比相同的条件下，混凝土 性 能试验主 要成果如下： ( 1 )坍落 度相 当的条件 下 ，组合骨 料混 凝土用水量 比砂岩混凝土少8 ～9 k g ／ m。 ，胶凝 材 料用 量少 1 5 ～2 1 k g ／ m 。故大 理岩砂 替代 砂 岩砂可以改善混凝土的和易性。 ( 2 )组合骨料混凝土的抗压强度 、劈拉 强度及轴拉强度略高于全砂岩混凝土。 ( 3 )组合骨料降低混凝土的自身体积变形 收缩量与干缩值，提高混凝土的体积稳定性。 ( 4 )组合骨料混凝土的抗裂变形指数比 全砂岩混凝土高，抗裂性能略优。 ( 5 )组合骨料混凝土的1 8 0 d 弹性模量略 高于全砂岩混凝土，极限拉伸值略低于全砂岩 混凝土，变形性能略差。组合骨料混凝土的抗 冻性与抗渗性 略逊于全砂岩 混凝土 。 混凝 土性 能 试 验 成 果表 明 ，组 合 骨料 能 够配制出满足设计要求的大坝混凝土，与全砂 岩骨料混凝土相比组合骨料混凝土的变形性 能、耐久性略差 ，其他 性能指标略优 。 3 ． 3大理岩细骨料指标对混凝土性能的影响 大理岩有一定的变异性，其人工砂存在细 度模数小及石粉含量变化较大的不足，故需对 不同细度模数及石粉含量的大理岩人工砂组合 骨料混凝土的用水量、抗压强度、抗拉强度、 极限拉伸值、弹模、耐久性及干缩性等基本性 能进行试验研 究。 ( 1 )组合 骨料 混凝 土用 水量 与石粉 含量 的关系见图5 。 h0 皿 Ⅲ l】 * 旺 ：噩 L ◆ ／ ／ ／ 4O 50 石 粉 含 _最 ／ ％ 图5混凝土用水量 与石粉含量 的关 系 当混凝土的和易性大致相当时，组合骨料 混凝土单位体积用水量增加值与大理岩人工砂 石粉含量增量成正比。 ( 2) 通 过 对 大 理 岩 砂 石 粉 含 量 为 l 5 ． 7 ~／ 60 ～3 2 ． 4 ％进行组合骨料混凝土的抗压强 度、抗拉强度、变形性能度、干缩性等试验， 石粉含量为2 0 ． 7 ％的大理岩人工砂混凝土2 8 d 抗压强度与强胶比、劈拉强度与轴拉强度、极 限拉伸值 、弹模等指标最高，但干缩值最低、 弹强比较低。 通过 以上试验成果分析，大理岩砂组合骨 料 配置 的混 凝土细骨 料细度模 数 2 ． 0 ，石粉含 量< 2 0 ％。 4细骨料生产性试验 4 ． 1大奔流沟砂岩细骨料生产性试验 大奔流沟砂岩制砂 生产性试 验在重庆市 江口水电站人工骨料加工系统进行，分别做了 B 8 1 0 0 石打石制砂机~ H V I 4 0 0 立轴式破碎机细碎 试 验 。 B 8 1 0 0 石打石制砂机破碎原料 ，检查筛分 中 豳 水 舱疑 电 气 化 I 5 1 设计施工与运营管理 De s i g n． Co n s t r uc t i o n& Ope r a t i o n M a n a g e m e n t 前、后砂级配，V I 4 0 0 立轴式破碎机破碎原料， 检查筛分前、后砂级配试验成果见表2 。 从产 品颗粒级 配上分析 ，B8 1 0 0 石 打石制 砂~ H V I 4 0 0 立轴制砂效果基本相 同，检查筛分 前的产品，< 5 m m的颗粒含量约4 0 ．O ％，砂细度 模数为2 ． 5 ～2 ． 7 ，品质不好，5 ～2 ． 5 mm颗粒含 量过大。检查筛分后，石粉流失量较大，导致 成品细骨料细度模数偏高。 4 ． 2三滩右岸大理岩细骨料生产性试验 三滩右岸大理岩制砂生产性试验在溪洛渡 水电站中心场人工骨料加工系统进行，分别做 了棒磨机制砂和立轴破制砂试验。 棒磨机生产出来的细骨料细度模数小、石 粉含量大、中间级配颗粒含量偏小，而且洗砂 机几乎不 出砂 。 立轴破采用4 5 0 0 E V T 立轴式破碎机 ，筛分 前的原状砂中间颗粒级配少、石粉含量大、细 度模数小。冲洗筛分后，石粉流失约5 0 ，中 间颗粒 ( O ．6 3 ～1 ． 2 5 ram)重量百分比有所提 高，但仍然偏低，成品砂级配不太好。 4 ． 3兰坝大理岩细骨料生产性试验 兰坝大理岩制砂生产性试验也在重庆市江口 水电站人工骨料加工系统进行，分别做了B 8 1 0 0 石打石制砂机~ H V I 4 0 0 立轴式破碎机细碎试验。 B8 l O 0 石打石制砂机破碎原料，检查筛 分前、后砂级配 。V I 4 0 0 立轴式破碎机破碎原 料 ，检查筛 分前 、后砂 级配试验 成果见表3 。 从产品颗粒级配上分析，B 8 l 0 0 石打石制 砂~ [] V I 4 0 0 立轴制砂效果基本相 同，检查筛分 前的产品，< S m m的颗粒含量为4 8 ． 8 ％，砂细度 模数为2 ． 6 9 ，品质不好，5 ～2 ． 5 mm颗粒含量偏 大。检查筛分后，石粉流失量较大，导致成品 细骨料细度模数偏高。 根据细骨料生产性试验成果分析，可得出 如下结论： ( 1 )大奔流沟砂岩立轴破碎机出料2 ．5 ~ 5 m m 颗粒含量偏大，砂的品质不好。 ( 2 )兰坝大理岩立轴破碎机出料2 ． 5 ～ 5 m m 颗粒含量偏大，砂的品质不好。 ( 3 )三滩右岸大理岩立轴破碎机出料石粉 含量偏大，砂中间颗粒 ( 0 ．6 3 ～1 ．2 5 m m)含量偏 小，细度模数小，且洗砂机不出砂。 5料源方案拟定 工程区内可作为大坝混凝土细骨料料源的 有大奔流沟砂岩料场、三滩右岸大理岩料场和 兰坝大理岩料场。兰坝大理岩料场总量较小， 不能满足细骨料总量的需求。组合骨料碱活性 表2破碎机制砂检查筛分前、后砂级配试验成果表 5 2 I 中 _ 水柏 瘦 电 气化C H IN A W A T E R P O W E R & E L E C T R IF IC A T IO N 设计施工与运营管理 De s i g n ． Co ns t r u c t i o n & Ope r a t i o n M a n a g e me n t 抑 制 试 验 成 果表 明 ，细骨 料 中大 理 岩含 量 占 1 0 ％时，砂浆膨胀率曲线出现拐点。按细骨料 中砂岩、大理岩各占5 0 ％的比例计算，折算后 骨料中大理岩含量接近l 0 ％，故不考虑大理岩 细骨料与砂岩细骨料组合的方案。 综合考 虑细骨料料源 的岩性 、分布位 置 、 骨料加工厂的位置、细骨料的生产试验成果以 及混凝土性能试验成果等因素，细骨料的料源 组合方案主要有三种，见表4 。 6料源方案 比较与选择 6 ． 1技术比较 技术比较主要从料源采运、系统运行、人 工砂质量、混凝土性能等方面进行分析，各组 合方案 的技术 比较见表5 。 6 ．2经济比较 经济 比较主要从料源 的开采规划配套设 施 、毛料 的开采运 输加工 、成 品料 的运输 以及 表4细骨料料源组合方案表 一 磊 裂 ⋯ 黼 眭 方 案 一 翟 磊 蒋 繁 喜 嚣 蠢 薯 砂 融 潜 在 的 黼 眭 自 场 开 采 配 套 设 施 洗 。 ② 单 一 骨 料 ， 无 需 ：。 。 里 掺和 “一 ⋯ 一 籍 蠢 三 滩 右岸 大 理 岩 方案三 5 0 ％+兰 坝 大 理岩 5 0 ％ ①细骨料主要采用立轴 兰坝 料场没有 进行 开 破碎机生产 ，加筛分冲 采规划 ，需增加料场 洗。②组合骨料，需掺 开采配套设施 和，增加掺和设施，工 艺相对复杂 砂 的细度 模 数 、颗 粒 级配 基 本在 规 定值 范 围 内 ，混合 成 品砂 石 粉含量控制在 1 4 ％左 右，综合弃料率约1 3 ％ ①砂无潜在的碱活 性 ，可 适 当减 少混 凝 土碱 活 性 膨胀 。 ②混凝 土用水量比 全 砂岩 混 凝 土 低 。 ③2 8 d 龄期的抗压强 度 、劈 拉强 度 、轴 拉 强 度 比全 砂 岩混 凝土高，但弹模 比 全砂岩混凝土高。 组合骨料 混凝土2 8 d 龄 期 性 能优 于 全砂 岩混凝土 中 国水 能 及电 化 I 5 3 设 计施工与运营 管理 De s i g n ． Co n s t r u c t i o n& Op e r a t i o n M a n a g e me nt 混凝土胶凝材料用量等方面进行分析，各组合 方案的经济性比较见表6 。 6 ．3方案选择 经以上技术、经济分析与比较，可以得出 以下几点结论： ( 1 )混凝土性能方面，大理岩细骨料与 砂岩粗骨料组合骨料的混凝土2 8 d 龄期性能优 于全砂岩骨料混凝土 。 ( 2 )碱活性抑制方面，大理岩砂可 以减 少砂岩混凝土的碱活性膨胀。 ( 3 )人工砂质量方面，方案一细骨料颗 粒级配、细度模数及石粉含量等指标均满足规 范要求。方案二细骨料细度模数、石粉含量等 指标基本满足规范要求，颗粒级配较差，与 规范要求有一定的偏差。方案三细骨料细度模 数、石粉含量等指标满足规范要求，颗粒级配 基本满足规 范要求 。 ( 4 )运行方面，方案一和方案二不需要 掺和，无需增加掺和设施，运行相对简单。 ( 5 )经济方面，方案一相对费用最低， 方案三相对费用最高。 砂岩骨料具有潜在 的碱硅酸反应活性 ， 采用大理岩砂代替砂岩砂对减少碱活性反应膨 胀量具有一定作用。同时减少了混凝土胶凝材 料用量和混凝土干缩，混凝土力学性能有所提 高，热学性能有所改善，基本不降低混凝土抗 裂能力或略有提高。方案三在技术上较容易实 施 ，成品砂细度模数和石粉含量满足规范要 5 4 l 中 圈 水 雌殪 电 气 化C H IN A W A T E R P O W E R & E L E C T R IF IC A T IO N 求，其颗粒级配基本满足规范要求。同时本方 案的经济性并未高出其它方案很多，故推荐大 坝混凝土细骨料采用方案三，即三滩右岸大理 岩与兰坝大理岩各5 0 ％的组合细骨料。 7 结语 对混凝土坝而言，料源质量直接影响着大 坝质量 的好坏 。由于锦屏 一级工程区砂岩骨料 具有潜在的碱硅酸反应活性 ，为了确保大坝工 程质量和运行期的安全 ，需要慎重选择大坝骨 料料源。细骨料料源方案需结合生产性试验、 混凝土性能试验研究成果，进行深入的方案研 究、技术经济比较后最终确定。 参考文献： [ 1 】D L 1 ／ T 5 3 9 7 — 2 0 0 7水电工程施工组织设计规范[ S ] ． 中华 人 民共和国国家发展和改革委员会， 2 0 0 7 ． [ 2 ]D L I ／ T 5 3 8 8 ． 2 0 0 7水电水利工程天然建筑材料勘察规程 [ S ] ． 中华人民共和国国家发展和改革委员会， 2 0 0 7 ． [ 3 ]3 D L ／ T 5 1 5 1 — 2 0 0 1 水工混凝土砂石骨料试验规程[ S ] ． 中 华人民共和 国国家经济贸易委员会， 2 0 0 2 ． [ 4 ]黄河， 黎鸣． 溪洛渡水电站混凝土骨料料源选择[ J ] ． 中国 水利． 2 0 0 6 ( 4 ) ： 2 1 ． 2 3 ．