石 峰，婁旭峰，張家俊

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

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武都水庫復(fù)雜巖溶地層中混凝土配合比設(shè)計淺析

石 峰，婁旭峰，張家俊

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司，天津 武清，301700)

武都水庫巖溶系統(tǒng)處理工程，主要包括對溶蝕帶、落水洞以及溶蝕洞穴等的處理。為保證在復(fù)雜地層中混凝土的施工質(zhì)量，混凝土配合比設(shè)計尤為重要，既要充分考慮泵送混凝土能滿足強度需求，又要滿足長距離泵送和復(fù)雜性入倉混凝土的需要。為此，本文對武都水庫混凝土配合比設(shè)計作了詳細闡述和分析。

武都水庫 巖溶系統(tǒng) 基礎(chǔ)處理工程 配合比設(shè)計

1 工程概況

四川武都水庫左右岸基礎(chǔ)處理工程，位于四川省江油市武都鎮(zhèn)上游約4km，是涪江上的一座具有防洪、灌溉、發(fā)電、供水、改善環(huán)境、旅游和水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用效益的龍頭水庫，總庫容5.72億m3，樞紐主要建筑物有碾壓混凝土重力壩和壩后式廠房等。

樞紐總體布置從左岸至右岸依次為：左岸非溢流壩段12段(1#～12#壩段)長293m，廠房壩段3段(13#～15#壩段)長55m，表孔底孔壩段3段(16#～18#壩段)長70m，右岸非溢流壩段12段(19#～30#壩段)長309m，總共30個壩段?；緣纹拭娴纳嫌螇纹聻榇咕€，下游壩坡1∶0.75，泄流壩段基本剖面下游壩坡1∶0.8。

壩后式廠房位于河床左岸，裝機3×50MW，平面尺寸為29.24m×50.23m(長×寬)，建基面高程為557.161m，最大高度約45m。

左右岸基礎(chǔ)處理工程包括：灌漿平洞、帷幕灌漿、排水孔、壩基固結(jié)(接觸)灌漿和斷層處理、排水系統(tǒng)工程、巖溶系統(tǒng)處理等工作內(nèi)容。工程設(shè)計在左右岸設(shè)有2～3層灌漿平洞，壩體內(nèi)設(shè)3層廊道與灌漿平洞連接。本工程的帷幕灌漿主要在灌漿平洞、壩體廊道及地表進行施工；壩基主要采用固結(jié)和接觸灌漿處理，對于斷層等軟弱部位采用混凝土塞表層封閉后再通過深孔固結(jié)灌漿加強地基，壩基混凝土與巖石之間采用接觸灌漿處理。巖溶系統(tǒng)處理主要包括溶蝕帶、落水洞以及溶洞洞穴等，主要通過施工支洞及灌漿平洞創(chuàng)造作業(yè)面，采用清、堵、灌、排、導(dǎo)等方式進行處理。

本合同段混凝土工程主要包括施工支洞，左、右岸灌漿平洞，交通斜井，排水洞混凝土襯砌，勘探平洞及巖溶系統(tǒng)混凝土回填封堵等。混凝土工程總量約為18萬m3，混凝土設(shè)計強度等級為C20和C15兩種。

2 存在問題及配合比設(shè)計原則

由于武都水庫為我國巖溶地層發(fā)育分布區(qū)，在巖溶發(fā)育地區(qū)修建水庫，嚴重存在溶蝕滲漏問題。通常水庫滲漏問題可通過防滲帷幕灌漿方式解決，但武都水庫壩址區(qū)工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，巖溶發(fā)育強烈，壩基地質(zhì)缺陷明顯且處理技術(shù)難度大。按巖溶工程處理發(fā)育現(xiàn)狀，靠帷幕灌漿僅能解決部分防滲問題，而大部分的巖溶洞穴則需靠人工或機械追蹤清挖切斷防滲帷幕范圍后回填混凝土解決。同時，在設(shè)計壩基應(yīng)力應(yīng)變要求、確保防滲帷幕質(zhì)量的前提下，繼續(xù)優(yōu)化巖溶處理設(shè)計、調(diào)整施工方案和施工工藝，具有積極的現(xiàn)實意義。

為此，本工程混凝土配合比設(shè)計，堅持以下幾個原則：(1)建立穩(wěn)定骨架所需骨料用量原則；(2)最大限度密度填充原則；(3)混凝土可泵性原則；(4)骨料離析系數(shù)最小原則；(5)最優(yōu)砂率原則；(6)最佳用水量原則；(7)外加劑摻量原則。

以一定數(shù)量的粗骨料(5mm～40mm)形成密布的骨架空間網(wǎng)格，以相當數(shù)量的細骨料(小于5mm)最大限度地填充骨架空隙，以膠凝材料漿體最大限度地填滿粗骨料和細骨料的間隙，并包裹粗、細骨料顆粒，形成均勻密實的混凝土，以滿足強度和耐久性的要求。

泵送混凝土對粗骨料有特殊的要求：如φ125mm輸送管要求可用卵石最大粒徑為40mm，碎石為30mm；φ150mm輸送管要求混凝土所用卵石最大粒徑為50mm，碎石為40mm。同時，泵送混凝土對粗骨料的級配也十分敏感，主要原因是粗骨料的外形及粒徑大小直接關(guān)系到粗骨料表面積及包裹物對它的附著力，從而影響細骨料和灰漿的使用量。根據(jù)實際情況和施工條件，應(yīng)推薦出適合本地區(qū)的施工程序和良好的施工工藝、合適的混凝土澆筑材料及混凝土施工配合比。

混凝土配合比主要技術(shù)指標詳見表1。

3 原材料性能

3.1 混凝土用水泥

水泥選用四川雙馬水泥股份有限公司生產(chǎn)的雙馬牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥，取樣地點為雙馬水泥生產(chǎn)廠家，其物理力學(xué)性能檢測結(jié)果見表2。

表1 混凝土配合比主要技術(shù)指標

表2 水泥物理力學(xué)性能

從表2可看出，以上二組雙馬牌P·O32.5普通硅酸鹽水泥水泥3d、28d物理力學(xué)性能符合規(guī)范GB175-1999對P·O32.5水泥的要求；第二組水泥28d強度偏高。

3.2 混凝土用細骨料

細骨料為河砂，取樣地點為石家中脊料場，試驗前過5mm篩。其物理性能檢測見表3。

表3 細骨料物理性能

從表3檢測結(jié)果可看出，第一組砂為粗砂，第二組為中砂，其余各檢測項目均符合規(guī)范DL/T5144-2001對細骨料的要求。

3.3 混凝土用粗骨料

混凝土用粗骨料為卵石，分三次取樣，取樣地點為石家中脊料場，試驗前分別篩成小石(5mm～20mm)和中石(20mm～40mm)。其物理性能檢測見表4。

表4 混凝土用卵石物理性能

從表4檢測結(jié)果可看出,各檢測項目均符合規(guī)范DL/T5144-2001對粗骨料的要求。

3.4 混凝土用粉煤灰

粉煤灰為四川綿陽市熱電廠生產(chǎn)的粉煤灰，其性能檢測見表5。

表5 粉煤灰檢測結(jié)果

從表5檢測結(jié)果可看出，該粉煤灰所測指標達到Ⅱ級粉煤灰的要求。

3.5 外加劑

緩凝高效泵送劑HJUNF-3A由山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)；膨脹劑為四川三三科技有限公司生產(chǎn)的SS-UEA普通型高效混凝土膨脹劑；早強高效泵送劑HJUNF-3B由山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)。

外加劑檢測結(jié)果分別見表6、表7、表8。

表6 泵送劑檢測結(jié)果

從表6檢測結(jié)果可看出，該泵送劑所測指標滿足規(guī)范要求。

表7 早強高效泵送劑檢測結(jié)果

從表7檢測結(jié)果可看出，該早強高效泵送劑所測指標滿足規(guī)范要求。

表8 膨脹劑檢測結(jié)果

從表8檢測結(jié)果可看出，該膨脹劑以上所測指標滿足規(guī)范JC476-2001的要求。

4 配合比設(shè)計

鑒于武都水庫巖溶系統(tǒng)的復(fù)雜性，在各個部位或同個部位分別采用了不同的混凝土進行回填施工。如左岸623m高程壩基5#～6#號壩段，在先期對已清挖的部分落水洞，采用了C15混凝土回填，而在后續(xù)施工中設(shè)計增加K108堵頭段的C20微膨脹混凝土。所以要求在與堵頭段相關(guān)部位的落水洞、隱伏洞穴和K108溶洞發(fā)育的巖溶支洞，均采用C20微膨脹混凝土回填，堵頭段之外的則采用C15混凝土回填。同時，在同個部位分別采用直接泵送入倉、直接溜槽入倉、泵送加溜槽和溜筒入倉等多種復(fù)雜的混凝土入倉方式。所以，該工程在配合比設(shè)計時根據(jù)工程需要設(shè)計了多種混凝土種類，有常態(tài)混凝土、泵送混凝土、常態(tài)微膨脹混凝土、泵送微膨脹混凝土、常態(tài)回填混凝土、泵送回填混凝土、早強泵送混凝土、早強泵送微膨脹混凝土等。

在巖溶系統(tǒng)施工中，模板工程量極大，立模模板、架管等使用材料較多，為了方便立模材料的周轉(zhuǎn)，加快施工進度。大部分地方采用了早強混凝土回填施工，在泵送混凝土中加入了早強泵送劑的措施。

4.1 混凝土配合比基本參數(shù)選定

4.1.1 石子級配組合的確定

(1)該工程石子級配為二級配為主，極少地方采用一級配混凝土。針對二級配混凝土，主要在試驗中考慮施工和易性的要求，常態(tài)混凝土宜選石子級配用為中石∶小石=60∶40，泵送混凝土宜選用石子級配為中石：小石=50∶50；

(2)噴射混凝土配合比設(shè)計。根據(jù)規(guī)范要求，混合料配合比應(yīng)遵守下列規(guī)定：干法噴射水泥與砂、石重量比宜為1.0∶4.0～1.0∶4.5；濕法噴射水泥與砂、石重量比宜為1.0∶3.5～1.0∶4.0；水灰比宜為0.42～0.50，砂率宜為50%～60%。

4.1.2 混凝土最優(yōu)砂率和用水量的確定

混凝土最優(yōu)砂率能使其拌和物具有良好的和易性和保水性。通過試驗確定，常態(tài)混凝土水灰比為0.55時為39%，水灰比每增減0.05，砂率相應(yīng)增減1%；泵送混凝土水灰比為0.55時為41%，水灰比每增減0.05，砂率相應(yīng)增減1%。

4.1.3 混凝土用水量的確定

混凝土用水量是在滿足混凝土施工和易性要求的前提下，盡量降低每方混凝土的用水量，它主要受水泥品種、摻和料品種、外加劑的性能，砂石骨料的形狀、級配和砂率等諸多因素的影響。混凝土的用水量經(jīng)過試驗確定。

4.1.4 外加劑摻量的確定

通過試驗確定，泵送劑的摻量均為0.7%，早強泵送劑的摻量為1.4%，膨脹劑的摻量采用最小摻量10%和中間摻量11%。

4.2 混凝土施工配制強度的確定

為使施工中混凝土強度符合設(shè)計要求，在進行混凝土配合比設(shè)計時，應(yīng)使混凝土配制強度有一定的富裕度。根據(jù)現(xiàn)行《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程DL/T5330-2005》中“混凝土配制強度的確定”的有關(guān)要求，混凝土配制強度按下式計算：

fcu，o=fcu，k+tσ

式中：fcu，o——混凝土配制強度(MPa)；

fcu，k——混凝土設(shè)計齡期立方體抗壓強度標準值(MPa)；

t——概率系數(shù)，由給定的保證率P選定；

σ——混凝土立方體抗壓強度標準差(MPa)。

根據(jù)現(xiàn)場混凝土施工條件和施工水平，保證率按95%考慮，標準差選用4.0。

4.2.1 泵送混凝土和常態(tài)混凝土配合比設(shè)計

混凝土水灰比選擇0.50、0.55、0.60、0.65，砂率選用37%～42%，假定容重2400kg。

常態(tài)、泵送混凝土采用20%、30%、40%不同摻量的粉煤灰；微膨脹混凝土粉煤灰摻量為20%，在泵送混凝土中，膨脹劑分別以最小摻量10%和中間摻量11%來代替水泥用量，考慮到該工程泵送混凝土用量較大，其余混凝土只做10%的摻量，以這樣的不同摻量來選擇一個合適的配合比。

4.2.2 據(jù)泵送混凝土規(guī)范要求，應(yīng)測定混凝土坍落度的損失值。所以根據(jù)泵送混凝土拌和物特征，采用不同摻量的泵送劑來檢測其坍落度的損失值。

泵送混凝土經(jīng)時坍落度損失值見表9。

表9 泵送混凝土經(jīng)時坍落度損失值

從表9可以看出，在相同氣溫下混凝土外加劑摻0.7%時坍落度損失大于摻0.8%，所做試驗氣溫為15℃，在夏天氣溫較高的情況下宜采用摻0.8%的混凝土，冬天氣溫較低益采用摻0.7%的混凝土，這樣才能保證混凝土坍落度經(jīng)時損失不是很大，利于泵送混凝土的施工。

4.3 試驗檢測結(jié)果

4.3.1 以上微膨脹混凝土配合比，所檢測混凝土抗?jié)B性能和混凝土膨脹率如表10所示。

表10 混凝土抗?jié)B、膨脹性能檢測結(jié)果

由表10可以看出，泵送微膨脹混凝土在膨脹劑摻量為11%時膨脹率滿足設(shè)計要求，其余摻量為10%時能夠滿足設(shè)計要求。

4.3.2 混凝土推薦配合比

泵送混凝土水膠比大于0.60時，混凝土的強度下降，同時容易造成離析，造成堵管。所以水膠比選擇小于0.60，膠凝材料用量不宜低于300kg/m3，砂率宜為35%～45%。

綜上所述，現(xiàn)將推薦施工配合比分列如表11、表12和表13所示。

5 結(jié)語

武都水庫復(fù)雜巖溶地層處理工程中的混凝土配合比設(shè)計，充分考慮了武都水庫左右岸基礎(chǔ)處理施工現(xiàn)場的具體情況，把泵送混凝土的可泵性和強度放在同一高度加以考慮，通過各系數(shù)的平衡選定，達到對泵送混凝土的性能控制。水工混凝土建設(shè)標準的提高，高質(zhì)量混凝土的應(yīng)用與日俱增，明確規(guī)定采用泵送混凝土的工程部位會越來越多，因此泵送混凝土配合比設(shè)計顯得尤為重要。期望通過探討混凝土配合比設(shè)計，充分認識到配合比對泵送混凝土質(zhì)量的重要性。同時，在后期建設(shè)工程施工中，類似武都水庫基礎(chǔ)處理工程的復(fù)雜巖溶系統(tǒng)工程施工會越來越多，望在今后遇到類似的巖溶處理工程施工中得以借簽，并在應(yīng)用過程中積累更多的實踐經(jīng)驗，為今后能夠設(shè)計出更優(yōu)秀的配合比打下堅實基礎(chǔ)。

表11 常態(tài)混凝土及常態(tài)微膨脹混凝土推薦施工配合比

表12 泵送混凝土及微膨脹泵送混凝土推薦施工配合比

表13 早強泵送混凝土及早強微膨脹泵送混凝土推薦施工配合比

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