金 峰，周 虎，李玲玉，黃杜若

（1.清華大學(xué)水利水電工程系，北京市 100084；2.北京華石納固科技有限公司，北京市 100085）

1 堆石混凝土系列技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)介

20世紀(jì)80年代后期，日本東京大學(xué)崗村教授研制了自密實(shí)混凝土[1-2]。由于自密實(shí)混凝土施工簡(jiǎn)便，迅速在日本、北美和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家的土木工程建設(shè)中得到推廣應(yīng)用，近年來(lái)，我國(guó)的自密實(shí)混凝土應(yīng)用范圍也不斷拓展，在高層建筑、高鐵、橋梁等領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。自密實(shí)混凝土硬化后性能與普通振搗混凝土類(lèi)似，但新拌自密實(shí)混凝土的工作性能明顯優(yōu)于普通振搗混凝土，具有很高的流動(dòng)性，同時(shí)具有良好的抗離析性能。新拌混凝土黏度提高有利于抗離析，但過(guò)高黏度會(huì)影響流動(dòng)性，自密實(shí)混凝土的原材料、配合比及施工管理水平要求較高。另外，自密實(shí)混凝土需要較多漿體，水泥用量高，因而，水化溫升高，收縮大，材料成本較高，并不適合大體積混凝土施工。

2003年，我國(guó)清華大學(xué)基于自密實(shí)混凝土技術(shù)，研發(fā)了堆石混凝土技術(shù)[3]：首先在澆筑倉(cāng)內(nèi)自然堆積大于300mm粒徑的大塊石，層厚一般為1～3m，然后在堆石頂面澆筑具有比普通自密實(shí)混凝土澆筑性能要求更高的高自密實(shí)性能混凝 土（high-performance self-compacting concrete，HSCC），依靠自流充填堆石空隙，形成完整密實(shí)的大體積混凝土（見(jiàn)圖 1）。

圖1 堆石混凝土澆筑示意圖Figure 1 Casting sketch of RFC

堆石混凝土綜合了自密實(shí)混凝土和漿砌石的優(yōu)點(diǎn)，充分利用大量塊石，大幅減少水泥用量，可以提高混凝土密度，降低水化熱，減少收縮，從而取消振搗或碾壓工序與冷卻水管等溫控措施。施工工藝的簡(jiǎn)化顯著降低了設(shè)備要求和人工投入，加快施工進(jìn)度，降低建設(shè)成本，是一種環(huán)境友好的新型筑壩技術(shù)。

2005年，在北京某地，建造了世界上第一座堆石混凝土小壩，壩高14.5m。2006年，河南寶泉抽水蓄能電站上庫(kù)副壩開(kāi)始應(yīng)用堆石混凝土。2009年，山西清峪水庫(kù)重力壩全面采用堆石混凝土建造，壩高達(dá)到42.6m，堆石混凝土方量約3.98萬(wàn)m3。隨著堆石混凝土筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展，澆筑方量逐年上升（見(jiàn)圖2），截至2020年底，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，新建、在建堆石混凝土大壩已有114座，其中重力壩104座，拱壩10座，最大壩高90m。多座壩高超過(guò)100m的堆石混凝土大壩正在設(shè)計(jì)論證，巴基斯坦、布隆迪等國(guó)家也在準(zhǔn)備建設(shè)堆石混凝土壩。

圖2 堆石混凝土澆筑方量逐年增長(zhǎng)（單位：萬(wàn)m3）Figure 2 Casting volume of RFC （unit：104 m3）

基于已有工程經(jīng)驗(yàn)，水利部、國(guó)家能源局相繼頒布的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[4]《堆石混凝土筑壩技術(shù)導(dǎo)則》[5]和《水電水利工程堆石混凝土施工規(guī)范》[6]；貴州省還針對(duì)堆石混凝土拱壩頒布了地方標(biāo)準(zhǔn)《堆石混凝土拱壩技術(shù)規(guī)范》[7]；國(guó)際大壩委員會(huì)堆石混凝土壩技術(shù)公報(bào)[8]也將在近期發(fā)布。

在堆石混凝土技術(shù)研發(fā)過(guò)程中，清華大學(xué)針對(duì)混凝土自密實(shí)性能開(kāi)展了深入研究[9]，并在此基礎(chǔ)上，相繼研發(fā)了水下自護(hù)混凝土和自流控制灌漿技術(shù)。

水下自護(hù)混凝土采用了與傳統(tǒng)的水下不分散混凝土不同的工作原理，它通過(guò)向準(zhǔn)備澆筑混凝土的水體中添加水溶性高分子聚合物水下保護(hù)劑（underwater protective agent，UPA），將水體改性為極低濃度的水溶性高分子聚合物溶液（約100ppm①ppm表示百萬(wàn)分之一。），從而抑制混凝土拌合物中的水泥向水體中分散，避免水下混凝土離析；然后向水體中澆筑自密實(shí)混凝土，實(shí)現(xiàn)混凝土的水下清澈澆筑[10]。實(shí)際施工實(shí)踐表明，水下自護(hù)混凝土不僅可以應(yīng)用于靜水，也可應(yīng)用于低流速水體；不僅可以應(yīng)用于淡水，也可應(yīng)用于海洋；不僅可以應(yīng)用于設(shè)置模板的封閉水體，也可以應(yīng)用于開(kāi)放水體，還可以在渾水中澆筑。圖3演示試驗(yàn)說(shuō)明了普通混凝土、摻加絮凝劑的不分散混凝土與水下自護(hù)混凝土三種技術(shù)的區(qū)別，試驗(yàn)時(shí)利用漏斗將配合比相同的新拌砂漿直接投入燒杯里的水體，可以清楚地觀察到砂漿拌合物在水體中的澆筑情況。其中，（a）為沒(méi)有添加絮凝劑的普通砂漿；（b）為添加了絮凝劑的水下不分散砂漿；（c）為沒(méi)有添加絮凝劑的普通砂漿投入到100ppm水下保護(hù)劑溶液的情況?？梢郧宄乜吹叫跄齽┠軌蚋纳扑喾肿拥姆稚?，但不能完全避免水泥分子進(jìn)入水體，而水下保護(hù)劑能夠完全防止水泥分子的分散，澆筑過(guò)程中水體保持完全清晰。

圖3 不同技術(shù)砂漿水下澆筑對(duì)比演示試驗(yàn)Figure 3 Demonstration test for different underwater concrete technologies

自流控制灌漿技術(shù)則是基于自密實(shí)混凝土技術(shù)，根據(jù)灌漿對(duì)象的裂隙或孔隙特征，采用自密實(shí)水泥（粉煤灰）漿、砂漿或混凝土，利用其自密實(shí)性能，進(jìn)行無(wú)壓力灌漿。灌漿過(guò)程中，依靠對(duì)漿體自密實(shí)性能控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌漿范圍的控制。

下面簡(jiǎn)要介紹上述技術(shù)在西部水電工程中的應(yīng)用。

2 堆石混凝土壩技術(shù)

2.1 佰佳水電站工程

佰佳水電站位于陜西省安康市鎮(zhèn)坪縣境內(nèi)，正常蓄水位787m高程，死水位770m高程，總庫(kù)容2285萬(wàn)m3，總裝機(jī)容量4.98萬(wàn)kW，屬于Ⅲ等中型工程。主壩采用堆石混凝土雙曲拱壩，壩頂高程789m，最大壩高69m，壩頂厚度5m，外弧長(zhǎng)200.89m，是已建成的最高堆石混凝土拱壩。另外，貴州寶源堆石混凝土拱壩，壩高89.5m，已通過(guò)設(shè)計(jì)審查，近期將開(kāi)工建設(shè)。

佰佳堆石混凝土拱壩于2013年1月開(kāi)始混凝土澆筑，電站于2015年11月開(kāi)始發(fā)電，累計(jì)澆筑堆石混凝土方量約10萬(wàn)m3，澆筑過(guò)程及完建照片見(jiàn)圖4。根據(jù)工程測(cè)算，堆石混凝土綜合單價(jià)（考慮節(jié)約的溫控費(fèi)用）節(jié)省約140元/m3，還利用壩基開(kāi)挖的棄石料5萬(wàn)m3作為堆石料，節(jié)約成本約350萬(wàn)元，佰佳水電站提前3個(gè)月蓄水發(fā)電，新增銷(xiāo)售額約為1260萬(wàn)元，佰佳水電站采用堆石混凝土的綜合經(jīng)濟(jì)效益約3010萬(wàn)元。

圖4 佰佳水電站堆石混凝土澆筑過(guò)程Figure 4 Casting process of RFC in Baijia hydropower station

2.2 沙坪二級(jí)水電站工程

沙坪二級(jí)水電站位于四川省樂(lè)山市峨邊彝族自治縣和金口河區(qū)境內(nèi)，是大渡河中游22個(gè)規(guī)劃梯級(jí)中第20個(gè)梯級(jí)沙坪梯級(jí)的第二級(jí)，上接沙坪一級(jí)水電站，下鄰已建龔嘴水電站，為Ⅱ等大（2）型工程，樞紐主要由泄洪閘、魚(yú)道、右岸擋水壩段、河床式廠房等建筑物組成?；炷灵l壩壩頂高程557.0m，最大壩高63.0m，閘壩基礎(chǔ)采用堆石混凝土，首次在大中型水電站主體工程中應(yīng)用堆石混凝土。2014年5月，開(kāi)始堆石混凝土澆筑，8月24日完成堆石混凝土澆筑，方量約3萬(wàn)m3，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益185.06萬(wàn)元，還節(jié)約工期3個(gè)月。

圖5 沙坪二級(jí)水電站閘壩基礎(chǔ)堆石混凝土施工Figure 5 RFC construction in Shaping-Ⅱhydropower station

2.3 溪源水庫(kù)工程

溪源水庫(kù)工程位于福建省永安市，是一座灌溉為主兼有供水等綜合效益的水利樞紐工程，水庫(kù)正常蓄水位428m，總庫(kù)容1510萬(wàn)m3，為Ⅲ等中型水庫(kù)。工程主要由攔河壩、引水系統(tǒng)等建筑組成。攔河壩為堆石混凝土重力壩，壩高77m，壩頂寬度7m，壩底寬度63m，壩頂長(zhǎng)339m。工程項(xiàng)目于2016年5月27日開(kāi)工，2020年12月28日大壩主體全面完工，是福建省首座完工的堆石混凝土高壩工程。

圖6 溪源水庫(kù)堆石混凝土重力壩全景圖Figure 6 Photo of Xiyuan RFC gravity dam

3 水下自護(hù)混凝土技術(shù)

3.1 野三河水電站工程壩肩溶洞封堵

野三河水電站位于湖北省恩施土家族苗族自治州，始建于2008年，為Ⅲ等中型工程。電站建于巖溶地區(qū)，地質(zhì)情況復(fù)雜，巖體內(nèi)溶腔發(fā)育，右岸山體夾雜薄層頁(yè)巖。2010年4月，在水庫(kù)蓄水過(guò)程中，頁(yè)巖夾層被水壓擊穿，與發(fā)育溶腔連通，在右岸山體壩頂以下約70m處形成滲漏通道，全長(zhǎng)200m，溶腔最大直徑約2m，并逐步發(fā)展成涌水通道，出口流量最大為3～5m3/s，年損失發(fā)電量約2000萬(wàn)kWh。相繼采用常規(guī)灌漿、水下不分散混凝土等技術(shù)進(jìn)行封堵，均因溶腔內(nèi)流量、流速較大，封堵材料注入口過(guò)小，無(wú)法在水中有效固結(jié)實(shí)現(xiàn)封堵（見(jiàn)圖 7）。

圖7 野三河水電站滲漏部位Figure 7 Seepage in Yesanhe hydropower station

2012年，根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)和工程前期封堵情況，決定采用水下自護(hù)混凝土技術(shù)作為水下溶腔封堵的技術(shù)方案，以期利用自密實(shí)混凝土高流動(dòng)性、超強(qiáng)填充性能和高抗沖散能力，并利用水下保護(hù)劑提供的高抗分散能力，適當(dāng)降低溶腔流速，直接從壩頂鉆孔灌注水下保護(hù)劑和自密實(shí)混凝土，實(shí)現(xiàn)有效封堵（見(jiàn)圖8）。

圖8 澆筑方案示意圖 （單位：m）Figure 8 Sketch of casting （unit：m）

在前期工作基礎(chǔ)上，2013年1月，在適當(dāng)降低水位（水深約30m）的條件下，實(shí)施封堵（見(jiàn)圖9）。封堵后對(duì)封堵區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯，表明水下自護(hù)混凝土在水下未發(fā)生分散，與溶腔形成了有效的黏結(jié)，芯樣完整、光滑密實(shí)，具有高強(qiáng)度，封堵取得圓滿(mǎn)成功（見(jiàn)圖10）。

圖9 施工過(guò)程照片F(xiàn)igure 9 Photo of construction process

圖10 封堵后滲漏部位圖Figure 10 Seepage after SPUC completed

3.2 龍背灣水電站工程

龍背灣水電站位于湖北省十堰市官渡河中上游，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，水庫(kù)正常蓄水位520.00m，死水位485.00m，總庫(kù)容8.3億m3，為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，是官渡河的龍頭水電站。龍背灣水電站大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高158.3m，壩頂長(zhǎng)度465m，泄洪設(shè)施為開(kāi)敞式溢洪道3孔，設(shè)計(jì)泄洪流量6440m3/s。

2017年，在泄洪后檢查中發(fā)現(xiàn)溢洪道至放空洞出口擋墻下方出現(xiàn)約60m長(zhǎng)貼坡混凝土淘刷、沖毀現(xiàn)象（見(jiàn)圖11）。為確保貼坡混凝土上擋墻、山體安全，根據(jù)《龍背灣水電站溢洪道出口水毀部分修復(fù)方案專(zhuān)題咨詢(xún)會(huì)》意見(jiàn)，采用C30水下混凝土恢復(fù)原貼坡鋼筋混凝土。

淘刷部位處于水下，必須采用水下混凝土澆筑?？紤]到溢洪道下游貼坡混凝土被淘刷、沖毀，處于懸空狀態(tài)，如果在混凝土貼坡上鉆孔，鉆孔過(guò)程中的震動(dòng)和機(jī)械自重極易導(dǎo)致貼坡混凝土塌陷，出于安全考慮和保證混凝土澆筑質(zhì)量，采用了水下自護(hù)混凝土技術(shù)。由于水下自護(hù)混凝土具有優(yōu)良的自密實(shí)性能和水下澆筑性能，修補(bǔ)方案取消了橫向分倉(cāng)模板，為避免分層澆筑造成的層面缺陷，采用全倉(cāng)連續(xù)澆筑、一次成型的方案，根據(jù)不同位置，采用了不同澆筑方案（見(jiàn)圖 12）。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)澆筑方案示意圖Figure 12 Casting sketch

實(shí)際施工時(shí)，首先對(duì)水下保護(hù)劑進(jìn)行稀釋?zhuān)度肽０鍍?nèi)水體，然后開(kāi)始進(jìn)行混凝土水下澆筑。2018年7月9日上午9時(shí)58分開(kāi)倉(cāng)，7月12日中午12時(shí)30分收倉(cāng)，全程歷史75h（4天3夜無(wú)間斷），水毀面板和兩邊仍存板塊下脫空區(qū)域合計(jì)一倉(cāng)，共澆筑水下混凝土約880m3。龍背灣水電站溢洪道修補(bǔ)完成后，恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖13 澆筑過(guò)程及澆筑完成后照片F(xiàn)igure 13 Photos of casting and completed

4 自流控制灌漿技術(shù)

4.1 斜卡水電站工程

斜卡水電站位于四川省甘孜州九龍縣境內(nèi)，是九龍河左岸支流踏卡河“一庫(kù)兩級(jí)”規(guī)劃開(kāi)發(fā)方案中的龍頭水庫(kù)電站，電站裝機(jī)容量130MW，多年平均發(fā)電量5.21億kWh，水庫(kù)總庫(kù)容8485萬(wàn)m3，具有季調(diào)節(jié)能力。斜卡電站首部樞紐由攔河大壩、放空（導(dǎo)流）和溢洪洞等泄水建筑物組成。攔河大壩為混凝土面板堆石壩，水庫(kù)正常蓄水位3165.00m，校核洪水位3165.10m，壩頂高程3168.00m，最大壩高110.0m，壩頂長(zhǎng)度550m。

斜卡水電站地質(zhì)條件復(fù)雜，壩址巖層裂隙發(fā)育貫通，且裂隙節(jié)理走向復(fù)雜，壩區(qū)地下水豐富，存在孔隙潛水和基巖裂隙水（見(jiàn)圖14）。在帷幕灌漿時(shí)，直接采用水泥灌漿，因裂隙貫通導(dǎo)致漿液流失，難以固結(jié)封堵裂隙，灌漿不易達(dá)到設(shè)計(jì)壓力，需反復(fù)鉆灌和待凝，不僅施工復(fù)雜，耗漿量大，且灌漿試驗(yàn)證明難以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而采用膏狀漿液及其他灌漿方式，施工復(fù)雜，設(shè)備要求高，綜合成本較高。為了解決灌漿材料在大裂隙中的灌注距離控制和地下水環(huán)境中灌漿材料離析等問(wèn)題，2010年，中國(guó)電建水電七局基礎(chǔ)分局與清華大學(xué)合作開(kāi)展了自流控制灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。自流控制灌漿技術(shù)具有自流灌漿無(wú)壓力、在不同尺寸裂隙下流動(dòng)填充性可調(diào)節(jié)、水下不分散、綜合成本低等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)高效地解決了斜卡水電站巖基大裂隙的封堵難題。實(shí)際施工時(shí)，僅需針對(duì)不同裂隙情況，制備相應(yīng)性能的自密實(shí)砂漿，運(yùn)輸至裝料漏斗，在無(wú)壓狀態(tài)下依靠重力，從漏斗經(jīng)溜管緩慢流入灌漿孔孔口進(jìn)行灌漿（見(jiàn)圖15）。

圖14 基礎(chǔ)巖體裂隙Figure 14 Discontinuities in rock foundation

圖15 自流控制灌漿施工Figure 15 Construction of SCG

2011年5月開(kāi)始，斜卡水電站正式使用自流可控灌漿技術(shù)處理巖基裂隙，截至2013年8月28日的灌漿總量達(dá)27.21萬(wàn)m，灌注5219.65m3自流可控灌漿砂漿。對(duì)已灌漿區(qū)域進(jìn)行鉆孔取芯、孔內(nèi)電視、壓水試驗(yàn)及超聲波檢測(cè)等方式進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，表明灌入的砂漿與巖層結(jié)合緊密，灌漿質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。斜卡水電站經(jīng)多年運(yùn)行，防滲帷幕質(zhì)量?jī)?yōu)良，證明自流控制灌漿處理技術(shù)是非常成功的。

4.2 石堡子水庫(kù)工程

石堡子水庫(kù)位于甘肅省平?jīng)鍪腥A亭縣安口鎮(zhèn)境內(nèi)，為華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤制甲醇公司供水水庫(kù)，總庫(kù)容710萬(wàn)m3，為Ⅳ等?。?）型工程，水庫(kù)正常蓄水位1423.90m。主壩為混凝土面板堆石壩，壩頂長(zhǎng)185.3m，壩頂寬6m，最大壩高43.91m。水庫(kù)工程大壩于2007年6月28日正式開(kāi)工，2009年9月30日完工。2014年8月，南京水科院組織專(zhuān)家對(duì)石堡子水庫(kù)進(jìn)行大壩安全檢測(cè)，鑒定為“三類(lèi)壩”，鑒定結(jié)果顯示大壩壩體防滲面板出現(xiàn)裂縫且底部脫空明顯，止水損壞，壩體滲漏量大；壩體填筑質(zhì)量差、變形過(guò)大，防滲體系破壞，大壩存在嚴(yán)重病險(xiǎn)（見(jiàn)圖16），建議進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理。中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院與清華大學(xué)合作，開(kāi)展了利用自流控制灌漿技術(shù)進(jìn)行堆石壩加固的相關(guān)研究，針對(duì)堆石壩體孔隙率較高，采取壩體鉆孔進(jìn)行自流控制灌漿，以提高壩體密實(shí)度，增強(qiáng)大壩模量，控制大壩變形。

圖16 大壩壩頂變形及開(kāi)裂照片F(xiàn)igure 16 Deformation and cracking at dam crest

在大壩1422m高程設(shè)置灌漿平臺(tái)，布置充填灌漿孔和檢查孔。在灌漿孔中下花管，通過(guò)花管進(jìn)行灌漿，在灌漿過(guò)程中需要考慮壩體孔隙尺度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)確定的參數(shù)選擇不同流動(dòng)性的灌漿材料，孔隙尺度由小至大應(yīng)分別選擇超高流動(dòng)性、高流動(dòng)性和低流動(dòng)性灌漿料進(jìn)行灌漿，以確保自密實(shí)砂漿在孔隙中的通過(guò)充填能力（見(jiàn)圖17）。

圖17 大壩自流可控灌漿施工Figure 17 Construction of SGC in dam

2017年12月17日開(kāi)始鉆孔，2018年1月14日鉆孔結(jié)束，2018年1月15日灌漿結(jié)束，共完成灌漿孔478個(gè)，總進(jìn)尺17476m，完成檢查孔14個(gè)，總進(jìn)尺495.3m，完成灌漿24956t，平均單耗1.43t/m。對(duì)壩體灌漿質(zhì)量進(jìn)行了鉆孔檢測(cè)，采用孔內(nèi)電視和深層核子密度儀，孔內(nèi)電視檢測(cè)孔隙率平均值為19.6%，深層核子密度儀檢測(cè)孔隙率平均值為20.2%，全部達(dá)到設(shè)計(jì)提出的小于23%孔隙率要求，與加固前壩體28%孔隙率相比，石堡子水庫(kù)面板堆石壩的安全性得到顯著加強(qiáng)，自流可控灌漿技術(shù)進(jìn)行除險(xiǎn)加固，很好地滿(mǎn)足了工程需求，并較好地控制了工程投資。

5 結(jié)束語(yǔ)

堆石混凝土系列技術(shù)的研發(fā)和工程應(yīng)用證明，堆石混凝土、水下自護(hù)混凝土和自流控制灌漿等創(chuàng)新技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，質(zhì)量?jī)?yōu)良，工藝簡(jiǎn)單，環(huán)境友好，豐富的研究成果和寶貴的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為堆石混凝土系列技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，這些基于堆石混凝土技術(shù)的系列新技術(shù)必將為我國(guó)和“一帶一路”國(guó)家的水利水電工程建設(shè)發(fā)揮更大作用。